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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Röntgenoptischen Aufbau, welcher
- • eine Position für eine Röntgenquelle,
- • eine Position für eine Probe,
- • ein erstes fokussierendes Element, mit dem Röntgenlicht von der Position der Röntgenquelle über einen Zwischenfokus auf die Position der Probe gerichtet wird, und
- • einen Röntgendetektor, der auf einem Kreisbogen mit Radius R um die Position der Probe bewegbar ist,
umfasst.
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Ein solcher Röntgenoptischer Aufbau ist aus
US 6,807,251 B2 und der Broschüre Bruker AXS GmbH; Karlsruhe, Deutschland, ”Diffraction Solutions D8 Advance”, 2002, bekannt.
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Röntgendiffraktometrie kann für vielfältige analytische Aufgabenstellungen verwendet werden, wobei verschiedene Messgeometrien zum Einsatz kommen, z. B. Bragg-Brentano oder Parallelstrahl-Geometrie. Hierfür werden jedoch verschiedene röntgenoptische Elemente im Strahlengang benötigt. Um ein schnelles Wechseln zwischen den verschiedenen Messgeometrien zu ermöglichen, ist es wünschenswert, die hierfür nötigen Umbaumaßnahmen so gering wie möglich zu halten.
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Aus
US 6,807,251 B2 ist ein Röntgendiffraktometer mit einem Parabolspiegel zur Verwendung des Diffraktometers in der Parallelstrahlgeometrie, sowie eine Schlitzplatte mit zwei Schlitzen bekannt; einer der Schlitze dient zur Begrenzung des Röntgenstrahls in der Bragg-Brentano-Geometrie. Der Spiegel und die Schlitzplatte sind starr miteinander verbunden. Eine drehbare Pfadselektionsscheibe mit einem weiteren Schlitz ist hinter der Blenden/Spiegeleinheit angeordnet und kann durch Rotation den für die entsprechende Geometrie benötigten Röntgenstrahl (parallel oder divergent) auswählen.
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Aus
DE 101 41 958 A1 ist ein Röntgendiffraktometer bekannt, bei dem die Röntgenstrahlung für verschiedene Aufgabenstellungen abschnittsweise auf unterschiedlichen Strahlpfaden geführt werden kann, von denen der eine geradlinig von der Probe durch ein Blendensystem mit einstellbaren und/oder austauschbaren Blenden zum Röntgen-Detektor verläuft, während der andere Strahlpfad geknickt verläuft und zwar zunächst von der Probenposition zu einem dispersiven oder reflektierenden röntgenoptischen Element, und von dort zum Röntgendetektor. Mittels einer Verschlussblende kann der abgeknickte Strahlpfad gegenüber dem Detektor ausgeblendet werden. Die Blende und das dispersive oder reflektierende röntgenoptische Element sind starr zueinander Justiert und können zusammen gegenüber der Probe verschwenkt werden.
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Mit Diffraktometern sollen oftmals nicht nur Proben in Reflexionsgeometrie (wie etwa Pulverproben) gemessen werden, sondern auch Proben in Transmissionsgeometrie (wie etwa Folien oder Kapillaren). Dazu muss bei handelsüblichen Röntgendiffraktometern der röntgenoptische Aufbau, wie etwa in der erwähnten Broschüre der Bruker AXS GmbH auf Seite 13 bzw. 14 schematisch angedeutet, manuell umgebaut werden.
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Der Umbau röntgenoptischer Elemente erweist sich in der Praxis als nachteilig, da die umgebauten Röntgenoptischen Elemente jedesmal neu Justiert werden müssen. Dies ist ein extrem zeitaufwändiger Vorgang, der zudem noch von fachkundigem Personal durchgeführt werden muss.
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Zudem müssen meist einige röntgenoptische Komponenten, wie etwa Fokuskristalle oder Halterungen, ausgetauscht werden, was eine sorgfältige Lagerung der momentan nicht benötigten röntgenoptischen Komponenten erfordert. Während des Umbaus und der Lagerung besteht somit eine erhöhte Gefahr der Beschädigung oder gar des eines Abhandenkommens der teuren röntgenoptischen Komponenten.
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US 2008/0084967 A1 offenbart ein Röntgendiffraktometer, bei dem das von der Röntgenquelle ausgehende Röntgenlicht durch einen Doppelspalt in zwei Einzelstrahlen aufgespalten wird welche durch eine Blende abwechselnd abgeblendet werden können.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, einen röntgenoptischen Aufbau vorzuschlagen, bei dem ein Wechseln zwischen Reflexions- und Transmissionsgeometrie erleichtert ist, insbesondere wobei Umbau- und Justagearbeiten minimiert oder überflüssig sind.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen röntgenoptischen Aufbau gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Durch das zweite fokussierende Element wird das vom Zwischenfokus ausgehende Röntgenlicht in zwei Strahlengänge aufgespalten. Durch das Blendensystem kann derjenige Strahlengang ausgewählt werden, der für die Beleuchtung der Position der Probe für die jeweilige Messmethode notwendig ist. Dabei wird der jeweils nicht benötigte Strahlengang vom Blendensystem abgeschattet. Dadurch kann zwischen Transmissions- und Reflexionsmessung auf einfache Weise umgeschaltet werden, ohne dass ein zeitintensiver Umbau nötig ist. Zudem lässt sich die Umschaltung derart einfach gestalten, dass kein Fachpersonal mehr zugegen sein muss.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Röntgenoptischen Aufbaus entspricht der Abstand zwischen der Position der Probe und dem Zwischenfokus dem Radius R des Kreisbogens. Bei dieser Ausführungsform kann der erste Strahlengang sehr gut für Reflexionsmessungen eingesetzt werden; das Röntgenlicht ist am Detektor bereits gut fokussiert, so dass gute Intensität und Auflösung der Messung erreicht werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen röntgenoptischen Aufbaus ist im Strahlengang des Röntgenlichts eine Fokusblende angeordnet, die einen Abstand zur Position der Probe entsprechend dem Radius R des Kreisbogens aufweist. Die Fokusblende ist hierbei zwischen erstem fokussierenden Element und Probenposition angeordnet. Diese Ausführungsform wird vor allem eingesetzt, wenn der Zwischenfokus nicht auf dem Kreisbogen mit Radius R um die Position der Probe liegt, sondern beispielsweise weiter weg von der Probenposition. Durch die Fokusblende wird insbesondere für den ersten Strahlengang bei Reflexionsmessungen die Intensität und Auflösung der Messung verbessert.
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Das vom Zwischenfokus direkt ausgehende oder von der Fokusblende durchgelassene Röntgenlicht wird bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsformen von der Probe reflektiert und auf den Kreisbogen fokussiert. Auf diese Weise lassen sich Reflexionsmessungen an der Probe durchführen.
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Bei einem erfindungsgemäßen röntgenoptischen Aufbau wird das vom zweiten fokussierenden Element ausgehende Röntgenlicht durch die Position der Probe auf den Kreisbogen fokussiert. Auf diese Weise lassen sich Transmissionsmessungen mit der mit einer durchlässigen Probe, wie etwa Polymerfolien, durchführen.
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Bevorzugt wird auch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen röntgenoptischen Aufbaus, bei welcher der Kreisbogen, auf dem der Detektor verfahrbar ist, wenigstens 50°, vorzugsweise wenigstens 100°, besonders bevorzugt wenigstens 140° umfasst. Mit einem vom Detektor überfahrbaren Bereich von 50° können übliche Messaufgaben aus dem Bereich der Pharmazie abgedeckt werden. Größere überfahrbare Bereiche machen den röntgenoptischen Aufbau universeller einsetzbar.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen röntgenoptischen Aufbaus ist das erste und/oder zweite fokussierende Element als Johansson-Monochromator oder Multischicht-Gradienten-Spiegel (= Göbelspiegel) ausgebildet. Diese Art von Monochromatoren bzw. Röntgenspiegeln haben sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen.
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Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgenoptischen Aufbaus, bei der ein Motor vorgesehen ist, mit welchem eine Umschaltung zwischen dem ersten Strahlengang und dem zweiten Strahlengang erfolgen kann. Mit dem Motor wird zumindest ein Teil des Blendensystems verfahren; üblicherweise sind den beiden Strahlengängen zugeordnete Endanschläge vorgesehen. Die Motorisierung vereinfacht den Umschaltprozess. Der Motor kann auch computergesteuert betrieben werden. Alternativ kann auch ein manuelles Umschalten des Blendensystems vorgesehen sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Röntgenoptischen Aufbaus ist die Blendenweite des Blendensystems für mindestens einen der beiden Strahlengänge variabel. Dadurch kann der Röntgenstrahl, insbesondere bezüglich der Gesamtintensität, an die Anforderungen eines konkreten Experiments angepasst werden.
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Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der für jeden der beiden Strahlengänge jeweils eine eigene Vorrichtung zum Abschatten des Röntgenlichts vorgesehen ist. Damit lässt sich jeder der Strahlengänge unabhängig vom anderen abschatten. Ein solcher Aufbau ist auch vergleichsweise einfach zu realisieren, und die Umschaltung der Strahlengänge kann unkompliziert erfolgen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen röntgenoptischen Aufbaus ist für jeden der beiden Strahlengänge jeweils eine eigene feste Blende vorgesehen. Auch dies ist ein einfach zu realisierender Aufbau; bei Umschaltung der Strahlengänge sind die jeweiligen Blenden stets in der korrekten Position.
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Bei einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Röntgenoptischen Aufbaus umfasst das Blendensystem einen um eine Achse, welche senkrecht zur Kreisbogenebene verläuft, rotierbaren, geschlitzten Blendenblock, durch welchen in einer ersten Drehstellung der zweite Strahlengang vom Körper des Blendenblocks blockiert wird, wobei der erste Strahlengang im Bereich des Schlitzes des Blendenblocks verläuft, und in einer zweiten Drehstellung des Blendenblocks wird der erste Strahlengang vom Körper des Blendenblocks blockiert, wobei der zweite Strahlengang am Körper des Blendenblocks vorbei verläuft. Mit einem solchen Blendenblock kann zwischen den beiden Strahlengängen schnell umgeschaltet werden; weitere bewegliche Teile sind nicht erforderlich. Die Drehung des Blendenblocks kann auf geringem Raum erfolgen. Zudem wirkt der Blendenblock für den ersten Strahlengang als Blende; durch eine Variation des Drehwinkels kann bei geeigneter Ausbildung auch die Blendenweite verstellt werden. Die Drehung des Blockes kann auf baulich einfache Weise mit Hilfe eines Motors erfolgen.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Blendensystem eine geschlitzte Blende, welche zwischen zwei Schiebestellungen verschiebbar ist. Dabei wird in jeder der beiden Schiebestellung einer der Strahlengänge vom Körper der Blende blockiert und der jeweils andere der Strahlengänge verläuft im Bereich des Schlitzes der Blende. In dieser Ausführungsform kann über eine einfache Verschiebung der geschlitzten Blende zwischen den Strahlengängen umgeschaltet werden.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Zeichnungen und detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen röntgenoptischen Aufbaus;
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2 eine schematische Darstellung eines rotierbaren, geschlitzten Blendenblocks für einen erfindungsgemäßen röntgenoptischen Aufbau in einer ersten Drehstellung;
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3 eine schematische Darstellung des geschlitzten Blendenblocks von 2 in der zweiten Drehstellung;
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4 eine schematische Darstellung einer verschiebbaren, geschlitzten Blende für einen erfindungsgemäßen röntgenoptischen Aufbau in einer ersten Schiebestellung;
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5 eine schematische Darstellung des verschiebbaren, geschlitzten Blendenblocks von 4 in einer zweiten Schiebestellung;
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6 eine schematische Darstellung eines aus jeweils einer Blende und jeweils einer Vorrichtung zur Abschattung pro Strahlengang bestehendem Blendensystems für einen erfindungsgemäßen röntgenoptischen Aufbau;
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7 wie 6, jedoch mit einer anderen Einstellung der Vorrichtungen zur Abschattung.
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Ein erfindungsgemäßer Röntgenoptischer Aufbau 1 ist in 1 schematisch dargestellt. Röntgenlicht geht von einer Röntgenquelle 2 mit einem Quellfokus 2a aus und trifft auf ein erstes fokussierendes Element 4, welches das Röntgenlicht zunächst auf einen Zwischenfokus 5 fokussiert. Dieser ist bevorzugt auf einem Kreisbogen 7 mit Radius R positioniert, auf welchem auch ein Detektor 6 verfahrbar angeordnet ist.
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Ein Teil des vom Zwischenfokus 5 ausgehenden Röntgenlichts trifft in Form eines ersten Strahlengangs 10' direkt auf die Position der Probe 3, wo es von der Probe reflektiert und auf den Kreisbogen 7 fokussiert wird.
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Ein anderer Teil des vom Zwischenfokus 5 ausgehenden Röntgenlichts trifft zunächst auf ein zweites fokussierendes Element 8 und wird von dort in Form eines zweiten Strahlengangs 10'' durch die Position der Probe 3 auf den Kreisbogen 7 fokussiert.
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Ein umschaltbares Blendensystem 9 schattet dabei je nach Messmethode einen der beiden Strahlengänge 10' oder 10'' ab. In 1 ist beispielhaft die Abschattung durch das Blendensystem 9 so gewählt, dass der zweite Strahlengang 10'' abgeschattet wird, so dass die Transmission 11'' durch die Probe nicht stattfindet.
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Ein rotierbarer, geschlitzter Blendenblock 9a als Ausführungsbeispiel des Blendensystems 9 ist in 2 schematisch dargestellt. Der Blendenblock 9a befindet sich dabei in einer ersten Drehstellung bezüglich einer Drehachse 12, bei der das direkt vom Zwischenfokus 5 ausgehende Röntgenlicht im Bereich des Schlitzes des Blendenblocks 9a verläuft. Man beachte, dass die effektive Blendenweite durch Rotation des Blendenblocks in gewissem Umfang variiert werden kann. Der Teil des Röntgenlichts, der zunächst auf das zweite fokussierende Element 8 trifft, wird dabei vom Körper des Blendenblocks 9a abgeschattet. Zur Position der Probe 3 (hier nicht gezeigt) gelangt folglich nur das dem ersten Strahlengang 10' folgende Röntgenlicht.
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Die zweite Drehstellung des rotierbaren, geschlitzten Blendenblocks 9a ist in 3 schematisch dargestellt. Dabei ist der Blendenblock 9a gegenüber 2 um die Drehachse 12 verschwenkt; zur Verschwenkung wird ein Motor 13 eingesetzt. Dadurch schattet der Körper des Blendenblocks 9a nunmehr den Strahlengang 10' des vom Zwischenfokus 5 direkt ausgehenden Röntgenlichts ab. Das über das zweite fokussierende Element 8 verlaufende Röntgenlicht kann dagegen an dem Körper des Blendenblocks 9a vorbei zur Position der Probe 3 (hier nicht gezeigt) gelangen.
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Ein alternatives Ausführungsbeispiel des Blendensystems 9 ist in 4 schematisch dargestellt. Dabei ist das Blendensystem als verschiebbare, geschlitzte Blende 9b ausgeführt. In der ersten Schiebestellung von 4 verläuft das direkt vom Zwischenfokus 5 ausgehende Röntgenlicht im Bereich des Schlitzes der Blende 9b. Der Teil des Röntgenlichts, der zunächst auf das zweite fokussierende Element 8 trifft, wird dabei vom Körper der Blende 9b abgeschattet.
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In einer zweiten Schiebestellung, schematisch dargestellt in 5, schattet der Körper der Blende 9b nunmehr den Strahlengang 10' des vom Zwischenfokus 5 direkt ausgehenden Röntgenlichts ab. Der Teil des Röntgenlichts, der zunächst auf das zweite fokussierende Element 8 trifft, also dem zweiten Strahlengang 10'' zugehört, verläuft in dieser Schiebestellung im Bereich des Schlitzes der Blende 9b.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 6 gezeigt. Hier ist in jedem der beiden Strahlengänge 10', 10'' jeweils eine feste Blende 9c', 9c'' und ein Abschatter 9d', 9d'' angeordnet. In der in 6 gezeigten Einstellung verläuft der erste Strahlengang 10' vom Zwischenfokus 5 aus zunächst durch die Blende 9c' und dann am geöffneten Abschatter 9d' vorbei in Richtung der Position der Probe 3 (nicht gezeigt). Der zweite Strahlengang 10'' verläuft vom Zwischenfokus 5 aus zunächst durch die Blende 9c'', trifft dann auf das zweite fokussierende Element 8 und wird danach durch den Abschatter 9d'' abgeschattet.
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7 zeigt das Ausführungsbeispiel aus 6 mit umgekehrt geschalteten Abschattern 9d' und 9d''. Hierbei verläuft nunmehr der erste Strahlengang 10' vom Zwischenfokus 5 aus durch die Blende 9c' und wird vom Abschatter 9d' abgeschattet. Der zweite Strahlengang 10'' verläuft vom Zwischenfokus 5 aus durch die Blende 9c'', trifft dann auf das zweite fokussierende Element 8 und läuft dann am Abschatter 9d'' vorbei in Richtung der Position der Probe 3 (nicht gezeigt). Zusätzlich zu den in 6 und 7 gezeigten Betriebsstellungen können auch zum Beispiel beide Abschatter 9d', 9d'' den jeweiligen Strahlengang 10', 10'' blockieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Röntgenoptischer Aufbau
- 2
- Röntgenquelle
- 2a
- Quellfokus
- 3
- Position der Probe
- 4
- Erstes fokussierendes Element
- 5
- Zwischenfokus
- 6
- Röntgendetektor
- 7
- Kreisbogen mit Radius R
- 8
- Zweites fokussierendes Element
- 9
- Blendensystem
- 9a
- Rotierbarer, geschlitzter Blendenblock
- 9b
- Verschiebbare, geschlitzte Blende
- 9c'
- Feste Blende für den ersten Strahlengang
- 9c''
- Feste Blende für den zweiten Strahlengang
- 9d'
- Abschatter für den ersten Strahlengang
- 9d''
- Abschatter für den zweiten Strahlengang
- 10'
- Erster Strahlengang
- 10''
- Zweiter Strahlengang
- 11'
- Reflexion von der Probe
- 11''
- Transmission durch die Probe
- 12
- Drehachse des rotierbaren, geschlitzten Blendenblocks
- 13
- Motor
