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Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Verfolgung feinstruktureller
Änderungen der Materie mit Hilfe von Röntgen-, Gamma- oder Korpuskularstrahlen Die
Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Verfolgung feinstruktureller
Änderungen der Materie mit Hilfe von auf einen bewegten fotografischen Empfänger
fallenden Röntgen-, Gamma- oder Korpuskularstrahlen.
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Es ist bekannt, daß beim Auftreten monochromatischer und kohärenter
Röntgen- oder Korpuskularstrahlen hinreichend geringer Öffnung auf einen kristallin
aufgebauten Körper eine Interferenzstrahlung auftritt, deren geometrischer Ort eine
Schar von Kegelmänteln verschiedener Offnungswinkel ist. Diese Kegelmäntel sind
so angeordnet, daß sie im Quelipunkt der Strahlung ihren gemeinsamen Scheitelpunkt
haben und ihre Achse in Richtung des die Interferenz erzeugenden Primärstrahles
verläuft. Die Offnungswinkel der Kegelmäntel und die auf dem Beugungskegel auftretenden
relativen Intensitäten der gestreuten Strahlung sind bei vorgegebener Wellenlänge
der Primärstrahlung eine eindeutige Funktion des Feinbaues des die Beugung bewirkenden
Materials. Für die Ausnutzung dieser Effekte zur Durchführung von Feinstrukturanalysen
mit Hilfe von Röntgen- oder auch Korpuskularstrahlen sind zahlreiche Arbeitsweisen
und Vorrichtungen beschrieben worden. In diesem Zusammenhang darf verwiesen werden
auf das Debye-Scherrer-Verfahren, das mit ebenen oder zylindrisch angeordneten fotografischen
Empfängern in vielfältigen Abwandlungen ausgeführt werden kann. Auch für das Arbeiten
mit Elektronenstrahlen sind Methoden für die Aufnahme von Beugungsdiagrammen der
verschiedensten Art beschrieben worden.
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Alle diese Verfahren setzen jedoch voraus, daß der strukturelle Feinbau
und damit die relative Intensität und die räumliche Verteilung der gestreuten Strahlung
während der Registrierung auf dem fotografischen Empfänger unverändert bleiben.
Es ist jedoch von allergrößtem Interesse, gerade strukturelle Veränderungen zeitlich
lückenlos zu beobachten und zu erfassen, also Veränderungen der Materie, wie sie
etwa als Folge von Temperaturverschiebungen, chemischen Reaktionen, Dfflusionsvorgängen
oder mechanischen Verformungen auftreten.
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Für diese Zwecke ist bereits ein Verfahren zur Feinstrukturanalyse
strukturell inhomogener Objekte mittels Elektronenstrahlen bekanntgeworden, bei
dem aus Strahlungskegeln, die durch verschiedene Teile eines flächenhaft ausgedehnten
Objektes oder an der gleichen Stelle eines zeitlich veränderlichen Objektes entstehen,
ein lineares Teilsegment ausgesondert und auf einem senkrecht zur Längsausdehnung
dieses Segmentes bewegten Film registriert wird. Nach diesem Verfahren, das, wie
sich inzwischen herausgestellt hat, auch für die Verwendung von Röntgenstrahlen
geeignet ist, werden also lediglich kurze Ab-
schnitte der im Beugungsdiagramm auftretenden
Linien, die in erster Annäherung als geradlinig anzusehen sind und parallel zur
Bewegungsrichtung des Filmes verlaufen, abgebildet. Die Begrenzung dieser zur Abbildung
gelangenden Linienabschnitte erfolgt durch dem Film vorgeschaltete schlitzförmige
Blenden.
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Die entstehenden Diagramme enthalten dabei eine Schar in bezug auf
die mittlere Achse symmetrisch angeordneter gerader Linien, wobei der Abstand korrespondierender
Linien eine durch die Geometrie der jeweiligen Aufnahmeanordnung eindeutig bestimmte
Funktion des Beugungswinkels ist, während die relative Intensität der einzelnen
Linien sich nach dem stofflichen und räumlichen Aufbau der Elementarzelle und dem
Zusammenhang mit der Kristallgröße und der Kristallorientierung richtet. Es treten
Änderungen der Gitterdimensionen während der Aufnahme als Änderungen von Linienabständen,
Änderungen im Aufbau der Elementarzelle durch Intensitätsverschiebungen, durch Verlöschen
oder Neuauftreten von Linien in Erscheinung. Dieses Verfahren hat jedoch einen schwerwiegenden
Nachteil, der sich insbesondere bei der Verwendung von Röntgenstrahlen hinderlich
bemerkbar macht insofern, als zur Registrierung der Beugungslinien jeweils nur sehr
kurzeLinienabschnitte herangezogen werden können und dadurch die Belichtungszeiten
unter Umständen untunlich groß werden.
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Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß es sowohl mit Elektronen-
als auch mit Gamma- und insbesondere mit Röntgenstrahlen gelingt, für die meßtechnische
Erfassung ausreichend scharfe, kontinuierlich aufgenommene Beugungsdiagramme zu
erhalten,
wenn man im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren auf eine
Begrenzung der zur Registrierung kommenden Interferenzstrahlung verzichtet. Das
erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß reflektierte Interferenzstrahlung
auch mit geschlossenen Interferenzfiguren, also ohne die Verwendung besonderer Blenden
im Strahlengang, auf den mit einer auf die Intensität der jeweiligen Streu strahlung
abgestellten Geschwindigkeit bewegten Empfänger zur Einwirkung gebracht wird. Das
Wesentliche des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß solche reflektierte
Interferenzkurven nacheinander auf einem laufenden fotografischen Streifen abgebildet
werden, wobei gerade diejenigen Bereiche des reflektierten Interferenzsystems, die
auf einem gedachten schmalen Schlitz senkrecht zur Bewegungsrichtung des Streifens
liegen, in der registrierten Figur besonders deutlich sichtbar sind da diese Bereiche
in einer geschlossenen registrierten Linie sich fortsetzen. Dagegen überlagern sich
alle anderen Teile des reflektierten Interferenzsystems auf dem Streifen derart,
daß sie lediglich zu einer Art Untergrundschwärzung beitragen. Es entfällt also
jede Notwendigkeit, einen engbegrenzten Strahlenbereich auszublenden, so daß man
nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung auch mit üblichen bzw. kurzen Belichtungszeiten
zu einem kontinuierlichen Liniendiagramm gelangt. Man erreicht damit eine höhere
zeitliche Auflösung der Diagramme und auch durch den Wegfall besonderer Blenden
vor dem jeweiligen, die Strahlung registrierenden Empfänger, also dem Film oder
der Fotoplatte, eine größere Beweglichkeit in der Ausgestaltung der Versuchsanordnung.
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Die Abb. 1 und la zeigen die Gegenüberstellung zweier kontinuierlicher
Debye-S cherrer-Aufnahmen eines Platindrahtes, die nach der bekannten Methode mit
Schlitzausblendung und gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung mit einer
unbegrenzten Interferenzstrahlung angefertigt wurden. Es zeigt sich, daß die Linien
in beiden Abbildungen übereinstimmen und sich lediglich dadurch unterscheiden, daß
in Abb. la die innersten und äußersten Linien lediglich gewisse Unschärfen, sogenannte
Fahnen, aufweisen, die jedoch die Auswertung eines solchen Diagramms in keiner Weise
stören.
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Die Abb. 2a zeigt eine Darstellung, wie sich die Interferenzkurven
auf dem laufenden Streifen abzeichnen. Als geschlossene Interferenzfigur ist ein
Kreis 20 dargestellt, der entlang einer Achse 21, auf der sein Mittelpunkt liegt,
in gleichmäßigen Abständen gezeichnet ist. Die einzelnen Kreise stellen gewissermaßen
Ausschnitte aus dem an sich kontinuierlich ablaufenden Vorgang dar. Die Darstellung
läßt erkennen, daß die Abbildung von geraden Linien mit Innenfahnen durch eine entsprechende
Intensitätsanhäufung an den Überschneidungsstellen zustande kommt. Alle anderen
Teile des reflektierten Interferenzsystems überlagern sich auf dem Registrierstreifen
derart, daß sie lediglich zu einer Untergrundschwärzung beitragen. Bei der Abbildung
einer Vielzahl derartiger Interferenzfiguren weisen auf dem registrierten Film insbesondere
die innen sich aus Kreisen mit kleinem Durchmesser ergebenden Linien nach innen
weisende Fahnen auf. Bei der Verfolgung irgendwelcher Strukturänderungen auf Grund
der Röntgenaufnahme hat die Beobachtung hierbei an derjenigen Kante zu erfolgen,
die der Fahne, d. h. der verschmierten Kante, gegenüberliegt.
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Als Beispiel für die Anwendung des Verfahrens zeigt die Abb. 2 b
das kontinuierlich aufgenommene
Röntgendiagramm eines Platindrahtes, der imerhalb
von 25 Stunden auf eine Temperatur bis zu 6000 C erwärmt wurde. Bei etwa 4000 C
tritt eine rasche Sammelkristallisation ein, erkennbar an dem Auflösen der Linien
in einer Schar von Punkten. Dieses Aufreißen der Linien tritt bei passender Wahl
der Drehgeschwindigkeit des Präparates ein. Der Abstand der einzelnen Interferenzpunkte
hängt von der Vorschubgeschwindigkeit des Filmes ab und ist ein Kriterium für das
Eintreten des Kristallwachstums oder das Auftreten einer wesentlichen gegenseitigen
Orientierung, durch die die Intensität der gestreuten Strahlung auf ein und demselben
Beugungskegel nicht mehr gleichmäßig verteilt ist.
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In Abb. 3 ist das ebenfalls kontinuierlich aufgenommene Diagramm
eines Platindrahtes dargestellt, an dem durch Änderung der Temperatur eine Änderung
der Gitterdimensionen während der Aufnahme hervorgerufen wurde. Die Verkleinerung
der Gitterkonstante und die damit gekoppelte Vergrößerung der Beugungswinkel ist
an dem Knick der Linien deutlich zu erkennen.
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Als besonderer Vorteil erweist sich die Möglichkeit, jedes kontinuierlich
aufgenommene Diagramm mit Zeitmarken zu versehen, wie im einzelnen weiter unten
noch beschrieben wird, wobei sich Aufnahmen etwa gemäß der Darstellung in Abb. 4
ergeben.
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In der Abbildung bedeutet 31 eine Schar von Interferenzlinien, während
auf dem unbelichteten Mittelteil 42 senkrecht zur Bewegungsrichtung des Aufnahmeträgers
Zeitmarken 43 abgebildet sind.
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Für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung lassen sich
Aufnahmevorrichtungen der verschiedensten Art benutzen. Ihr Aufbau wird vor allem
davon abhängen, in welcher Form der fotografische Empfänger angeordnet ist. Dieser
kann in Form eines Zylindermantels zur Anwendung gelangen, dessen Längsachse, in
der sich die Probe befindet, senkrecht zu dem streuenden Strahl steht, wobei sich
der Film während der Aufnahme entlang seiner Längsachse bewegt. Man kann aber auch
als fotografischen Empfänger einen ebenen Film oder eine Platte verwenden, wobei
der Empfänger auf dem Primärstrahl senkrecht steht und sich entweder, von der Strahlquelle
aus gesehen, jenseits des beugenden Präparates befindet oder zur Erzielung von Rückstrahlaufnahmen
zwischen dem Präparat und der Strahlungsquelle angeordnet sein kann.
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Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
gemäß der Erfindung mit Röntgenstrahlen ist in Abb. 5 schematisch dargestellt.
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Sie besteht im wesentlichen aus einem vorteilhaft zweiteiligen zylindrischen
Gehäuse, dessen Teile mit 51 und 52 bezeichnet sind und das Präparat 53 konzentrisch
umgeben. Das Präparat, das im folgenden Beispiel stäbchenförmig ausgebildet ist,
wird in dem zentrierbaren Präparathalter 54 eingespannt und ragt in die Heizvorrichtung
55 hinein, die unmittelbar vor dem von dem Primärstrahl getroffenen Präparatquerschnitt
endet. Der Primärstrahl trifft von unten durch die Blende 56 auf das Präparat 53
und fällt von dort in die Austrittsblende 57. Das Gehäuse 51/52 ist von einer als
Filmträger dienenden Hülse 58 umschlossen, die auf dem Gehäuse in der Längsrichtung
beweglich ist und an ihrer Innenseite den Film 59 aufnimmt. Der Film bzw. der Filmträger
kann das Gehäuse 51/52 bis auf einen an der Unterseite ausgesparten Schlitz praktisch
ganz umschließen, kann aber auch nach einer anderen Ausführungsform lediglich die
obere Hälfte der Mantelfläche umfassen, wobei dann allerdings die
zur
Registrierung kommende Strahlung hinsichtlich des erfaßbaren Beugungswinkels beschränkt
bleibt.
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Während bei der gezeigten Ausführungsform der untengelegene Schlitz
den Durchtritt der Blenden und anderen Teile der Vorrichtung ermöglicht, bleibt
bei einer Ausgestaltung, bei der der Filmträger lediglich den oberen Teil des Gehäuses
umfaßt, die untere Hälfte für zusätzliche apparative Teile frei. Der Filmträger
58 ist, wie im Schnitt AB dargestellt, mit Hilfe von Längsrippen 501 und 502 gelagert,
die ihrerseits wieder auf Gleitschienen 503 und 504 aufliegen.
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Die Bewegung des Filmträgers auf diesen Gleitschienen kann in beliebiger
Weise bewirkt und beispielsweise durch einen mit einstellbarer Geschwindigkeit auf
eine Rolle aufgewickelten Seilzug vorgenommen werden.
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Der Befestigung des Filmes in dem Filmträger können die Anschläge
505 und 506 dienen, von denen einer fest und der andere gefedert angeordnet ist,
so daß der Film unter Spannung steht und sich hinreichend genau der zylindermantelförmigen
Innenfläche des Filmträgers anlegt.
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Der Kanal der Austrittsblende 57 ist mit einem beweglichen Stößel
507 versehen, der etwa durch eine Feder 508 gehalten und durch einen am Gehäuseteil
52 angebrachten Elektromagneten 509 betätigt werden kann, so daß die Blendenbohrung
nach Zeitfolge und Zeitdauer willkürlich und von außen regelbar geöffnet werden
kann.
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Um eine untunliche Erwärmung des Filmes bei der Verfolgung von temperaturabhängigen
Strukturänderungen, bei denen das Präparat durch die Heizeinrichtung 45 erhitzt
wird, zu vermeiden, kann das Gehäuse 51/52 durch beliebige Kühleinrichtungen, z.
B. Kühlschlangen 510, ausreichend gekühlt werden.
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Das Präparat bzw. der Präparathalter ist in der Vorrichtung von außen
drehbar angebracht. Die Rotation kann in beliebiger Weise von außen bewirkt werden,
wie dies durch den Antrieb 511 schematisch angedeutet ist.
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Selbstverständlich sind die Vorrichtungen für die Durchführung des
Verfahrens gemäß der Erfindung nicht auf die in Abb. 5 gezeigte Ausführungsform
beschränkt, sondern können je nach dem damit verfolg ten Zweck beliebige Abwandlungen
erfahren.
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Die Beheizung des Präparates kann z. B. auch so erfolgen, daß strahlende
Heizkörper innerhalb des Gehäuses 51/52 zu beiden Seiten des Primärstrahles in unmittelbarer
Nähe des Präparates angeordnet sind.
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Zur Ergänzung des Wärmeschutzes für den Film durch die in der Abbildung
dargestellten Kühleinrichtungen kann auch der Zwischenraum zwischen dem Präparat
und dem Film mit besonderen Kühlelementen ausgestattet sein, z. B. mit hochglänzenden
Aluminiumfolien, die zwar die Wärmestrahlung stark reflektieren, die Röntgenstrahlung
aber fast ungeschwächt durchlassen. Auch kann der Film im Filmträger unmittelbar
mit einer solchen Aluminiumfolie bedeckt werden, die dann gleichzeitig die Funktion
eines Filters zur Schwächung der durch den Bremsstrahlungsanteil des P rimärstrahles
entstehenden Untergrundschwärzung übernimmt. Schließlich kann, sofern drahtähnliche
Proben aus Metall oder anderen elektrisch leitenden Materialien untersucht werden
sollen, die Probe auch in direktem Stromdurchgang beheizt werden, wobei sie dann
auf beiden Seiten zur Stromzuführung zu haltern ist.
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Für die Verfolgung von Strukturänderungen, die ohne Temperaturverschiebungen
vor sich gehen und etwa unter Wirkung von mechanischen Kräften
verlaufen, kommen
Ofen und Kühlelemente in Fortfall.
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Um eine eindeutige und zwangläufige Verknüpfung zwischen der Zeitachse
des Beugungsdiagramms mit anderen Versuchsgrößen, die den Zustand des Präparates
während der Aufnahme kennzeichnen, herbeizuführen, kann man mit Hilfe des normalerweise
vor dem Empfänger vollständig ausgeblendeten Primarstrahles Zeitmarken auf dem Empfänger
selbst anbringen. Zu diesem Zweck setzt man in die Austrittsblende für den Primärstrahl
eine feine - z. B. schlitzförmige - Zusatzblende ein und ordnet vor ihr einen Verschluß
an, der etwa über eine elektromagnetisch oder pneumatisch oder hydraulisch oder
rein mechanisch wirkende Vorrichtung zu beliebigen Zeitpunkten und während beliebig
einstellbarer Zeiten geöffnet werden kann. Geschieht die Betätigung des Verschlusses
elektromagnetisch und soll beispielsweise die Zuordnung von Zeitmarken auf einem
kontinuierlich aufgenommenen Diagramm zu den korrespondierenden Punkten einer Temperaturkurve
verfolgt werden, die während der Aufnahme mit Hilfe eines in der Nähe des Präparates
(oder in diesem selbst) angebrachten Thermoelementes und eines elektrischen Schreibers
registriert werden, so sind lediglich über eine Relaisschaltung die Zuleitungen
der Thermospannung zum Schreiber für die Dauer der Freigabe des Primärstrahles kurzzuschließen.
Dadurch wird die geschriebene Temperaturkurve während der Zeitdauer der Markierung
mittels des Primärstrahles sichtbar unterbrochen.
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Neben den bereits erläuterten Techniken ist selbstverständlich das
Verfahren gemäß der Erfindung bei entsprechender Anordnung auf alle bekannten Methoden
der Strukturanalyse anwendbar, wie sie mit Röntgenstrahlen vorgenommen werden können,
beispielsweise auf die Geradeausdurchstrahlung oder »Pin-hole«-Methode oder auf
die Rückstrahlmethode mit Flach-oder Zylinderkameras. Dabei besteht lediglich der
grundsätzliche Unterschied, daß der zur Registrierung der Streustrahlung dienende
Empfänger während der zu beobachtenden Strukturänderung mit einer auf die Intensität
der gebeugten Strahlung abgestimmten Geschwindigkeit bewegt wird. Daß sich alle
Anordnungen zur kontinuierlichen Registrierung von Röntgenbeugungen auch im Vakuum
oder unter erhöhtem Druck betreiben lassen, bedarf keiner besonderen Erwähnung.
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Für die Durchführung der Untersuchung mit Elektronenstrahlung und
anderen Korpuskularstrahlen kann man grundsätzlich in gleicher Art verfahren, wobei
jedoch stets bei Drücken unterhalb von 10- 3 Torr gearbeitet werden muß.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung erlaubt es unter Zuhilfenahme der
beschriebenen Vorrichtungen, alle Aufgaben zu lösen, bei denen die kontinuierliche
Verfolgung von Änderungen des stofflichen Feinbaues fester Körper eine Rolle spielt.
Besonders geeignet ist das Verfahren bei Anwendung der jeweils geeigneten Strahlung
für die Verfolgung von Modifikationsänderungen als Funktion der Temperatur, der
Wirkung einer Wärmebehandlung an Metallen und anderen festen Körpern unter verschiedenartiger
Atmosphäre.
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Auch Korrosionsprobleme, Reaktionen zwischen festen Körpern oder zwischen
solchen und Gasen oder Dämpfen und sogar Reaktionen zwischen flüssigen und festen
Körpern können ebenso erfolgreich untersucht werden wie Diffusionsvorgänge in fester
Phase, Vorgänge an Katalysatoren, beispielsweise Aktivierungs- oder Vergiftungserscheinungen,
und schließlich die Wirkung
mechanischer Beanspruchungen auf den
inneren Zustand von festen Körpern.
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PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zur kontinuierlichen Verfolgung feinstruktureller
Änderungen der Materie mit Hilfe von auf einen bewegten fotografischen Empfänger
fallenden Röntgen-, Gamma- oder Korpuskularstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß
reflektierte Interferenzstrahlung auch mit geschlossenen Interferenzfiguren, also
ohne die Verwendung besonderer Blenden im Strahlengang, auf den mit einer auf die
Intensität der jeweiligen Streustrahlung abgestellten Geschwindigkeit bewegten Empfänger
zur Einwirkung gebracht wird.