DE4430615A1 - Verfahren und Vorrichtung zur abbildenden Pulverdiffraktometrie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur abbildenden Pulverdif­ fraktometrie nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.

Aus DE-OS 29 33 047 ist ein Verfahren bekannt, bei dem mittels der Prinzipien von Bragg und Laue die Struktur polykristalliner Feststoffe und flüssiger Proben untersucht werden kann. Dabei wird das einfallende polychromatische Röntgenlicht einer Rönt­ genröhre in einen Monochromator geleitet, der auf einem senk­ recht zur Drehachse eines mit der Probe bestückten Goniometers befestigten Kreis (Goniometerkreis) angebracht ist. Aus diesem Monochromator mit einer Brennweite, doppelt so lang wie der Radius des Goniometerkreises, fällt die Strahlung auf die Probe im Kreismittelpunkt, so daß die an der Probe reflektierte bzw. gebeugte monochromatische Röntgenstrahlung im ebenfalls auf dem Goniometerkreis befestigten Detektor, der die winkelspezifische Intensität dieser Strahlung mißt, fokussiert wird. Durch diese Methode kann allerdings keine Abbildung der lokalen Kristall­ eigenschaften erhalten werden. Wenn man die polykristalline Probe großflächig bestrahlt, entstehen an den vielen Einzelkri­ stallen Debye-Scherrer-Reflexionskegel, die sich überlagern und somit eine Aussage über die lokale kristalline Struktur unmög­ lich machen. Wenn man also die polykristalline Struktur größerer Probenbereiche untersuchen und abbilden möchte, so ist dies anhand der genannten Methode nur möglich, wenn jeweils kleine Ausschnitte des abzubildenden Probenbereichs aufeinanderfolgend in vielen Einzelmessungen rasterartig abgetastet werden (Micro­ beam Techniques).

Schließlich ist es aus DE 34 42 061 bekannt, daß die Lage von Verstärkungsfasern inhomogener Werkstoffe in drei Dimensionen durch den Einsatz eines fokussierenden Systems bestehend aus zwei gewölbten Kristallmonochromatoren untersucht werden kann. Jeder der Monochromatoren besitzt einen kurzarmigen und einen langarmigen Brennstrich, wobei die Röntgenquelle im kurzarmigen Brennstrich des ersten Monochromators liegt und dessen langarmi­ ger Brennstrich mit dem kurzarmigen Brennstrich des zweiten Monochromators im Inneren der Probe zusammenfällt. Im langarmi­ gen Brennstrich des zweiten gewölbten Kristallmonochromators ist schließlich der Detektor angebracht, so daß durch dreidimensio­ nale Verschiebung der Probe deren räumliche Struktur, insbeson­ dere die Lage von Verstärkungsfasern, festgestellt werden kann. Diese Methode ist für die Untersuchung der polykristallinen Struktur größerer Probenbereiche aus den gleichen Gründen wie die zuerst genannte nicht zweckmäßig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfacheres und schneller ausführbares Diffraktometrieverfahren zur Unter­ suchung der polykristallinen Struktur größerer Probenbereiche zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Erfindungsgemäß wird die Lösung der genannten Aufgabe durch den Einsatz eines Bündels parallel ausgerichteter Kollimatoren er­ möglicht, das in Relation zum abzubildenden Probenbereich einen spezifischen Reflexionswinkel definiert, unter dem die vom voll­ ständig ausgeleuchteten Probenbereich reflektierte Strahlung den Detektor ausschließlich erreichen kann, so daß die polykristal­ line Struktur des Probenbereichs simultan auf einem ortsauflö­ sendem Detektor abgebildet wird.

Es hat sich gezeigt, daß eine Abbildung der Kristallstruktur der polykristallinen Proben dadurch erhalten werden kann, daß sich die Überlagerung der von allen Orten der ausgeleuchteten Proben­ fläche ausgehenden Strahlen, welche abhängig von dem lokalen Kristallstruktur von jedem Ort jeweils unter verschiedenen Win­ keln auslaufen, durch die Auswahl eines bestimmten, schmalen Strahlungswinkelbereiches so entfalten läßt, daß die zweidimen­ sionale Aufzeichnung der auf ihren Reflexionswinkel (definiert in Bezug auf eine gemeinsame Probenebene) "gefilterten" Strahlen eine Abbildung der polykristallinen Struktur der Probe ergibt.

Der Vorteil der Erfindung liegt in der simultanen Abbildung ge­ samter Probenbereiche, was dem Prinzip der Strahlungsdiffrak­ tionsmessung für die Oberflächen- aber auch die Tiefenstruktur­ analyse von Festkörpern insbesondere zur Qualitätssicherung und -prüfung neben übliche Methoden wie z. B. XPS (X-ray-Photoelec­ tron-Spectroscopy), AES (Auger-Electron-Spectroscopy), SEM (Scanning-Electron-Microscope) und Ultraschalluntersuchungen große Anwendungsbereiche eröffnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels und mit Bezug auf die bei liegenden Zeichnungen näher erläutert, in denen:

Fig. 1 einen Aufbau zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Untersuchung der Oberflächenstruktur einer Probe und

Fig. 2 einen modifizierter Aufbau zur Durchführung eines er­ findungsgemäßen Verfahrens zur Untersuchung der Tie­ fenstruktur einer Probe zeigt.

In Fig. 1 stammt die monochromatische parallele Strahlung 1 aus einer Strahlungsquelle, bei der es sich im Falle einer Anwendung von Röntgenlicht entweder um eine konventionelle Röntgenröhre oder um eine Synchrotronstrahlungsquelle jeweils mit den übli­ chen Anordnungen für die Erzeugung monochromatischer und par­ alleler Strahlung handelt.

Auf der Oberfläche einer auf einer Achse senkrecht zum einfal­ lenden Strahl 1 drehbar auf einem Probenhalter 3 befestigten Probe 2 wird durch die einfallende Strahlung 1 ein abzubildender Probenbereich 4 ausgeleuchtet. An den vielen Einzelkristallen der polykristallinen Probe entstehen eine Vielzahl von sich gegenseitig überlagernden strukturspezifischen Reflexen, z. B. Debye-Scherrer-Kegel, von denen ein gewisser Teil 5 auf ein Bündel von parallel ausgerichteten Kollimatoren 6 fällt.

Dieses Bündel parallel ausgerichteter Kollimatoren 6 selektiert einen vorgegebenen Reflexionswinkelbereich, wobei die Selektivi­ tät des Kollimatorbündels durch das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der einzelnen Kollimatoren bestimmt wird. Im typi­ schen Fall wird dieses Verhältnis von Durchmesser zu Länge klei­ ner als 0.025 gewählt, um eine ausreichende räumliche Selektivi­ tät und Auflösung zu erhalten. Das Kollimatorbündel 6 kann z. B. aus einer aus Glas gefertigten Mikrokanalplatte bestehen; dar­ unter versteht man eine Glasplatte, die von einer Vielzahl dün­ ner Kanäle durchzogen ist. Typische Maße einer geeigneten Mikro­ kanalplatte sind: eine Kanallänge von 4 mm, einen Kanaldurch­ messer von 10 Mikrometern, eine bestrahlbaren Grundfläche mit etwa 20 mm Durchmesser und eine Kanaldichte von zirka 7000 Kanä­ len pro Quadratmillimeter, wobei die Kanäle gleichmäßig auf der Grundfläche verteilt sind. Jeder dieser Kanäle bildet einen Kollimator, der nur einen scharf definierten Reflexionwinkelbe­ reich um die Kanallängsachse passieren läßt.

Durch diese Mikrokanalplatte erreichen nur solche am Probenbe­ reich 4 reflektierten Strahlen 5 die ortsauflösende Detektoran­ ordnung 8, die in einem durch die Abmessungen und Ausrichtung des Kollimatorbündels definierten Winkel relativ dazu verlaufen, so daß sie den gesamten Weg durch das Bündel parallel ausgerich­ teter Kollimatoren 6 durch einen jeweiligen Kanal zurücklegen können und nicht im Glas der Mikrokanalplatte absorbiert werden. Dadurch definiert die Stellung des Bündels von parallel ausge­ richteten Kollimatoren 6 und somit die Lage der Mikrokanäle in Relation zum Probenbereich 4 einen Reflexionswinkel unter dem Strahlung aus dem gesamten Probenbereich 4 die ortsauflösende Detektoranordnung 8 simultan erreichen kann. Im Grunde stellt dies eine Rasterung des Probenbereiches 4 dar, da jeder Mikro­ kanal je nach Lage einen bestimmten kleinen Teil des gesamten Probenbereiches 4 abbildet.

Das Bündel parallel ausgerichteter Kollimatoren 6 ist von einer Abschirmung 9 für Röntgenstrahlung umgeben, so daß reflektierte Strahlung nur durch einen der parallel ausgerichteten Kollimato­ ren den Detektor 8 erreichen kann.

Dieser durch das Bündel parallel ausgerichteter Kollimatoren 6 selektierte Anteil am Probenbereich 4 reflektierter Strahlung 7 gelangt zur genannten ortsauflösenden Detektoranordnung 8, für die z. B. ein Film verwendet wird, der auf einem senkrecht zur einfallenden Strahlung 7 beweglichen. Schlitten montiert ist, damit mehrere Aufnahmen hintereinander gemacht werden können. Desweiteren können für die ortsauflösende Detektoranordnung 8 elektronische Detektoren, z. B. Ionisationskammern oder Halblei­ terdetektoren, wie etwa CCD-Detektoren, oder eine Image-Plate eingesetzt werden.

Durch ein derartiges Verfahren kann anhand einer einzigen Auf­ nahme ein zweidimensionales Bild der Kristallstruktur des gesam­ ten ausgeleuchteten Probenbereiches 4 erstellt werden. Je dunk­ ler die Färbung einzelner Bereiche auf der Aufnahme, desto höher ist dort die Intensität der Strahlung, was wiederum der Erfül­ lung der Bragg-Bedingung entspricht, wodurch bei bekannten Git­ termaßen der Probenkristalle auf deren jeweilige Lage rückge­ schlossen werden kann. Wenn man solche Aufnahmen für mehrere Reflexionswinkel durchführt, was durch das Verdrehen der Probe an der Probenhalterung 3 erreicht wird, können selbst kompli­ zierte räumlich Strukturen der Kristalle im Probenbereich 4 anhand des Vergleichs der einzelnen Aufnahmen identifiziert werden.

Wenn möglich, ist der Einsatz einer Synchrotronstrahlenquelle dem einer Röntgenröhre aufgrund der höheren Intensität vorzuzie­ hen, da durch die wesentliche höherer zur Verfügung stehende Intensität eine verkürzte Aufnahmedauer am ortsauflösenden De­ tektor 8 erzielt wird.

In Fig. 2 stammt die einfallende parallele monochromatische Strahlung 1′ aus den gleichen schon in der Beschreibung von Fig. 1 genannten Strahlungsquellen. Allerdings ist bei dieser Ausführungsform ein flaches Bündel paralleler monochromatischer Röntgenstrahlung 1′ ausgeblendet. Dieses flache Röntgenstrah­ lungsbündel wird in die auf einer Achse senkrecht zum einfal­ lenden Strahl 1′ drehbar in einem Probenhalter 3 befestigte Probe 2 seitlich eingestrahlt. Dadurch passiert die Strahlung das Innere der Probe 2 und leuchtet so eine im Inneren der Probe 2 liegenden Probenbereich 4 aus. Dort entstehen wiederum eine Vielzahl von sich gegenseitig überlagernden strukturspezifischen Reflexen, z. B. Debye-Scherrer Kegel, von denen ein gewisser Teil 5 auf das Bündel von parallel ausgerichteten Kollimatoren 6 fällt. Die weitere Beschreibung entspricht genau der von Fig. 1. Bei dieser Verfahrensvariante mit dem Aufbau nach Fig. 2 wirkt das erfindungsgemäße Verfahren zur Untersuchung der Tie­ fenstruktur der Probe 2.

Bei Verwendung von Neutronen kann das Kollimatorbündel durch eine Glasplatte aus borhaltigem Glas gebildet werden, durch die eine Vielzahl, im typischen Fall wenigstens tausend Kanäle ver­ laufen. Die Dicke der Platte wird so gewählt, daß die Neutronen bei der verwendeten Strahlenergie im wesentlichen vollständig in dem borhaltigem Glas absorbiert werden. Die Dicke der Platte ist daher wesentlich höher als im Fall von Röntgenstrahlen; dement­ sprechend ist auch der Durchmesser der einzelnen Kanäle größer, so daß das Verhältnis von Durchmesser zu Länge der Kanäle etwa gleich bleibt und vorzugsweise kleiner als 0.025 ist.

Claims (17)

1. Verfahren zur abbildenden Pulverdiffraktometrie zur Unter­ suchung ausgedehnter Proben (2), insbesondere polykristal­ liner Feststoffe, basierend auf der Reflexion monochromati­ scher Strahlung (1) am bestrahlten Probenbereich (4) einer auf einer Achse senkrecht zum einfallenden Strahl (1) auf einer Probenhalterung (3) drehbar befestigten Probe (2), wobei die Intensitäten der entstehenden Reflexe (5) mit einer Detektoranordnung (8) gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (2) auf dem abzubil­ denden Probenbereich (4) gesamtflächig bestrahlt wird, aus der reflektierter Strahlung (5) mit einem Bündel parallel ausgerichteter Kollimatoren (6) ein bestimmter Reflexions­ winkelanteil selektiert und die Intensität dieser selek­ tierten Strahlung (7) mit einer ortsauflösenden Detektor­ anordnung (8) gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abzubildende Probenbereich an der Oberfläche (4) gesamtflä­ chig mit im wesentlichen paralleler Röntgenstrahlung (1) bestrahlt wird, wobei aus der Überlagerung aller dabei im bestrahlten Probenbereich (4) entstehenden Reflexe (5) nur der Anteil (7) mit der durch das Bündel parallel ausgerich­ teter Kollimatoren (6) festgelegten Richtung und somit mit einem spezifischen Reflexionswinkel am Probenbereich (4) die Detektoranordnung (8) erreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abzubildende Probenbereich an der Oberfläche (4) gesamtflä­ chig mit im wesentlichen paralleler Neutronenstrahlen be­ strahlt wird, wobei aus der Überlagerung aller dabei im bestrahlten Probenbereich (4) entstehenden Reflexe (5) nur der Anteil (7) mit der durch das Bündel parallel ausgerich­ teter Kollimatoren (6) festgelegten Richtung und somit mit einem spezifischen Reflexionswinkel am Probenbereich (4) die Detektoranordnung (8) erreicht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mit einem flachen Bündel im wesentlichen paralleler Strahlung (1′) in die Probe (2) eingestrahlt wird, um eine im Inneren der Probe (2) liegende Schicht (4′) der Probe abzubilden, wobei aus der Überlagerung aller dabei in der bestrahlten Probenschicht (4′) entstehenden Reflexe (5) nur der Anteil (7) mit der durch das Bündel parallel ausgerichteter Kollimatoren (6) festgelegten Rich­ tung und somit mit einem spezifischen Reflexionswinkel am Probenbereich (4) die Detektoranordnung (8) erreicht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüchen 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Bündel parallel ausgerichteter Kollimatoren (6) eine aus Glas bestehende Mikrokanalplatte verwendet wird, die in regelmäßiger Anordnung von einer Vielzahl dünner Kanäle senkrecht zur Oberfläche der Mikro­ kanalplatte durchzogen ist, wobei jeder Kanal als Kollima­ tor wirkt, und Strahlen, die nicht durch diese Kanäle ver­ laufen, absorbiert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Bündel parallel ausgerichteter Kollimatoren (6) eine Viel­ zahl parallel ausgerichtet gestapelter Kapillaren aus bor­ haltigem Glas verwendet wird, wobei jede Kapillare als Kol­ limator wirkt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bündel von Kollimatoren mit einer Gesamtzahl von wenigstens 1000 Kollimatoren verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mikrokanalplatte mit einer mit einer Dichte von wenigstens 1000 Kanälen pro mm² Mikrokanalplattenfläche verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Bündel von Kollimatoren verwendet wird, in dem jeder Kollimator ein Verhältnis von Durchmesser zu Länge von kleiner als 0.025 hat.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als ortsauflösende Detektoranordnung (8) ein Film, ein elektronischer Detektor oder eine Image­ Plate verwendet wird.

11. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit:

• - einer Quelle für im wesentlichen parallele monochromati­ sche Strahlung (1),
• - einem Probenhalter (3) für eine ausgedehnte Probe (2), die darauf im Strahl (1) positionierbar ist,
• - einem Bündel parallel ausgerichteter Kollimatoren (6), das im Strahlengang der an der Probe (2) reflektierten Strahlung (5) positionierbar ist,
• - einer hinter dem Bündel parallel ausgerichteter Kollima­ toren (6) angeordneten ortsauflösenden Detektoranordnung (8) zur ortsauflösenden Aufzeichnung von das Bündel par­ allel ausgerichteter Kollimatoren passierender Strahlung.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ortsauflösende Detektoranordnung (8) aus einem Film oder einer Image-Plate besteht, die auf einem Schlitten oder Kreuzschlitten montiert, senkrecht zum reflektierten Röntgenstrahl (5) beweglich, für Mehrfachaufnahmen verfahr­ bar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die ortsauflösende Detektoranordnung (8) einen elektronischen Detektor für Röntgenstrahlung enthält.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bündel parallel ausgerichteter Kolli­ matoren (6) durch eine aus Glas bestehende Mikrokanalplatte gebildet wird, durch die senkrecht zur Oberfläche Kanäle verlaufen, wobei die Kanäle gleichmäßig verteilt sind und die Gesamtzahl an Kanälen wenigstens 1000 beträgt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bündel parallel ausgerichteter Kolli­ matoren (6) durch eine Vielzahl parallel ausgerichtet ge­ stapelter Kapillaren aus borhaltigem Glas gebildet wird, wobei jede Kapillare als Kollimator wirkt und die Gesamt­ zahl von Kapillaren wenigstens 1000 beträgt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle mit einer Dichte von wenigstens 1000 Kanälen pro mm² Mikrokanalplattenfläche verteilt sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Verhältnis von Durchmesser zu Länge jedes Kollimators kleiner als 0.025 ist.