DE3102684C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Beaufschlagen eines Objektes mit Strahlung unter einstellbaren Einfallwinkeln bei Konstanthaltung des zentralen Strahlauftreffpunktes auf dem Objekt, bei der ein ebenes Reflexionselement die aus einer vorgegebenen Richtung enfallenden Strahlung auf das Objekt reflektiert.

Eine solche Einrichtung findet beispielsweise Anwendung bei Monochromatoren, wobei das von der Strahlung zu beaufschlagende Objekt als Dispersionselement ausgebildet ist. Dieses Dispersionselement ist zur Wellenlängen-Selktion um eine raumfeste Achse, die in der optisch wirksamen Oberfläche liegt, drehbar. Um die optischen Verhältnisse in jedem Betriebszustand gleich zu halten und so Fehler zu vermeiden, ist es erforderlich, daß die Strahlung unabhängig vom Einfallswinkel sehr genau auf die raumfeste Rotationsachse trifft, d. h. daß der zentrale Strahlauftreffpunkt konstant bleibt.

Dieses Ziel kann im Prinzip durch eine Drehung und eine gleichzeitige Translation des Reflexionselementes erreicht werden (JOSA 58 (1968), S. 1415-1416). Da beide Bewegungen hochgenau auszuführen sind, erfordert eine solche Lösung einen sehr großen Aufwand.

Es ist auch denkbar mehrere Reflexionselemente vorzusehen, die jeweils eine feste Position und Winkellage haben und die wahlweise in den Strahlengang gebracht werden. Abgesehen davon, daß hier eine kontinuierliche Änderung des Einfallswinkels nicht möglich ist, ist eine solche Einrichtung auch sehr aufwendig und mit zusätzlicher Absorption verbunden.

Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Einrichtung dahingehend zu verbessern, daß bei kontinuierlicher Variierung des Einfallwinkel innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereiches der Strahlauftreffpunkt innerhalb eines vorgegebenen Ortsbereiches auf dem Objekt verbleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach dem kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bei der nach diesen Merkmalen ausgebauten Einrichtung ist das ebene Reflexionselement um eine Achse drehbar die objektseitig außerhalb der Reflexionsfläche des Reflexionselementes liegt. Damit muß das Reflexionselement also zur Einstellung des Einfallswinkels der Strahlung nur um eine einzige Achse gedreht werden. Eine solche Drehung ist mittels nur eines Einstellelementes zu bewirken, d. h. die Einrichtung nach der Erfindung ist einfach und wenig aufwendig aufgebaut.

Die genaue Lage der Drehachse des Reflexionselementes ist aus dem Winkelbereich zu ermitteln innerhalb dessen der Einfallwinkel einzustellen ist. Für einen vorgewählten Bereich des Einstellwinkels läßt sich die Lage der Drehachse des Reflexionselementes so bestimmen, daß es in drei, innerhalb des Einstellwinkel-Bereichs liegenden Winkelpositionen den Zentralstrahl der einfallenden Strahlung exakt zum Strahauftreffpunkt auf dem Objekt hin reflektiert. Die Abweichungen in Stellungen zwischen diesen ausgezeichneten Winkellagen sind sehr klein, die Ortsübereinstimmung liegt innerhalb der Beugungsgrenze.

Die Einrichtung nach der Erfindung findet besonders vorteilhafte Anwendung in Monochromatoren, wobei dann das von der Strahlung zu beaufschlagende Objekt als Dispersionselement, beispielsweise als Beugungsgitter ausgebildet ist. Die Konstanthaltung des Strahlauftreffpunktes auf dem Dispersionselement ist hier besonders wichtig, da im allgemeinen die Strahlung das Dispersionselement leicht divergent beaufschlagt.

Ganz besonders vorteilhaft findet die Einrichtung nach der Erfindung Anwendung in Ultrahochvakuum-Monochromatoren. Bei diesen ist jede Vakuumdurchführung außerordentlich aufwendig, so daß die Tatsache, daß bei der Einrichtung nach der Erfindung nur ein einziges Antriebselement und demzufolge nur eine Vakuumdurchführung notwendig ist, eine ausschlaggebende Ersparnis mit sich bringt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1-3 der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Darstellung der geometrisch- optischen Verhältnisse;

Fig. 2 eine schematische Teil-Darstellung eines nach der Erfindung ausgebildeten Monochromators;

Fig. 3 eine Teildarstellung eines Vakuum-Monochromators.

In Fig. 1 ist der von der Strahlung zu beaufschlagende Objektpunkt mit (0) bezeichnet. Die von links kommende Strahlung, deren Zentralstrahl mit (1) bezeichnet ist, trifft auf einen ebenen Spiegel (2), der hier in einer ersten Position (2.1) dargestellt ist und trifft unter dem Einfallswinkel (2Φ₁) auf das Objekt (0). Auch in einer zweiten Position (2.2) des Spiegels (2) läßt sich erreichen, daß der Zentralstrahl (1) genau auf den Objektpunkt (0) trifft; der Einfallswinkel ist jetzt (2Φ₂). Die beiden Spiegellagen (2.1) und (2.2) definieren die Lage einer senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Drehachse, deren Durchstoßpunkt durch die Zeichenebene mit (M) bezeichnet ist; (d) bezeichnet den Abstand zwischen der Einfallsrichtung des Zentralstrahls (1) und der Ebene des Objektes (0).

Soll nun das Objekt (0) unter einem Winkel (2Φ _i ) getroffen werden, wobei der Spiegel (2) entsprechend bewegt wird, so muß die Beziehung

erfüllt sein, wenn die Strahlung stets im Punkt (0) auftreffen soll. Da (Z) nichtlinear von (2Φ _i ) abhängt, wird der Objektpunkt (0) in allen Lagen des Spiegels (2.1) und (2.2) von der reflektierten Strahlung nicht getroffen, wenn der Spiegel um die Achse (M) gedreht wird.

Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß eine Drehachse für den ebenen Spiegel (2) gefunden werden kann, bei deren Verwendung der Spiegel (2) in drei vorgegebenen Winkelpositionen den Zentralstrahl (1) der einfallenden Strahlung exakt zum Strahlauftreffpunkt (0) auf dem Objekt hin reflektiert, wobei die Abweichungen in Stellungen zwischen diesen ausgezeichneten Winkellagen so klein sind, daß die Ortsübereinstimmung innerhalb der Beugungsgrenze liegt.

Der durch diese Drehachse in der Drehebene definierte Drehpunkt ist in Fig. 1 mit (M′) bezeichnet. Dieser Drehpunkt ergibt sich als Schnittpunkt einer ersten und zweiten Geraden. Die erste Gerade wird erzeugt durch Variation des Abstandes (X) zweier Äquidistanter (2.1′ und 2.2′) von der Schnittlinie des Spiegels (2) mit der Drehebene in einer ersten (2.1) und einer zweiten (2.2) vorgegebenen Winkelposition. Diese Gerade geht in Fig. 1 durch die Punkte (M) und (M′). Zur Erzeugung der zweiten Geraden wird eine dritte, hier nicht dargestellte Winkelposition des Spiegels (2) so gewählt, daß der Zentralstrahl (1) exakt zum Strahlauftreffpunkt (0) reflektiert wird. Sodann wird der Abstand zweier Äquidistanter von der Schnittlinie des Spiegels (2) mit der Drehebene in einer ersten Winkelposition, beispielsweise der Position (2.1) und der erwähnten dritten Winkelposition variiert. Die Schnittpunkte der beiden Äquidistanten definieren die zweite Gerade, die die erste Gerade im Punkt (M′) schneidet. Dies ist der gesuchte Drehpunkt.

Fig. 2 zeigt die Anwendung bei einem Monochromator. Die durch den Eintrittsspalt (3) kommende Strahlung mit dem Zentralstrahl (4) trifft auf einen ebenen Spiegel (5) und wird von diesem auf ein Beugungsgitter (6) umgelenkt. Der Spiegel (5) ist um eine Achse (7) drehbar, die oberhalb seiner reflektierenden Fläche, innerhalb des Gitters (6) liegt. Das Gitter (6) ist um eine in seiner optisch wirksamen Oberfläche liegende Achse (8) im Sinne des Doppelpfeils (9) schwenkbar.

Der Spiegel (5) ist in zwei Positionen (5.1) und (5.2) dargestellt. In beiden Winkelpositionen trifft die der Zentralstrahl auf den durch die Achse (8) definierten Strahlauftreffpunkt auf dem Gitter (6).

Hinter dem Gitter (6) sind weitere, hier nicht dargestellte Elemente des Monochromators angeordnet.

Fig. 3 zeigt einen Hochvakuum-Monochromator. Die vom Eintrittsspalt (10) kommende Strahlung mit dem Zentralstrahl (11) wird vom ebenen Spiegel (12) umgelenkt und trifft auf das Beugungsgitter (13). Dieses ist in einem Gehäuse (14) angeordnet, das um die durch den Strahlauftreffpunkt (15) gehende Achse drehbar ist. Diese Drehung wird mittels einer motorisch betätigten Stange (16) bewirkt, welche vakuumdicht durch das schematisch dargestellte Gehäuse (17) geführt ist.

Der Spiegel (12) ist über einen Hebel (18) drehbar am Gehäuse (14) angelenkt. Die Drehachse läuft durch den Punkt (19). Am Spiegel (12) ist gelenkig eine Stange (20) befestigt, die vakuumdicht durch das Gehäuse (17) geführt ist. Die Stange (20) wird mittels eines Motors (21) und einer Spindel (22) in Richtung des Doppelpfeils (23) bewegt. Mit dem Bewegungs­ mechanismus ist direkt ein Meßgerät (24) gekoppelt mit dem die Ist-Stellung des Spiegels (12) abgelesen werden kann. Ein ähnliches Meßgerät ist mit der Stange (16) zur Drehung des Gitters (13) verbunden.

Bei dem hier dargestellten Monochromator kann der Winkel (Φ₁) zwischen der Oberfläche des Spiegels (12) und dem Zentralstrahl (11) beispielsweise zwischen 1,5° und 13° kontinuierlich eingestellt werden, wobei sich für jede Winkellage eine innerhalb der Beugungsgrenze liegende Ortsübereinstimmung der Strahlung am Gitter (13) ergibt. Die Strahlung fällt leicht divergent auf das Gitter (13). Dieses kann im angegebenen Beispiel um einen Winkel (Φ₂) zwischen 1° und 24° gedreht werden.

Claims (2)

1. Einrichtung zum Beaufschlagen eines Objektes mit Strahlung unter einstellbaren Einstellwinkeln bei Konstanthaltung des zentralen Strahlungstreffpunktes auf dem Objekt, bei der ein ebenes Reflexionselement die aus einer vorgegebenen Richtung einfallende Strahlung auf das Objekt reflektiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexionselement (5, 12) um eine Achse (7, 19) drehbar ist, die objektseitig außerhalb der Reflexionsfläche des Reflexionselements (5, 12) liegt und in der Drehebene einen Drehpunkt(M′) definiert, welcher sich als Schnittpunkt einer ersten und einer zweiten Geraden ergibt, wobei die erste Gerade erzeugt wird durch Variation des Abstandes (x) zweier Äquidistanter (2.1′, 2.2′) von der Schnittlinie der Reflexionsfläche mit der Drehebene in einer ersten (2.1) und in einer zweiten (2.2) vorgegebenen Winkelposition und die zweiter Gerade erzeugt wird durch die Variation des Abstandes zweier Äquidistanter von der Schnittlinie der Reflexionsfläche mit der Drehebene in der ersten (2.1) und in einer dritten vorgegebenen Winkelposition, und wobei das Reflexionselement (5, 12) in allen drei vorgegebenen Winkelposition den Zentralstrahl (1) der einfallenden Strahlung exakt zum Strahlauftreffpunkt (0, 8, 15) auf dem Objekt (6, 13) hin reflektiert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Strahlung zu beaufschlagende Objekt (6, 13) als Dispersionselement ausgebildet ist und um den Strahlauftreffpunkt (8, 15) drehbar ist.