DE19606913C1 - Kipptisch für einen Synchrotronstrahlungs-Monochromatorkristall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kipptisch für einen Synchrotron­ strahlungs-Monochromatorkristall, mit einer Tischplatte zum Tragen des Monochromatorkristalls, einem Gelenk, das die Tisch­ platte über einem Träger hält, und einem ersten Piezo-Stellele­ ment, das entfernt von der Drehachse des Gelenks eine Kraft zwi­ schen Tischplatte und Träger ausübt, um die Tischplatte steuer­ bar gegen den Träger um das Gelenk zu verschwenken.

Monochromatorkristalle werden z. B. in Doppel-Kristallmonochro­ matoren verwendet, um aus einem einfallenden Strahl mit kontinu­ ierlichem Energiespektrum eine gewünschte Strahlungsenergie zu selektieren. Eine typische Anwendung für spektral und räumlich selektierende Anordnungen mit Monochromatorkristallen findet sich bei der Verwertung von Synchrotronstrahlung, die wegen ihrer hohen Intensität und der Breite des zur Verfügung stehen­ den Energiespektrums große Bedeutung für viele experimentelle Verfahren wie auch industrielle Anwendungen (z. B. Röntgenlitho­ graphie) gewonnen hat.

Zur Synchrotronstrahlungserzeugung werden Elektronenspeicherrin­ ge verwendet. Die sogenannten Doppel-Kristall-Monochromatoren werden eingesetzt, um aus der breitbandigen Synchrotronstrahlung einen schmalen Wellenlängenbereich, z. B. im Röntgenspektrum, herauszufiltern. Dazu wird der Synchrotronstrahl auf einen Mono­ chromatorkristall gelenkt, an dessen Kristallgitterebenen die Strahlung reflektiert wird. Jede Wellenlänge wird dabei unter einem anderen Winkel, dem sogenannten Bragg-Winkel, reflektiert. Ein zweiter Monochromatorkristall, der parallel zu dem ersten Monochromatorkristall angebracht ist, reflektiert den nunmehr monochromatischen Strahl wieder in die Horizontale. Zum Beispiel werden zur Erzeugung monochromatischer Röntgenstrahlung vorzugs­ weise Siliziumkristalle als Monochromatorkristalle verwendet. Wesentliche Voraussetzung für die Erzeugung eines monochromati­ schen Strahls mit genau definierter Wellenlänge ist, daß die Kristallgitterebenen beider Monochromatorkristalle exakt parallel zueinander ausgerichtet sind. Schon eine Abweichung von 0,001° hat einen enormen Intensitätsverlust des monochromati­ schen Strahls zur Folge.

Herkömmlicherweise ist, wie in der Fig. 2 als schematische Ansicht im Querschnitt senkrecht zur Tischplattenoberfläche dargestellt ist, einer der beiden Monochromatorkristalle (nicht gezeigt) auf einer Tischplatte 10 eines Kipptisches befestigt. Die Tischplatte 10 wird von einem Festkörpergelenk 20 über einem Träger 30 gehalten, das eine Drehachse definiert. Ein Piezo-Stellelement 40 befindet sich entfernt von der Drehachse und übt eine Kraft zwischen der Tischplatte 10 und dem Träger 30 aus. Durch Verändern einer Spannung an das Piezo-Stellelement 40 kann die Tischplatte 10 steuerbar gegen den Träger 30 um das Festkör­ perelement 20 stufenlos verschwenkt werden. Damit kann die Kris­ tallgitterebene des schwenkbaren Monochromatorkristalls sehr genau in bezug auf die Ebene des fest montierten Monochromator­ kristalls ausgerichtet und die Intensität der monochromatischen Strahls maximiert werden. Die an dem Piezo-Stellelement 40 an­ liegende Spannung variiert dabei üblicherweise zwischen 0 V bis 1000 V.

Die Tischplatte 10 kann in die Ausgangsposition zurückgeschwenkt werden, indem die Spannung zurückgenommen wird. Aufgrund der Hysterese des Piezo-Stellelements 40 vollzieht sich die Längen­ änderung des Piezo-Stellelements beim Rückstellvorgang jedoch nicht linear zur Spannungsänderung. Unter Hysterese ist das physikalische Phänomen zu verstehen, daß die Längenänderung des Piezo-Stellelements nicht nur von der Spannungsänderung, sondern auch von dem vorherigen Ausdehnungszustand des Piezo-Stellele­ ments abhängig ist. Wird das Piezo-Stellelement von einer ausge­ dehnten Position wieder zurückgefahren, so bewirkt eine lineare Spannungsverringerung zunächst nur eine unbedeutende Längenände­ rung. Ab einer bestimmten Spannung ändert sich die Länge dann rapide. Um eine Längenänderung des Piezo-Stellelements zu bewir­ ken, die proportional zu einer linearen Spannungsänderung er­ folgt, wird eine zusätzliche Rückstellkraft, z. B. durch ein Festkörperelement 20 zwischen Tischplatte 10 und Träger 30, auf­ gebracht, während die an dem Piezo-Stellelement 40 anliegende Spannung verringert wird. Die Rückstellkraft ist jedoch noch zu gering, so daß zusätzlich dem Piezo-Stellelement 40 entgegenwir­ kende Federn 50 zwischen der Tischplatte 10 und dem Träger 30, gegenüberliegend von dem Piezo-Stellelement 40 und dem Festkör­ pergelenk 20, angebracht sind. Üblicherweise werden Teller- oder Spiralfedern verwendet. Durch die Federn 50 wird jedoch die obere Grenzfrequenz in den Bereich von unter 30 Hz reduziert. Für einige Anwendungen ist dies jedoch zu niedrig.

Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Kipptische ist, daß der Verstellwinkel zwischen Tischplatte und Träger aufgrund der maximal zulässigen Bauhöhe von ca. 30 bis 40 mm auf ca. 0,10 begrenzt ist. Außerdem ist die Genauigkeit der Einstellbarkeit des Verstellwinkels durch die Hysterese der Piezo-Stellelemente begrenzt.

Für spezielle Messungen bei der schnellen Röntgenabsorptions­ spektroskopie (Quick extended X-ray absorption fine structure QEXAFS) werden beide Monochromatorkristalle jeweils einzeln oder auch gemeinsam (z. B. Channel-Cut-Kristalle) auf einem Kipptisch montiert und die Piezo-Stellelemente mit einem Wechselspannungs­ signal von 10 Hz bis 500 Hz angesteuert. Dabei sind Verstell­ winkel von 0,1° bis über 1° notwendig, die mit herkömmlichen Kipptischen nicht erzielt werden können.

Aus der DE 44 25 594 A1 ist ein Monochromatorkristall bekannt, der eine Reflexionsfläche und zwei seitliche Trägerwände auf­ weißt, die in einer Halterung eingespannt sind. Im Bereich zwi­ schen den Trägerwänden kann der Reflexionsfläche von hinten Kühlmittel zugeführt werden. Die Reflexionsfläche steht seitlich über die Trägerwände hinaus, und es wirken auf beide herausste­ henden Bereiche Stellmittel ein, die zwischen den hinausstehen­ den Bereichen und der Halterung steuerbar Kraft ausüben können. Durch diese adaptive Monochromatorkristallgestaltung sollen Verformungen der Reflexionsfläche, die bei Aufheizung durch Synchrotronstrahlung auftreten können, mechanisch möglichst weitgehend kompensiert werden, um eine möglichst ebene Refle­ xionsfläche zu gewährleisten.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kipptisch der eingangs genannten Art für einen Synchrotronstrahlungs-Monochro­ matorkristall zu schaffen, bei dem die Grenzfrequenz möglichst hoch ist, um schnellen Bewegungen folgen zu können. Eine Aus­ führungsform sollte bei gleichbleibender Bauhöhe einen im Ver­ gleich zu herkömmlichen Kipptischen größeren Verstellwinkel zwischen Tischplatte und Träger haben.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen aufgeführt.

In dem erfindungsgemäßen Kipptisch ist ein zweites Piezo-Stell­ element im Abstand von der Drehachse des Gelenks und in bezug auf diese Drehachse gegenüberliegend zu dem ersten Piezo-Stell­ element angeordnet. Dieses zweite Piezo-Stellelement übt eine dem ersten Piezo-Stellelement entgegenwirkende Kraft zwischen Tischplatte und Träger aus. Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht es, eine steuerbare Gegenkraft zu dem ersten Piezo-Stellelement aufzubringen. Damit werden die Auswirkungen der Hy­ sterese minimiert und der Verstellwinkel kann genauer einge­ stellt werden. Außerdem muß das Gelenk keinerlei Rückstellkräfte mehr aufnehmen. Es kann daher schwächer dimensioniert werden als bei herkömmlichen Kipptischen, wodurch die Grenzfrequenz gestei­ gert wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Festkörperelement hohl mit einem Abschnitt senkrecht zu der Tischplatte und einem Abschnitt parallel zu dem Träger ausge­ führt. Die Piezo-Stellelemente sind parallel zu dem Träger an­ geordnet und üben jeweils eine Kraft zwischen dem Träger und dem senkrechten Abschnitt aus. Verglichen mit herkömmlichen Kipp­ tischen nehmen die Piezo-Stellelemente somit eine geringere Bauhöhe ein. Die eingesparte Bauhöhe ist in der vorteilhaften Ausführungsform genutzt worden, um ein Festkörpergelenk zu bil­ den, durch das bei gleicher Längenausdehnung der Piezo-Stell­ elemente größere Verstellwinkel erzielt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen erläutert, in denen:

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Schnittansicht einer Aus­ führung eines Kipptischs entsprechend der Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine schematische dargestellte Schnittansicht eines herkömmlichen Kipptischs zeigt.

In einer ersten, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfin­ dung, wird an die Stelle der Feder 50 ein zweites Piezo-Stell­ element 60 angebracht, daß ebenfalls über eine Spannung ange­ steuert wird. Durch gegenläufige Ansteuerung der beiden Piezo-Stellelemente 40, 60 wird die Hysterese minimiert. Das Festkör­ pergelenk 20 muß keinerlei Rückstellkräfte mehr aufnehmen, so daß es schwächer dimensioniert werden kann. Dadurch steigt die Grenzfrequenz an und das Festkörpergelenk 20 kann ohne Materi­ alermüdung schnelleren Bewegungen folgen.

In Fig. 1 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung als schematische Ansicht im Querschnitt senkrecht zur Tischplatten­ oberfläche gezeigt. Das Festkörpergelenk 20 hat einen von der Tischplatte 10 getragenen und in bezug auf diese senkrechten Abschnitt mit zwei gegenüberliegenden Wänden 70a, 70b. Diese sind im Abstand von einem virtuellen Drehpunkt 80 angeordnet, um welchen die Tischplatte 10 gegen den Träger 30 verschwenkt wird. Weiterhin hat das Festkörpergelenk 20 zwei in bezug auf den Träger 30 parallele Abschnitte 90a, 90b, die auf einer Seite je­ weils von einer Wand 70a bzw. 70b des senkrechten Abschnitts und auf der anderen Seite von dem Träger 30 getragen werden. Die Piezo-Stellelemente 40, 60 sind parallel zu dem Träger 30 an­ geordnet und üben jeweils eine Kraft zwischen dem Träger 30 und dem senkrechten Abschnitt des Festkörpergelenks 20 aus. Durch die liegende Anordnung können sie näher am Drehpunkt des Kipp­ tisches angreifen. Dies hat größere Verstellwinkel bei gleichbleibender Bauhöhe und gleicher Längenausdehnung der Pie­ zo-Stellelemente 40, 60 zur Folge.

Die Ansteuerung der Piezostellelemente 40, 60 erfolgt mit zwei synchronen um 180° phasenverschobenen Mischspannungssignalen. Diese setzen sich jeweils aus einer Wechselspannung (max. 1000 V_ss) und einem unterlagerten Gleichspannungsoffset (ca. 500 V) zusammen. Letzterer dient der elektrischen Vorspannung der Pie­ zo-Stellelemente. Die positiven Halbwellen (500 V bis 1000 V) regen das erste Piezo-Stellelement 40 an, während gleichzeitig die negativen Halbwellen (500 V bis 0 V) dafür sorgen, daß sich das zweite Piezo-Stellelement 60 zusammenzieht. Dieser Effekt wird durch das zeitgleiche Auslenken von Piezo 40 beschleunigt. Bei dem nachfolgenden Halbwellenpaar wird der Vorgang umgekehrt. Das Piezo-Stellelement 60 lenkt aus, dadurch wird das Piezo-Stellelement 40 zusammengedrückt.

Claims (4)

1. Kipptisch für einen Synchrotronstrahlungs-Monochromatorkri­ stall, mit:
einer Tischplatte (10) zum Tragen des Monochromatorkri­ stalls,
einem Gelenk (20), das die Tischplatte (10) über einem Trä­ ger (30) hält,
einem ersten Piezo-Stellelement (40), das entfernt von der Drehachse des Gelenks (20) eine Kraft zwischen Tischplatte (10) und Träger (30) ausübt, um die Tischplatte (10) steu­ erbar gegen den Träger (30) um das Gelenk (20) zu verschwen­ ken, gekennzeichnet durch
ein zweites Piezo-Stellelement (60), das entfernt von der Drehachse des Gelenks (20) und in bezug auf diese Drehachse gegenüberliegend zu dem ersten Piezo-Stellelement (40) an­ geordnet ist und eine dem ersten Piezo-Stellelement (40) entgegenwirkende Kraft zwischen Tischplatte (10) und Träger (30) ausüben kann.

2. Kipptisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Piezo-Stellelement (40, 60) von identischer Bauart sind und in bezug auf das Gelenk (20) symmetrisch angeordnet sind.

3. Kipptisch nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenk (20) als Festkörpergelenk ausgebildet ist.

4. Kipptisch nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörpergelenk (20) einen von der Tischplatte (10) getra­ genen und in bezug auf diese senkrechten Abschnitt mit zwei gegenüberliegenden Wänden (70a, 70b) im Abstand von einem virtuellen Drehpunkt (80) und zwei in bezug auf den Träger (30) parallele Abschnitte (90a, 90b) hat, die auf einer Seite jeweils von einer Wand (70a bzw. 70b) des senkrechten Abschnitts und auf der anderen Seite von dem Träger (30) getragen werden, wobei die Piezo-Stellelemente (40, 60) jeweils eine Kraft zwischen dem Träger (30) und dem senk­ rechten Abschnitt des Festkörpergelenks (20) ausüben.