WO2001046677A2 - Irradiating device with highly flexible membrane bellows - Google Patents

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WO2001046677A2
WO2001046677A2 PCT/EP2000/011207 EP0011207W WO0146677A2 WO 2001046677 A2 WO2001046677 A2 WO 2001046677A2 EP 0011207 W EP0011207 W EP 0011207W WO 0146677 A2 WO0146677 A2 WO 0146677A2
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flange
sample
bellows
sample chamber
radiation source
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Christoph Biedermann
Rainer Radtke
Simon Deuchler
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MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.
Bestec Gmbh
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/252Tubes for spot-analysing by electron or ion beams; Microanalysers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N23/20Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J2237/00Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/25Tubes for localised analysis using electron or ion beams
    • H01J2237/2505Tubes for localised analysis using electron or ion beams characterised by their application
    • H01J2237/2555Microprobes, i.e. particle-induced X-ray spectrometry

Definitions

  • the invention relates generally to a device for irradiating a sample in a sample chamber at predetermined irradiation angles and for observing the sample or for detecting scattered radiation emanating from the sample at predetermined observation angles, the pressure chamber in the sample chamber being different from the surroundings.
  • the invention also relates to a swivel connection element for components of a system for irradiation or scattered radiation measurement on a sample or for observing the sample at adjustable angles.
  • the dispersing element can be, for example, a sample to be examined with X-ray radiation, light or particle radiation or a target for the energy-dispersive scattering of a radiation to be analyzed. If the investigation has to be carried out under vacuum conditions because of the type of radiation used, the technical implementation of the experimental setup with radiation sources or detectors which can be pivoted relative to one another is problematic.
  • turntable arrangements are known in which the detector is pivoted in a vacuum on an outer ring of a turntable, in the center of which a dispersing element is arranged in a stationary manner.
  • the disadvantages of the turntable arrangement are that the requirements Le gtgangmaschine and vacuum tightness can not be met simultaneously well.
  • compromises in terms of vacuum tightness have to be made.
  • a multi-differentially pumped seal of the moving parts and the use of materials with a low static friction and a low desorption rate can be provided.
  • the overall structure of the rotating arrangement is complicated.
  • Another disadvantage of the turntable arrangement is the limited accuracy of the swivel angle setting.
  • a so-called jacket shield seal is used.
  • a fixed sample chamber with the dispersing element has a slot in the receiving plane. This slot is sealed by a metal tape pressed in from the outside with a small opening to the receiver.
  • the object of the invention is to provide an improved irradiation device for specimen irradiation or specimen observation (or scattered radiation detection), in particular under ultra-high vacuum conditions, with which the disadvantages of the conventional rotary arrangements are overcome and with which, in particular, smooth and precise angle adjustment is possible without impairing the vacuum ,
  • the object of the invention is also to create a new type of swivel connector element (or: vacuum connector element) for the gas-tight connection of components of an irradiation device with one pivotable radiation source and / or detector device.
  • the basic idea of the invention is, in the case of an irradiation device for irradiating a sample in an evacuated sample chamber, to which a radiation source and a detector device are each connected in a vacuum-tight manner, the radiation source and / or the detector device being pivotable relative to the sample with a pivoting device, the radiation source and / or to connect the detector device to the sample chamber via a flexible, gas-tight bellows.
  • the radiation source and the detector device there is an overpressure or underpressure with respect to the environment.
  • the detector device is generally used to observe the sample or to detect scattered radiation from the sample.
  • the bellows used according to the invention is a membrane bellows, at the ends of which a flange is provided for gas-tight (in particular: vacuum-tight) attachment to the sample chamber or the radiation source and / or the detector device.
  • a membrane bellows is preferably used, which has one or more of the following modifications compared to a conventional membrane bellows.
  • At least one of the flanges has a welding collar which protrudes into the sample chamber or radiation source and / or detector device via a reference plane which is formed by the flange.
  • the corresponding end of the membrane bellows is attached to the weld-on collar and is thus advanced towards the sample chamber, radiation source or detector device.
  • the pivot point is accordingly advanced to the center of the sample.
  • the flange with the weld-on collar is provided on its rear side opposite to the free end with a rounding which runs along the inner edge of the flange. This increases the pivotability of the membrane bellows and the viewing angle through the bellows connection or prevents kinking on the inner edge of the flange.
  • the flange with the welding collar advanced is designed for countersunk screwing.
  • the flange has, for example, threaded bores for receiving a screw connection with the adjacent sample chamber (or the detector or the radiation source). This allows a further increase in the pivotability of the diaphragm bellows or the viewing angle and the avoidance of injuries or undesirable bending of the bellows joint.
  • the bellows connection per se represents a swivel connection element according to the invention, which is suitable for various applications for connecting components of an irradiation device along certain beam directions
  • the invention is applicable to a wide variety of research and technology tasks.
  • radiation devices can be set up, for example, which have a pivotable source and a fixed detector device, a pivotable source and a pivotable detector device or a stationary source and a pivotable detector device.
  • the radiation source can generally be designed for electromagnetic radiation (visible light, X-rays, synchrotron radiation or the like) or for particle radiation (electron beams, atomic or ion beams or the like).
  • the sample itself is the subject of the investigation or radiation treatment or is also a target for the energy-dispersive deflection of the radiation.
  • the sample can be formed by a solid body positioned in the sample chamber or by a gaseous sample beam guided through the sample chamber.
  • the radiation device according to the invention can be designed, for example, to record scattering cross sections on the gaseous sample beam.
  • the invention has the following advantages.
  • a membrane bellows is used which is commercially available per se, meets all ultra-high vacuum (UHV) requirements and can also be baked out.
  • UHV ultra-high vacuum
  • the bellows connection according to the invention enables an easily adjustable, shading-free, rectilinear beam connection between the radiation source and / or the detector device with the sample, it being possible to set all practical angle ranges of up to around 90 ° and beyond.
  • the construction of the radiation device according to the invention is characterized by low technical complexity and the use of inexpensive components.
  • the invention has one Wide range of applications from radiation analysis to solid-state analysis to sample processing and is fully compatible with common vacuum systems.
  • the vacuum connecting element according to the invention also ensures maximum optical transmission when irradiating large-area samples.
  • the invention can be used not only with vacuum systems, but in general with all radiation or observation devices with an absolute or gas-specific (differential) pressure difference in relation to the environment.
  • FIG. 1 a schematic top view of an irradiation device according to the invention
  • FIG. 2 a partial sectional view of a membrane bellows according to the invention
  • FIG. 3 a schematic top view of an irradiation device according to the invention for energy-selective analysis of X-rays
  • Figure 4 is a partial sectional view of an irradiation device according to the invention with a conventional membrane bellows.
  • an irradiation device 100 comprises a radiation source 10, a sample chamber 20, a detector device 30, a swivel device 40 and at least one bellows connection 50.
  • the radiation source Depending on the application, 10 is a source of electromagnetic radiation (e.g. lens, X-ray source, synchrotron radiation source) or a particle source (e.g. electron source, atomic source, neutron source, ion source) with certain emission properties or also a source with initially unknown radiation properties in an additional one, not in detail shown experimental setup.
  • the radiation source 10 is connected to the sample chamber 20 via a straight, vacuum-tight connecting tube 11.
  • the connecting tube 11 is directed towards the sample 21 in accordance with the direction of irradiation 12.
  • Scattering or an emission excited by the radiation occurs on the sample 21.
  • both types of radiation are referred to as scattered radiation.
  • the connection between the radiation source and the sample chamber can be modified depending on the application and z. B. include through a window or any connection with "optical" beam steering elements.
  • the scattered radiation is detected with the detector device 30 illustrated in two positions A, B, which contains a suitable radiation receiver 31.
  • the radiation receiver 31 is, for example, a light receiver (photodiode or photodiode arrangement), an X-ray detector or a particle detector.
  • the detector device 30 can be swiveled along a circular swivel line 41 to detect the scattered radiation according to different observation directions 32a, 32b (see arrow direction).
  • the swiveling device 40 comprises in particular a rail arrangement for guiding the detector device 30 along the swiveling line 41 and a drive for adjusting the detector device 30.
  • the observation directions 32a, 32b can be adjusted over an angular range ⁇ which generally comprises up to 90 °, S with a suitable design of the bellows connection 50 can also be larger (eg 120 °).
  • the bellows connection 50 comprises a flexible membrane bellows 51, which has a sample-side flange 52 or a detector-side flange 53 at its ends.
  • the membrane bellows 51 consists of a series of metal rings of small thickness, which are welded together alternately on their outer and inner edges. Two adjacent metal rings of the diaphragm bellows 51 form a pair of diaphragms.
  • the metal rings have a thickness such that approx. 0.7 mm per pair of membranes, and are preferably made of stainless steel.
  • the flexible diaphragm bellows used to construct the bellows connection according to the invention has the following important deformation properties. If the diaphragm bellows 51 is clamped at its ends along differently aligned reference planes in accordance with the position of the flanges mentioned, it performs a combined deformation which consists of two opposite angular displacements. The deformation takes place in such a way that the membrane bellows 51 minimizes its surface.
  • An evacuated diaphragm bellows UHV in the interior of diaphragm bellows 51
  • the restoring force is formed so that the diaphragm bellows is aligned as straight as possible.
  • a membrane bellows used in a bellows connection according to the invention is characterized in that the lateral or angular restoring force is less than the axial force which leads to the linear deformation of the membrane bellows.
  • the bellows connection based on a highly flexible membrane bellows provides a vacuum-tight and largely straight connection between the sample chamber 20 and the detector device 30, each of which corresponds to the desired direction of observation (eg 32a, 32b) can be set.
  • the desired direction of observation eg 32a, 32b
  • special precautions are taken on the flange 52 on the sample side, which are explained in detail below with reference to FIG.
  • the radiation source 10 the sample chamber 20 and the swivel device 40 are fixed relative to one another, while the detector device 30 is movable.
  • the radiation source 10 is also connected to the sample chamber 20 via a bellows connection.
  • the detector device 30 can also be fixed in place or can be completely omitted for certain radiation tasks that do not depend on the detection of scattered radiation (e.g. ion bombardment of semiconductor surfaces).
  • FIG. 2 Details of the sample-side flange 52 of the bellows connection 50 are illustrated in FIG. 2. At the end of the membrane bellows 51, the sample-side flange 52 is welded on. The sample-side flange 52 forms a forward welding collar and projects into the attachment flange 22 of the sample chamber 20 at the free end with a circumferential step projection 54 m. At the ledge 54 is the end of the Membrane bellows 51 welded on. The membrane bellows 51 ends in the sample chamber 20 beyond the reference plane, which is formed by the flange connection between the attachment flange 22 and the flange 52 on the sample side.
  • the bellows connection 50 can be attached to the sample chamber 20 such that the sample 21 is positioned centrally at the end of the membrane bellows 51.
  • the center Z of the bellows rotary movement thus coincides essentially with the position of the sample 21 in the direction of irradiation 12.
  • the reference plane formed by the flange connection is oriented obliquely with respect to the direction of irradiation 12.
  • the direction of irradiation 12 runs through the attachment flange 22 or the flange 52 (see FIG. 1).
  • Reference numeral 56 indicates an enlarged representation of a pair of membranes.
  • the flange 52 on the sample side is provided with a rounded portion 55 on its inner edge.
  • the rounding 55 has a radius of curvature which is selected depending on the application for optimal use of the swivel range and is, for example, around 25 mm.
  • the screw connection 57 is recessed with the adjacent flange.
  • the flange 52 has an internal thread for screw connection with the shoulder flange 22. A mutual hindrance of the bellows and flange or an injury to the bellows by protruding bolts or nuts is avoided.
  • FIG. 3 shows an irradiation device according to the invention using the example of a Bragg crystal spectrometer.
  • a primary beam 13 to be analyzed strikes the sample 21 in the sample chamber 20 along the irradiation direction 12 via an attachment flange 23.
  • the sample 21 is a crystal (eg quartz), which acts as a target for diffraction of the primary beam 13 serves.
  • the sample 21 is arranged pivotably in the sample chamber 20 in order to optimize the crystal orientation in relation to the energy range of the primary beam to be detected.
  • the axis of rotation Z of the sample 21 coincides with the pivot axis of the membrane bellows 50.
  • the membrane bellows 50 is connected to the sample chamber 20 via the sample-side flange 52 and the attachment flange 22, as is illustrated in FIG. 2.
  • the sample chamber 20 is in the form of a half-shell (hemisphere) with a diameter corresponding to the diameter of the flange 52 with the membrane bellows advanced. This ensures that the detector can observe a maximum target area in all swivel positions.
  • the detector device 30 is set in accordance with a predetermined observation direction 32.
  • the detector device 30 comprises in particular an X-ray detector 31, an extension bellows 33 and an attachment flange 34 which is connected to the detector-side flange 53 of the bellows connection
  • the distance between the detector 31 and the sample 21 is extended in order to achieve an improvement in the resolution in the scattered radiation analysis.
  • the diaphragm bellows 51 is a highly flexible, corrosion-resistant diaphragm bellows made of the material AM 350 (manufacturer: VAT Deutschland GmbH) with a nominal width of 150 mm and a leak rate ⁇ 10 "9 mbar '1 / s.
  • FIG. 51 is a DN 150 Conflat flange.
  • the flange 52 on the sample is also a DN 150 Conflat flange, which, however, is modified as described above by attaching the welding collar and the rounding.
  • Figure 3 illustrates an important advantage of the invention.
  • the scattered radiation from the entire area of the sample 21 irradiated with the primary beam 13 is directed onto the detector device 30 without a shadow.
  • the shadow clearance is ensured, even with relatively large samples with characteristic dimensions of up to 10 '10 cm 2.
  • the inside diameter of the membrane bellows is around 180 mm. In the relaxed state, the length of the membrane bellows 51 is around 25 cm.
  • FIG. 4 schematically shows the structure according to FIG. 3 with a conventional bellows. Without a forward pivot point or without rounding on the flange back side, there is a reduced viewing angle or shading 35 on the detector 31. In addition, there is a risk of a bellows injury on the screw connections 57 above.
  • the radiation device according to the invention can generally be used in all systems in which a radiation source and / or a detector device are to be pivoted with respect to a fixed axis of rotation over a large swiveling range, with none between the radiation source and the sample or between the sample and the detector device
  • the internal gas pressure or vacuum in the system breaks.
  • Preferred applications are in the construction of a Bragg crystal spectrometer, a spectrometer for angle-resolved particle registration and in all arrangements in which the conventional one Turntable construction with an angular range of around 100 ° is to be replaced.
  • the membrane bellows consists of other metals (e.g. aluminum) or plastic (e.g. PTFE), has dimensions other than those given here by way of example and / or has a rectangular or otherwise shaped cross section has.

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Abstract

The invention relates to an irradiating device (100) for irradiating a sample (21) in a sample chamber (20), comprising an irradiating source (10) and a detector device (30) which are each connected to a sample chamber (20) in a gas tight manner, in addition to a slewing device (40) which enables the irradiation source (10) and/or the detector device (30) to be swiveled relative to the sample (21). The irradiation source (10) and/or the detector device (30) can be connected to the sample chamber (20) via a flexible bellow connector (50). The invention also relates to a swivel connecting element in order to connect housing components in a gas tight manner. Said housing components can be swiveled towards each other.

Description

Bestrahlungseinrichtung mit einem hochflexiblen MembranbalgIrradiation facility with a highly flexible membrane bellows
Die Erfindung betrifft allgemein eine Einrichtung zur Bestrahlung einer Probe m einer Probenkammer unter vorbestimmten Bestrahlungswinkeln und zur Beobachtung der Probe oder zur Detektion von Streustrahlung, die von der Probe ausgeht, unter vorbestimmten Beobachtungswinkeln, wobei in der Probenkammer ein Druckunterschied gegenüber der Umgebung gegeben ist. Die Erfindung betrifft auch ein Schwenk- verbmdungselement für Komponenten einer Anlage zur Bestrahlung bzw. Streustrahlungsmessung an einer Probe oder zur Beobachtung der Probe unter verstellbaren Winkeln.The invention relates generally to a device for irradiating a sample in a sample chamber at predetermined irradiation angles and for observing the sample or for detecting scattered radiation emanating from the sample at predetermined observation angles, the pressure chamber in the sample chamber being different from the surroundings. The invention also relates to a swivel connection element for components of a system for irradiation or scattered radiation measurement on a sample or for observing the sample at adjustable angles.
Bei einer Vielzahl von physikalischen Untersuchungen von Festkörpern, Oberflachen, Gasen oder bei Strahlungsanalysen besteht die Notwendigkeit, einen Detektor um das Zentrum eines streuenden oder dispergierenden Elements zu schwenken, um unter dem jeweiligen Beobachtungswinkel wmkelab- hangige Streusignale zu beobachten. Das dispergierende Element kann beispielsweise eine mit Röntgenstrahlung, Licht oder Teilchenstrahlung zu untersuchende Probe oder ein Target zur energiedispersiven Streuung einer zu analysierenden Strahlung sein. Muß die Untersuchung wegen der verwendeten Strahlungsart unter Vakuumbedingungen durchgeführt werden, so ist die technische Ausfuhrung des experimentellen Aufbaus mit relativ zueinander verschwenkbaren Strahlungsquellen bzw. Detektoren problematisch. Es sind beispielsweise Drehtelleranordnungen bekannt, bei denen der Detektor im Vakuum auf einem Außenring eines Drehtellers geschwenkt wird, in dessen Mitte ein dispergierendes Element ortsfest angeordnet ist. Die Nachteile der Drehtelleranordnung bestehen darin, daß die Anforderungen Le chtgangigkeit und Vakuumdichtheit nicht simultan gut zu erfüllen sind. Für einen leichtgangi- gen Drehteller müssen Abstriche bei der Vakuumdichtheit m Kauf genommen werden. Zur Abhilfe können zwar eine mehrfach differentiell gepumpte Dichtung der beweglichen Teile und der Einsatz von Materialien mit einer geringen Haftreibung und einer geringen Desorptionsrate vorgesehen seien. Damit wird ledoch der Gesamtaufbau der Drehanordnung kompliziert. Ein weiterer Nachteil der Drehtelleranordnung besteht m der eingeschränkten Genauigkeit der Schwenkwmkelemstel- lung.In the case of a large number of physical examinations of solids, surfaces, gases or in the case of radiation analyzes, it is necessary to pivot a detector around the center of a scattering or dispersing element in order to observe scatter-dependent scatter signals at the respective observation angle. The dispersing element can be, for example, a sample to be examined with X-ray radiation, light or particle radiation or a target for the energy-dispersive scattering of a radiation to be analyzed. If the investigation has to be carried out under vacuum conditions because of the type of radiation used, the technical implementation of the experimental setup with radiation sources or detectors which can be pivoted relative to one another is problematic. For example, turntable arrangements are known in which the detector is pivoted in a vacuum on an outer ring of a turntable, in the center of which a dispersing element is arranged in a stationary manner. The disadvantages of the turntable arrangement are that the requirements Le gtgangigkeit and vacuum tightness can not be met simultaneously well. For a smooth-running turntable, compromises in terms of vacuum tightness have to be made. To remedy this, a multi-differentially pumped seal of the moving parts and the use of materials with a low static friction and a low desorption rate can be provided. However, the overall structure of the rotating arrangement is complicated. Another disadvantage of the turntable arrangement is the limited accuracy of the swivel angle setting.
Bei einer anderen Variante bisher verwendeter Drehanordnungen wird eine sogenannte Mantelschilddichtung genutzt. Eine feststehende Probenkammer mit dem dispergierenden Element besitzt in der Empfangerebene einen Schlitz. Dieser Schlitz wird durch ein von außen angepreßtes Metallband mit einer kleinen Öffnung zum Empfanger abgedichtet. Auch bei dieser Technik sind die mechanischen und vakuumtechnischen Anforderungen hoch und schwer an spezielle Anwendungen anzupassen.In another variant of the rotating arrangements previously used, a so-called jacket shield seal is used. A fixed sample chamber with the dispersing element has a slot in the receiving plane. This slot is sealed by a metal tape pressed in from the outside with a small opening to the receiver. With this technology too, the mechanical and vacuum requirements are high and difficult to adapt to special applications.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Bestrahlungseinrichtung zur Probenbestrahlung bzw. Probenbeobachtung (oder Streustrahlungsdetektion) , insbesondere unter Ultrahochvakuumbedingungen, anzugeben, mit der die Nachteile der herkömmlichen Drehanordnungen überwunden werden und bei der insbesondere eine leichtgangige und präzise Winkeleinstellung ohne Beeinträchtigung des Vakuums möglich ist. Die Aufgabe der Erfindung besteht auch in der Schaffung eines neuartigen Schwenkverbmdungselements (oder: Va- kuumverbmdungselements) zur gasdichten Verbindung von Komponenten einer Bestrahlungseinrichtung m t einer verschwenkbaren Strahlungsquelle und/oder Detektoreinrichtung.The object of the invention is to provide an improved irradiation device for specimen irradiation or specimen observation (or scattered radiation detection), in particular under ultra-high vacuum conditions, with which the disadvantages of the conventional rotary arrangements are overcome and with which, in particular, smooth and precise angle adjustment is possible without impairing the vacuum , The object of the invention is also to create a new type of swivel connector element (or: vacuum connector element) for the gas-tight connection of components of an irradiation device with one pivotable radiation source and / or detector device.
Diese Aufgaben werden durch eine Bestrahlungseinrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und ein Vakuumverbindungselement mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 8 gelost. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen und Anwendungen der Erfindungen ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen.These tasks are solved by an irradiation device with the features according to claim 1 and a vacuum connecting element with the features according to claim 8. Advantageous embodiments and applications of the inventions result from the dependent claims.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, bei einer Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung einer Probe in einer evakuierten Probenkammer, mit der eine Strahlungsquelle und eine Detektoreinrichtung jeweils vakuumdicht verbunden sind, wobei die Strahlungsquelle und/oder die Detektoreinrichtung relativ zur Probe mit einer Schwenkeinrichtung verschwenkbar ist, die Strahlungsquelle und/oder die Detektoreinrichtung mit der Probenkammer über einen flexiblen, gasdichten Balg zu verbinden. In der Probenkammer, der Strahlungsquelle und der Detektoreinrichtung besteht ein Über- oder Unterdruck gegenüber der Umgebung, sie sind z. B. evakuiert. Die Detektoreinrichtung dient allgemein der Beobachtung der Probe oder der Detektion von Streustrahlung von der Probe.The basic idea of the invention is, in the case of an irradiation device for irradiating a sample in an evacuated sample chamber, to which a radiation source and a detector device are each connected in a vacuum-tight manner, the radiation source and / or the detector device being pivotable relative to the sample with a pivoting device, the radiation source and / or to connect the detector device to the sample chamber via a flexible, gas-tight bellows. In the sample chamber, the radiation source and the detector device there is an overpressure or underpressure with respect to the environment. B. evacuated. The detector device is generally used to observe the sample or to detect scattered radiation from the sample.
Der erfindungsgemaß verwendete Balg ist ein Membranbalg, an dessen Enden jeweils ein Flansch zur gasdichten (insbesondere: vakuumdichten) Befestigung an der Probenkammer bzw. der Strahlungsquelle und/oder der Detektoreinrichtung vorgesehen ist. Zur wesentlichen Erweiterung der Funktionalitat wird vorzugsweise ein Membranbalg eingesetzt, der eine oder mehrere der folgenden Modifizierungen gegenüber einem herkömmlichen Membranbalg aufweist.The bellows used according to the invention is a membrane bellows, at the ends of which a flange is provided for gas-tight (in particular: vacuum-tight) attachment to the sample chamber or the radiation source and / or the detector device. To significantly expand the functionality, a membrane bellows is preferably used, which has one or more of the following modifications compared to a conventional membrane bellows.
Gemäß einer ersten Ausfuhrungsform der Erfindung besitzt mindestens einer der Flansche einen Anschweißkragen, der über eine Bezugsebene, die durch den Flansch gebildet wird, in die Probenkammer bzw. Strahlungsquelle und/oder Detektoreinrichtung hineinragt. Das entsprechende Ende des Membranbalgs ist an dem Anschweißkragen angebracht und damit hin zur Probenkammer, Strahlungsquelle oder Detektoreinrichtung vorverlagert. Bei einem Verschwenken des Membranbalgs ist der Schwenkpunkt entsprechend vorverlagert bis in den Probenmittelpunkt. Dies ermöglicht als besonderen Vorteil der Erfindung eine Vergrößerung des Sichtwinkels zwischen den durch den Membranbalg verbundenen Teilen.According to a first embodiment of the invention, at least one of the flanges has a welding collar which protrudes into the sample chamber or radiation source and / or detector device via a reference plane which is formed by the flange. The corresponding end of the membrane bellows is attached to the weld-on collar and is thus advanced towards the sample chamber, radiation source or detector device. When the membrane bellows is pivoted, the pivot point is accordingly advanced to the center of the sample. As a special advantage of the invention, this makes it possible to enlarge the viewing angle between the parts connected by the membrane bellows.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung ist der Flansch mit dem Anschweißkragen an seiner Ruckseite entgegengesetzt zum freien Ende mit einer Abrundung versehen, die entlang der Flanschinnenkante verlauft. Damit wird die Verschwenkbarkeit des Membranbalgs und der Sichtwinkel durch die Balgverbindung vergrößert bzw. ein Abknicken an der Innenkante des Flansches vermieden.According to a further embodiment of the invention, the flange with the weld-on collar is provided on its rear side opposite to the free end with a rounding which runs along the inner edge of the flange. This increases the pivotability of the membrane bellows and the viewing angle through the bellows connection or prevents kinking on the inner edge of the flange.
Gemäß einer weiteren Gestaltung ist der Flansch mit dem vorverlagerten Anschweißkragen für eine versenkte Ver- schraubung ausgelegt. Der Flansch besitzt beispielsweise Gewindebohrungen zur Aufnahme einer Schraubverbindung mit der angrenzenden Probenkammer (oder dem Detektor oder der Strahlungsquelle) . Dies erlaubt eine weitere Vergrößerung der Verschwenkbarkeit des Membranbalgs bzw. des Sichtwin- kels und die Vermeidung von Verletzungen oder unerwünschten Verbiegungen der Balgverbmdung.According to a further design, the flange with the welding collar advanced is designed for countersunk screwing. The flange has, for example, threaded bores for receiving a screw connection with the adjacent sample chamber (or the detector or the radiation source). This allows a further increase in the pivotability of the diaphragm bellows or the viewing angle and the avoidance of injuries or undesirable bending of the bellows joint.
Die Balgverbindung an sich stellt ein erfmdungsgemaßes Schwenkverbindungselement dar, das für verschiedenartige Anwendungen zur Verbindung von Komponenten einer Bestrahlungseinrichtung entlang bestimmter Strahlrichtungen geeig Die Erfindung ist für die verschiedenartigsten Aufgaben in der Forschung und Technologie anwendbar. Mit einer oder mehreren erfindungsgemäßen Balgverbindungen können beispielsweise Bestrahlungseinrichtungen aufgebaut werden, die eine verschwenkbare Quelle und eine ortsfeste Detektoreinrichtung, eine verschwenkbare Quelle und eine verschwenkbare Detektoreinrichtung oder eine ortsfeste Quelle und eine verschwenkbare Detektoreinrichtung aufweisen. Die Strahlungsquelle kann allgemein zur elektromagnetischen Bestrahlung (sichtbares Licht, Röntgenstrahlung, Synchrotronstrahlung oder dgl . ) oder zur Teilchenbestrahlung (Elektronenstrahlen, Atom- oder Ionenstrahlen oder dgl.) ausgelegt sein. Die Probe ist anwendungsabhangig selbst Gegenstand der Untersuchung oder Strahlungsbehandlung oder auch ein Target zur energiedispersiven Ablenkung der Bestrahlung. Die Probe kann durch einen in der Probenkammer positionierten Festkörper oder einen durch die Probenkammer geführten, gasformigen Probenstrahl gebildet werden. Im letzteren Fall kann die erfindungsgemaße Bestrahlungseinrichtung beispielsweise zur Aufnahme von Streuquerschnitten am gasformigen Probenstrahl ausgelegt sein.The bellows connection per se represents a swivel connection element according to the invention, which is suitable for various applications for connecting components of an irradiation device along certain beam directions The invention is applicable to a wide variety of research and technology tasks. With one or more bellows connections according to the invention, radiation devices can be set up, for example, which have a pivotable source and a fixed detector device, a pivotable source and a pivotable detector device or a stationary source and a pivotable detector device. The radiation source can generally be designed for electromagnetic radiation (visible light, X-rays, synchrotron radiation or the like) or for particle radiation (electron beams, atomic or ion beams or the like). Depending on the application, the sample itself is the subject of the investigation or radiation treatment or is also a target for the energy-dispersive deflection of the radiation. The sample can be formed by a solid body positioned in the sample chamber or by a gaseous sample beam guided through the sample chamber. In the latter case, the radiation device according to the invention can be designed, for example, to record scattering cross sections on the gaseous sample beam.
Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Zum Aufbau einer erfindungsgemaßen Balgverbindung wird ein Membranbalg verwendet, der an sich kommerziell verfugbar ist, alle Ultrahochvakuum- (UHV) -Anforderungen erfüllt und auch ausheizbar ist. Die erfindungsgemaße Balgverbindung ermöglicht eine leichtgangig verstellbare, abschattungsfreie, geradlinige Strahlverbindung zwischen der Strahlungsquelle und/oder der Detektoreinrichtung mit der Probe, wobei alle praktisch interessierenden Winkeibereiche bis zu rund 90° und auch daruberhinaus eingestellt werden können. Der Aufbau der er- findungsgemaßen Bestrahlungseinrichtung zeichnet sich durch einen geringen technischen Aufwand und die Verwendung kostengünstiger Komponenten aus. Die Erfindung besitzt einen breiten Anwendungsbereich von der Strahlungsanalyse über die Festkorperuntersuchung bis hin zur Probenbearbeitung und ist mit gangigen Vakuumanlagen voll kompatibel. Das er- findungsgemaße Vakuumverbindungselement stellt auch bei der Bestrahlung großflächiger Proben eine maximale optische Durchlässigkeit sicher.The invention has the following advantages. To build a bellows connection according to the invention, a membrane bellows is used which is commercially available per se, meets all ultra-high vacuum (UHV) requirements and can also be baked out. The bellows connection according to the invention enables an easily adjustable, shading-free, rectilinear beam connection between the radiation source and / or the detector device with the sample, it being possible to set all practical angle ranges of up to around 90 ° and beyond. The construction of the radiation device according to the invention is characterized by low technical complexity and the use of inexpensive components. The invention has one Wide range of applications from radiation analysis to solid-state analysis to sample processing and is fully compatible with common vacuum systems. The vacuum connecting element according to the invention also ensures maximum optical transmission when irradiating large-area samples.
Die Erfindung ist nicht nur mit Vakuumanlagen anwendbar, sondern allgemein bei allen Bestrahlungs -oder Beobachtungseinrichtungen mit einer anlageninternen absoluten oder gasspezifischen (differentiellen) Druckdifferenz gegenüber der Umgebung.The invention can be used not only with vacuum systems, but in general with all radiation or observation devices with an absolute or gas-specific (differential) pressure difference in relation to the environment.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die beigefugten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:Further advantages and details of the invention are described below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figur 1: eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemaße Bestrahlungseinrichtung,FIG. 1: a schematic top view of an irradiation device according to the invention,
Figur 2: eine teilweise Schnittansicht eines erfindungsgemaßen Membranbalgs,FIG. 2: a partial sectional view of a membrane bellows according to the invention,
Figur 3 : eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemaße Bestrahlungseinrichtung zur energieselektiven Analyse von Röntgenstrahlung, undFIG. 3: a schematic top view of an irradiation device according to the invention for energy-selective analysis of X-rays, and
Figur 4: eine teilweise Schnittansicht einer erfindungsgemaßen Bestrahlungseinrichtung mit einem herkömmlichen Membranbalg.Figure 4 is a partial sectional view of an irradiation device according to the invention with a conventional membrane bellows.
Eine erfindungsgemaße Bestrahlungseinrichtung 100 umfaßt gemäß Figur 1 eine Strahlungsquelle 10, eine Probenkammer 20, eine Detektoreinrichtung 30, eine Schwenkeinrichtung 40 und mindestens eine Balgverbindung 50. Die Strahlungsquelle 10 ist anwendungsabhangig eine Quelle elektromagnetischer Strahlung (z.B. Läse-, Rόntgenquelle, Synchrotronstrahlungsquelle) oder eine Teilchenquelle (z. B. Elektronenquelle, Atomquelle, Neαtronenquelle, Ionenquelle) mit bestimmten Emissionseigenschaften oder auch eine Quelle mit zunächst unbekannten Strahlungseigenschaften in einem zusätzlichen, im einzelnen nicht dargestellten Experimental- aufbau. Die Strahlungsquelle 10 ist mit der Probenkammer 20 über ein gerades, vakuumdichtes Verbindungsrohr 11 verbunden. Das Verbindungsrohr 11 ist entsprechend der Bestrahlungsrichtung 12 auf die Probe 21 gerichtet. An der Probe 21 erfolgt eine Streuung oder auch eine durch die Bestrahlung angeregte Emission. Im folgenden werden beide Abstrah- lungsformen als Streustrahlung bezeichnet. Die Verbindung zwischen der Strahlungsquelle und der Probenkammer kann anwendungsabhangig modifiziert sein und z. B. durch ein Fenster oder eine beliebig geformte Verbindung mit "optischen" Strahllenkelementen umfassen.According to FIG. 1, an irradiation device 100 according to the invention comprises a radiation source 10, a sample chamber 20, a detector device 30, a swivel device 40 and at least one bellows connection 50. The radiation source Depending on the application, 10 is a source of electromagnetic radiation (e.g. lens, X-ray source, synchrotron radiation source) or a particle source (e.g. electron source, atomic source, neutron source, ion source) with certain emission properties or also a source with initially unknown radiation properties in an additional one, not in detail shown experimental setup. The radiation source 10 is connected to the sample chamber 20 via a straight, vacuum-tight connecting tube 11. The connecting tube 11 is directed towards the sample 21 in accordance with the direction of irradiation 12. Scattering or an emission excited by the radiation occurs on the sample 21. In the following, both types of radiation are referred to as scattered radiation. The connection between the radiation source and the sample chamber can be modified depending on the application and z. B. include through a window or any connection with "optical" beam steering elements.
Die Streustrahlung wird mit der beispielhaft in zwei Positionen A, B illustrierten Detektoreinrichtung 30 erfaßt, die einen geeigneten Strahlungsempfänger 31 enthalt. Der Strahlungsempfänger 31 ist beispielsweise ein Lichtempfänger (Fotodiode oder Fotodiodenanordnung), ein Rontgendetek- tor oder ein Teilchendetektor. Die Detektoreinrichtung 30 ist zur Erfassung der Streustrahlung entsprechend verschiedener Beobachtungsrichtungen 32a, 32b mit der Schwenkeinrichtung 40 entlang einer kreisförmigen Schwenklinie 41 verschwenkbar (siehe Pfeilrichtung). Die Schwenkeinrichtung 40 umfaßt insbesondere eine Schienenanordnung zur Führung der Detektoreinrichtung 30 entlang der Schwenklinie 41 und einen Antrieb zur Verstellung der Detektoreinrichtung 30. Die Beobachtungsrichtungen 32a, 32b sind über einen Winkelbereich Δ verstellbar, der in der Regel bis zu 90° umfaßt, S bei geeigneter Gestaltung der Balgverbindung 50 aber auch größer (z.B. 120°) sein kann.The scattered radiation is detected with the detector device 30 illustrated in two positions A, B, which contains a suitable radiation receiver 31. The radiation receiver 31 is, for example, a light receiver (photodiode or photodiode arrangement), an X-ray detector or a particle detector. The detector device 30 can be swiveled along a circular swivel line 41 to detect the scattered radiation according to different observation directions 32a, 32b (see arrow direction). The swiveling device 40 comprises in particular a rail arrangement for guiding the detector device 30 along the swiveling line 41 and a drive for adjusting the detector device 30. The observation directions 32a, 32b can be adjusted over an angular range Δ which generally comprises up to 90 °, S with a suitable design of the bellows connection 50 can also be larger (eg 120 °).
Die Balgverbindung 50 umfaßt einen flexiblen Membranbalg 51, der an seinen Enden einen probenseitigen Flansch 52 bzw. einen detektorseitigen Flansch 53 aufweist. Der Membranbalg 51 besteht aus einer Aneinanderreihung von Metallringen geringer Dicke, die aufeinanderfolgend abwechselnd an ihren Außen- bzw. Innenrandern zusammengeschweißt sind. Jeweils zwei benachbarte Metallringe des Membranbalgs 51 bilden ein Membranpaar. Die Metallringe besitzen eine Dicke derart, daß sich im zusammengedruckten Zustand rd. 0.7 mm pro Membranpaar ergeben, und bestehen vorzugsweise aus Edelstahl.The bellows connection 50 comprises a flexible membrane bellows 51, which has a sample-side flange 52 or a detector-side flange 53 at its ends. The membrane bellows 51 consists of a series of metal rings of small thickness, which are welded together alternately on their outer and inner edges. Two adjacent metal rings of the diaphragm bellows 51 form a pair of diaphragms. The metal rings have a thickness such that approx. 0.7 mm per pair of membranes, and are preferably made of stainless steel.
Der zum Aufbau der erfindungsgemaßen Balgverbindung verwendete flexible Membranbalg besitzt die folgenden wichtigen Verformungseigenschaften. Wenn der Membranbalg 51 an seinen Enden entlang verschieden ausgerichteter Bezugsebenen entsprechend der Lage der genannten Flansche eingespannt ist, so vollfuhrt er eine kombinierte Verformung, die aus zwei gegenläufigen Winkelverschiebungen besteht. Die Verformung erfolgt derart, daß der Membranbalg 51 seine Oberflache minimiert. Ein evakuierter Membranbalg (UHV im Inneren des Membranbalgs 51) setzt jeder lateralen und jeder angularen Verformung eine Ruckstellkraft entgegen. Die Ruckstellkraft ist so gebildet, daß eine möglichst gerade Ausrichtung des Membranbalgs erhalten bleibt. Ein in einer erfindungsgemaßen Balgverbindung eingesetzter Membranbalg zeichnet sich dadurch aus, daß die laterale bzw. angulare Ruckstellkraft geringer ist als die axiale Kraft, die zum linearen Verfor- men des Membranbalges fuhrt. Dies hat zur Folge, daß bei einer Verschwenkung der eingespannten Enden des Membranbalgs an einer Verformung nur eine minimale Anzahl von Membranpaaren teilnehmen, diese jedoch mit ihrem maximalen Schwenkwinkel. Die übrigen Membranpaare hingegen bleiben parallel ausgerichtet, so daß bei diesen der Membranbalg gerade bleibt. Wie viele Membranpaare an der Verformung teilnehmen, ist mateπal- und dimensionsabhangig .The flexible diaphragm bellows used to construct the bellows connection according to the invention has the following important deformation properties. If the diaphragm bellows 51 is clamped at its ends along differently aligned reference planes in accordance with the position of the flanges mentioned, it performs a combined deformation which consists of two opposite angular displacements. The deformation takes place in such a way that the membrane bellows 51 minimizes its surface. An evacuated diaphragm bellows (UHV in the interior of diaphragm bellows 51) opposes each lateral and angular deformation with a restoring force. The restoring force is formed so that the diaphragm bellows is aligned as straight as possible. A membrane bellows used in a bellows connection according to the invention is characterized in that the lateral or angular restoring force is less than the axial force which leads to the linear deformation of the membrane bellows. The consequence of this is that when the clamped ends of the diaphragm bellows are pivoted, only a minimal number of diaphragm pairs take part in a deformation, but this with their maximum Swivel angle. The other membrane pairs, however, remain aligned so that the membrane bellows remains straight. The number of membrane pairs involved in the deformation depends on the material and dimensions.
Ein wichtiges und unerwartetes Merkmal der Erfindung besteht somit darin, daß mit der Balgverbindung auf der Basis eines hochflexiblen Membranbalgs eine vakuumdichte und wei- testgehend gerade Verbindung zwischen der Probenkammer 20 und der Detektoreinrichtung 30 bereitgestellt wird, die jeweils entsprechend der gewünschten Beobachtungsrichtung (z.B. 32a, 32b) eingestellt werden kann. Um einen möglichst großen Schwenkbereich Δ zu erzielen, werden am probenseiti- gen Flansch 52 besondere Vorkehrungen getroffen, die im einzelen unten unter Bezug auf Figur 2 erläutert sind.An important and unexpected feature of the invention is therefore that the bellows connection based on a highly flexible membrane bellows provides a vacuum-tight and largely straight connection between the sample chamber 20 and the detector device 30, each of which corresponds to the desired direction of observation (eg 32a, 32b) can be set. In order to achieve the largest possible swiveling range Δ, special precautions are taken on the flange 52 on the sample side, which are explained in detail below with reference to FIG.
Bei der in Figur 1 illustrierten Ausfuhrungsform einer Bestrahlungseinrichtung 100 sind die Strahlungsquelle 10, die Probenkammer 20 und die Schwenkeinrichtung 40 relativ zueinander fixiert, wahrend die Detektoreinrichtung 30 beweglich ist. Bei alternativen Ausfuhrungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, daß auch die Strahlungsquelle 10 über eine Balgverbindung mit der Probenkammer 20 verbunden ist. Die Detektoreinrichtung 30 kann auch ortsfest angebracht sein oder bei bestimmten Bestrahlungsaufgaben, bei denen es nicht auf die Erfassung von Streustrahlung ankommt, ganz fortfallen (z.B. Ionenbeschuß von Halbleiteroberflachen) .In the embodiment of an irradiation device 100 illustrated in FIG. 1, the radiation source 10, the sample chamber 20 and the swivel device 40 are fixed relative to one another, while the detector device 30 is movable. In alternative embodiments of the invention it can be provided that the radiation source 10 is also connected to the sample chamber 20 via a bellows connection. The detector device 30 can also be fixed in place or can be completely omitted for certain radiation tasks that do not depend on the detection of scattered radiation (e.g. ion bombardment of semiconductor surfaces).
Einzelheiten des probenseitigen Flansches 52 der Balgver- bindung 50 sind in Figur 2 illustriert. Am Ende des Membranbalgs 51 ist der probenseitige Flansch 52 angeschweißt. Der probenseitige Flansch 52 bildet einen vorverlagerten Anschweißkragen und ragt am freien Ende mit einem umlaufenden Stufenvorsprung 54 m den Ansatzflansch 22 der Probenkammer 20 hinein. Am Stufenvorsprung 54 ist das Ende des Membranbalgs 51 angeschweißt. Der Membranbalg 51 endet in der Probenkammer 20 jenseits der Bezugsebene, die durch die Flanschverbindung zwischen dem Ansatzflansch 22 und dem probenseitigen Flansch 52 gebildet wird. Dadurch kann die Balgverbindung 50 so an der Probenkammer 20 angebracht werden, daß die Probe 21 mittig am Ende des Membranbalgs 51 positioniert ist. Das Zentrum Z der Balg-Drehbewegung fallt damit im wesentlichen mit der Position der Probe 21 in der Bestrahlungsrichtung 12 zusammen. Die durch die Flanschverbindung gebildete Bezugsebene ist schräg gegenüber der Bestrahlungsrichtung 12 orientiert. Die Bestrahlungsrichtung 12 verlauft durch den Ansatzflansch 22 bzw. den Flansch 52 (siehe Figur 1) . Das Bezugszeichen 56 weist auf eine vergrößerte Darstellung eines Membranpaares.Details of the sample-side flange 52 of the bellows connection 50 are illustrated in FIG. 2. At the end of the membrane bellows 51, the sample-side flange 52 is welded on. The sample-side flange 52 forms a forward welding collar and projects into the attachment flange 22 of the sample chamber 20 at the free end with a circumferential step projection 54 m. At the ledge 54 is the end of the Membrane bellows 51 welded on. The membrane bellows 51 ends in the sample chamber 20 beyond the reference plane, which is formed by the flange connection between the attachment flange 22 and the flange 52 on the sample side. As a result, the bellows connection 50 can be attached to the sample chamber 20 such that the sample 21 is positioned centrally at the end of the membrane bellows 51. The center Z of the bellows rotary movement thus coincides essentially with the position of the sample 21 in the direction of irradiation 12. The reference plane formed by the flange connection is oriented obliquely with respect to the direction of irradiation 12. The direction of irradiation 12 runs through the attachment flange 22 or the flange 52 (see FIG. 1). Reference numeral 56 indicates an enlarged representation of a pair of membranes.
Zur Vergrößerung des uberstreichbaren Winkelbereiches Δ ist der probenseitige Flansch 52 an der Ruckseite mit einer Ab- rundung 55 an seiner Innenkante versehen. Die Abrundung 55 besitzt einen Krümmungsradius, der anwendungsabhangig zur optimalen Ausnutzung des Schwenkbereiches gewählt ist und beispielsweise rund 25 mm betragt. Außerdem ist die Schraubverbindung 57 mit dem angrenzenden Flansch versenkt ausgeführt. Der Flansch 52 besitzt Innengewinde zur Schraubverbindung mit dem Ansatzflansch 22. Eine gegenseitige Behinderung von Balg und Flansch oder eine Verletzung des Balges durch hervorstehende Bolzen bzw. Muttern wird vermieden.To enlarge the traversable angular range Δ, the flange 52 on the sample side is provided with a rounded portion 55 on its inner edge. The rounding 55 has a radius of curvature which is selected depending on the application for optimal use of the swivel range and is, for example, around 25 mm. In addition, the screw connection 57 is recessed with the adjacent flange. The flange 52 has an internal thread for screw connection with the shoulder flange 22. A mutual hindrance of the bellows and flange or an injury to the bellows by protruding bolts or nuts is avoided.
Figur 3 zeigt eine erfindungsgemaße Bestrahlungseinrichtung am Beispiel eines Bragg-Kristallspektrometers . Ausgehend von einer (nicht dargestellten) Strahlungsquelle fallt ein zu analysierender Primarstrahl 13 entlang der Bestrahlungsrichtung 12 über einen Ansatzflansch 23 auf die Probe 21 in der Probenkammer 20. Die Probe 21 ist ein Kristall (z.B. Quarz) , das als Target zur Beugung des Pπmarstrahls 13 dient. Die Probe 21 :_st in der Probenkammer 20 verschwenkbar angeordnet, um d .e Kristallorientierung in Bezug auf den zu erfassenden Energiebereich des Primärstrahls zu optimieren. Die Drehachse Z der Probe 21 fällt mit der Schwenkachse des Membranbalgs 50 zusammen. Der Membranbalg 50 ist über den probenseitigen Flansch 52 und den Ansatzflansch 22 mit der Probenkammer 20 verbunden, wie dies in Figur 2 illustriert ist.FIG. 3 shows an irradiation device according to the invention using the example of a Bragg crystal spectrometer. Starting from a radiation source (not shown), a primary beam 13 to be analyzed strikes the sample 21 in the sample chamber 20 along the irradiation direction 12 via an attachment flange 23. The sample 21 is a crystal (eg quartz), which acts as a target for diffraction of the primary beam 13 serves. The sample 21 is arranged pivotably in the sample chamber 20 in order to optimize the crystal orientation in relation to the energy range of the primary beam to be detected. The axis of rotation Z of the sample 21 coincides with the pivot axis of the membrane bellows 50. The membrane bellows 50 is connected to the sample chamber 20 via the sample-side flange 52 and the attachment flange 22, as is illustrated in FIG. 2.
Die Probenkammer 20 besitzt die Form einer Halbschale (Halbkugel) mit einem Durchmesser entsprechend dem Durchmesser des Flansches 52 mit vorverlagertem Membranbalg. Damit wird sichergestellt, daß der Detektor in allen Schwenkpositionen eine maximale Targetfläche beobachten kann.The sample chamber 20 is in the form of a half-shell (hemisphere) with a diameter corresponding to the diameter of the flange 52 with the membrane bellows advanced. This ensures that the detector can observe a maximum target area in all swivel positions.
Die Detektoreinrichtung 30 ist entsprechend einer vorbestimmten Beobachtungsrichtung 32 eingestellt. Die Detektoreinrichtung 30 umfaßt im einzelnen einen Röntgendetektor 31, einen Verlängerungsbalg 33 und einen Ansatzflansch 34, der mit dem detektorseitigen Flansch 53 der BalgverbindungThe detector device 30 is set in accordance with a predetermined observation direction 32. The detector device 30 comprises in particular an X-ray detector 31, an extension bellows 33 and an attachment flange 34 which is connected to the detector-side flange 53 of the bellows connection
50 verbunden ist. Mit dem Verlängerungsflansch 31 wird der Abstand zwischen dem Detektor 31 und der Probe 21 verlängert, um eine Verbesserung der Auflösung bei der Streustrahlungsanalyse zu erzielen.50 is connected. With the extension flange 31, the distance between the detector 31 and the sample 21 is extended in order to achieve an improvement in the resolution in the scattered radiation analysis.
Der Membranbalg 51 ist ein hochflexibler, korrosionsbeständiger Membranbalg aus dem Werkstoff AM 350 (Hersteller: VAT Deutschland GmbH) mit einer Nennweite von 150 mm und einer Leckrate < 10"9 mbar ' 1/s wird. Der detektorseitige FlanschThe diaphragm bellows 51 is a highly flexible, corrosion-resistant diaphragm bellows made of the material AM 350 (manufacturer: VAT Deutschland GmbH) with a nominal width of 150 mm and a leak rate <10 "9 mbar '1 / s. The flange on the detector side
51 ist ein DN 150 Conflat-Flansch. Auch der probenseitige Flansch 52 ist ein DN 150 Conflat-Flansch, der jedoch wie oben beschrieben durch Anbringung des Anschweißkragens und der Abrundung modifiziert ist. Figur 3 illustriert einen wichtigen Vorteil der Erfindung. Die Streustrahlung von der gesamten, mit dem Primarstrahl 13 bestrahlten Flache der Probe 21 wird ohne Schatten auf die Detektoreinrichtung 30 gerichtet. Die Schattenfreiheit ist auch bei relativ großen Proben mit charakteristischen Dimensionen von bis zu 10 ' 10 cm2 sichergestellt. Der Innendurchmesser des Membranbalgs betragt rund 180 mm. Im entspannten Zustand betragt die Lange des Membranbalgs 51 rund 25 cm.51 is a DN 150 Conflat flange. The flange 52 on the sample is also a DN 150 Conflat flange, which, however, is modified as described above by attaching the welding collar and the rounding. Figure 3 illustrates an important advantage of the invention. The scattered radiation from the entire area of the sample 21 irradiated with the primary beam 13 is directed onto the detector device 30 without a shadow. The shadow clearance is ensured, even with relatively large samples with characteristic dimensions of up to 10 '10 cm 2. The inside diameter of the membrane bellows is around 180 mm. In the relaxed state, the length of the membrane bellows 51 is around 25 cm.
Es wird betont, daß allgemein die Verwendung eines Membranbalgs als Verbindungselement zwischen verschwenkbaren Teilen einer Bestrahlungseinrichtung Gegenstand der Erfindung ist, auch wenn bei Einsatz eines herkömmlichen Balges Einschränkungen in Bezug auf die Funktionalitat in Kauf genommen werden müssen. Dies ist in Figur 4 verdeutlicht, die schematisch den Aufbau gemäß Figur 3 mit einem herkömmlichen Balg zeigt. Ohne vorverlagerten Drehpunkt bzw. ohne Abrundung auf der Flanschruckseite ergibt sich ein verringerter Sichtwinkel bzw. eine Abschattung 35 am Detektor 31. Außerdem ist die Gefahr einer Balgverletzung an den vorstehenden Schraubverbindungen 57 gegeben.It is emphasized that generally the use of a membrane bellows as a connecting element between pivotable parts of an irradiation device is the subject of the invention, even if restrictions in terms of functionality have to be accepted when using a conventional bellows. This is illustrated in FIG. 4, which schematically shows the structure according to FIG. 3 with a conventional bellows. Without a forward pivot point or without rounding on the flange back side, there is a reduced viewing angle or shading 35 on the detector 31. In addition, there is a risk of a bellows injury on the screw connections 57 above.
Die erfindungsgemaße Bestrahlungseinrichtung kann allgemein bei allen Anlagen angewendet werden, bei denen eine Strahlungsquelle und/oder eine Detektoreinrichtung in Bezug auf eine feste Drehachse über einen großen Schwenkbereich geschwenkt werden sollen, wobei zwischen der Strahlungsquelle und der Probe bzw. zwischen der Probe und der Detektoreinrichtung kein Bruch des anlageninternen Gasdrucks bzw. des Vakuums in der Anlage auftritt. Bevorzugte Anwendungen liegen im Aufbau eines Bragg-Kristallspektrometers, eines Spektrometers für die winkelaufgelöste Teilchenregistrierung und bei allen Anordnungen, bei denen die herkömmliche Drehtellerkonstruktion mit einem Winkelbereich von rund 100° ersetzt werden soll.The radiation device according to the invention can generally be used in all systems in which a radiation source and / or a detector device are to be pivoted with respect to a fixed axis of rotation over a large swiveling range, with none between the radiation source and the sample or between the sample and the detector device The internal gas pressure or vacuum in the system breaks. Preferred applications are in the construction of a Bragg crystal spectrometer, a spectrometer for angle-resolved particle registration and in all arrangements in which the conventional one Turntable construction with an angular range of around 100 ° is to be replaced.
Bei abgewandelten Gestaltungen der Balgverbindung kann vorgesehen sein, daß der Membranbalg aus anderen Metallen (z. B. Aluminium) oder Kunststoff (z. B. PTFE) besteht, andere als die hier beispielhaft gegebenen Dimensionen aufweist und/oder einen rechteckigen oder anderweitig geformten Querschnitt besitzt. In the case of modified designs of the bellows connection, it can be provided that the membrane bellows consists of other metals (e.g. aluminum) or plastic (e.g. PTFE), has dimensions other than those given here by way of example and / or has a rectangular or otherwise shaped cross section has.

Claims

Patentansprüche claims
1. Bestrahlungseinrichtung (100) zur Bestrahlung einer Probe (21) in einer Probenkammer (20), mit1. Irradiation device (100) for irradiating a sample (21) in a sample chamber (20) with
- einer Strahlungsquelle (10) und einer Detektoreinrichtung (30), die jeweils gasdicht mit der Probenkammer (20) verbunden sind, und- A radiation source (10) and a detector device (30), which are each gas-tightly connected to the sample chamber (20), and
- einer Schwenkeinrichtung (40), mit der die Strahlungsquelle (10) und/oder die Detektoreinrichtung (30) relativ zur Probe (21) verschwenkbar ist, dadurch gekennzeichent, daß die Strahlungsquelle (10) und/oder die Detektoreinrichtung (30) mit der Probenkammer (20) über eine flexible Balgverbmdung (50) verbunden ist.- A swivel device (40) with which the radiation source (10) and / or the detector device (30) can be pivoted relative to the sample (21), characterized in that the radiation source (10) and / or the detector device (30) with the Sample chamber (20) is connected via a flexible bellows connection (50).
2. Bestrahlungseinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Balgverbmdung (50) durch ein Verbindungselement mit einem Membranbalg gebildet wird, an dessen Enden jeweils ein Flansch (52, 53) zur gasdichten Befestigung an der Probenkammer (20) bzw. der Strahlungsquelle (10) und/oder der Detektoreinrichtung (30) vorgesehen sind, wobei mindestens der Flansch (52) einen vorverlagerten Anschweißkragen aufweist, der über eine Bezugsebene, die durch den Flansch gebildet wird, die Probenkammer (20) bzw. die Strahlungsquelle (10) und/oder die Detektoreinrichtung (30) hineinragt .2. Irradiation device according to claim 1, wherein the bellows connection (50) is formed by a connecting element with a membrane bellows, at the ends of which a flange (52, 53) for gas-tight attachment to the sample chamber (20) or the radiation source (10) and / or the detector device (30) are provided, at least the flange (52) having a forward welding collar which extends over a reference plane which is formed by the flange, the sample chamber (20) or the radiation source (10) and / or the detector device (30) protrudes.
3. Bestrahlungseinrichtung gemäß Anspruch 2, bei der der Flansch (52) so in die Probenkammer (20) hineinragt, daß die Probe (21) im Zentrum (Z) des Anschweißkragens angeordnet ist. 3. Irradiation device according to claim 2, wherein the flange (52) protrudes into the sample chamber (20) so that the sample (21) is arranged in the center (Z) of the welding collar.
4. Bestrahlungsemrichtunσ gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die als Spektiometer aufgebaut ist, wobei von der Strahlungsquelle (10) ein zu analysierender Primarstrahl (13) ausgeht, die Prcbf (21) ein relativ zur Strahlungsquelle (10) mit ortsfester Drehachse positioniertes Target ist und die Detektoreinrichtung (30) relativ zur Probe (21) verschwenkbar angeordnet ist.4. Irradiation device according to one of claims 1 to 3, which is constructed as a spectiometer, the radiation source (10) being a primary beam (13) to be analyzed, the Prcbf (21) a relative to the radiation source (10) positioned with a fixed axis of rotation and the detector device (30) is arranged pivotable relative to the sample (21).
5. Bestrahlungseinrichtung gemäß Anspruch 4, die als Kristallspektrometer aufgebaut ist5. Irradiation device according to claim 4, which is constructed as a crystal spectrometer
6. Bestrahlungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Probenkammer (20) die Form einer Halbschale mit einem Durchmesser entsprechend dem Durchmesser des Flansches (52) besitzt.6. Irradiation device according to one of claims 1 to 5, wherein the sample chamber (20) has the shape of a half-shell with a diameter corresponding to the diameter of the flange (52).
7. Bestrahlungsemrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der in der Probenkammer (20) ein Druckunterschied gegenüber der Umgebung gegeben ist.7. Irradiation device according to one of claims 1 to 6, in which in the sample chamber (20) there is a pressure difference from the environment.
8. Schwenkverb dungselement (50), das durch einen Membranbalg (51) gebildet wird, an dessen Enden jeweils ein Flansch (52, 53) zur gasdichten Befestigung an gegeneinander verschwenkbaren Gehauseteilen (22, 23) einer Bestrahlungsanlage vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Flansche (52) einen Anschweißkragen aufweist, der über eine Bezugsebene, die durch den Flansch gebildet wird, in das jeweilige Gehauseteil hineinragt.8. Schwenkverb expansion element (50), which is formed by a membrane bellows (51), at the ends of which a flange (52, 53) for gas-tight attachment to mutually pivotable housing parts (22, 23) of an irradiation system is provided, characterized in that at least one of the flanges (52) has a weld-on collar which projects into the respective housing part via a reference plane which is formed by the flange.
9. Schwenkverbmdungselement gemäß Anspruch 8, bei der der Flansch (52) an seinem freien Ende einen umlaufenden Stufenvorsprung (54) aufweist, der im zusammengesetzten Zustand m einen Ansatzflansch (22) des jeweiligen Gehause- teils hineinragt. 9. swivel connector element according to claim 8, wherein the flange (52) has at its free end a circumferential step projection (54) which, in the assembled state, protrudes into an attachment flange (22) of the respective housing part.
10. Schwenkverbindungselement gemäß Anspruch 9, bei dem der Flansch (52) an seiner Ruckseite entgegengesetzt zum freien Ende eine Abrundung (55) aufweist, die entlang der Innenkante des Flansches (52) verlauft.10. pivot connection element according to claim 9, wherein the flange (52) on its rear opposite to the free end has a rounded portion (55) which runs along the inner edge of the flange (52).
11. Schwenkverbindungselement gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem der Flansch (52) mit dem vorverlagerten Anschweißkragen Gewindebohrungen zur Aufnahme einer Schraubverbindung mit dem angrenzenden Gehauseteil aufweist.11. Swivel connection element according to one of claims 8 to 10, wherein the flange (52) with the forward welding collar has threaded bores for receiving a screw connection with the adjacent housing part.
12. Schwenkverbindungselement gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem der Membranbalg (51) aus einer Vielzahl von Metall- oder Kunststoffringen besteht, die aufeinanderfolgend abwechselnd an ihren Innen- bzw. Außenrandern gasdicht verbunden sind.12. Swivel connection element according to one of claims 8 to 11, wherein the diaphragm bellows (51) consists of a plurality of metal or plastic rings which are successively connected gas-tight alternately on their inner and outer edges.
13. Verwendung eines Schwenkverbindungselements gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12 als Balgverbindung in einer Bestrahlungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7. 13. Use of a swivel connection element according to one of claims 8 to 12 as a bellows connection in an irradiation device according to one of claims 1 to 7.
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