DE602004012031T2

DE602004012031T2 - Detektionseinheit zur Röntgenstreumessung

Info

Publication number: DE602004012031T2
Application number: DE602004012031T
Authority: DE
Inventors: Muradin A Kumakhov; Nariman S. Ibraimov; Alexander V. Lyuttsau; Ekaterina V. Likhushina; Alexander E. Bulkin; Svetlana V. Nikitina
Original assignee: OBSHCHESTVO S OGRANICHENNOJ OT; OBSHCHESTVO S OGRANICHENNOJ OTVETSTVENNOSTYU "INSTITUT RENTGENOVSKOI OPTIKI"
Current assignee: OBSHCHESTVO S OGRANICHENNOJ OT; OBSHCHESTVO S OGRANICHENNOJ OTVETSTVENNOSTYU "INSTITUT RENTGENOVSKOI OPTIKI"
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2024-06-08
Also published as: DE602004012031D1; RU2003125341A; CN1590992A; US20050041776A1; RU2242748C1; EP1508800A1; EP1508800B1; US7149279B2

Description

Die Erfindung betrifft Mittel, die beim Durchführen von Röntgenstrahlendiffraktionsmessungen verwendet werden, insbesondere solche, die zu Röntgen-Beugungsmessgeräten gehören, nämlich zu einer Detektionseinheit.
Es ist eine Detektionseinheit bekannt, die einen Detektor und ein Soller-Schlitzsystem in Form einer Anordnung dünner Platten parallel zu einer Ebene umfasst, welche sich aus dem primären Röntgenstrahl und der Normalen zur Fläche der untersuchten Probe zusammensetzt, die außerdem durch das Zentrum eines Goniometers hindurchgeht (siehe D. A. Goganov, B. S. Losinsky, N. B. Tsvetova, T. P. Toporkova. Sealed-off proportional X-ray emission counter SPRO-12. – In: Apparatura i metody rentgenovskogo analiza (Gerätschaft und Verfahren für Röntgenanalyse). Leningrad, Mashinostroenie Verlagshaus, 1972, Ausgabe 11, S. 151–155 [1] (auf Russisch)). Diese Detektionseinheit umfasst außerdem einen Kollimierschlitz, der in einer Ebene angeordnet ist, die rechtwinklig zu der beschriebenen liegt, und einen durch die untersuchte Probe reflektierten Strahl aus Röntgenstrahlen überträgt. Die größte Ausdehnung bestrahlter Fläche der untersuchten Probe liegt in der Ebene, welche parallel zu ihren Erzeugenden durch den Kollimierschlitz hindurchgeht, und die geringste in der Ebene rechtwinklig zu dem Kollimierschlitz. Es finden kristallografische Bragg-"Reflexionen" gemäß der fundamentalen Beugungsgleichung:
2d sinΘ = nλ statt, wobei d Zwischenebenenabstände in dem "reflektierenden" Ebenensystem bezeichnet, Θ der Reflexionswinkel ist, n die Ordnung der Reflexion ist, und λ die Wellenlänge einfallender Strahlung bezeichnet. Aufgrund der endlichen Ausdehnungen des bestrahlten Bereichs sind jedoch nicht nur Mehrfachreflexionen möglich, sondern auch Reflexionen von anderen Ebenensystemen kohärenter Streubereiche. Diese Ebenen sind nicht parallel zu der Oberfläche der untersuchten Probe angeordnet und können reflektierte Strahlen von einigen anderen geometrischen Punkten des bestrahlten Bereichs erzeugen, die in verschiedenen Winkeln zu dem Kollimierschlitzbereich angeordnet sind. Die Aufgabe der Selektion von Nebenstrahlen (englisch: extraneous rays) wird in der rechtwinklig zu dem Kollimierschlitz angeordneten Ebene durch den Kollimierschlitz erreicht, und in der parallelen Ebene durch den Soller-Schlitz.
Diese Detektionseinheit, die bei Röntgenbeugungsfotografie mit Fokussiervorgängen verwendet wird, fängt nur enge Bündel von durch die untersuchte Probe reflektierten Röntgenstrahlen ein. Bei realen Messungen hat dieser Winkel eine Größenordnung von einigen Bogenminuten. Um mit einer solchen Detektionseinheit Informationen in einem Winkelbereich von einigen zehn Grad zu erhalten, ist es notwendig, mehrere hundert Mal eine Belichtung durchzuführen. Die gesamte Belichtungszeit wird sich entsprechend erhöhen.
Außerdem ist eine Detektionseinheit für Röntgenbeugungsmessungen gemäß einem nicht-fokussierenden Verfahren bekannt, das eine Parallelstrahlentechnik verwendet. Diese Detektionseinheit umfasst einen geraden oder gekrümmten positionsempfindlichen Detektor und einen entlang eines Detektorfensters angeordneten Schlitz (s. Ortendahl D., Perez-Mendez V., Stoker U. One dimensional curved wire chamber for powder X-ray crystallography. – Nucl. Instrum. And Meth., 1978, Band 156, Nr. 1–2, S. 53–56, [2]).
Aufgrund der Tatsache, dass diese Detektionseinheit den Detektor sich entlang des Beugungswinkels erstreckend aufweist, werden im Fall ihrer Verwendung bei dem oben erwähnten Messverfahren die Informationen gleichzeitig für einen bestimmten Bereich von Reflexionswinkeln Θ erhalten.
Das kollimierende System, wie es durch den Schlitz dargestellt ist, verengt jedoch das Detektorfenster in der Ebene rechtwinklig zu dem Beugungswinkel beträchtlich, was dazu führt, dass die erfasste reflektierte Strahlungsintensität reduziert ist. Gleichzeitig liegt in der Ebene des Beugungswinkels keine Kollimierung vor. Daraus folgt, dass jegliche auf den Detektor einfallenden reflektierten Röntgenstrahlen eingefangen werden, was zur Verzerrung in dem sich ergebenden Beugungsmuster (Diffraktogramme) führt.
Die aus [2] bekannte Detektionseinheit für Röntgenbeugungsmessungen ist diejenige, welche der Vorgeschlagenen am nächsten kommt.
Die vorgeschlagene Erfindung zielt auf das Erzielen technischer Ergebnisse ab, die das Verhindern von Verzerrung in den erhaltenen Diffraktogrammen umfassen und außerdem die Empfindlichkeit der Detektionseinheit erhöhen. Nachfolgend werden zusätzlich bei der Offenbarung der technischen Substanz der vorgeschlagenen Detektionseinheit und durch Beschreibung ihrer besonderen Ausführungsformen weitere Arten erzielter technischer Ergebnisse aufgeführt.
Die vorgeschlagene Detektionseinheit für Röntgenstrahlenbeugungsmessungen umfasst, ähnlich der aus [2] bekannten nächstkommenden, einen positionsempfindlichen Detektor und ein vor seinem Fenster angeordnetes kollimierendes System.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Detektionseinheit für Röntgenbeugungsmessungen (Diffraktionsmessungen) gemäß Anspruch 1 bereitzustellen.
Um das erwähnte technische Ergebnis zu erzielen, ist das kollimierende System im Unterschied zu dem aus [2] bekannten der nächstkommenden Lösung bei der vorgeschlagenen Detektionseinheit in der Form einer Wabenstruktur hergestellt, die mehrere röhrenförmige Kanäle zum Übertragen der gebeugten Röntgenstrahlung aufweist. Die Wände benachbarter röhrenförmiger Kanäle sind miteinander verschmolzen. Röhrenförmige Kanäle, die eine Auslass-Endfläche des kollimierenden Systems bildend, sind mit ihren Auslass-Enden in Richtung auf das Fenster des positionsempfindlichen Detektors ausgerichtet und sind dazu ausgebildet, in Richtung der Einlass-Endfläche des kollimierenden Systems zu konvergieren. Dabei sind Auslasse röhrenförmiger Kanäle in der Auslas-Endfläche des kollimierenden Systems in mehreren Reihen entlang des Fensters des positionsempfindlichen Detektors angeordnet. Wände der röhrenförmigen Kanäle sind aus einem Material hergestellt, das geeignet ist, Röntgenstrahlung zu absorbieren, oder weisen eine Beschichtung aus einem solchen Material auf. Die Detektionseinheit umfasst ferner Einstellmittel zum Einstellen der Position des kollimierenden Systems relativ zu dem Fenster des positionsempfindlichen Detektors, wobei die Einstellmittel einen Mechanismus zur Drehung des kollimierenden Systems um eine Achse umfassen, die rechtwinklig zu einer Ebene steht, die durch die Mittlere der Reihen der röhrenförmigen Kanäle hindurchgeht.
Insbesondere können die röhrenförmigen Kanäle die Form eines abgeschnittenen Kegels oder einer solchen Pyramide aufweisen.
Es ist eine Ausführungsform der vorgeschlagenen Detektionseinheit möglich, bei welcher die größte Querausdehnung D eines einzelnen röhrenförmigen Kanals des kollimierenden Systems und seine Länge H folgende Beziehung erfüllen: D/H > Θc,wobei Θ_c den kritischen Winkel vollständiger externer Reflexion von Röntgenstrahlung von dem Kanalwandmaterial bezeichnet. Das Erfüllen dieser Bedingung verhin dert die Möglichkeit, das Strahlen, welche an dem Einlass eines röhrenförmigen Kanals eine Abweichung von seiner Längsachse unter Θ_c aufweisen, aufgrund mehrfacher vollständiger externer Reflexionen zu dem Kanalauslass übertragen werden.
Die Detektionseinheit kann derart strukturiert sein, dass das kollimierende System eine Auslass-Endfläche in der Form einer zylindrischen Fläche hat, wobei die röhrenförmigen Kanäle durch Radien dieser zylindrischen Fläche ausgerichtet sind.
Die Einlass-Endfläche des kollimierenden Systems der vorgeschlagenen Detektionseinheit kann außerdem eine Form einer zylindrischen Fläche aufweisen, die koaxial mit der oben erwähnten ist.
Das kollimierende System der Detektionseinheit kann außerdem derart ausgebildet sein, dass es ebene oder zueinander parallele Flächen von Auslass- oder Einlass-Endflächen aufweist und Längsachsen röhrenförmiger Kanäle Verlängerungen aufweisen, die sich in einem Punkt schneiden, die auf der Orthogonalen rechtwinklig zu den ebenen Flächen liegen und durch das geometrische Zentrum von Auslass- oder Einlass-Endflächen hindurchgehen.
Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform kann das kollimierende System mit ebenen Flächen von Auslass- und Einlass-Endflächen ausgebildet sein, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei Längsachsen röhrenförmiger Kanäle durch Radien koaxialer zylindrischer Flächen ausgerichtet sind, welche eine gemeinsame Achse rechtwinklig zu den ebenen Flächen aufweisen.
Die oben beschriebenen besonderen Ausführungsformen definieren einen weiten Bereich von Konstruktionsmöglichkeiten im Herstellungsverlauf der vorgeschlagenen Detektionseinheit, die mit einem kollimierenden System in der Form einer Wabenstruktur mit röhrenförmigen Kanälen ausgestattet ist, die durch ihre Wände verschmolzen sind.
Die röhrenförmigen Kanäle können Mono- oder Polykapillare aus Glas verwendend gebildet sein.
Dabei können ihre Wände insbesondere aus Bleiglas hergestellt sein.
Wände der röhrenförmigen Kanäle, die durch Glas-Mono- oder Polykapillare gebildet sind, können eine Beschichtung aus Blei oder einem anderen schweren Metall aufweisen.
Änderungen des Abstands oder der Orientierung des kollimierenden Systems bezüglich des Detektorfensters erlauben es, die Fokusposition (ein Schnittpunkt oder Liniensegment, das sich mit Verlängerungen von Längsachsen der röhrenförmigen Kanäle des kollimierenden Systems in den oben beschriebenen Ausführungsformen schneidet) relativ zu der Oberfläche der untersuchten Probe einzustellen, wie auch, Interferenzmuster der Beugung in einer für verschiedene Verfahren, es festzuhalten, typischen Form anzuzeigen. Dies wiederum bietet die Möglichkeit, erhaltene Diffraktogramme mit solchen zu vergleichen, die in verschiedenen Datenbanken gesammelter Röntgenbeugungsbilder enthalten sind.
Insbesondere kann in das kollimierende System die Möglichkeit eingebaut sein, es in der Richtung der Längsachse einer seiner röhrenförmigen Kanäle, der im Zentralbereich des kollimierenden Systems angeordnet ist, linear zu verschieben.
Es kann außerdem die Möglichkeit der Drehung um eine Achse eingebaut sein. Diese liegt in einer Ebene, die durch die Mittlere von Reihen röhrenförmiger Kanäle mit Auslassen hindurchgeht, die in der Auslass-Endfläche des kollimierenden Systems angeordnet sind und rechtwinklig zu dem zentralen röhrenförmigen Kanal in dieser Reihe liegt.
Das Vorhandensein der Möglichkeit der Drehung des kollimierenden Systems erlaubt es, abhängig von Untersuchungsaufgaben selektiv reflektierte Röntgenstrahlen in verschiedenen Winkelbereichen mit unterschiedlicher Kollimierung zu übertragen, ohne die gegenseitige Winkelposition der Schwerpunkte von Interferenzmaxima zu ändern, wobei aber die Intensität zwischen ihnen geändert und neu verteilt wird.
Die für Röntgenbeugungsmessungen vorgeschlagene Detektionseinheit wird mit Zeichnungen erläutert, welche zeigen:
In 1a und b – eine schematische Ansicht der vorgeschlagenen Vorrichtung;
in 2 – eine grafische Darstellung der Struktur des kollimierenden Systems bei unterschiedlicher Vergrößerung;
in 3a, b, c – Fragmente des kollimierenden Systems mit unterschiedlicher Form;
in 4 – ein vor dem Detektorfenster angeordnetes kollimierendes System;
in 5 – ein Messverfahren zum Aufzeichnen eines Diffratogramms durch ein Parallelstrahlverfahren;
in 6 – eine Anordnung eines kollimierenden Systems, das auf die Fläche der zu untersuchenden Probe fokussiert ist;
in 7a und b – Wolframkarbid (WC)-Diffraktogramme;
in 8 – eine selektive Übertragung von Strahlen durch das kollimierende System, abhängig von seiner Position vor dem Detektor;
in 9 – eine Verschiebung des kollimierenden Systems in die Richtung der Längsachse einer der röhrenförmigen Kanäle;
in 10 – eine weitere Verschiebung des kollimierenden Systems relativ zu der in 9 gezeigten;
in 11 und 12 – Drehungen des kollimierenden Systems um eine Achse rechtwinklig zu der mittleren Reihe röhrenförmiger Kanäle;
in 13a, b und c – Veränderung des Intensitätenverhältnisses von Diffraktionsspitzen, abhängig von der Winkelstellung des kollmierenden Systems;
in 14 – Drehung des kollimierenden Systems um eine Achse, die in einer Ebene liegt, die durch die mittlere von Reihen röhrenförmiger Kanäle hindurchgeht und rechtwinklig zu dem zentralen röhrenförmigen Kanal in dieser Reihe steht;
in 15 – Fotografien eines kollimierenden Systems auf einer Befestigungsplatte mit Mechanismen zu seiner Verschiebung und Drehung relativ zu dem positionsempfindlichen Detektor.
Die vorgeschlagene Detektionseinheit für Röntgenbeugungsmessungen umfasst die folgenden Elemente (1a und b):

– einen positionsempfindlichen Detektor 1;
– ein kollimierendes System 2 (nur in 1a gezeigt), das fest auf einer Schwinge 5 (siehe unten) angebracht ist;
– eine Befestigungsplatte 3, die sich gemeinsam mit dem positionsempfindlichen Detektor in geschlitzten Führungen 10 mittels eines Mechanismus 9 verschieben lässt, zur Anordnung weiterer Mechanismen auf der Platte;
– einen Mechanismus 4, um das kollimierende System 2 um eine Achse 7 rechtwinklig zu einer Ebene zu drehen, die durch die Mittlere einer Reihe röhrenförmiger Kanäle mit Auslassen hindurchgeht, die in der Auslass-Endfläche des kollimierenden Systems angeordnet sind;
– eine Schwinge 5, die zum Anbringen des kollimierenden Systems an einem Mechanismus für seine Drehung um eine Achse rechtwinklig zu einer Ebene verwendet wird, die durch die Mittlere von Reihen röhrenförmiger Kanäle mit Auslassen hindurchgeht, die in der Auslass-Endfläche des kollimierenden Systems angeordnet sind, und für eine Drehung des Mechanismus selbst um eine Achse, die in einer Ebene liegt, die durch die Mittlere einer Reihe röhrenförmiger Kanäle hindurchgeht, rechtwinklig zu dem zentralen röhrenförmigen Kanal in dieser Reihe;
– einen Rahmen 6 zum Anbringen der Achse 7 an der Befestigungsplatte 3;
– eine Drehachse 7 des kollimierenden Systems 2, wobei die Achse rechtwinklig zu einer Ebene liegt, die durch die Mittlere von Reihen röhrenförmiger Kanäle mit Auslassen hindurchgeht, die in der Auslass-Endfläche 22 des kollimierenden Systems 2 angeordnet sind;
– einen Mechanismus 8 für eine Drehung des kollimierenden Systems 2 um eine imaginäre Achse, die in einer Ebene liegt, die durch die Mittlere von Reihen röhrenförmiger Kanäle mit Auslassen hindurchgeht, die in der Auslass-Endfläche des kollimierenden Systems angeordnet sind, wobei die Achse rechtwinklig zu dem zentralen röhrenförmigen Kanal in der Mitte der Reihe steht;
– einen Mechanismus 9 zur Distanzänderung zwischen dem kollimierenden System 2 und dem Fenster 19 des positionsempfindlichen Detektors 1;
– Führungsschlitze 10 in der Befestigungsplatte 3 für eine Parallelverschiebung des kollimierenden Systems 2 relativ zu einem Fenster 19 des positionsempfindlichen Detektors 1.

Das kollimierende System 2 ist in der Form einer Wabenstruktur (2) hergestellt, welche mehrere röhrenförmige Kanäle zum Übertragen gebeugter Röntgenstrahlung aufweist. Wände benachbarter röhrenförmiger Kanäle 16 sind miteinander verschmolzen.
Wenn eine Ausdehnung des Fensters des positionsempfindlichen Detektors 1 in Querrichtung (seine Breite) im Vergleich mit seiner Länge gering ist, dann ist es möglich, das kollimierende System 2 mit einer Auslass-Endfläche 22 und einer Einlass-Endfläche 23 in der Form koaxialer zylindrischer Oberflächen auszubilden (3a). Dabei liegt die Ausdehnung der Auslass-Endfläche 22 nahe an der des Fensters des positionsempfindlichen Detektors. Röhrenförmige Kanäle 10 sind in diesem Fall durch Radien der zylindrischen Fläche ausgerichtet, und das kollimierende System weist einen Linearfokus, bzw. -brennpunkt 24 auf, der auf einer gemeinsamen Achse dieser Flächen angeordnet ist.
Insbesondere im Fall einer größeren Fensterbreite des positionsempfindlichen Detektors können jedoch durch Verwenden eines kollimierenden Systems bessere Ergebnisse erzielt werden, das eine Detektionseinheit mit einem Punktfokus aufweist, mit Auslass- und Einlass-Endflächen in der Form konzentrischer sphärischer Flächen (3b), und wobei Längsachsen röhrenförmiger Kanäle durch Radien dieser sphärischen Fläche ausgerichtet sind und ihre Verlängerungen sich im Fokus 24 schneiden.
In beiden oben erwähnten Ausführungsformen des Fokussierens des kollimierenden Systems können eine oder beide seiner Endflächen eben sein, wie in 3c gezeigt, welche Auslass-Endflächen 22 und Einlass-Endflächen 23 zeigt, die eben und parallel zueinander sind. Ein derartiges kollimierendes System kann als eine Art "abgeschnittenes" kollimierendes System mit zylindrischen oder sphärischen Endflächen dargestellt sein.
Röhrenförmige Kanäle weisen geradlinige Längsachsen auf und konvergieren in Richtung auf die Einlass-Endfläche 22 des kollimierenden Systems. Insbesondere sind sie als abgeschnittener Kegel oder eine solche Pyramide geformt, wobei die kleineren Grundflächen die Einlass-Endfläche des kollimierenden Systems bilden. Dabei muss der Kegel nicht rund sein und die Pyramide keine regelmäßige. Die Auslass-Enden röhrenförmiger Kanäle, welche die Auslass-Endfläche 22 des kollimierenden Systems bilden, sind in Richtung auf das Fenster 19 des positionsempfindlichen Detektors (1) ausgerichtet. Auslasse röhrenförmiger Kanäle in der Auslass-Endfläche 22 des kollimierenden Systems 2 sind in mehreren Reihen entlang des Fensters 19 des positionsempfindlichen Detektors 1 angeordnet. Die Anzahl der Reihen bestimmt die Ausdehnung des kollimierenden Systems in Querrichtung und hängt von der Fensterbreite des positionsempfindlichen Detektors 1 ab. Sie sollte derart sein, dass sie die höchstmögliche Ausnutzung von Fensterfläche des positionsempfindlichen Detektors sicherstellt.
Das kollimierende System in der Form der Wabenstruktur mit der erforderlichen Ausgestaltung kann insbesondere durch Verwenden von Technologie zur Herstellung polykapillarer Strukturen, ähnlich der, die in dem Patent der Russischen Förderation Nr. 2096353 offenbart ist, das am 20.11.1997 [3] veröffentlicht wurde, aus Glas hergestellt sein.
Um die kollimierenden Eigenschaften der hergestellten Wabenstruktur mit röhrenförmigen Kanälen sicherzustellen, können als Quellenmaterial bei der Umsetzung der Technologie Glasröhren oder Glaskapillare oder Polykapillare, die aus Bleiglas hergestellt sind, oder solche mit einer Innenwandbeschichtung verwendet werden, die aus Blei oder einem anderen schweren Metall hergestellt ist, das Röntgenstrahlung absorbiert.
Wenn röhrenförmige Kanäle des produzierten Polykapillarsystems 2 die folgenden Bedingungen erfüllen:
wobei D und H jeweils die größte Querausdehnung eines einzelnen röhrenförmigen Kanals und seine Länge bezeichnen,
Θ_c ein kritischer Winkel totaler externer Reflexion von Röntgenstrahlung von Kanalwandmaterialien ist,
die Planck'sche Konstante ist,
ω_p die Plasmafrequenz in dem Material der Wände röhrenförmiger Kanäle bezeichnet und
E die Quantenenergie der verwendeten Röntgenstrahlung,
dann wird eine Möglichkeit ausgeschlossen, dass Strahlen, die an dem Einlass des röhrenförmigen Kanals eine Θ_c nicht überschreitende Abweichung von seiner Längsachse aufweisen, aufgrund mehrfacher totaler externer Reflexion übertragen werden.
In 4, welche den Fall darstellt, dass der Fokus 24 des kollimierenden Systems innerhalb der untersuchten Probe 15 angeordnet ist, ist zu erkennen, wie eine "Abdeckung" (englisch: screening) von "Neben" Strahlen in der Ebene des Beugungs winkels auftritt. In keinen der röhrenförmigen Kanäle 16 wird ein solcher Strahl eintreten, der in der Zeichnung durchgestrichen ist, und daher kann er keine Verzerrung des erhaltenen Diffraktogramms verursachen.
Die Röntgenröhre 12 (5) und die Röntgenhalblinse 13 erzeugen einen parallelen primären Röntgenstrahl 14. Dieser Strahl, der im untersuchten Muster 15 von ungleichen kristallographischen Ebenen hkl und HKL mit Normalen N1 und N2 jeweils in Winkeln Θ1 und Θ2 reflektiert wird, erzeugt gebeugte Röntgenstrahlen von den Ebenen hkl und HKL. Gebeugte Strahlen werden beim selektiven Hindurchgehen durch das kollimierende System 2 mit dem positionsempfindlichen Detektor 1 registriert.
Für eine Röntgen-Phasenanalyse werden die Röntgenröhre 12 und die Röntgen-Halblinse 13 in einem Winkel von 45° zu der Oberfläche der untersuchten Probe 15 angeordnet und sicher befestigt, oder in einem anderen Winkel, der durch den Zweck der Untersuchung abhängig von dem Anodenmaterial der Röntgenröhre 12 bestimmt ist. Für eine Röntgen-Phasenanalyse wird die untersuchte Probe 15 derart angeordnet, dass der größtmögliche Teil ihrer Fläche in Reflexionsstellung angeordnet ist. Um dies zu erreichen, wird insbesondere eine Drehung der untersuchten Probe 15 um eine Achse rechtwinklig zu ihrer Fläche verwendet (siehe: Portable Parallel Beam X-ray Diffraction System Θ/Θ Diffraktometer, STOE News, STOE&CIE, 2003, S. 1–28, [4]).
Für eine Röntgenanalyse von Kristallgitterparametern des Materials wird versucht, mit der Röntgen-Halblinse 13 einen Parallelstrahl 14 herzustellen, der so eng wie möglich geformt ist, während die untersuchte Probe 15 bewegungslos gehalten wird. Die Röntgenröhre 12 und die Halblinse 13 werden in einem Winkel zu der Oberfläche der untersuchten Probe 15 angeordnet, der gleich dem Beugungswinkel Θ1 für hkl-Ebenen ist, die für Untersuchungen am wichtigsten sind (siehe: A Convergent Beam, Parallel Detection X-Ray Diffraction System for Characterizing Combinatorial Epitaxial Thin Films. K. Omote, T. Kikuchi, J. Harada, V. Kawasaki. The Rigaku Journal, Band 18, Nr. 1, 2001, S. 34–41 [5]).
Für eine Röntgenanalyse eines spannungsverformten Zustands wird die Röntgenröhre 12 mit der Halblinse 13 für Messungen in dem Bereich großer Beugungswinkel Θ derart angeordnet, dass der Strahl 14 in einem Winkel von 60° bis 80° zu der Oberfläche der untersuchten Probe 15 einfallen würde (siehe: S. S. Gorelik, Yu. A. Skakov, L. N. Rastorguev, Rentgenovskiy i elektronno-opticheskiy analiz (röntgen- und elektronenoptische Analyse), Moskau, MISIS, „Nauka" Herausgeber, 2002, S. 17–122 [6] (auf Russisch)).
Für eine Röntgenanalyse bevorzugter Ausrichtungen (Texturen) durch ein Parallelstrahlverfahren wird die Röntgenröhre 12 mit der Halblinse 13 zum Formen des Strahls 14 in einem Winkel von 45° zu der Oberfläche der untersuchten Probe 15 angeordnet.
Der parallele primäre Röntgenstrahl 14 beleuchtet einen Teil der Oberfläche der polykristallinen untersuchten Probe 15, welcher zumindest M Bereiche kohärenter Röntgenstreuung umfasst. Von M kohärenten Streubereichen befinden sich m in Reflexionsstellung kristallografischer Ebenensysteme mit ungleichen Indizes (hkl und HKL). Diese Systeme weisen unterschiedliche Zwischenebenenabstände auf und sind Reflexionswinkeln in der Bragg-Gleichung (2d sin_Θ = nλ) entsprechend in unterschiedlichen Winkeln zum parallelen primären Röntgenstrahl mit Wellenlänge λ ausgerichtet.
Jeder der m Bereiche kohärenter Streuung reflektiert einen engen parallelen Röntgenstrahl (der eine größere Divergenz als einfallend aufweist, da der Bereich kohärenter Streuung selbst ein Selektor von Strahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge ist, und der primäre Strahl α- und β-Komponenten von K-Serien charakteristischer Röntgenstrahlung aufweist) in einem Winkel, der Zwischenebenenabständen von Ebenen entspricht, die in dem gegebenen Bereich kohärenter Streuung reflektieren.
Wenn der reflektierende Bereich ein mathematischer Punkt wäre, wie in dem Fall eines „idealen Polykristalls", dann würden unendlich dünne parallele Strahlen radial von diesem Punkt durch Erzeugende von Beugungskegeln divergieren (in 5, welche einen Schnitt eines dreidimensionalen Streumusters darstellt, durch gerade Linien dargestellt, die von dem Schnittpunkt der N1- und N2 Normalen zu den reflektierenden Ebenen hkl und HKL herausgehen; der primäre Röntgenstrahl 14 ist in der Richtung rechtwinklig zu der Zeichenebene unendlich dünn).
Tatsächlich würden sogar in diesem Modell doppelte Bragg-Reflektionen auftreten ("Borrmann-Fächer"), was die Breite der Interferenzlinie der Beugungsreflektion sogar bei Reflektionsdiffraktogrammen aufgrund der endlichen Tiefe der Halbwertsschicht vergrößern würde (siehe: D. K. Bowen, B. K. Tanner, High-resolution X-ray diffractometry and topography, St. Petersburg, Nauka Herausgeber, 2002, S. 31–60, 95–96 [7] (Russische Übersetzung)).
Tatsächlich weist die beleuchtete Fläche endliche geometrische Ausdehnungen auf und die vorgeschlagene Detektionseinheit löst folgengede Probleme:

– Übertragung und Aufzeichnung aller Röntgenstrahlen, die in axialer Richtung röhrenförmiger Kanäle hindurchgehen, von einem so großen bestrahlten Bereich wie möglich, und die größtmögliche Fläche des Detektorfensters verwendend, ohne dass es mit einem Schlitz überlappt ist;
– Abfangen aller weiteren sekundären Röntgenstrahlen auf ihrem Weg zu dem Fenster des positionsempfindlichen Detektors, egal ob diese reflektiert oder aufgrund von Fluoreszenz erzeugt sind;
– Wegfall des bei den Verfahren [4]–[5] notwendigen Erfordernisses, den primären Röntgenstrahl zu monochromatisieren, was die Intensität des primären Strahls um einen Faktor von 12–15 verringert;
– Vergrößerung der durch den positionsempfindlichen Detektor empfangenen Strahlungsintensität und Bereitstellen eines zusätzlichen Instruments für einen Forscher in der Form einer zweiten Wellenlänge (Energiebereiche zwischen K_α-Strahlung und K_β-Strahlung sind für alle als Anoden in Röntgenstrahlröhren verwendeten Metalle bekannt), was so oft bei der Monochromatisierung des primären Strahls fehlt.

6 zeigt die Stellung des auf die Oberfläche der untersuchten Probe 15 fokussierten kollimierenden Systems. Das Auslassfenster 22 des kollimierenden Systems hat zu dem Detektor 1 gleiche Abstände 17 und 18. Achsen röhrenförmiger Kanäle des kollimierenden Systems 2 konvergieren in einem Punktfokus 24 auf der Oberfläche der untersuchten Probe 15.
Um eine vergleichende Leistungsauswertung der vorgeschlagenen Detektionseinheit und der aus [2] bekannten bereitzustellen, wurden Diffraktogramme von Wolframkarbid (WC) aufgezeichnet, die in 7 demonstriert sind. Beim in 5 gezeigten Messverfahren wurde eine Röntgenröhre mit Kupferanode verwendet. Das in 7a gezeigte Diffraktogramm stellt ein Beugungsmuster dar, das die Detektionseinheit aus einer von [2] bekannten Ausgestaltung verwendend aufgezeichnet wurde, und das Diffraktogramm in 7b jenes, bei dem die vorgeschlagene Detektionseinheit verwendet wurde. Offensichtlich wahrnehmbare Effekte umfassen das Verringern eines Hintergrundniveaus, Verringern der Breite von Röntgeninterferenzspitzen und Auflösungserhöhungen ("Spitzen-Hintergrund"-Verhältnis). Offensichtlich findet teilweise Filterung der β-Komponente der primären Röntgenstrahlung 14 statt.
Durch Variieren der Stellung des kollimierenden Systems 2 und seiner Ausrichtungswinkel relativ zu dem Detektor 1 kann selektive Übertragung von α- und β-Komponenten des primären Röntgenstrahls erreicht werden (8). In diesem Fall bewegt sich der Fokus 24 röhrenförmiger Kanäle des kollimierenden Systems 2 unterhalb der Oberfläche der untersuchten Probe 15. Bereiche kohärenter Streuung selbst teilen α- und β-Komponenten des primären parallelen Strahls 14 durch ihren Reflektionswinkel auf. Durch Bewegen des kollimierenden Systems 2 von Position 2.1 zu Position 2.2 kann ein Winkelbereich überstrichen werden, in welchem entweder sowohl α- und β-Komponenten des gebeugten Strahls zu dem Auslass des kollimierenden Systems übertragen werden (Variante "a" an der Unterseite von 8) oder nur die β-Komponente (Variante "b") oder nur die β-Komponente (Variante "c"). Es ist unmöglich, dieses in dem primären Strahl ohne irgendein kollimierendes System zu erreichen, außer für Beugung (Verwenden von Monochromatoren).
9 zeigt eine Verschiebung des kollimierenden Systems 2 entlang der Achse einer seiner zentralen röhrenförmigen Kanäle, während gleiche Änderungen bei den Abständen 17 und 18 zu dem positionsempfindlichen Detektor 1 erhalten werden. Dabei kommt die gesammelte Information aus einem größeren Bereich der untersuchten Probe 15 als in dem in 6 dargestellten Fall, trotz des Verringerns der Zahl der an der Arbeit des kollimierenden Systems 2 teilnehmenden röhrenförmigen Kanäle. Vergrößern dieser Verschiebung in Richtung der Oberfläche der untersuchten Probe 15 (10) führt zu einer noch größeren Kontraktion des Winkeleinfangbereichs der reflektierten Strahlen durch den positionsempfindlichen Detektor 1. Für kleine Beugungswinkel vergrößert sich der nicht übertragende Bereich des kollimierenden Systems 2, jedoch verbessern sich für große Beugungswinkel (linker Teil des positionsempfindlichen Detektors 1) die Übertragungsbedingungen. Eine derartige Anordnung des kollimierenden Systems ist am besten geeignet zum Testen eines spannungsdeformierten Zustands von Materialien mit Röntgenstrahlen.
Drehungen des kollimierenden Systems 2 um eine Achse rechtwinklig zu der mittleren Reihe röhrenförmiger Kanäle mit Auslassen, die in der Auslass-Endfläche des kollimierenden Systems angeordnet sind, sind in 11 und 12 gezeigt. Diese Drehungen werden jeweils in der Ebene der 11 und 12 im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn durchgeführt.
Eine Drehung des kollimierenden Systems 2 in Richtung auf Beugung mit kleinem Winkel (11) zu führt zu einer erhöhten Intensität und verbesserter Auflösung von Röntgenbeugungsinterferenzspitzen in diesem Bereich (siehe 13a).
Maximale Übertragung von Röntgenstrahlen durch das kollimierende System 2 wird durch Drehung des kollimierenden Systems um eine Achse 11 erreicht, die in einer Ebene liegt, die durch die Mittlere von Reihen röhrenförmiger Kanäle hindurchgeht und rechtwinklig zu einem zentralen röhrenförmigen Kanal in dieser Reihe verläuft (14), um einen Einfangswinkel Ω gebeugter Strahlung mit voller Breite des Fensters 19 des positionsempfindlichen Detektors 1 im Δ2Θ-Bereich von Detektionswinkeln so weit wie möglich zu vergrößern.
Eine Drehung des kollimierenden Systems in entgegengesetzte Richtung (in Richtung größerer Beugungswinkel) führt zu einer Neuverteilung der Intensität zwischen Beugungs-Interferenzspitzen mit einer Vergrößerung von Intensität und Auflösung in dem Bereich großer Winkel (siehe 13b). Dieses Muster wird bei weiterer Drehung verstärkt (siehe 13c). Man kann eine gute Auflösung von Spitzen in dem rechten Teil des Diffraktogramms sehen (Bereich großer Beugungswinkel). Die beschriebene Möglichkeit, das Auflösungsvermögen des Diffraktogramms in dem gewünschten Beugungswinkelbereich einzustellen, stellt ein bedeutenderes Merkmal der vorgeschlagenen Detektionseinheit dar.
Die Möglichkeit, verschiedene Winkelbereiche des Interferenzmusters unter ungleichen Bedingungen in einer Belichtung anzuordnen, erlaubt es, Röntgenbilder zu vergleichen, die in Datenbanken enthalten sind, welche durch Bedingungen ihrer Aufzeichnung unterschieden sind. Zu diesem Zweck reicht es aus, das kollimierende System durch eine Referenzsubstanz vorläufig zu kalibrieren. Durch das Simulieren von Beugungsinterferenzmustern, die Debye-Kammern verwendend erhalten wurden, mit "Θ-2Θ"-Diffraktometern mit unterschiedlichen Fokussieranordnungen und "Θ-Θ"-Diffraktometern mit Parallelstrahlverfahren können alle in der Röntgenkristallographie angesammelten Datenbanken verwendet werden.
In den letzten Jahren wurden in zunehmendem Maße zweikoordinatige positionsempfindliche Detektoren bei der Röntgendiffraktometrie verwendet, insbesondere in den Feldern, in denen aufgrund der komplexen Struktur des untersuchten Objekts das Verwenden eines Einzelkoordinatendetektors mit mehrfachen Belichtungen einher geht (siehe: V. Kahenberg, C. S. J. Shaw und J. B. Parrise. Crystal structure analysis of sinthetic Ca₄Fe₁,₅Al₁₇ _, ₆₇O₃₂: A high-Pressure, spinel-related Phase, American Mineralogist, Band 86, S. 1477–1482, 2001 [8]). Auch bei der vorgeschlagenen Detektionseinheit, versehen mit einem kollimierenden System in der Form der beschriebenen Wabenstruktur, die vor dem Fenster des positionsempfindlichen Detektors angeordnet ist, kann ein zweikoordinatiger positionsempfindlicher Detektor verwendet werden.
Somit erhält man bei Verwenden der vorgeschlagenen Detektionseinheit:

– Aufzeichnen von Röntgenstrahlung, die von einem größeren bestrahlten Bereich der untersuchten Probe erhalten wird, und maximale Ausnutzung der Fensterfläche des positionsempfindlichen Detektors;
– Abfangen aller "nebengeordneten" sekundären Röntgenstrahlen auf ihrem Weg zu dem Fenster des positionsempfindlichen Detektors, egal ob sie reflektiert oder aufgrund von Fluoreszenz erzeugt wurden;
– Eliminierung der Notwendigkeit der Monochromatisierung des primären Strahls und daraus folgendes Vergrößern der Intensität der Strahlung, die auf den positionsempfindlichen Detektor wirkt;
– die Realisierung von Möglichkeiten, die durch Verwenden einer zweiten Wellenlänge geboten werden, die im Fall der Monochromatisierung des primären Strahls nicht vorhanden sind;
– Einstellung des Auflösungsvermögens des Diffraktogramms in einem gewünschten Bereich des untersuchten Beugungswinkelbereichs;
– Erhalten von Diffraktogrammen, die zum Vergleich mit solchen geeignet sind, die aus verschiedenen Datenbanken genommen sind, die in der Röntgenographie erzeugt wurden.

In 15 sind Fotografien eines funktionierenden Musters der vorgeschlagenen Detektionseinheit (mit entferntem positionsempfindlichen Detektor) mit einem kollimierenden System 2 gezeigt, welches koaxiale zylindrische Auslass-Endflächen 23 und Einlass-Endflächen 23 aufweist.
Literaturverzeichnis

1. D. A. Goganov, B. S. Losinsky, N. B. Tsvetova, T. P. Toporkova. Sealed-off proportional X-ray emission counter SPRO-12.- In: Apparatura i metody rentgenovskogo analiza (Gerätschaft und Verfahren für Röntgenanalyse). Leningrad, Mashinostroenie Verlagshaus, 1972, Ausgabe 11, S. 151–155 (auf Russisch).
2. Ortendahl D., Perez-Mendez V., Stoker J. One dimensional curved wire chamber for powder X-ray crystallography. – Nucl. Instrum. And Meth., 1978, Band 156, Nr. 1–2, S. 53–56.
3. Patent der Russischen Föderation No. 2096353 (veröffentlicht 20.11.97).
4. Portable Parallel Beam X-ray Diffraction Sytem Θ/Θ Diffractometer. STOE News, STOE&Cie, 2003, S. 1–28.
5. A Convergent Beam, Parallel Detection X-Ray Diffraction System for Characterizing Combinatorial Epitaxial Thin Films. K. Omote, T. Kikuchi, J. Harada, V. Kawasaki. The Rigaku Journal, Band 18/Nr. 1/2001/S. 34–41.
6. S. S. Gorelik, Yu. A. Skakov, L. N. Rastorguev, Rentgenovskij i elektronnoopticheskij analiz (Röntgen- und elektronen-optische Analyse). Moscow, MISIS, "Nauka" Herausgeber, 2002, S. 17–122 (auf Russisch).
7. D. K. Bowen, B. K. Tanner. High resolution X-ray diffractometry and topography. St. Petersburg. Nauka Herausgeber, 2002, S. 31.60, 95–96 (russische Übersetzung).
8. V. Kahenberg, C. S. J. Shaw and J. B. Parrise. Crystal structure analysis of sinthetic Ca₄Fe_1,5Al_17,67O₃₂: A high-Pressure, spinel-related Phase, American Mineralogist, Band 86, S. 1477–1482, 2001.

Claims

Detektionseinheit für Röntgen-Diffraktionsmessungen, mit einem positionsempfindlichen Detektor (1) und einem kollimierenden System (2), welches vor einem Fenster (19) des positionsempfindlichen Detektors angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das kollimierende System eine Wabenstruktur mit mehreren röhrenförmigen Kanälen (16) zum Übertragen gebeugter Röntgenstrahlung aufweist, wobei benachbarte röhrenförmige Kanäle der mehreren röhrenförmigen Kanäle verschmolzene Wände aufweisen, wobei die röhrenförmigen Kanäle (16) in Richtung auf eine Einlass-Endfläche (23) des kollimierenden Systems konvergieren und Auslass-Enden aufweisen, welche eine Auslass-Endfläche (22) des kollimierenden Systems (2) bilden, die auf das Fenster (19) des positionsempfindlichen Detektors (1) gerichtet ist, wobei die Auslasse der röhrenförmigen Kanäle in der Auslass-Endfläche (22) des kollimierenden Systems in mehreren Reihen entlang des Fensters (19) des positionsempfindlichen Detektors (1) angeordnet sind, wobei die Wände der röhrenförmigen Kanäle (16) aus einem Material hergestellt sind, das Röntgenstrahlung absorbiert, oder eine Beschichtung aus einem solchen Material aufweisen, wobei die Detektionseinheit ferner Einstellmittel zum Einstellen der Position des kollimierenden Systems (2) relativ zu dem Fenster (19) des positionsempfindlichen Detektors (1) aufweist, wobei die Einstellmittel einen Mechanismus (4) zur Drehung des kollimierenden Systems (2) um eine Achse (7) umfassen, die rechtwinklig zu einer Ebene steht, welche durch die mittlere Reihe der Reihen der röhrenförmigen Kanäle (16) hindurchgeht.
Detektionseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslass-Endfläche (22) des kollimierenden Systems (2) die Form einer zylindrischen Fläche hat und die röhrenförmigen Kanäle (16) entlang Radien der zylindrischen Fläche ausgerichtet sind.
Detektionseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlass-Endfläche (23) des kollimierenden Systems (2) die Form einer bezüglich der zylindrischen Fläche an der Auslass-Endfläche (22) koaxialen zylindrischen Fläche aufweist.
Detektionseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslass-Endfläche (22) des kollimierenden Systems die Form einer sphärischen Fläche aufweist und die röhrenförmigen Kanäle (16) Längsachsen aufweisen, die entlang Radien der sphärischen Fläche ausgerichtet sind.
Detektionseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlass-Endfläche (23) des kollimierenden Systems (2) die Form einer bezüglich der sphärischen Fläche an der Auslass-Endfläche (22) konzentrischen sphärischen Fläche aufweist.
Detektionseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kollimierende System (2) an den Auslass- (22) und Einlass-Endflächen (23) ebene und zueinander parallele Flächen aufweist und Verlängerungen von Längsachsen der röhrenförmigen Kanäle sich in einem Punkt auf einer Linie rechtwinklig zu den ebenen Flächen und durch eine geometrische Mitte der Auslass- (22) oder Einlass-Endflächen (23) hindurchgehend schneiden.
Detektionseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kollimierende System (2) ebene, zueinander parallele Flächen an den Auslass- (22) und Einlass-Endflächen (23) aufweist und Längsachsen der röhrenförmigen Kanäle entlang Radien koaxialer zylindrischer Flächen ausgerichtet sind.
Detektionseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellmittel ferner einen Mechanismus (9) zum Ändern des Abstands zwischen dem kollimierenden System (2) und dem Fenster (19) des positionsempfindlichen Detektors (1) umfassen.
Detektionseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellmittel ferner einen Mechanismus (8) zur Drehung des kollimierenden Systems (2) um eine Achse (11) umfassen, die in einer durch die mittlere Reihe der Reihen röhrenförmiger Kanäle (16) hindurchgehende Ebene liegt, wobei die Achse zu einem zentralen röhrenförmigen Kanal in der Reihe rechtwinklig verläuft.
Detektionseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellmittel ferner einen Mechanismus (8) zur Drehung des kollimierenden Systems (2) um eine Achse (11) umfassen, die in einer durch die mittlere Reihe der Reihen röhrenförmiger Kanäle (16) hindurchgehenden Ebene liegt, wobei die Achse zu einem zentralen röhrenförmigen Kanal in der Reihe rechtwinklig verläuft.
Detektionseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die größte Querausdehnung D eines separaten röhrenförmigen Kanals (16) und seine Länge H die Beziehung erfüllen: D/H > θc,wobei θ_c den kritischen Winkel totaler externer Reflektion von Röntgenstrahlung von dem Material der Kanalwände bezeichnet.
Detektionseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die größte Querausdehnung D eines separaten röhrenförmigen Kanals (16) und seine Länge H die Beziehung erfüllen: D/H > θc,wobei θ_c den kritischen Winkel totaler externer Reflektion von Röntgenstrahlung von dem Material der Kanalwände bezeichnet.