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Neue Beschreibung Vorrichtung zur Erfassung von Röntgenbeugungsreflexen
Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Röntgenbeugungsreflexen
nach der Drehkristallmethode oder nach dem Verfahren von Debye-Scherrer. Bei der
Vorrichtung gemäß der Neuerung ist als Nachweiselement ein als Fotoelement geschalteter
Sperrschichthalbleiterkörper vorgesehen.
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Bevorzugt wird ein Halbleiterkörper mit p-n-Übergang verwendet. Hierfür
eignen sich z. B. halbleitende Verbindungen vom Typ AIIIBV, insbesondere GaAs oder
InP.
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Bei den bisher bekannten Vorrichtungen werden als Nachweiselemente
z. B. Zählrohre oder Szintillationszähler verwendet.
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Die Vorrichtung gemäß der Neuerung hat gegenüber solchen Anordnungen
den Vorteil einer linearen Intensitätsanzeige und zeichnet sich darüber hinaus durch
besondere Einfachheit der Anordnung und große Betriebssicherheit aus. Das Nachweiselement
gemäß der Neuerung weist keinerlei Ermüdungserscheinungen auf, d. h. keine Änderungen
des Fotostromes mit der Dauer der Messung, und der Fotostrom bildet sich mit einer
verhältnismäßig sehr kleinen Zeitkonstante aus.
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Die oben erwähnte lineare Intensitätsanzeige der Vorrichtung gemäß
der Neuerung beruht darauf, daß der Fotostrom eines Halbleitersperrschichtelementes
im ganzen praktisch in Frage kommenden Intensitätsbereich streng proportional der
auftreffenden Röntgenstrahlintensität ist. Dagegen ist die Anwendung des Geiger-Müller-Zählrohres
als Nachweiselement auf Intensitäten von einigen tausend Impulsen pro Sekunde beschränkt.
Überdies ist im erfaßbaren Bereich die Impulsrate infolge der Totzeitverluste nicht
genau proportional zur Röntgenstrahlintensität. Die Totzeit eines Zählrohres ergibt
außerdem den Nachteil, daß die Impulsrate auf etwa 1000 Impulse pro Sekunde beschränkt
werden muß und große Reflexionsintensitäten entsprechend geschwächt werden müssen.
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Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung gemäß der Neuerung gegenüber
bekannten Geräten besteht darin, daß auch sehr harte Röntgenstrahlen im Halbleiter-Nachweiselement
voll-
| ständig absorbiert und damit erfaßt werden können dies ist |
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bei Zählrohren nicht der Fall. Die Einfachheit der Vorrichtung gemäß der Neuerung
beruht vor allem darauf, daß die bei Proportional-Zählrohr-Naohweiselementen erforderliche
extrem konstante Spannungsquelle entfällt. Wird als Nachweiselement ein Halbleiterkörper
mit p-n-Übergang verwendet, so empfiehlt es sich, die Lage des
p-n-Überganges
so zu wählen, daß die Reflexstrahlung senkrecht auf die p-n-Fläche auftrifft. Es
ist vorteilhaft, die Schichtdicke zwischen dem p-n-Übergang und der der Bestrahlung
ausgesetzten Oberfläche des Halbleiterkörpers in Abhängigkeit von der Eindringtiefe
und der Diffusionslänge der Ladungsträger im Halbleiterkörper zu bemessen.
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Allgemein kann als Maßstab angegeben werden, daß die Dicke der vorgenannten
Schicht in der Größenordnung der Endringtiefe der Röntgenstrahlung liegen soll.
Unter Eindringtiefe wird hier die Tiefe im Halbleiterkörper verstanden, in der die
Strahlung auf-abfällt (e = natürlicher Logarithmus).
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Diesen Forderungen liegen folgende Überlegungen zu Grunde : Zum Fotostrom
liefern nur diejenigen, durch Absorption der Röntgenstrahlen im Halbleiterkörper
erzeugten freien Ladungsträger einen Beitrag, die durch Diffusion ohne vorherige
Rekombination bis zum p-n-Übergang gelangen. Es wird also im wesentlichen nur die
Ionisationswirkung der Strahlung erfaßt, die in einer Entfernung vom p-n-Übergang
absorbiert wird, die in der Größenordnung der Diffusionslänge der Ladungsträger
im Halbleiterkörper liegt. Daher ist es günstig, für das Nachweiselement der Vorrichtung
gemäß der Neuerung einen Halbleiterkörper mit möglichst großer Diffusionslänge der
Ladungsträger zu verwenden. Andererseits soll der Halbleiterkörper eine möglichst
große Spannungs
-bzw. Leistungsausbeute ergeben. Dies führt zu der
Forderung nach einer großen Breite der verbotenen Zone. Dem steht aber entgegen,
daß der Halbleiterkörper aus meßtechnischen Gründen einen nicht zu kleinen inneren
Widerstand aufweisen soll. Diese widersprechenden Forderungen, die zu Kompromissen
zwingen, werden in besonderem Maße durch die oben erwähnten A B-Verbindungen GaAs
und InP erfüllt.
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Es wurde oben angegeben, daß der Fotostrom eines Sperrschichthalbleiterkörpers
streng linear zur einfallenden Röntgenstrahlungsintensität ist. Für die Fotospannung
besteht diese einfache Beziehung nur bei schwachen Intensitäten. Die Intensitäten
von Röntgenbeugungsreflexen fallen indessen in den vorgenannten Bereich, so daß
auch die Fotospannung direkt proportional der auftreffenden Röntgenstrahlintensität
ist und also ebenfalls unmittelbar als lineare Meßgröße herangezogen werden kann.
Auch in diesem Fall empfiehlt es sich, Halbleiterkörper mit großer Breite der verbotenen
Zone, z. B. GaAs zu verwenden, da die Fotospannung (Leerlaufspannung) und auch der
Wirkungsgrad, mit dem die Strahlungsleistung in elektrische Leistung umgesetzt wird,
umso größer sind, je größer die Breite der verbotenen Zone ist. Zur weiteren Erläuterung
der Neuerung wird auf die Zeichnung verwiesen ; es zeigt
Fig. 1
schematisch den Aufbau der Vorrichtung gemäß der Neuerung (Drehkristallmethode),
Fig. 2 ein mit einer Vorrichtung gemäß der Neuerung aufgenommenes Röntgenbeugungsdiagramm
von Kupferpulver (Verfahren von Debye-Scherrer.) In Fig. 1 ist mit 1 die Röntgenanode,
mit 2 ein drehbar angeordneter Kristall, dessen Beugungsspektrum aufgenommen werden
soll, und mit 3 das Sperrschichthalbleiter-Nachweiselement bezeichnet. Die Röntgenanode
und das Nachweiselement sind an der Peripherie eines Kreises und der zu untersuchende
Kristall in dessen Mittelpunkt angeordnet.
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Die Erfassung der Röntgenbeugungsreflexe erfolgt in der Weise, daß
der Kristall, der mit dem von der Röntgenanode ausgehenden divergenten Röntgenstrahlbündel
bestrahlt wird, sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit (Ou) um den Mittelpunkt
der Vorrichtung dreht, während sich das Sperrschichtelement mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit
(2 as) auf diesem Kreis mitbewegt. Wie aus der Zeichnung zu entnehmen ist, weist
das Sperrschichtelement einen p-n-Übergang auf, der parallel zu der Oberfläche verläuft,
auf die die Röntgenbeugungsreflexe auftreffen. Die zwischen dem p-und dem n-Teil
des Kristalls unter dem Einfluß der
| Röntgenbeugungsreflexe auftretende Spannung kann z. B. über |
einen Verstärker auf ein Registriergerät, z. B. auf einen Schreiber, geschaltet
sein.
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Im Diagramm der Fig. 2 ist auf der Abszisse der in Fig. 1 bezeichnete
Winkel und auf der Ordinaten die relative Intensität der auf das Nachweiselement
auftreffenden Röntgenbeugungsstrahlung aufgetragen.
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Außer zur Strukturanalyse wie im vorstehenden Beispiel, kann die Vorrichtung
gemäß der Neuerung auch als Röntgenspektrometer, insbesondere als Fluoreszenzspektrometer
verwendet werden. Ferner kann die Vorrichtung gemäß der Neuerung, um eine weitere
spezielle Anwendung zu nennen, auch zur Messung von Röntgenquanten, insbesondere
von Röntgenbeugungsintensitäten mit Hilfe der Impulszahl pro Zeiteinheit, verwendet
werden. In diesem Falle wird das Nachweiselement auf einen Impulszähler geschaltet.
Bei der Zählung von Einzelimpulse hat das Sperrschichtelement den Vorteil des größeren
energetischen Auflösungsvermögens ; dies ist bei der Impulshöhendiskriminierung
von Bedeutung. Während nämlich beim Proportionalzählrohr zur Bildung eines Ionenpaares
30 eV erforderlich sind und beim Szintillationszähler die im Mittel erforderliche
Energie für ein Sekundärelektron noch um eine Größenordnung höher ist, ist in einem
Halbleiterkörper wie GaAs oder Si zur Bildung eines Elektron-Loch-Paares nur eine
Energie von etwa 4 eV erforderlich ; infolgedessen sind die Impulshöhenschwankungen
geringer. 3 Schutzansprüche 2 Figuren