DE4425594C2 - 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 Befestigungsflächen, welche die Reflexionsfläche über einer Halterung halten und zwischen denen ein Hohlraum liegt, in den Kühlmittel zur direkten Kühlung der Reflexions­ fläche von hinten einführbar ist, und Stellmittel aufweist, die steuerbar Kraft auf den Einkristall ausüben, um die Form der Reflexionsfläche 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 Befestigungsflächen, die unten an einer Halterung festgeklemmt sind. In den Hohlraum zwischen den seitlichen Befestigungsflächen 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 Temperaturgradienten und Kühlmitteldruck auf. Um die Auf­ wölbung der Reflexionsfläche zu kompensieren, sind mechanisch wirkende Stellmittel vorgesehen, die an den seitlichen Befesti­ gungsflächen des Kristallhohlkörpers angreifen und senkrecht zu diesen wirken, um die beiden Befestigungsflächen auseinander­ zuziehen. Beim Auseinanderziehen der Befestigungsflächen 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 Befestigungs­ flächen relativ weit auseinandergezogen werden, was bedingt, daß die Befestigungsflächen selbst relativ hoch sein müssen, damit sie ihre eigene, beim Auseinanderziehen auftretende Durchbiegung aufnehmen können. Zudem treten dabei im Übergangsbereich zwi­ schen seitlichen Befestigungsflächen und Reflexionsfläche Span­ nungen im Kristall auf, da sich der Winkel zwischen Befesti­ gungsflächen und Reflexionsfläche durch das Auseinanderziehen ändert, was wiederum zu lokalen Verformungen im Übergangsbereich führt.

In dem Artikel "An energy dispersive x-ray absorption spectros­ copy beamline, X6A, at NSLS", Rev. Sci. Instrum. 65 (1), Januar 1994, Seiten 1-6, ist ein fokussierender Polychromator-Kristall beschrieben, der von einem Biegemechanimus mit vier Auflagepunk­ ten, zwei auf jeder Seite des flachen Kristalls, mit senkrechter Krafteinleitung in eine fokussierende Hohlform durchgebogen wird. Die Anwendung eines solchen Biegemechanismus auf einen Monochromator-Kristall der eingangs beschriebenen Art hätte Nachteile zur Folge, da von den vier Auflagepunkten der Stell­ mittel zwei im kühlwasserdurchströmten Hohlraum an der Rückseite der Reflexionsfläche und -zwei an der Vorderseite im effektiven Reflexionsbereich angreifen müßten, was für die hinteren zwei aus konstruktiven Gründen schwierig ist und für die vorderen unerwünscht ist, da die effektive Reflexionsfläche vermindert wird.

In der adaptiven Optik sind Spiegel für sichtbares Licht bekannt (siehe z. B. JP-Patents Abstracts 5-297196(A) und 5-256999 (A)), die die Spiegelfläche durch senkrechte Krafteinwirkung mit Stellmitteln korrigieren. Derartige Maßnahmen wären für einen Monochromator-Kristall der eingangs beschriebenen Art nachtei­ lig, da die Stellmittel dann entweder vor der wirksamen Refle­ xionsfläche angeordnet werden müßten und diese somit verkleinern würden, was bei den praktisch zur Verfügung stehenden Größen von Einkristallen unerwünscht ist, oder von hinten an die Refle­ xionsfläche angreifend Stellmittel angeordnet werden müßten, was in dem kühlmitteldurchströmten Hohlraum hinter der Reflexions­ fläche eines Monochromator-Kristalls eine erhebliche Komplizie­ rung des Aufbaus erfordern würde.

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 Befestigungsflächen vorstehende Verlängerun­ gen aufweist. Die Stellmittel wirken mechanisch auf diese seit­ lich 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 Befestigungs­ flächen mehr erforderlich sind, und andererseits eine bessere Kompensation der Durchbiegung der Reflexionsfläche als in der herkömmlichen adaptiven Monochromatorkristall-Einrichtung. Ein Grund dafür besteht darin, daß die kompensierende Kraft der die Störung verursachenden Kraft direkt entgegengerichtet ist und somit eine unmittelbare Kompensation ermöglicht.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die seitlichen Befestigungsflächen eine konstante Dicke auf, aber die Befestigungsflächendicke ist jeweils durch eine unmittelbar benachbart einer anschließenden Verlängerung parallel zur Ebene der Reflexionsfläche verlaufende erste Nut und eine zur ersten Nut parallele, in senkrechtem Abstand dazu verlaufende zweite Nut geschwächt. Diese Schwächung der Befestigungsflächen ergibt eine gelenkähnliche Funktion unmittelbar an der Verbindung zwi­ schen Befestigungsfläche und Reflexionsfläche. Dadurch werden die Biegeeigenschaften in Hinblick auf die gewünschte Kompensa­ tion der Reflexionsfläche durch Krafteinwirkung auf die Verlän­ gerungen weiter verbessert.

Die seitlichen Befestigungsflächen können durch vier Befesti­ gungsflächen gebildet werden, die rechtwinkling zueinander ste­ hen und den Hohlraum unter der Reflexionsfläche vollständig umschließen. Es können jedoch auch nur zwei, parallel zueinander verlaufende Befestigungsflächen vorgesehen sein, wobei an deren beiden Enden dann die Fläche zwischen den seitlichen Befesti­ gungsflächen jeweils durch ein Wandelement, beispielsweise eine eingeklebte Stahlplatte, geschlossen werden muß, um einen dich­ ten Hohlraum zur Einleitung von Kühlmittel unter die Reflexions­ fläche zu schaffen. Letztere Ananordnung ist in der Herstellung beim Herausarbeiten der Befestigungsflächen 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 Befestigungsflächen 4 herausgeschnitten sind, die an ihrer der Reflexionsfläche 2 gegenüberliegenden Seite auf einer Halterung festgeklemmt wer­ den. Die dargestellte Reflexionsfläche 2 wird durch eine Platte konstanter Dicke gebildet; die Dicke muß jedoch nicht konstant sein, sondern es kann auch ein an die Wärmelast angepaßtes Dic­ kenprofil gewählt werden.

Die Reflexionsfläche 2 ist auf beiden Seiten mit seitlich über die Befestigungsflächen 4 hinausragenden Verlängerungen 6 ausge­ bildet. 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 Befestigungsflächen 4 an die Reflexionsfläche 2 her­ angeführten Kühlmittels, dem aufgrund des im Betrieb im Strah­ lengang herrschenden Vakuums kein Gegendruck entgegensteht, zur Aufwölbung der Reflexionsfläche 2 nach außen bei. Die im Be­ triebszustand 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 Befestigu­ ngsflächen 4 in bestmöglicher Weise einer ebenen Oberflächenform angenähert 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 Befestigungsflächen beschränkt 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 Befestigungsflächen aufgetragen, wobei der Ursprung genau in der Mitte zwischen den Befestigungsflächen liegt. Mit der gestrichelten Linie ist die durch die auftretenden Tempera­ turgradienten und den Kühlmitteldruck verursachte Auslenkung der Oberfläche der Reflexionsfläche 2 dargestellt. Mit der durch­ gezogenen Linie ist das Resultat der Kompensation durch Kraft­ einwirkung auf die Verlängerungen 6 senkrecht zur Reflexions­ flächenebene gezeigt. Zu erkennen ist, daß die Auslenkung der Oberfläche der Reflexionsfläche 2 im relevanten Bereich weitge­ hend auf Null gebracht ist und die ideal ebene Form der Refle­ xionsfläche damit wiederhergestellt ist. Die Kompensation des Zentralbereichs geht einher mit einer Durchbiegung der Verlänge­ rungen 6 nach oben, was jedoch in Kauf genommen wird, da der Kristall so dimensioniert und positioniert wird, daß die Ver­ längerungen 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 Befe­ stigungsflächen, welche die Reflexionsfläche über einer Halterung halten und zwischen denen ein Hohlraum liegt, in den Kühlmittel zur direkten Kühlung der Reflexionsfläche von hinten einführbar ist, und Stellmittel aufweist, die steu­ erbar Kraft auf den Einkristall ausüben, um die Form der Reflexionsfläche zu beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche (2) über die seitlichen Befesti­ gungsflächen (4) hinausragende Verlängerungen (6) aufweist, und die Stellmittel (20) im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Reflexionsfläche auf die Verlängerungen (6) der Refle­ xionsfläche einwirken.

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

3. Monochromatorkristall-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Befestigungsflä­ chen (4) eine konstante Dicke aufweisen, aber die Befesti­ gungsflächendicke jeweils durch eine unmittelbar benachbart einer anschließenden Verlängerung parallel zur Ebene der Re­ flexionsfläche verlaufende erste Nut (8) und eine zur ersten Nut (8) parallele, in senkrechtem Abstand dazu verlaufende zweite Nut (10) geschwächt ist.

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