DE4425594A1 - Monochromatorkristall-Einrichtung für Synchrotronstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Monochromatorkristall-Einrichtung für Synchrotronstrahlung, die einen Einkristall mit einer Re­ flexionsfläche und davon im wesentlichen rechtwinklig abstehen­ den seitlichen Trägerflächen, welche die Reflexionsfläche über einer Halterung tragen, und Stellmittel aufweist, die steuerbar Kraft auf den Einkristall ausüben, um die Form der Reflexions­ fläche zu beeinflussen.

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.

Die zur Synchrotronstrahlungserzeugung verwendeten Elektronen­ speicherringe sind heute speziell für diesen Zweck optimiert und mit Undulatoren und Wigglern versehen, die die Abstrahlung er­ heblich erhöhen. Durch diese Optimierung - verglichen mit Strah­ lungsquellen mit einfachen Ablenkmagneten - stehen hochintensive Synchrotronstrahlungsquellen zur Verfügung, die mit Leistungs­ dichten von einigen kW/mrad² abstrahlen. Derartige Leistungs­ dichten führen u. a. zu einer hohen Wärmebelastung der Strahlfüh­ rungskomponenten, so daß direkte Kühlungen für Monochromator­ kristalle, Spiegel, etc. vorgesehen werden müssen. Trotz Kühlung beeinträchtigen die durch Temperaturgradienten bedingten Ver­ zerrungen in den Komponenten deren optische Eigenschaften und ihre Leistungsfähigkeit.

Für die Güte eines Monochromatorkristalls ist es wichtig, daß seine Reflexionsfläche in dem vom einfallenden Strahl getroffe­ nen Bereich eine möglichst ideale Ebenheit und eine konstante Temperatur hat. In dem Artikel "Performance of a directly water­ cooled silicon crystal for use in high-power synchrotron radia­ tion applications von T. Oversluizen et al. (Rev. Sci. Instrum. 60 (7), July 1989, Seiten 1493-1500) ist ein Monochromator­ kristall beschrieben, der aus einem länglichen, im wesentlichen kubischen Einkristall hergestellt ist, in den rückwärtig, gegen­ über der Reflexionsfläche Hohlräume eingeschnitten sind und der auf einer Halterung festgeklemmt ist. Durch die Halterung ist Kühlwasser in die Hohlräume einleitbar, das von hinten an der Reflexionsfläche vorbeiströmt, um Wärme abzuführen. Der Mono­ chromatorkristall bildet praktisch einen Hohlkörper, der von Kühlwasser durchströmt wird. Die Leistungsfähigkeit dieses Mono­ chromatorkristalls ist aber nicht völlig zufriedenstellend, da sich Temperaturgradienten über den Gesamtkristall nicht vermei­ den lassen, was bei dem kästchenförmigen Kristallhohlkörper zu einer Verformung der Reflexionsfläche führt. Durch den Tempera­ turgradienten erhält der kubische Kristallhohlkörper, der unten auf der Halterung eingespannt ist, oben an der Reflexionsfläche eine nach außen weisende Wölbung. Dieser Effekt wird durch den Kühlmitteldruck, bei im Betrieb im Außenraum des Kristalls herr­ schendem Vakuum, noch verstärkt, wodurch die Kristallwände eben­ falls nach außen gedrückt werden.

Aus dem Artikel "Adaptive crystal optics for high-power synchro­ ton sources" von L. Berman et al. (Nuclear Instruments and Me­ thods in Physics Research A 302 (1991), Seiten 558-562) ist eine Monochromatorkristall-Einrichtung mit den Merkmalen des Oberbe­ griffs des Patentanspruchs 1 bekannt. Der Einkristall hat eine längliche kubische Form mit einer Reflexionsfläche und davon an den Längsseiten nach unten abstehenden Trägerflächen, die unten an einer Halterung festgeklemmt sind. In den Hohlraum zwischen den seitlichen Trägerflächen wird Kühlmittel eingeführt, um die Reflexionsfläche direkt von hinten zu kühlen. Wie schon bei dem oben beschriebenen Monochromatorkristall tritt auch hier eine zylindrische Aufwölbung der Reflexionsfläche durch Temperatur­ gradienten und Kühlmitteldruck auf. Um die Aufwölbung der Refle­ xionsfläche zu kompensieren, sind mechanisch wirkende Stellmit­ tel vorgesehen, die an den seitlichen Trägerflächen des Kris­ tallhohlkörpers angreifen und senkrecht zu diesen wirken, um die beiden Seitenflächen auseinanderzuziehen. Beim Auseinanderziehen der Seitenfläche biegen diese sich ebenfalls durch, da ihre unteren Enden eingespannt sind, so daß sich ihre oberen Enden voneinander entfernen und damit die zylindrische Aufwölbung der zwischen den oberen Enden liegenden Reflexionsfläche vermindert wird. Um die Durchbiegung der Reflexionsfläche zu korrigieren, müssen die Seitenflächen relativ weit auseinandergezogen werden, was bedingt, daß die Seitenflächen selbst relativ hoch sein müssen, damit sie ihre eigene, beim Auseinanderziehen auftreten­ de Durchbiegung aufnehmen können. Zudem treten dabei im Über­ gangsbereich zwischen seitlichen Trägerflächen und Reflexions­ fläche Spannungen im Kristall auf, da sich der Winkel zwischen Trägerflächen und Reflexionsfläche durch das Auseinanderziehen ändert, was wiederum zu lokalen Verformungen im Übergangsbereich führt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Monochromator­ kristall-Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der sich Durchbiegungen der Reflexionsfläche möglichst einfach und möglichst vollständig kompensieren lassen.

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 der erfindungsgemäßen Einrichtung ist der Monochromatorkri­ stall so ausgebildet, daß die Reflexionsfläche zu beiden Seiten über die seitlichen Trägerflächen vorstehende Verlängerungen aufweist. Die Stellmittel wirken mechanisch auf diese seitlich überstehenden Verlängerungen ein und drücken diese mit ein­ stellbarer Kraft, welche im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Reflexionsfläche gerichtet ist, nach oben. Die erfindungsgemäße Gestaltung ermöglicht durch die direkte Einwirkung auf die Ver­ längerungen der Reflexionsfläche einerseits einen kompakteren Aufbau, da keine hohen, durchbiegbaren seitlichen Trägerflächen mehr erforderlich sind, und andererseits eine bessere Kompensa­ tion der Durchbiegung der Reflexionsfläche als in der herkömm­ lichen adaptiven Monochromatorkristall-Einrichtung. Ein Grund dafür besteht darin, daß die kompensierende Kraft der die Stö­ rung verursachenden Kraft direkt entgegengerichtet ist und somit eine unmittelbare Kompensation ermöglicht.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die seitlichen Trägerflächen eine konstante Dicke auf, aber die Trägerflächendicke ist jeweils durch eine unmittelbar benachbart einer anschließenden Verlängerung parallel zur Ebene der Refle­ xionsfläche verlaufende erste Nut und eine zur ersten Nut par­ allele, in senkrechtem Abstand dazu verlaufende zweite Nut ge­ schwächt. Diese Schwächung der Trägerflächen ergibt eine gelenk­ ähnliche Funktion unmittelbar an der Verbindung zwischen Träger­ fläche und Reflexionsfläche. Dadurch werden die Biegeeigenschaf­ ten in Hinblick auf die gewünschte Kompensation der Reflexions­ fläche durch Krafteinwirkung auf die Verlängerungen weiter ver­ bessert.

Die seitlichen Trägerflächen können durch vier Trägerflächen gebildet werden, die rechtwinkling zueinander stehen und den Hohlraum unter der Reflexionsfläche vollständig umschließen. Es können jedoch auch nur zwei, parallel zueinander verlaufende Trägerflächen vorgesehen sein, wobei an deren beiden Enden dann die Fläche zwischen den seitlichen Trägerflächen jeweils durch ein Wandelement, beispielsweise eine eingeklebte Stahlplatte, geschlossen werden muß, um einen dichten Hohlraum zur Einleitung von Kühlmittel unter die Reflexionsfläche zu schaffen. Letztere Anordnung ist in der Herstellung beim Herausarbeiten der Trä­ gerflächen aus dem Kristall einfacher.

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

Fig. 1 schematische Darstellungen des Monochromatorkristalls im Schnitt senkrecht zur Reflexionsflächenebene in verschiedenen Durchbiegungszuständen zeigt;

Fig. 2 die Auslenkung der Kristalloberfläche gegenüber der ungestörten Reflexionsflächenebene als Funktion der Position in der Reflexionsflächenebene zeigt; und

Fig. 3 eine Schnittansicht einer Monochromatorkristall-Ein­ richtung zeigt.

In Fig. 1 ist eine Reihe von schematischen Darstellungen im Querschnitt senkrecht zur Reflexionsflächenebene zur Erläuterung der prinzipiellen Funktionsweise der erfindungsgemäßen Einrich­ tung gezeigt. Im oberen Teil ist der Kristall im ungestörten Zustand dargestellt. Der Monochromatorkristall ist aus einem Einkristall-Block, beispielsweise aus Silizium, herausgearbei­ tet, wobei unter der plattenförmigen Reflexionsfläche 2 senk­ recht nach unten abstehende seitliche Trägerflächen 4 herausge­ schnitten sind, die an ihrer der Reflexionsfläche 2 gegenüber­ liegenden Seite auf einer Halterung festgeklemmt werden. Die dargestellte Reflexionsfläche 2 wird durch eine Platte konstan­ ter Dicke gebildet; die Dicke muß jedoch nicht konstant sein, sondern es kann auch ein an die Wärmelast angepaßtes Dickenpro­ fil gewählt werden.

Die Reflexionsfläche 2 ist auf beiden Seiten mit seitlich über die Trägerflächen 4 hinausragenden Verlängerungen 6 ausgebildet. Im Betrieb, bei hochintensivem Strahlungseinfall auf die Reflexionsfläche 2 verursachen die auftretenden Temperaturgra­ dienten eine Durchbiegung der Reflexionsfläche mit im wesentli­ chen zylindrischer, nach außen aufgewölbter Durchbiegung (die Durchbiegung ist im wesentlichen zylindrisch bei Kristallen mit länglicher Reflexionsfläche, bei Kristallen mit etwa quadrati­ scher Reflexionsfläche ist die Form der Durchbiegung eher sphä­ risch). Wie die Temperaturgradienten trägt der Druck des zwi­ schen den Trägerflächen 4 an die Reflexionsfläche 2 herangeführ­ ten Kühlmittels, dem aufgrund des im Betrieb im Strahlengang herrschenden Vakuums kein Gegendruck entgegensteht, zur Aufwöl­ bung der Reflexionsfläche 2 nach außen bei. Die im Betriebszu­ stand auftretende Durchbiegung der Reflexionsfläche 2 ist im mittleren Teil von Fig. 1 gezeigt.

Die störende Durchbiegung der Reflexionsfläche 2 kann in der erfindungsgemäßen Einrichtung durch Krafteinwirkung auf die überstehenden Verlängerungen 6 kompensiert werden, indem Stell­ mittel mit Kraftwirkung im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Reflexionsfläche 2 auf diese einwirken, wie dies schematisch im unteren Teil von Fig. 1 gezeigt ist. Im optimal kompensierten Zustand, in dem die Reflexionsfläche 2 zwischen den Trägerflä­ chen 4 in bestmöglicher Weise einer ebenen Oberflächenform ange­ nähert ist, sind die seitlichen Verlängerungen 6 nach oben durchgebogen, was aber ohne Einfluß auf die reflektierte Strah­ lung ist, da der einfallende Strahl auf einen eigentlichen Reflexionsbereich zwischen den seitlichen Trägerflächen be­ schränkt ist.

In Fig. 2 ist die Deformation der Reflexionsfläche mit und ohne Kompensation gezeigt. Auf der y-Achse ist die Auslenkung der Oberfläche der Reflexionsfläche 2 gegenüber ihrem ungestörten, ebenen Zustand aufgetragen, auf der x-Achse ist die Position auf der Oberfläche der Reflexionsfläche in Richtung quer zu den seitlichen Trägerflächen aufgetragen, wobei der Ursprung genau in der Mitte zwischen den Trägerflächen liegt. Mit der gestri­ chelten Linie ist die durch die auftretenden Temperaturgradien­ ten und den Kühlmitteldruck verursachte Auslenkung der Oberflä­ che der Reflexionsfläche 2 dargestellt. Mit der durchgezogenen Linie ist das Resultat der Kompensation durch Krafteinwirkung auf die Verlängerungen 6 senkrecht zur Reflexionsflächenebene gezeigt. Zu erkennen ist, daß die Auslenkung der Oberfläche der Reflexionsfläche 2 im relevanten Bereich weitgehend auf Null gebracht ist und die ideal ebene Form der Reflexionsfläche damit wiederhergestellt ist. Die Kompensation des Zentralbereichs geht einher mit einer Durchbiegung der Verlängerungen 6 nach oben, was jedoch in Kauf genommen wird, da der Kristall so dimensio­ niert und positioniert wird, daß die Verlängerungen 6 nicht im Strahlengang liegen.

Claims (5)

1. Monochromatorkristall-Einrichtung für Synchrotronstrahlung, die einen Einkristall mit einer Reflexionsfläche und davon im wesentlichen rechtwinklig abstehenden seitlichen Träger­ flächen, welche die Reflexionsfläche über einer Halterung tragen, und Stellmittel aufweist, die steuerbar Kraft auf den Einkristall ausüben, um die Form der Reflexionsfläche zu beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexions­ fläche (2) über die seitlichen Trägerflächen (4) hinausra­ gende Verlängerungen (6) aufweist, und die Stellmittel (20) im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Reflexionsfläche auf die Verlängerungen (6) der Reflexionsfläche einwirken.

2. Monochromatorkristall-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche (2) eine im wesent­ lichen rechteckige, längliche Form hat, daß die seitlichen Trägerflächen (4) parallel zueinander in Längsrichtung der Reflexionsfläche (2) verlaufen und die Verlängerungen auf ganzer Länge der Reflexionsfläche (2) über die seitlichen Trägerflächen (4) hinausragen.

3. Monochromatorkristall-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Trägerflächen (4) eine konstante Dicke aufweisen, aber die Trägerflächendicke jeweils durch eine unmittelbar benachbart einer anschließen­ den Verlängerung parallel zur Ebene der Reflexionsfläche verlaufende erste Nut (8) und eine zur ersten Nut (8) par­ allele, in senkrechtem Abstand dazu verlaufende zweite Nut (10) geschwächt ist.

4. Monochromatorkristall-Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Trägerfläche jeweils die erste Nut (8) und die zweite Nut (10) auf gegenüberliegenden Sei­ ten der Trägerfläche liegen.

5. Monochromatorkristall-Einrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmit­ tel (20) durch Piezo-Elemente gebildet werden, die jeweils in Anlage an einen Bereich der Verlängerungen (6) und einem Bereich der Halterung (30) sind und in ihrer Ausdehnung senkrecht zur Ebene der Reflexionsfläche einstellbar sind.