DE19945773A1 - Vorrichtung zum Monochromatisieren von Neutronen- oder Röntgenstrahlen - Google Patents
Vorrichtung zum Monochromatisieren von Neutronen- oder RöntgenstrahlenInfo
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Abstract
Vorrichtung (10) zum Monochromatisieren von Neutronen- oder Röntgenstrahlen (11), umfassend wenigstens einen Monochromatorkristall (12), auf den die Neutronen- oder Röntgenstrahlen (11) gerichtet und nach der daran erfolgenden Reflexion als monochromatisierte Neutronen- und Röntgenstrahlen (14) abgegeben werden. Dabei ist der Monochromatorkristall (12; 13) auf der Oberfläche (150; 151) eines planparallelen, für Neutronen- oder Röntgenstrahlen (11, 14) durchlässigen Trägerelementes (15) angeordnet.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Monochroma
tisieren von Neutronen- oder Röntgenstrahlen, umfassend
wenigstens einen Monochromatorkristall, auf den die
Neutronen- oder Röntgenstrahlen gerichtet und nach der
daran erfolgenden Reflexion als monochromatisierte
Neutronen- oder Röntgenstrahlen abgegeben werden.
Aus geeigneten Elementen bestehende Kristallelemente
werden in den verschiedensten wissenschaftlichen und
technischen Bereichen eingesetzt, um für bestimmte
Untersuchungen Neutronen- und Röntgenstrahlen zu mono
chromatisieren. Vorrichtungen der eingangs genannten Art
können beispielsweise in Neutronenreflektometern und
Kleinwinkelneutronenstreuanlagen zum Einsatz kommen, um
auf optimale Weise deren Betriebsmodus verändern zu
können. Beispielsweise kann durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung eine Kleinwinkelstreuapparatur optional auf
einfache Weise derart in der Auflösung verbessert
werden, daß Reflexionsexperimente mit hoher Auflösung
möglich sind.
Bisher wurden Vorrichtungen dieser Art durch sehr
aufwendige, feinmechanische Vorrichtungen realisiert,
die wiederrum sehr aufwendige Justiereinrichtungen
aufwiesen. Bei der Reflexion der Neutronen- und Rönt
genstrahlen an dem Monochromatorkristall werden physi
kalisch die Bragg-Reflexionsbedingungen von Neutronen-
oder Röntgenstrahlen am Kristallgitter des Monochroma
torkristalls für die Monochromatisierung ausgenutzt.
Insofern müssen die Netzebenen der Kristalle hochgenau
relativ zu den einfallenden Neutronen- und Röntgenstrah
len justiert werden. Die vorgenannten feinmechanischen
Justiervorrichtungen, die dazu dienen, sind in der
Herstellung nur sehr kostenträchtig realisierbar (Her
stellungspreis < DM 10.000,--). Zudem sind die bekannten
Vorrichtungen bzw. die Justiervorrichtungen der bekann
ten Vorrichtungen bisweilen auch für die Untersuchung
von Kleinwinkelstreuungen nicht in jedem Falle hin
reichend genau und stabil, so daß dieser Nachteil sich
zu den sehr hohen Herstellungskosten addiert. Zudem sind
die bisherigen mechanischen Justiervorrichtungen auch
empfindlich in bezug auf äußere Einwirkungen, d. h.
Erschütterungen, Umgebungstemperatur und Druck- sowie
Luftfeuchtigkeitsänderungen.
Es ist somit Rufgabe der vorliegenden Erfindung eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit
der einerseits eine hochgenaue, weitgehend von Umge
bungsparametern unabhängige Monochromatisierung von
Neutronen- und Röntgenstrahlen möglich ist, mit der
zudem beispielsweise vorhandene Monochromatorkristalle
einer erneuten Verwendung zugeführt werden können, die
verhältnismäßig einfach aufgebaut ist und kostengünstig
realisiert werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß
der Monochromatorkristall auf der Oberfläche eines
planparallelen, für Neutronen- oder Röntgenstrahlen
durchlässigen Trägerelementes angeordnet ist.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt
darin, daß diese einen äußerst geringen Justieraufwand
benötigt, da letztlich nur ein planparalleles, für
Neutronen- und Röntgenstrahlen durchlässiges Trägerele
ment erforderlich ist, auf dem der Monochromatorkristall
auf dessen Oberfläche angeordnet ist. Ein derartiges
planparalleles, für Neutronen- und Röntgenstrahlen
durchlässiges Trägerelement ist einfach beschaff- und
somit bereitstellbar, wobei dabei auf durch die Indu
strie angebotene Halbzeuge aus geeigneten Werkstoffen
zurückgegriffen werden kann.
Bei der Monochromatisierung von Neutronen- oder Rönt
genstrahlen unter den Bedingungen der Bragg-Reflexion
entstehen normalerweise große Ablenkwinkel. Derartige
große Ablenkwinkel sind in vielen Fällen nicht reali
sierbar und in vielen Fällen auch unerwünscht, wenn
beispielsweise große experimentelle Aufbauten, wie sie
normalerweise bei Neutronenstreuungsexperimenten zu
erwarten sind, realisiert werden mußten. Aus diesem
Grunde ist es äußerst vorteilhaft, auf beiden Oberflä
chen des Trägerelementes jeweils ein Monochromatorkri
stall anzuordnen, wobei beide Monochromatorkristalle,
bezogen auf deren jeweils gedachte Oberflächennormalen,
die im wesentlichen mittig auf den Monochromatorkristal
len (gedacht) anzuordnen sind, voneinander beabstandet
sind. Eine derartige vorzugsweise Ausgestaltung der
Vorrichtung bildet faktisch einen sogenannten Doppelkri
stallmonochromator, um die einfallenden Neutronen- und
Röntgenstrahlen wieder in ihre ursprünglich Richtung zu
zwingen, allerdings mit einem Versatz, bedingt durch die
zweifache Reflexion am ersten Monochromatorkristall und
am zweiten Monochromatorkristall. Durch das planparalle
le Trägerelement sind die Monochromatorkristalle fort
während parallel ausgerichtet, wobei das Trägerelement,
wie oben schon angedeutet, so ausgewählt wird, daß
Neutronen- und Röntgenstrahlen ohne signifikante Ab
schwächung durch das Trägerelement hindurchgehen können.
Vorzugsweise besteht das Trägerelement aus einem Halb
leiterwerkstoff, beispielsweise vorzugsweise aus Sili
zium bzw. vorzugsweise aus Germanium. Halbleiterwerk
stoffe der voraufgeführten Art zeigen eine geringe
Durchlaßdämpfung für Neutronen- und zumindest hochener
getische Röntgenstrahlen, die vernachlässigbar klein ist
und bei Experimenten mit Neutronen- und zumindest
hochenergetischen Röntgenstrahlen faktisch nicht signi
fikant in Erscheinung tritt. Zudem sind Halbleiterwerk
stoffe zumindest in undotierter Form sehr kostengünstig
bereitstellbar und werden in großen Mengen in der
Halbleiterindustrie zur Herstellung von Wafern verwen
det, aus denen dann elektronische Bauelemente wie
integrierte Schaltkreise und dergleichen hergestellt
werden.
Da somit planparallele scheibenförmige Elemente zur
Ausbildung der erfindungsgemäß verwendeten Trägerele
mente als Vorprodukte bzw. Halbzeuge industriell ange
boten werden und somit zur Verfügung stehen, ist es
äußerst vorteilhaft, als Trägerelemente beispielsweise
Wafer-Scheiben zu verwenden, die eine hohe Oberflächen
parallelität aufweisen und ebenfalls Oberflächenstruk
turen, die eine unmittelbare Reflexionsbeeinflussung
darauf auffallender Neutronen- und zumindest hochener
getischer Röntgenstrahlen faktisch ausschließen. Ferner
werden die industriellen Bearbeitungstechnologien (z. B.
Polieren) von Siliziumwafern beherrscht, so daß auch
exakt planparallel polierte Siliziumwafer kostengünstig
erhältich sind.
Als Monochromatorkristall eignen sich grundsätzlich alle
Elemente, die ein ausreichend großes Reflexionsverhalten
unter der Bragg'schen Reflexionsbedingung zeigen.
Insbesondere vorteilhaft ist es, als Monochromatorkri
stall Graphit zu verwenden.
Um in Abhängigkeit der gewünschten Wellenlänge der
Neutronen- und Röntgenstrahlen eine optimale Position
der Monochromatorkristalle relativ zueinander einstellen
zu können, da sich der Bragg'sche Winkel mit der Wel
lenlänge ändert, ist es vorteilhaft, wenigstens einen
Monochromatorkristall relativ zu dem anderen Monochroma
torkristall zur Veränderung deren Abstandes voneinander
verschiebbar auszubilden. Auf diese Weise ist es leicht
möglich, die optimale Position der Monochromatorkristal
le in Abhängigkeit der Wellenlänge einzustellen. Da es
sich nur um eine parallele Verschiebung relativ zu den
beiden planparallelen Oberflächen des Trägerelementes
handelt und dabei keine Kippung bzw. Verstimmung der
Monochromatorkristalle mit ihren Reflexionsflächen
aufeinander zu- bzw. voneinander weg handelt, ist eine
derartige Verschiebbarkeit auch mit sehr einfachen
technischen Mitteln bewirkbar.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach
folgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Aus
führungsbeispieles im einzelnen beschrieben. Darin zei
gen:
Fig. 1 in Form eines Blockaufbaus eine Draufsicht auf
die Vorrichtung und
Fig. 2 ein gemessenes Transmissionsverhalten der
Vorrichtung als Funktion des Einfallswinkels
von auf die Vorrichtung gerichteter Neutronen
strahlen.
Es wird zunächst Bezug genommen auf die Darstellung
gemäß Fig. 1. Die Vorrichtung 10 besteht bei der in der
Figur dargestellten Ausführungsform aus einem für
Neutronen- und Röntgenstrahlen 11, 14 durchlässigen
Trägerelement 15, das beispielsweise für Neutronen aus
einem handelsüblich beziehbaren bzw. bereitstellbaren
Silizium-Wafer bestehen kann, der eine hohe Planparal
lelität beider Oberflächen 150, 151 aufweist. Das
Trägerelement 15 ist, bezogen auf die Darstellung der
Fig. 1, um eine hier nicht gesondert dargestellte Achse,
die in Lotrichtung zur Grundplatte 17 ausgebildet ist,
drehbar. Auf beiden Oberflächen 150, 151 des Trägerele
mentes 15 ist jeweils ein Monochromatorkristall 12, 13,
der beispielsweise aus Graphit bestehen kann, angeord
net. Beide Monochromatorkristalle 12, 13 sind, bezogen
auf deren jeweils gedachte Oberflächennormalen 152, 153,
die in Lotrichtung auf die Oberflächen 150, 151 des
Trägerelementes 15 ausgerichtet sind, voneinander
beabstandet 16. Wenigstens einer der Monochromatorkri
stalle 12, 13 ist relativ zu dem anderen Monochromator
kristall 12, 13 über hier nicht dargestellte Verschie
bungs- und Führungsmittel verschiebbar. Dadurch kann
deren Abstand 16 voneinander, bezogen beispielsweise auf
die schon erwähnten Oberflächennormalen 152, 153,
verändert werden. Dieses ist für bestimmte Fälle erfor
derlich. Die Veränderung der Wellenlängen der Neutronen-
und Röntgenstrahlen 12, 13 haben eine Veränderung der
Braggwinkel zur Folge. Durch die Veränderung kann somit
dieser veränderten Wellenlänge durch Veränderung der
Position der Monochromatorkristalle 12, 13 Rechnung
getragen werden.
Zum Betrieb der Vorrichtung 10 werden von einer Neu
tronen- bzw. Röntgenquelle (nicht dargestellt) kommende
Neutronen- bzw. Röntgenstrahlen 11 auf einen geeigneten
Einfallwinkel zwischen Oberfläche 150, 151 des Träger
elementes 15 bzw. den darauf flächenparallel angeord
neten Monochromatorkristall 12 gedreht. Am Monochroma
torkristall 12 werden die darauf einfallenden Neutronen-
bzw. Röntgenstrahlen 11 reflektiert und auf den zweiten
Monochromatorkristall 13 gerichtet, von wo die Neu
tronen- und Röntgenstrahlen wiederum unter Bragg-Be
dingungen reflektiert und als reflektierte Neutronen-
bzw. Röntgenstrahlen 14 aus der Vorrichtung 10 im
wesentlichen in der gleichen Richtung wie die auf die
Vorrichtung gerichteten eintretenden Neutronen- bzw.
Röntgenstrahlen 11 austreten. Durch Verwendung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung entfällt die bisher
notwendige aufwendige Justiervorrichtung, die bei den
bisherigen Doppelkristallmonochromatoren zur Paralleli
sierung der Netzebenen der beiden Monochromatorkristalle
notwendig war. So ist jetzt nur noch eine Richtung, die
Richtung des gesamten Doppelkristallmonochromators zum
Neutronen- oder Röntgenstrahl zu justieren.
Im Fall des Doppelkristallmonochromators müssen zusätz
lich die Netzebenen bzw. Kristalloberflächen der beiden
Monochromatorkristalle hochgenau parallel zueinander
justiert werden. Die physikalischen Mechanismen der
Monochromatisierung einer Reflexion am Kristallgitter
unter Bragg-Bedingungen sind der Fachwelt ansonsten
bekannt und brauchen hier nicht weiter erörtert zu
werden.
Vorzugsweise werden die auf die Vorrichtung 10 gerich
teten Neutronen- bzw. Röntgenstrahlen 11 mittels eines
Kollimators 18 im Strahlquerschnitt begrenzt, was
ebenfalls bezüglich der reflektierten Neutronen- bzw.
Röntgenstrahlen 14 mittels eines zweiten Kollimators 19
geschehen kann. Der Kollimator kann als Strahlabsorber
ausgebildet sein.
Der Werkstoff des Trägerelementes 15, beispielsweise in
Form eines Halbleiterwerkstoffs, ist derart ausgewählt,
daß eine werkstoffbedingte Dämpfung der Durchtrittsin
tensität der Neutronen- bzw. Röntgenstrahlen 11 vernach
lässigbar klein ist.
Mittels eines Versuches wurde die Funktionsfähigkeit der
Vorrichtung 10 in bezug auf das Transmissionsverhalten
gegenüber bereits kollimierter und monochromatisierter
Neutronenstrahlen bei einer Wellenlänge von 0,43 nm
untersucht, und zwar als Funktion des Einfallswinkels.
Es wurde dabei ein maximaler Transmissionsgrad von 25%,
vergleiche Fig. 2, erhalten. Es ergab sich eine schmale
Transmissionskurve entsprechend der Mosaikverteilung der
Monochromatorkristalle 12, 13. Aus Fig. 2 ist der Winkel
2° ersichtlich, der dem optimalen Arbeitswinkel ent
spricht (Einfallswinkel des Neutronenstrahls 11 =
Braggwinkel der Monochromatorkristalle 12, 13). Ein über
die ermittelte maximale Transmission von 25% hinausge
hender Wert war aufgrund der Art der verwendeten Mono
chromatorkristalle 12, 13 nicht möglich.
10
Vorrichtung
11
Neutronen- und Röntgenstrahlen (einfallend)
12
Monochromatorkristall
13
Monochromatorkristall
14
Neutronen- und Röntgenstrahlen (reflektiert)
15
Trägerelement
150
Oberfläche (Trägerelement)
151
Oberfläche (Trägerelement)
152
Oberflächennormale
153
Oberflächennormale
16
Abstand
17
Grundplatte
18
Kollimator
19
Kollimator
Claims (8)
1. Vorrichtung zum Monochromatisieren von Neutronen-
oder Röntgenstrahlen, umfassend wenigstens einen Mono
chromatorkristall, auf den die Neutronen- oder Röntgen
strahlen gerichtet und nach der daran erfolgenden
Reflexion als monochromatisierte Neutronen- oder Rönt
genstrahlen abgegeben werden, dadurch gekennzeichnet,
daß der Monochromatorkristall (12; 13) auf der Oberflä
che (150; 151) eines planparallelen, für Neutronen- oder
Röntgenstrahlen (11, 14) durchlässigen Trägerelementes
(15) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß auf beiden Oberflächen (150, 151) des Trägerele
mentes (15) jeweils ein Monochromatorkristall (12, 13)
angeordnet ist, wobei beide Monochromatorkristalle (12,
13), bezogen auf deren jeweils gedachte Oberflächennor
malen (152, 153), voneinander beabstandet sind.
3. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement
(15) aus einem Halbleiterwerkstoff besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Halbleiterwerkstoff Silizium ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Halbleiterwerkstoff Germanium ist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement aus
einer Wafer-Scheibe herstellbar ist.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Monochromatorkri
stall (12, 13) aus Graphit besteht.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein
Monochromatorkristall (12; 13) relativ zu dem anderen
Monochromatorkristall (12; 13) zur Veränderung deren
Abstandes (16) voneinander verschiebbar ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999145773 DE19945773C2 (de) | 1999-09-24 | 1999-09-24 | Vorrichtung zum Monochromatisieren von Neutronen- oder Röntgenstrahlen |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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DE19945773C2 DE19945773C2 (de) | 2002-02-07 |
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DE1999145773 Expired - Fee Related DE19945773C2 (de) | 1999-09-24 | 1999-09-24 | Vorrichtung zum Monochromatisieren von Neutronen- oder Röntgenstrahlen |
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---|---|
DE (1) | DE19945773C2 (de) |
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1999
- 1999-09-24 DE DE1999145773 patent/DE19945773C2/de not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19945773C2 (de) | 2002-02-07 |
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Legal Events
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Effective date: 20140401 |