PETRA-III Multianalysator

Abstract: Der PETRA-III-Multianalysator ist eine Versuchseinrichtung zur Detektion von Strahlen hoher Energie (~60keV) einer geröntgten Probe am DESY Hamburg.  

Keywords: Analysatorkristall, Röntgenstrahlung, Kollimatoren, extreme Winkelauflösung, Präzisionsmechanik, Diffraktometer  

Beschreibung: Am Petra III am DESY in Hamburg werden Röntgenstrahlen mit hohen Energien zur Untersuchung von Materialien erzeugt. Zu entwickeln war ein zehn-kanaliger Analysator zur Untersuchung von Materialproben mittels Röntgenstrahlen höherer Energie (~60keV) wie sie am Petra III in Hamburg erzeugt werden. Ausgerichtet auf die Probe, sollen zehn Bündel paralleler Strahlen erzeugt werden. Die Strahlenbündel sind zueinander um 1° versetzt. Jedes Strahlenbündel trifft auf einen Analysatorkristall und wird auf einen Scintilatoren abgelenkt. Dort wird das Röntgenlicht für eine elektronische Auswertung in elektrische Signale umgewandelt. Für die korrekte Reflektion/Beugung der Strahlung an den Analysatorkristallen ist ein Winkelversatz von 3,7766/2° des Kristalls zur Einfallachse des Strahles einzustellen. Für die Justage dieses Winkels war eine Antriebseinheit mit einer Auflösung von 20kSchritten auf +-0,2° zu entwickeln. Der Analysatorkristall sollte unabhängig von Temperaturwechseln verzugs- und spannungsfrei auf der Drehachse befestigt sein. Zur geometrischen Strahlenformung sind vor und hinter den Analysatoren Kollimatoren mit Blenden anzubringen. Eine drehbare Anbindung an ein Goniometer sollte den Analysator haltern und die Rotation um die Probe ermöglichen.  

Beginnend mit der Bündelung der vorhandenen Erkenntnisse aus bereits entwickelten Analysatoren niedrigerer Energien, den Randbedingungen bei der Modifikation von Röntgenstrahlen hoher Energie und den Zielen der Aufgabenstellung in einem Lastenheft wurden mehrere Teilaufgaben formuliert, die in mehreren Entwicklungsschleifen gelöst und anschließend wieder zu einer Lösung zusammengeführt wurden. Die Entwicklungsarbeit umfasste mathematische Berechnungen, CAD-Konstruktionen, Simulationen, die Erstellung von Versuchsanordnungen und Fertigungsmustern, die Auswahl und Erprobung von neuartigen Fertigungsverfahren und Materialkombinationen bis hin zu Montageversuchen. Unter Beachtung von Termin- und Kostenvorgaben fanden Gespräche mit internen und externen Fertigern und Materiallieferanten statt. Final erfolgte die Montage und Inbetriebnahme vor Ort am Petra III am DESY in Hamburg.

Der Analysator unterteilt sich in mehrere Baugruppen (BG). Das sind die BG „Grundplatte“ mit dem Gehäuse und der Säule zur Anbindung ans Goniometer, die BG „Kollimatoren a“ und „Kollimatoren b“ mit dem Eingangsblendensystem, dem Ausgangsblendensystem und den Kollimatorenkörpern, der BG „Spiegelgruppe“ mit den Analysatorkristallen, deren Lagerung und den elekltrisch angetrieben Verstellmechanismen und der BG „Detektoren“ mit den Scintilatoren und den Vorverstärkern.


 
Analysator ohne Abdeckung

Lösungsbeispiel Analysatorkristallverstellung: Die Verstellung der Analysatorkristalle erfolgt angetrieben durch einen Schrittmotor (24Schritte/Umdrehung) mit spielfreiem Planetengetriebe (i=485:1) über eine Kombination von Spiralkegel und einem Hebel an der Drehachse des Analysatorkristalls. Die Übersetzung von Umdrehung Spiralkegel zu Winkelverstellung des Analysatorkristalls beträgt 0,2°/Umdrehung. Damit ergibt sich eine Übersetzung von einem Schritt am Schrittmotor zu 1,7x10-5° Verstellung am Analysatorkristall. Anders ausgedrückt, werden für die Verstellung von 0,2° am Analysatorkristall 11640 Schritte am Schrittmotor benötigt.

Fazit: Mit diesem Analysator wurde ein auf der Welt einmaliges, hochpräzises Messgerät entwickelt, welches die Vorteile des hohen Energiebereiches der Röntgenstrahlung am Petra III in exzellenter Weise nutzt und somit Ergebnisse / Bilder mit extrem hoher Brillanz und Genauigkeit erzeugt. Der Analysator wurde patentiert.