DE19962198C2 - Irradiation facility with a highly flexible membrane bellows - Google Patents

Irradiation facility with a highly flexible membrane bellows

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Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Einrichtung zur Be­ strahlung einer Probe in einer Probenkammer unter vorbe­ stimmten Bestrahlungswinkeln und zur Beobachtung der Probe oder zur Detektion von Streustrahlung, die von der Probe ausgeht, unter vorbestimmten Beobachtungswinkeln, wobei in der Probenkammer ein Druckunterschied gegenüber der Umge­ bung gegeben ist. Die Erfindung betrifft auch ein Vakuum­ verbindungselement für Komponenten einer Anlage zur Be­ strahlung bzw. Streustrahlungsmessung an einer Probe oder zur Beobachtung der Probe unter verstellbaren Winkeln.The invention relates generally to a device for loading radiation of a sample in a sample chamber under vorbe agreed radiation angles and to observe the sample or for the detection of stray radiation from the sample goes out at predetermined observation angles, wherein in the sample chamber a pressure difference compared to the reverse exercise is given. The invention also relates to a vacuum connecting element for components of a system for loading radiation or scattered radiation measurement on a sample or for observing the sample at adjustable angles.

Bei einer Vielzahl von physikalischen Untersuchungen von Festkörpern, Oberflächen, Gasen oder bei Strahlungsanalysen besteht die Notwendigkeit, einen Detektor um das Zentrum eines streuenden oder dispergierenden Elements zu schwen­ ken, um unter dem jeweiligen Beobachtungswinkel winkelab­ hängige Streusignale zu beobachten. Das dispergierende Ele­ ment kann beispielsweise eine mit Röntgenstrahlung, Licht oder Teilchenstrahlung zu untersuchende Probe oder ein Tar­ get zur energiedispersiven Streuung einer zu analysierenden Strahlung sein. Muß die Untersuchung wegen der verwendeten Strahlungsart unter Vakuumbedingungen durchgeführt werden, so ist die technische Ausführung des experimentellen Auf­ baus mit relativ zueinander verschwenkbaren Strahlungsquel­ len bzw. Detektoren problematisch. Es sind beispielsweise Drehtelleranordnungen bekannt, bei denen der Detektor im Vakuum auf einem Außenring eines Drehtellers geschwenkt wird, in dessen Mitte ein dispergierendes Element ortsfest angeordnet ist. In a variety of physical studies of Solids, surfaces, gases or radiation analyzes there is a need to have a detector around the center of a scattering or dispersing element ken to the angle at the respective observation angle to observe pending scatter signals. The dispersing ele For example, one can use X-rays, light or sample to be examined for particle radiation or a tar get for the energy dispersive scattering of a to be analyzed Radiation. Must do the investigation because of the used Type of radiation are carried out under vacuum conditions, this is the technical execution of the experimental experiment construction with radiation source that can be pivoted relative to one another len or detectors problematic. For example Turntable arrangements known in which the detector in Vacuum swung on an outer ring of a turntable becomes, in the middle of a dispersing element stationary is arranged.  

nicht simultan gut zu erfüllen sind. Für einen leichtgängi­ gen Drehteller müssen Abstriche bei der Vakuumdichtheit in Kauf genommen werden. Zur Abhilfe können zwar eine mehrfach differentiell gepumpte Dichtung der beweglichen Teile und der Einsatz von Materialien mit einer geringen Haftreibung und einer geringen Desorptionsrate vorgesehen sein. Damit wird jedoch der Gesamtaufbau der Drehanordnung kompliziert. Ein weiterer Nachteil der Drehtelleranordnung besteht in der eingeschränkten Genauigkeit der Schwenkwinkeleinstel­ lung.cannot be fulfilled simultaneously well. For an easy-going against the turntable must cut back on vacuum tightness Purchase. To remedy this, one can do it multiple times differential pumped seal of moving parts and the use of materials with low static friction and a low desorption rate can be provided. In order to however, the overall structure of the rotating assembly becomes complicated. Another disadvantage of the turntable arrangement is the limited accuracy of the swivel angle setting lung.

Bei einer anderen Variante bisher verwendeter Drehanordnun­ gen wird eine, sogenannte Mantelschilddichtung genutzt. Eine feststehende Probenkammer mit dem dispergierenden Element besitzt in der Empfängerebene einen Schlitz. Dieser Schlitz wird durch ein von außen angepreßtes Metallband mit einer kleinen Öffnung zum Empfänger abgedichtet. Auch bei dieser Technik sind die mechanischen und vakuumtechnischen Anfor­ derungen hoch und schwer an spezielle Anwendungen anzupas­ sen.In another variant, the rotating arrangement previously used a so-called coat shield seal is used. A fixed sample chamber with the dispersing element has a slot in the receiver level. That slit is by an externally pressed metal band with a small opening sealed to the receiver. This one too Technology is the mechanical and vacuum technology requirement high and difficult to adapt to special applications sen.

Aus JP 2-165042 ist eine Bestrahlungseinrichtung zur Be­ strahlung einer Probe in einer Probenkammer mit einer Strahlungsquelle und einer Detektoreinrichtung bekannt, wo­ bei die Detektoreinrichtung und die Probenkammer über eine flexible Balgverbindung verbunden sind.From JP 2-165042 is an irradiation device for loading radiation of a sample in a sample chamber with a Radiation source and a detector device known where in the detector device and the sample chamber via a flexible bellows connection are connected.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Bestrah­ lungseinrichtung zur Probenbestrahlung bzw. Streustrah­ lungsdetektion, insbesondere unter Ultrahochvakuumbedingun­ gen, anzugeben, mit der die Nachteile der herkömmlichen Drehanordnungen überwunden werden und bei der insbesondere eine leichtgängige und präzise Winkeleinstellung ohne Be­ einträchtigung des Vakuums möglich ist. Die Aufgabe der Er­ findung besteht auch in der Schaffung neuartigen Vakuumverbindungselements (oder: Schwenkverbindungsele­ ments) zur gasdichten Verbindung von Komponenten einer Be­ strahlungseinrichtung mit einer verschwenkbaren Strahlungs­ quelle und/oder Detektoreinrichtung. The object of the invention is an improved irradiation treatment device for sample irradiation or scattered beam detection, especially under ultra-high vacuum conditions gen, with which the disadvantages of conventional Rotation arrangements are overcome and in particular a smooth and precise angle adjustment without loading impairment of the vacuum is possible. The task of the he invention also consists in creating new types Vacuum connection element (or: swivel connection element elements) for the gas-tight connection of components of a Be radiation device with a pivotable radiation source and / or detector device.  

Diese Aufgaben werden durch eine Bestrahlungseinrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und ein Vakuumver­ bindungselement mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These tasks are performed by an irradiation facility with the features according to claim 1 and a vacuum Binding element with the features according to claim 6 solved. Advantageous embodiments and applications of the Inventions result from the dependent claims.

Bei einer Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung einer Probe in einer evakuierten Probenkammer, mit der eine Strahlungsquelle und eine Detektoreinrichtung jeweils vaku­ umdicht verbunden sind, wobei die Strahlungsquelle und/oder die Detektoreinrichtung relativ zur Probe mit einer Schwenkeinrichtung verschwenkbar ist, ist die Strahlungs­ quelle und/oder die Detektoreinrichtung mit der Probenkam­ mer über einen flexiblen, gasdichten Balg verbunden. In der Probenkammer, der Strahlungsquelle und der Detektoreinrich­ tung besteht ein Über- oder Unterdruck gegenüber der Umge­ bung, sie sind z. B. evakuiert.In an irradiation device for irradiating a Sample in an evacuated sample chamber, with which one Radiation source and a detector device each vacuum are connected in a sealed manner, the radiation source and / or the detector device relative to the sample with a Swiveling device is pivotable, is the radiation source and / or the detector device with the sample came always connected via a flexible, gas-tight bellows. In the Sample chamber, the radiation source and the detector device there is an overpressure or underpressure compared to the reverse exercise, they are e.g. B. evacuated.

Der erfindungsgemäß verwendete Balg ist ein Membranbalg, an dessen Enden jeweils ein Flansch zur gasdichten (insbeson­ dere: vakuumdichten) Befestigung an der Probenkammer bzw. der Strahlungsquelle und/oder der Detektoreinrichtung vor­ gesehen ist. Zur wesentlichen Erweiterung der Funktionali­ tät wird vorzugsweise ein Membranbalg eingesetzt, der eine oder mehrere der folgenden Modifizierungen gegenüber einem herkömmlichen Membranbalg aufweist.The bellows used according to the invention is a membrane bellows the ends of each have a flange for gas-tight (in particular other: vacuum-tight) attachment to the sample chamber or the radiation source and / or the detector device is seen. For the essential expansion of the functionality a membrane bellows is preferably used, the one or more of the following modifications to one conventional membrane bellows.

Erfindungsgemäß besitzt mindestens einer der Flansche einen Anschweißkragen, der über eine Bezugsebene, die durch den Flansch gebildet wird, in die Probenkammer bzw. Strahlungs­ quelle und/oder Detektoreinrichtung hineinragt. Das entsprechende Ende des Mem­ branbalgs ist an dem Anschweißkragen angebracht und damit hin zur Probenkammer, Strahlungsquelle oder Detektorein­ richtung vorverlagert. Bei einem Verschwenken des Membran­ balgs ist der Schwenkpunkt entsprechend vorverlagert bis in den Probenmittelpunkt. Dies ermöglicht als besonderen Vor­ teil der Erfindung eine Vergrößerung des Sichtwinkels zwi­ schen den durch den Membranbalg verbundenen Teilen.According to the invention, at least one of the flanges has one Weld-on collar that extends over a reference plane through the Flange is formed in the sample chamber or radiation source and / or detector device  protrudes. The corresponding end of the mem branbalgs is attached to the welding collar and thus towards the sample chamber, radiation source or detector direction forward. When the membrane swivels The pivot point is correspondingly advanced up to the sample center. This enables as a special advantage part of the invention an increase in the viewing angle between parts connected by the diaphragm bellows.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Flansch mit dem Anschweißkragen an seiner Rückseite entge­ gengesetzt zum freien Ende mit einer Abrundung versehen, die entlang der Flanschinnenkante verläuft. Damit wird die Verschwenkbarkeit des Membranbalgs und der Sichtwinkel durch die Balgverbindung vergrößert bzw. ein Abknicken an der Innenkante des Flansches vermieden.According to a further embodiment of the invention, the Flange with the welding collar on its back provided with a rounding to the free end, which runs along the inside edge of the flange. With that the Swiveling of the membrane bellows and the viewing angle enlarged by the bellows connection or a kink the inner edge of the flange avoided.

Gemäß einer weiteren Gestaltung ist der Flansch mit dem vorverlagerten Anschweißkragen für eine versenkte Ver­ schraubung ausgelegt. Der Flansch besitzt beispielsweise Gewindebohrungen zur Aufnahme einer Schraubverbindung mit der angrenzenden Probenkammer (oder dem Detektor oder der Strahlungsquelle). Dies erlaubt eine weitere Vergrößerung der Verschwenkbarkeit des Membranbalgs bzw. des Sichtwin­ kels und die Vermeidung von Verletzungen oder unerwünschten Verbiegungen der Balgverbindung.According to a further design, the flange is with the advanced welding collar for a recessed ver screw designed. The flange has, for example Threaded holes for receiving a screw connection with the adjacent sample chamber (or the detector or the Radiation source). This allows further enlargement the pivotability of the membrane bellows or the sight winch kels and avoiding injury or unwanted Bends in the bellows connection.

Die Balgverbindung an sich stellt ein erfindungsgemäßes Vakuumverbindungselement dar, das für verschiedenartige Anwendungen zur Verbindung von Komponenten einer Bestrah­ lungseinrichtung entlang bestimmter Strahlrichtungen geeig­ net ist.The bellows connection itself constitutes an inventive one Vacuum connecting element, which for various Applications for connecting components of a beam suitable along certain beam directions is not.

Die Erfindung ist für die verschiedenartigsten Aufgaben in der Forschung und Technologie anwendbar. Mit einer oder mehreren erfindungsgemäßen Balgverbindungen können bei­ spielsweise Bestrahlungseinrichtungen aufgebaut werden, die eine verschwenkbare Quelle und eine ortsfeste Detektorein­ richtung, eine verschwenkbare Quelle und eine verschwenkba­ re Detektoreinrichtung oder eine ortsfeste Quelle und eine verschwenkbare Detektoreinrichtung aufweisen. Die Strah­ lungsquelle kann allgemein zur elektromagnetischen Bestrah­ lung (sichtbares Licht, Röntgenstrahlung, Synchrotronstrah­ lung oder dgl.) oder zur Teilchenbestrahlung (Elektronen­ strahlen, Atom- oder Ionenstrahlen oder dgl.) ausgelegt sein. Die Probe ist anwendungsabhängig selbst Gegenstand der Untersuchung oder Strahlungsbehandlung oder auch ein Target zur energiedispersiven Ablenkung der Bestrahlung. Die Probe kann durch einen in der Probenkammer positionier­ ten Festkörper oder einen durch die Probenkammer geführten, gasförmigen Probenstrahl gebildet werden. Im letzteren Fall kann die erfindungsgemäße Bestrahlungseinrichtung bei­ spielsweise zur Aufnahme von Streuquerschnitten am gasför­ migen Probenstrahl ausgelegt sein.The invention is for the most varied of tasks in of research and technology applicable. With one or  several bellows connections according to the invention can for example, radiation devices are built up a pivotable source and a fixed detector direction, a pivotable source and a pivotable re detector device or a fixed source and one have pivotable detector device. The beam Source can generally be used for electromagnetic radiation lung (visible light, X-rays, synchrotron beam lung or the like.) or for particle irradiation (electrons rays, atomic or ion beams or the like his. Depending on the application, the sample itself is the subject the examination or radiation treatment or even a Target for energy-dispersive deflection of the radiation. The sample can be positioned in the sample chamber solid or a guided through the sample chamber gaseous sample jet are formed. In the latter case can the irradiation device according to the invention for example, to take up scattering cross sections on gas feed be designed.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Zum Aufbau einer erfindungsgemäßen Balgverbindung wird ein Membranbalg verwendet, der an sich kommerziell verfügbar ist, alle Ul­ trahochvakuum-(UHV)-Anforderungen erfüllt und auch ausheiz­ bar ist. Die erfindungsgemäße Balgverbindung ermöglicht ei­ ne leichtgängig verstellbare, abschattungsfreie, geradlini­ ge Strahlverbindung zwischen der Strahlungsquelle und/oder der Detektoreinrichtung mit der Probe, wobei alle praktisch interessierenden Winkelbereiche bis zu rund 90° und auch darüberhinaus eingestellt werden können. Der Aufbau der er­ findungsgemäßen Bestrahlungseinrichtung zeichnet sich durch einen geringen technischen Aufwand und die Verwendung ko­ stengünstiger Komponenten aus. Die Erfindung besitzt einen breiten Anwendungsbereich von der Strahlungsanalyse über die Festkörperuntersuchung bis hin zur Probenbearbeitung und ist mit gängigen Vakuumanlagen voll kompatibel. Das er­ findungsgemäße Vakuumverbindungselement stellt auch bei der Bestrahlung großflächiger Proben eine maximale optische Durchlässigkeit sicher.The invention has the following advantages. To build a bellows connection according to the invention becomes a membrane bellows used, which is commercially available per se, all ul Trahochvakuum (UHV) requirements met and also bake out is cash. The bellows connection according to the invention enables egg ne easily adjustable, shading-free, straightforward ge beam connection between the radiation source and / or the detector device with the sample, all practical interesting angle ranges up to around 90 ° and also can also be set. The structure of the he Irradiation device according to the invention is characterized by a low technical effort and the use ko most economical components. The invention has one wide range of applications from radiation analysis the solid state examination up to sample processing  and is fully compatible with common vacuum systems. That he Vacuum connecting element according to the invention also provides the Irradiation of large area samples a maximum optical Permeability sure.

Die Erfindung ist nicht nur mit Vakuumanlagen anwendbar, sondern allgemein bei allen Bestrahlungs- oder Beobach­ tungseinrichtungen mit einer anlageninternen absoluten oder gasspezifischen (differentiellen) Druckdifferenz gegenüber der Umgebung.The invention is not only applicable to vacuum systems, but generally with all radiation or observer equipment with an internal absolute or compared to gas-specific (differential) pressure difference the environment.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen be­ schrieben. Es zeigen:Further advantages and details of the invention are described in following be with reference to the accompanying drawings wrote. Show it:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungs­ gemäße Bestrahlungseinrichtung, Fig. 1 is a schematic plan view of a modern fiction, irradiating means,

Fig. 2 eine teilweise Schnittansicht eines erfindungsge­ mäßen Membranbalgs, Fig. 2 is a partially sectional view of a erfindungsge MAESSEN diaphragm bellows,

Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungs­ gemäße Bestrahlungseinrichtung zur energieselektiven Analy­ se von Röntgenstrahlung, und Fig. 5 is a schematic plan view of a fiction, modern irradiation device for energy selective Analy se from X-rays, and

Fig. 4 eine teilweise Schnittansicht einer erfindungsge­ mäßen Bestrahlungseinrichtung mit einem herkömmlichen Mem­ branbalg. Fig. 4 is a partial sectional view of an irradiation device according to the invention with a conventional membrane bellows.

Eine erfindungsgemäße Bestrahlungseinrichtung 100 umfaßt gemäß Fig. 1 eine Strahlungsquelle 10, eine Probenkammer 20, eine Detektoreinrichtung 30, eine Schwenkeinrichtung 40 und mindestens eine Balgverbindung 50. Die Strahlungsquelle 10 ist anwendungsabhängig eine Quelle elektromagnetischer Strahlung (z. B. Laser, Röntgenquelle, Synchrotronstrahlungsquelle) oder eine Teilchenquelle (z. B. Elektronen­ quelle, Atomquelle, Neutronenquelle, Ionenquelle) mit be­ stimmten Emissionseigenschaften oder auch eine Quelle mit zunächst unbekannten Strahlungseigenschaften in einem zu­ sätzlichen, im einzelnen nicht dargestellten Experimental­ aufbau. Die Strahlungsquelle 10 ist mit der Probenkammer 20 über ein gerades, vakuumdichtes Verbindungsrohr 11 verbun­ den. Das Verbindungsrohr 11 ist entsprechend der Bestrah­ lungsrichtung 12 auf die Probe 21 gerichtet. An der Probe 21 erfolgt eine Streuung oder auch eine durch die Bestrah­ lung angeregte Emission. Im folgenden werden beide Abstrah­ lungsformen als Streustrahlung bezeichnet. Die Verbindung zwischen der Strahlungsquelle und der Probenkammer kann an­ wendungsabhängig modifiziert sein und z. B. ein Fen­ ster oder eine beliebig geformte Verbindung mit "optischen" Strahllenkelementen umfassen.According to FIG. 1, an irradiation device 100 according to the invention comprises a radiation source 10 , a sample chamber 20 , a detector device 30 , a swivel device 40 and at least one bellows connection 50 . The radiation source 10 is, depending on the application, a source of electromagnetic radiation (e.g. laser, X-ray source, synchrotron radiation source) or a particle source (e.g. electron source, atomic source, neutron source, ion source) with certain emission properties or a source with initially unknown radiation properties in an additional experimental setup, not shown in detail. The radiation source 10 is connected to the sample chamber 20 via a straight, vacuum-tight connecting tube 11 . The connecting tube 11 is directed to the sample 21 according to the irradiation direction 12 . Scattering or an emission excited by the radiation occurs on the sample 21 . In the following, both types of radiation are referred to as scattered radiation. The connection between the radiation source and the sample chamber can be modified depending on the application and z. B. include a fen ster or any connection with "optical" beam steering elements.

Die Streustrahlung wird mit der beispielhaft in zwei Posi­ tionen A, B illustrierten Detektoreinrichtung 30 erfaßt, die einen geeigneten Strahlungsempfänger 31 enthält. Der Strahlungsempfänger 31 ist beispielsweise ein Lichtempfän­ ger (Fotodiode oder Fotodiodenanordnung), ein Röntgendetek­ tor oder ein Teilchendetektor. Die Detektoreinrichtung 30 ist zur Erfassung der Streustrahlung entsprechend verschie­ dener Beobachtungsrichtungen 32a, 32b mit der Schwenkein­ richtung 40 entlang einer kreisförmigen Schwenklinie 41 verschwenkbar (siehe Pfeilrichtung). Die Schwenkeinrichtung 40 umfaßt insbesondere eine Schienenanordnung zur Führung der Detektoreinrichtung 30 entlang der Schwenklinie 41 und einen Antrieb zur Verstellung der Detektoreinrichtung 30. Die Beobachtungsrichtungen 32a, 32b sind über einen Winkel­ bereich Δ verstellbar, der in der Regel bis zu 90° umfaßt, bei geeigneter Gestaltung der Balgverbindung 50 aber auch größer (z. B. 120°) sein kann. The scattered radiation is detected with the detector device 30 illustrated by way of example in two positions A, B, which contains a suitable radiation receiver 31 . The radiation receiver 31 is, for example, a light receiver (photodiode or photodiode arrangement), an X-ray detector or a particle detector. The detector device 30 is pivotable to detect the scattered radiation according to various observation directions 32 a, 32 b with the swivel device 40 along a circular swivel line 41 (see arrow direction). The swiveling device 40 comprises in particular a rail arrangement for guiding the detector device 30 along the swiveling line 41 and a drive for adjusting the detector device 30 . The observation directions 32 a, 32 b are adjustable over an angular range Δ, which generally comprises up to 90 °, but can also be larger (for example 120 °) if the bellows connection 50 is suitably designed.

Die Balgverbindung 50 umfaßt einen flexiblen Membranbalg 51, der an seinen Enden einen probenseitigen Flansch 52 bzw. einen detektorseitigen Flansch 53 aufweist. Der Mem­ branbalg 51 besteht aus einer Aneinanderreihung von Metall­ ringen geringer Dicke, die aufeinanderfolgend abwechselnd an ihren Außen- bzw. Innenrändern zusammengeschweißt sind. Jeweils zwei benachbarte Metallringe des Membranbalgs 51 bilden ein Membranpaar. Die Metallringe besitzen eine Dicke derart, daß sich im zusammengedrückten Zustand rd. 0.7 mm pro Membranpaar ergeben, und bestehen vorzugsweise aus Edelstahl.The bellows connection 50 comprises a flexible membrane bellows 51 , which has a sample-side flange 52 or a detector-side flange 53 at its ends. The membrane bellows 51 consists of a series of metal rings of small thickness, which are successively welded alternately on their outer and inner edges. Two adjacent metal rings of the diaphragm bellows 51 form a pair of diaphragms. The metal rings have a thickness such that approx. 0.7 mm per pair of membranes, and are preferably made of stainless steel.

Der zum Aufbau der erfindungsgemäßen Balgverbindung verwen­ dete flexible Membranbalg besitzt die folgenden wichtigen Verformungseigenschaften. Wenn der Membranbalg 51 an seinen Enden entlang verschieden ausgerichteter Bezugsebenen ent­ sprechend der Lage der genannten Flansche eingespannt ist, so vollführt er eine kombinierte Verformung, die aus zwei gegenläufigen Winkelverschiebungen besteht. Die Verformung erfolgt derart, daß der Membranbalg 51 seine Oberfläche mi­ nimiert. Ein evakuierter Membranbalg (UHV im Inneren des Membranbalgs 51) setzt jeder lateralen und jeder angularen Verformung eine Rückstellkraft entgegen. Die Rückstellkraft ist so gebildet, daß eine möglichst gerade Ausrichtung des Membranbalgs erhalten bleibt. Ein in einer erfindungsgemä­ ßen Balgverbindung eingesetzter Membranbalg zeichnet sich dadurch aus, daß die laterale bzw. angulare Rückstellkraft geringer ist als die axiale Kraft, die zum linearen Verfor­ men des Membranbalges führt. Dies hat zur Folge, daß bei einer Verschwenkung der eingespannten Enden des Membran­ balgs an einer Verformung nur eine minimale Anzahl von Mem­ branpaaren teilnehmen, diese jedoch mit ihrem maximalen Schwenkwinkel. Die übrigen Membranpaare hingegen bleiben parallel ausgerichtet, so daß bei diesen der Membranbalg gerade bleibt. Wie viele Membranpaare an der Verformung teilnehmen, ist material- und dimensionsabhängig.The flexible diaphragm bellows used to construct the bellows connection according to the invention has the following important deformation properties. If the membrane bellows 51 is clamped at its ends along differently oriented reference planes accordingly the position of the said flanges, it performs a combined deformation, which consists of two opposite angular displacements. The deformation takes place in such a way that the membrane bellows 51 minimizes its surface. An evacuated diaphragm bellows (UHV in the interior of diaphragm bellows 51 ) opposes each lateral and angular deformation with a restoring force. The restoring force is formed so that the diaphragm bellows is aligned as straight as possible. A membrane bellows used in a bellows connection according to the invention is characterized in that the lateral or angular restoring force is less than the axial force that leads to the linear deformation of the membrane bellows. The result of this is that, when the clamped ends of the diaphragm bellows are pivoted, only a minimal number of membrane pairs participate in a deformation, but this with their maximum swivel angle. The remaining membrane pairs, however, remain aligned so that the diaphragm bellows remains straight. How many membrane pairs participate in the deformation depends on the material and dimensions.

Ein wichtiger und unerwarteter Vorteil der Erfindung be­ steht somit darin, daß mit der Balgverbindung auf der Basis eines hochflexiblen Membranbalgs eine vakuumdichte und wei­ testgehend gerade Verbindung zwischen der Probenkammer 20 und der Detektoreinrichtung 30 bereitgestellt wird, die je­ weils entsprechend der gewünschten Beobachtungsrichtung (z. B. 32a, 32b) eingestellt werden kann. Um einen möglichst großen Schwenkbereich Δ zu erzielen, werden am probenseiti­ gen Flansch 52 besondere Vorkehrungen getroffen, die im einzelnen unten unter Bezug auf Fig. 2 erläutert sind.An important and unexpected advantage of the invention is therefore that the bellows connection based on a highly flexible membrane bellows provides a vacuum-tight and white test-straight connection between the sample chamber 20 and the detector device 30 , each of which corresponds to the desired direction of observation (e.g. B. 32a, 32b) can be set. In order to achieve the largest possible swivel range Δ, special precautions are taken at the probe-side flange 52 , which are explained in detail below with reference to FIG. 2.

Bei der in Fig. 1 illustrierten Ausführungsform einer Be­ strahlungseinrichtung 100 sind die Strahlungsquelle 10, die Probenkammer 20 und die Schwenkeinrichtung 40 relativ zu­ einander fixiert, während die Detektoreinrichtung 30 beweg­ lich ist. Bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, daß auch die Strahlungsquelle 10 über eine Balgverbindung mit der Probenkammer 20 verbunden ist. Die Detektoreinrichtung 30 kann auch ortsfest angebracht sein oder bei bestimmten Bestrahlungsaufgaben, bei denen es nicht auf die Erfassung von Streustrahlung ankommt, ganz fortfallen (z. B. Ionenbeschuß von Halbleiteroberflächen).In the embodiment of a radiation device 100 illustrated in FIG. 1, the radiation source 10 , the sample chamber 20 and the swivel device 40 are fixed relative to one another, while the detector device 30 is movable. In alternative embodiments of the invention it can be provided that the radiation source 10 is also connected to the sample chamber 20 via a bellows connection. The detector device 30 can also be fixed in place or can be completely omitted for certain radiation tasks in which it is not important to detect scattered radiation (eg ion bombardment of semiconductor surfaces).

Einzelheiten des probenseitigen Flansches 52 der Balgver­ bindung 50 sind in Fig. 2 illustriert. Am Ende des Mem­ branbalgs 51 ist der probenseitige Flansch 52 angeschweißt. Der probenseitige Flansch 52 bildet einen vorverlagerten Anschweißkragen und ragt am freien Ende mit einem umlaufen­ den Stufenvorsprung 54 in den Ansatzflansch 22 der Proben­ kammer 20 hinein. Am Stufenvorsprung 54 ist das Ende des Membranbalgs 51 angeschweißt. Der Membranbalg 51 endet in der Probenkammer 20 jenseits der Bezugsebene, die durch die Flanschverbindung zwischen dem Ansatzflansch 22 und dem probenseitigen Flansch 52 gebildet wird. Dadurch kann die Balgverbindung 50 so an der Probenkammer 20 angebracht wer­ den, daß die Probe 21 mittig am Ende des Membranbalgs 51 positioniert ist. Das Zentrum Z der Balg-Drehbewegung fällt damit im wesentlichen mit der Position der Probe 21 in der Bestrahlungsrichtung 12 zusammen. Die durch die Flanschver­ bindung gebildete Bezugsebene ist schräg gegenüber der Be­ strahlungsrichtung 12 orientiert. Die Bestrahlungsrichtung 12 verläuft durch den Ansatzflansch 22 bzw. den Flansch 52 (siehe Fig. 1). Das Bezugszeichen 56 weist auf eine ver­ größerte Darstellung eines Membranpaares.Details of the sample-side flange 52 of the bellows connection 50 are illustrated in FIG. 2. At the end of the membrane bellows 51 , the flange 52 on the sample side is welded on. The sample-side flange 52 forms a forward welding collar and protrudes at the free end with a circumferential projection 54 into the attachment flange 22 of the sample chamber 20 . The end of the membrane bellows 51 is welded to the step projection 54 . The membrane bellows 51 ends in the sample chamber 20 beyond the reference plane, which is formed by the flange connection between the attachment flange 22 and the flange 52 on the sample side. As a result, the bellows connection 50 can be attached to the sample chamber 20 in such a way that the sample 21 is positioned centrally at the end of the membrane bellows 51 . The center Z of the bellows rotary movement thus coincides essentially with the position of the sample 21 in the irradiation direction 12 . The reference plane formed by the flange connection is oriented obliquely with respect to the radiation direction 12 Be. The direction of irradiation 12 runs through the attachment flange 22 or the flange 52 (see FIG. 1). Reference numeral 56 indicates a larger representation of a pair of membranes.

Zur Vergrößerung des überstreichbaren Winkelbereiches Δ ist der probenseitige Flansch 52 an der Rückseite mit einer Ab­ rundung 55 an seiner Innenkante versehen. Die Abrundung 55 besitzt einen Krümmungsradius, der anwendungsabhängig zur optimalen Ausnutzung des Schwenkbereiches gewählt ist und beispielsweise rund 25 mm beträgt. Außerdem ist die Schraubverbindung 57 mit dem angrenzenden Flansch versenkt ausgeführt. Der Flansch 52 besitzt Innengewinde zur Schraubverbindung mit dem Ansatzflansch 22. Eine gegensei­ tige Behinderung von Balg und Flansch oder eine Verletzung des Balges durch hervorstehende Bolzen bzw. Muttern wird vermieden.To enlarge the swept-over angular range Δ, the sample-side flange 52 is provided on the back with a rounding 55 from its inner edge. The rounding 55 has a radius of curvature which, depending on the application, is selected for optimal use of the swivel range and is, for example, around 25 mm. In addition, the screw connection 57 is recessed with the adjacent flange. The flange 52 has an internal thread for screw connection with the attachment flange 22 . A mutual obstruction of bellows and flange or an injury to the bellows by protruding bolts or nuts is avoided.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Bestrahlungseinrichtung am Beispiel eines Bragg-Kristallspektrometers. Ausgehend von einer (nicht dargestellten) Strahlungsquelle fällt ein zu analysierender Primärstrahl 13 entlang der Bestrahlungs­ richtung 12 über einen Ansatzflansch 23 auf die Probe 21 in der Probenkammer 20. Die Probe 21 ist ein Kristall (z. B. Quarz), das als Target zur Beugung des Primärstrahls 13 dient. Die Probe 21 ist in der Probenkammer 20 verschwenk­ bar angeordnet, um die Kristallorientierung in Bezug auf den zu erfassenden Energiebereich des Primärstrahls zu op­ timieren. Die Drehachse Z der Probe 21 fällt mit der Schwenkachse des Membranbalgs 50 zusammen. Der Membranbalg 50 ist über den probenseitigen Flansch 52 und den Ansatz­ flansch 22 mit der Probenkammer 20 verbunden, wie dies in Fig. 2 illustriert ist. Fig. 3 shows an irradiation device according to the invention using the example of a Bragg crystal spectrometer. Starting from a radiation source (not shown), a primary beam 13 to be analyzed falls along the irradiation direction 12 via an attachment flange 23 onto the sample 21 in the sample chamber 20 . The sample 21 is a crystal (e.g. quartz), which serves as a target for diffraction of the primary beam 13 . The sample 21 is arranged pivotably in the sample chamber 20 in order to optimize the crystal orientation with respect to the energy range of the primary beam to be detected. The axis of rotation Z of the sample 21 coincides with the pivot axis of the membrane bellows 50 . The membrane bellows 50 is connected to the sample chamber 20 via the sample-side flange 52 and the attachment flange 22 , as is illustrated in FIG. 2.

Die Probenkammer 20 besitzt die Form einer Halbschale (Halbkugel) mit einem Durchmesser entsprechend dem Durch­ messer des Flansches 52 mit vorverlagertem Membranbalg. Da­ mit wird sichergestellt, daß der Detektor in allen Schwenk­ positionen eine maximale Targetfläche beobachten kann.The sample chamber 20 has the shape of a half-shell (hemisphere) with a diameter corresponding to the diameter of the flange 52 with forward membrane bellows. This ensures that the detector can observe a maximum target area in all swivel positions.

Die Detektoreinrichtung 30 ist entsprechend einer vorbe­ stimmten Beobachtungsrichtung 32 eingestellt. Die Detek­ toreinrichtung 30 umfaßt im einzelnen einen Röntgendetektor 31, einen Verlängerungsbalg 33 und einen Ansatzflansch 34, der mit dem detektorseitigen Flansch 53 der Balgverbindung 50 verbunden ist. Mit dem Verlängerungsflansch 31 wird der Abstand zwischen dem Detektor 31 und der Probe 21 verlän­ gert, um eine Verbesserung der Auflösung bei der Streu­ strahlungsanalyse zu erzielen.The detector device 30 is set in accordance with a predetermined observation direction 32 . The detector device 30 includes in detail an X-ray detector 31 , an extension bellows 33 and a shoulder flange 34 which is connected to the detector-side flange 53 of the bellows connection 50 . With the extension flange 31 , the distance between the detector 31 and the sample 21 is lengthened in order to achieve an improvement in the resolution in the scattered radiation analysis.

Der Membranbalg 51 ist ein hochflexibler, korrosionsbestän­ diger Membranbalg aus dem Werkstoff AM 350 (Hersteller: VAT Deutschland GmbH) mit einer Nennweite von 150 mm und einer Leckrate < 10-9 mbar . l/s wird. Der detektorseitige Flansch 51 ist ein DN 150 Conflat-Flansch. Auch der probenseitige Flansch 52 ist ein DN 150 Conflat-Flansch, der jedoch wie oben beschrieben durch Anbringung des Anschweißkragens und der Abrundung modifiziert ist.The diaphragm bellows 51 is a highly flexible, corrosion-resistant diaphragm bellows made of the material AM 350 (manufacturer: VAT Deutschland GmbH) with a nominal width of 150 mm and a leak rate <10 -9 mbar. l / s will. The detector-side flange 51 is a DN 150 Conflat flange. The flange 52 on the sample is also a DN 150 Conflat flange, which, however, is modified as described above by attaching the welding collar and the rounding.

Fig. 3 illustriert einen wichtigen Vorteil der Erfindung. Die Streustrahlung von der gesamten, mit dem Primärstrahl 13 bestrahlten Fläche der Probe 21 wird ohne Schatten auf die Detektoreinrichtung 30 gerichtet. Die Schattenfreiheit ist auch bei relativ großen Proben mit charakteristischen Dimensionen von bis zu 10 . 10 cm2 sichergestellt. Der In­ nendurchmesser des Membranbalgs beträgt rund 180 mm. Im entspannten Zustand beträgt die Länge des Membranbalgs 51 rund 25 cm. Figure 3 illustrates an important advantage of the invention. The scattered radiation from the entire surface of the sample 21 irradiated with the primary beam 13 is directed onto the detector device 30 without a shadow. The absence of shadows is also with relatively large samples with characteristic dimensions of up to 10. 10 cm 2 ensured. The inner diameter of the membrane bellows is around 180 mm. In the relaxed state, the length of the membrane bellows 51 is around 25 cm.

Bei Einsatz eines herkömmlichen Balges müssten Einschrän­ kungen in Bezug auf die Funktionalität in Kauf genommen werden. Dies ist in Fig. 4 verdeutlicht, die schematisch den Aufbau gemäß Fig. 3 mit einem herkömmlichen Balg zeigt. Ohne vorverlagerten Drehpunkt bzw. ohne Abrundung auf der Flanschrückseite ergibt sich ein verringerter Sichtwinkel bzw. eine Abschattung 35 am Detektor 31. Außer­ dem ist die Gefahr einer Balgverletzung an den vorstehenden Schraubverbindungen 57 gegeben.When using a conventional bellows, restrictions in terms of functionality would have to be accepted. This is illustrated in FIG. 4, which schematically shows the structure according to FIG. 3 with a conventional bellows. Without a forward pivot point or without rounding on the back of the flange, there is a reduced viewing angle or shading 35 on the detector 31 . In addition, there is a risk of a bellows injury on the above screw connections 57 .

Die erfindungsgemäße Bestrahlungseinrichtung kann allgemein bei allen Anlagen angewendet werden, bei denen eine Strah­ lungsquelle und/oder eine Detektoreinrichtung in Bezug auf eine feste Drehachse über einen großen Schwenkbereich ge­ schwenkt werden sollen, wobei zwischen der Strahlungsquelle und der Probe bzw. zwischen der Probe und der Detektorein­ richtung kein Bruch des anlageninternen Gasdrucks bzw. des Vakuums in der Anlage auftritt. Bevorzugte Anwendungen lie­ gen im Aufbau eines Bragg-Kristallspektrometers, eines Spektrometers für die winkelaufgelöste Teilchenregistrie­ rung und bei allen Anordnungen, bei denen die herkömmliche Drehtellerkonstruktion mit einem Winkelbereich von rund 100° ersetzt werden soll. The radiation device according to the invention can be general can be used for all systems where a beam tion source and / or a detector device in relation to a fixed axis of rotation over a large swivel range are to be pivoted, being between the radiation source and the sample or between the sample and the detector direction no break of the internal gas pressure or the Vacuum occurs in the system. Preferred applications lie gene in the construction of a Bragg crystal spectrometer, one Spectrometers for angularly resolved particle registration and in all arrangements where the conventional Turntable construction with an angular range of around 100 ° to be replaced.  

Bei abgewandelten Gestaltungen der Balgverbindung kann vor­ gesehen sein, daß der Membranbalg aus anderen Metallen (z. B. Aluminium) oder Kunststoff (z. B. PTFE) besteht, an­ dere als die hier beispielhaft gegebenen Dimensionen auf­ weist und/oder einen rechteckigen oder anderweitig geform­ ten Querschnitt besitzt.With modified designs of the bellows connection can before be seen that the membrane bellows made of other metals (e.g. aluminum) or plastic (e.g. PTFE) other than the dimensions given here as examples has and / or a rectangular or otherwise shaped cross-section.

Claims (9)

1. Bestrahlungseinrichtung (100) zur Bestrahlung einer Probe (21) in einer Probenkammer (20), mit
  • - einer Strahlungsquelle (10) und einer Detektoreinrichtung (30), die jeweils gasdicht mit der Probenkammer (20) ver­ bunden sind, und
  • - einer Schwenkeinrichtung (40), mit der die Strahlungs­ quelle (10) und/oder die Detektoreinrichtung (30) relativ zur Probe (21) verschwenkbar ist, wobei die Strahlungsquelle (10) und/oder die Detektoreinrichtung (30) mit der Probenkammer (20) über eine flexible Balgver­ bindung (50) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Balgverbindung (50) durch ein Verbindungselement mit einem Membranbalg gebildet wird, an dessen Enden jeweils ein Flansch (52, 53) zur gasdichten Befestigung an der Pro­ benkammer (20) bzw. der Strahlungsquelle (10) und/oder der Detektoreinrichtung (30) vorgesehen sind, wobei mindestens der probenseitige Flansch (52) einen vorverlagerten Anschweißkragen aufweist, der über eine Bezugsebene, die durch den Flansch gebildet wird, in die Probenkammer (20) derart hineinragt, daß die Probe (21) im Zentrum (Z) des Anschweißkragens an­ geordnet ist.
1. Irradiation device ( 100 ) for irradiating a sample ( 21 ) in a sample chamber ( 20 ) with
  • - A radiation source ( 10 ) and a detector device ( 30 ), each of which is gas-tight with the sample chamber ( 20 ), and
  • - A swivel device ( 40 ) with which the radiation source ( 10 ) and / or the detector device ( 30 ) can be pivoted relative to the sample ( 21 ), the radiation source ( 10 ) and / or the detector device ( 30 ) with the sample chamber ( 20 ) is connected via a flexible bellows connection ( 50 ), characterized in that the bellows connection ( 50 ) is formed by a connecting element with a membrane bellows, at the ends of which a flange ( 52 , 53 ) for gas-tight attachment to the sample chamber ( 20 ) or the radiation source ( 10 ) and / or the detector device ( 30 ) are provided, at least the flange ( 52 ) on the sample side having a welding collar advanced in front, which extends over a reference plane formed by the flange into the sample chamber ( 20 ) protrudes in such a way that the sample ( 21 ) is arranged in the center (Z) of the weld-on collar.
2. Bestrahlungseinrichtung gemäß Anspruch 1, die als Spektrometer aufgebaut ist, wobei von der Strahlungsquelle (10) ein zu analysierender Primärstrahl (13) ausgeht, die Probe (21) ein relativ zur Strahlungsquelle (10) mit orts­ fester Drehachse positioniertes Target ist und die Detek­ toreinrichtung (30) relativ zur Probe (21) verschwenkbar angeordnet ist. 2. Irradiation device according to claim 1, which is constructed as a spectrometer, the radiation source ( 10 ) emanating a primary beam ( 13 ) to be analyzed, the sample ( 21 ) being a target positioned relative to the radiation source ( 10 ) with a fixed axis of rotation and the Detector device ( 30 ) is arranged pivotably relative to the sample ( 21 ). 3. Bestrahlungseinrichtung gemäß Anspruch 2, die als Kristallspektrometer aufgebaut ist.3. Irradiation device according to claim 2, which as Crystal spectrometer is built. 4. Bestrahlungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Probenkammer (20) die Form einer Halb­ schale mit einem Durchmesser entsprechend dem Durchmesser des Flansches (52) besitzt.4. Irradiation device according to one of claims 1 to 3, wherein the sample chamber ( 20 ) has the shape of a half-shell with a diameter corresponding to the diameter of the flange ( 52 ). 5. Bestrahlungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der in der Probenkammer (20) ein Druckunter­ schied gegenüber der Umgebung gegeben ist.5. Irradiation device according to one of claims 1 to 4, in which in the sample chamber ( 20 ) there is a pressure difference from the environment. 6. Vakuumverbindungselement (50), das durch einen Membranbalg (51) gebildet wird, an dessen Enden jeweils ein Flansch (52, 53) zur gasdichten Befestigung an gegeneinan­ der verschwenkbaren Gehäuseteilen (22, 23) einer Bestrah­ lungsanlage vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Flansche (52) einen Anschweißkragen aufweist, der über eine Bezugsebene, die durch den Flansch gebildet wird, in das jeweilige Gehäuseteil hineinragt, wo­ bei der Flansch (52) an seinem freien Ende einen umlaufen­ den Stufenvorsprung (54) aufweist, der im zusammengesetzten Zustand in einen Ansatzflansch (22) des jeweiligen Gehäuse­ teils hineinragt.6. vacuum connecting element ( 50 ), which is formed by a diaphragm bellows ( 51 ), at the ends of which a flange ( 52 , 53 ) is provided for gas-tight attachment to the pivotable housing parts ( 22 , 23 ) of a radiation treatment system, characterized in that that at least one of the flanges ( 52 ) has a weld-on collar which projects into the respective housing part via a reference plane formed by the flange, where the free end of the flange ( 52 ) has a stepped projection ( 54 ), which partially protrudes into an attachment flange ( 22 ) of the respective housing in the assembled state. 7. Vakuumverbindungselement gemäß Anspruch 6, bei dem der Flansch (52) an seiner Rückseite entgegengesetzt zum freien Ende eine Abrundung (55) aufweist, die entlang der Innenkante des Flansches (52) verläuft.7. Vacuum connection element according to claim 6, wherein the flange ( 52 ) on its back opposite to the free end has a rounded portion ( 55 ) which runs along the inner edge of the flange ( 52 ). 8. Vakuumverbindungselement gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem der Flansch (52) mit dem vorverlagerten An­ schweißkragen Gewindebohrungen zur Aufnahme einer Schraub­ verbindung mit dem angrenzenden Gehäuseteil aufweist. 8. Vacuum connection element according to one of claims 6 or 7, wherein the flange ( 52 ) with the forward welding collar has threaded bores for receiving a screw connection with the adjacent housing part. 9. Vakuumverbindungselement gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem der Membranbalg (51) aus einer Vielzahl von Metall- oder Kunststoffringen besteht, die aufeinanderfol­ gend abwechselnd an ihren Innen- bzw. Außenrändern gasdicht verbunden sind.9. Vacuum connecting element according to one of claims 6 to 8, in which the diaphragm bellows ( 51 ) consists of a plurality of metal or plastic rings which are successively alternately gas-tightly connected at their inner and outer edges.
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