DE3425146A1

DE3425146A1 - Strahlrohr zum auskoppeln von roentgenlicht aus einer synchrotronstrahlungsquelle

Info

Publication number: DE3425146A1
Application number: DE19843425146
Authority: DE
Inventors: Hans Dr.-Ing. 1000 Berlin Betz; Bertram Ing.(grad.) 8000 München Brucker; Heinz-Ulrich Dipl.-Phys. Dr. 1000 Berlin Scheunemann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1984-07-07
Filing date: 1984-07-07
Publication date: 1986-01-16
Also published as: EP0187786A1; WO1986000752A1; JPS62501110A

Description

Strahl rohr zum Auskoppeln von Röntgenlicht aus einer Synchrotronstrahlunys-
quelle.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Strahl rohr zum Auskoppeln von Röntgenlicht aus einer Synchrotronstrahlungsquelle, das aus zwei Bereichen mit verschiedenen Vakuumkc;nponenten besteht die mittels einer dünnen, jedoch vakuumdichten Membran voneinander getrennt sind. Die Vakuumbereiche sind auf der einen Seite mi t mit Ultrahochvakuumbauelementen ausgerüstet, während auf der anderen Seite nur einfache Feinvakuumbauelemente verwendet werden.
Zur Auskopplung der Synchrotronstrahlung aus Elektronenumiaufsystemen, wie Elektronenspeicherringen und Elektronensynchrotrons, werden Strahl rohre benötigt. Solche Strahl rohre sind seit längerem bekannt und im Einsatz.
Diese Strahl rohre werden unter Vakuum gehalten, um starke Absorptionsverluste zu vermeiden, da das ausgestrahlte Licht in seiner Wellenlänge vom fernen Infrarot bis weit in den Röntgenbereich ausgedehnt ist. Im Elektronenumlaufsystem muß ein sehr gutes Vakuum ( 10 9 hPa) herrschen, um ausreichend große Ströme und Speicherzeiten für die Elektronen zu erhalten.
Da eine direkte Verbindung zwischen dem Elektronenumlaufsystem und dem Strahl rohr besteht, muß man an das Strahl rohr die gleichen Vakuumanforderungen wie an das vorherige System einhalten. Dies bedingt, daß zum Aufrechterhalten das Vakuums im Strahl rohr eine sehr komplizierte und kostspielige Technik angewendet werden muß. Das ganze Strahl rohr ist mit den extrem teuren Ultrahochvakuumkomponenten ausgerüstet und muß mit sehr leistungsstarken Pumpen bepumpt werden.
Oft ist es jedoch ausreichend, daß das Vakuum am Experimentierort nicht diesen extremen Anforderungen genügen muß. Gelänge es, eine Druckuntersetzungsstufe in das Strahl rohr einzubauen, so könnten große Teile des Strahlrohrs mit erheblich billigeren und weniger aufwendigen Feinvakuumkomponeten aufgebaut werden. Die Pumpen im Ultrahochvakuumteil könnten viel kleiner und damit billiger werden; während sich der Feinvakuumbereich durch primitivere Dichtungsarten, gewöhnliche Gefäßwände und einfache Pumpen auszeichnet.
Bekanntermaßen benutzt man für solche Druckuntersetzungen differenzielle Pumpstufen. Diese bestehen im wesentlichen aus einem sehr langen und engen Rohrstück oder eingebauten Blenden, die den Leitungswiderstand heraufsetzen. Die Druckuntersetzung von solchen Pumpstufen ist jedoch sehr begrenzt. Der verengte Rohrquerschnitt hat den Nachteil, daß der optische Weg ebenfalls stark eingeengt ist. Dies ist jedoch ungünstig, wenn z.B.
der Lichtstrahl in seiner vollen geometrischen Ausdehnung ausgenutzt werden soll. Auch hat man große Probleme mit dem Justieren des Strahlengangs in einem Strahl rohr, das diese Engstellen aufweist. Erschwerend kommt hinzu, daß gerade eine große Apertur erforderlich ist, wenn der Lichtstrahl mittels optischer Elemente z.B. Spiegeln ausgelenkt werden soll, um auch in vertikaler Richtung große Flächen ausleuchten zu können.
Solche Elemente müssen sich jedoch unbedingt im Ultrahochvakuumteil befiden, damit ihre optische Güte erhalten bleibt.
In unserem Fall wurde ein neuer Weg ohne diese Nachteile beschritten, um die beiden Strahlrohrteile vakuummäßig zu trennen. Die Trennung erfolgt mit einer sehr dünnen Membran, die für Röntgenstrahlung nahezu durchlässig sein muß, jedoch andererseits so dicht sein sollte, daß Gasmoleküle die Folie nicht durchdringen können. Als Materialien -für diese Membran eignen sich insbesondere dünne Metall- und Halbmetallfolien, wie aus Aluminium, Beryllium, Magnesium und Silizium. Wegen der starken Massenabhängigkeit der Röntgenabsorption können hauptsächlich Elemente und deren Verbindungen mit niedriger Massenzahl Verwendung finden. Da die Absorption ebenFalls von der Dicke der Folie abhängt, müssen diese genügend dünn sein. Auf die mechanische Belastbarkeit braucht nicht geachtet zu werden, da die Druckdifferenz zwischen den beiden Vakuumbereichen minimal ist.
Versuche mit einer Siliziumfolie von 1,5 um Dicke (Fläche 3 x 5 cm ) haben gezeigt, daß Druckstufen von 10 hPa gegen Drucke von 10 9 hPa erreicht werden können.
Ein Vorteil dieses Vakuumfensters ist seine einfache Handhabung und sein geringer Platzbedarf von nur wenigen Millimetern. Da die Absorption im langwelligen Bereich sehr hoch ist, ist die Wärmebelastung für nachfolgende Elemente sehr gering. Die gute thermische Stabilität und hohe thermische Leitfähigkeit von Silizium z.B. läßt die Verwendung dieses Materials auch bei höchsten Synchrotronstrahlungsintensitäten zu.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt sind die niedrigen Gesamtkosten eines solcherweise aufgeteilten Strahl rohres. Der Anteil in der teueren Ultrahochvakuumtechnik kann anteilmäßig sehr klein gehalten werden, während das Strahlrohr nach dem Fenster mit der kostengünstigeren Feinvakuumtechnik fortgeführt wird.
Die Zeichnungen beschreiben die Erfindung. In Figur 1 ist der Ultrahochvakuumbereich (A) durch die dünne, jedoch vakuumdichte Membran (1) vom Feinvakuumbereich (B) getrennt. Im Ultrahochvakuumteil (A), der mit Komponenten wie Flanschen, Rohrleitungen, Ventilen, Pumpen u.a. in UHV-Technik ausgerüstet ist, beträgt der Druck nur wenige hpa; im Feinvakuumbereich (B) mit Baukomponenten in Feinvakuumausführung beträgt der Druck dagegen einige 10 hPa.
Die Membran (1) ist vorteilhaft auf einem Fensterflansch (2) befestigt.
Dieser Fensterflansch (2) ist mittels bekannter Vakuumsdichtungstechnik (3) mit den Flanschen (4,5) der Vakuumröhren verbunden. Diese Flanschverbindungen sollten lösbar sein, um einen Austausch des Fensterflansches (2) zu ermöglichen. Die sehr dünne Membran (1) kann mittels Dichtungen (6) und des Halteringes (7) auf dem Fensterflansch (2) befestigt und abgedichtet werden. Die beiden Dichtungen (6) können vorzugsweise leicht versetzt angeordnet werden, so daß die Membran (1) gleichzeitig leicht gespannt wird.
Die Dichtungen (6) können beispielsweise O-Ringe sein, jedoch sind auch weiche Metall ringe vorzugsweise aus Gold, Indium oder Rlei als Dichtung möglich.
Eine weitere Möglichkeit, die Membran (1) auf dem Fensterflansch (2) zu befestigen und abzudichten, zeigt Figur 2. Herbei wird eine Dicht- und Klebemasse (8) sehr dünn zwischen Membran (1) und Fensterflansch (2) angebracht. Solche Dicht- und Klebemassen können vakuumtaugliche Klebstoffe sein; auch Zweikomponentenklebstoffe können verwendet werden. Da die Klebeoberflächen sehr klein sind, ist die Abgasrate des Klebstoffes sehr gering.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Membran (1) mittels eines Sinter- bzw. Diffusionsprozesses mit dem Fensterflansch (2) verbunden wird. Als Diffusionsmaterial kann beispielsweise Silber verwendet werden, Diese letztere Methode hat den Vorteil, daß der Fensterflansch (2) samt Membran (1) bei Ausheizen des Vakuumsystems mit auf höhere Temperaturen gebracht werden kann.
Wichtig ist in allen Fällen, daß die Trennung zwischen den Vakuumbereichen (A,B) so dicht ist, daß eine ausreichende Druckuntersetzung zustande kommt.
Fig. 3 zeigt eine besondere Form einer dünnen Membran (1). Diese Membran (1)wurde hergestellt, in dem beispielsweise ausgehend von einer 400-500 µm dicken Siliziumscheibe durch Ätzen eine sehr dünne Folie (la) erzeugt wird, während ein nicht behandelter Rand (lb) stehen bleibt. Dieser Rand (lb) ist gleichzeitig Spannrahmen für die Foiie (la) und kann, wie oben beschrieben, ohne daß die Folie selbst mechanisch beansprucht wird, auf dem Fensterflansch aufgebracht werden.
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Claims

Patentansprüche 1 Strahlrohr zum Auskoppeln von Röntgenlicht aus dem ersten Bereich einer Synchrotonstrahlungsquelle, z.B.

einem Elektronenumlaufsystem, die unter Hochvakuum (z.B. 10-9hPa) betrieben wird, zu einem zweiten Bereich, z.B. Experimentalbereich, dadurch r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Trennung der zwei Bereiche durch eine dünne, vakuumdichte, jedoch für Strahlung durchlässige Membran erfolgt.
2) Strahlrohr nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der zweite Bereich unter Feinvakuum (z.B. 10-2hPa) betreibbar ist.
3) Strahlrohr nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Membran aus einem Material niedriger Massenzahl besteht.
4) Strahlrohr nach Anspruch 3, d a d u r c h gekennzeichnet, daß das Material ein Metall oder Halbleiter ist, z.B.

Aluminium,Beryllium, Magnesium oder Silizium.
5) Strahlrohr nach Anspruch 1 oder 3, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Membran 0,5 - 5Am Dicke aufweist.
6) Strahlrohr nach Anspruch 1, d a d u r c h gek e n n z e i c h n e t, daß die Membran 1 auf einem Fensterflansch 2 befestigt und mittels Dichtungen 6 abgedichtet ist.
7) Strahlrohr nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Dichtungen 6 gegeneinander versetzt sind, so daß die Membran leicht gespannt ist.
8) Strahlrohr nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Membran 1 auf dem Fensterflansch 2 verklebt oder versintert ist.
9) Strahlrohr nach Anspruch 1 oder Anspruch 5 d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Membran 1 durch Atzen einer dicken Membran von etwa 400 - 500 µm im Fensterbereich hergestellt ist.