DE19945773A1 - Vorrichtung zum Monochromatisieren von Neutronen- oder Röntgenstrahlen - Google Patents

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.

Bezugszeichenliste

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.