Scharfe Energieselektion im Synchrotron: Piezoantriebe justieren die Winkel im Kristall-Monochromator präzise und schnell

Piezobasierte Schreitantriebe von Physik Instrumente (PI) sind aktuell an der ID18-Strahllinie am ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) in Grenoble, Frankreich, im Einsatz.

Sie verschieben und positionieren Kristalle eines Doppelmonochromators für die inelastische Röntgenstreuung und ermöglichen die Einstellung des Braggschen Winkels und der Kristallneigung mit einer Auflösung von nur 0,1 µrad und einer Wiederholgenauigkeit von <0,1 µrad über einen Bereich von 12 µrad.

Hohe Anforderungen der Röntgenspektroskopie

Der Doppelkristall-Monochromator dient der Untersuchung des Phonon‑Anregungszustands in Festkörpern. 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 Halbwertsbreite der jeweiligen Intensitätsverteilungen (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 µrad oder besser eingestellt werden. 

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

Piezobasierte Schreitantriebe für die Positionierung

Um den Braggschen Winkel und die Neigung der Kristalle anzupassen, müssen diese mit hoher Präzision verschoben und positioniert werden. Zudem sind hervorragende Langzeitstabilität und sehr gute Wiederholbarkeit gefordert, wobei für die Positioniersysteme nur sehr geringer Bauraum zur Verfügung steht. 

Das Antriebsprinzip der piezobasierten Schreitantriebe und die darauf abgestimmten Motion Controller übertreffen sogar die extremen Anforderungen an Auflösung und Wiederholgenauigkeit. In Verbindung mit den eingesetzten kapazitiven Positionssensoren erreichen sie eine Langzeit-Positioniergenauigkeit von deutlich unter 0,1 µrad, während der Versteller 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.

Über Physik Instrumente (PI)

Das Unternehmen Physik Instrumente (PI) ist für die hohe Qualität seiner Produkte bekannt und nimmt seit vielen Jahren eine Spitzenstellung auf dem Weltmarkt für präzise Positioniertechnik ein. Seit 40 Jahren entwickelt und fertigt PI Standard- und OEM-Produkte mit Piezo- oder Motorantrieben. Mit vier Sitzen in Deutschland und zehn ausländischen Vertriebs- und Serviceniederlassungen ist die PI Gruppe international vertreten.