Doppelkristall-Monochromator für ein Röntgenspektrometer

Hochpräzise Einstellung des Monochromators:

Braggscher Winkel und Neigungswinkel der Kristalle

An der ID18 Beamline am ESRF, Frankreich, ist seit 2012 ein Doppelspektrometer für inelastische Röntgenstreuung installiert, das die Untersuchung des Phononanregungszustands in Festkörpern zum Ziel hat. Zwei Monochromatoren selektieren die eingesetzten Wellenlängen mit einer Energieauflösung von 0,5 meV bzw. 2 meV.

Jeder Monochromator besteht aus vier unabhängigen, paarweise angeordneten Kristallen. Das erste Kristallpaar bündelt den Strahl, während das zweite Paar die Selektion der Energie vornimmt. Die Breite der jeweiligen Rocking Curves beträgt lediglich einige Mikroradian. Für einen Betrieb im Maximum der Kurve, d. h. bei maximaler Intensität, muss der relative Winkel der Kristalle zueinander in beiden Paaren daher mit einer Auflösung von 0,5 Mikroradian oder besser eingestellt werden. 

Präzise und schnelle Justage

Zusätzlich benötigen Wissenschaftler bei einer Versuchsreihe häufig eine schnelle Charakterisierung ihrer Proben mit einer moderaten Auflösung von 2 meV und höherer Intensität, um gezielt Proben für detailliertere Messungen mit einer sehr hohen Energieauflösung mit 0,5 meV auszuwählen. Dies erfordert einen schnellen Austausch der Monochromatoren mit präziser Neueinstellung des Braggschen Winkels und der Neigung aller vier Kristalle.

Besonders hohe Anforderungen an die Positionierung der Kristalle

Zum Anpassen des Braggschen Winkels und der Neigung müssen die Kristalle mit hoher Präzision verschoben und positioniert werden. Zudem sind hervorragende Langzeitstabilität und sehr gute Wiederholbarkeit gefordert, während für die Versteller selbst nur sehr geringer Bauraum zur Verfügung steht.

Piezobasierte PiezoWalk® Antriebe kombiniert mit ihren hoch entwickelten Controllern stellen hierfür die perfekte Lösung dar. Sie sorgen für die Einstellung des Braggschen Winkels und der Kristallneigung mit einer hervorragenden Auflösung von nur 0,1 µrad, sowie für eine Wiederholgenauigkeit von <0,1 µrad über einen Bereich von 12 µrad. Damit übertrafen sie sogar die Anforderungen. In Verbindung mit den eingesetzten kapazitiven Positionssensoren erreichen sie eine Langzeit-Positionierungsgenauigkeit von deutlich unter 0,1 Mikroradian, während die Grundfläche des Verstellers mit 95 mm × 78 mm × 32 mm sehr kompakt bleibt.

In einem weiteren Ausbau des Monochromators soll der gesamte Stellweg von ±2 mrad für eine synchronisierte Bewegung der Kristalle verwendet werden, womit dann der Energiebereich des Spektrometer-Röntgenstrahls verändert werden kann.

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