VDI VDE 5575 Blatt 2-2015 X-ray optical systems - Measurement methods - Measurement set-up and methods for the evaluation of X-ray optical systems.pdf

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1、ICS 17.180.30 VDI/VDE-RICHTLINIEN Juni 2015 June 2015 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK Rntgenoptische Systeme Messverfahren Messaufbau und Methoden zur Bewertung rntgenoptischer Systeme X-ray optical systems Measurement methods Measurement set-up

2、and methods for the evaluation of X-ray optical systems VDI/VDE 5575 Blatt 2 / Part 2 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this standard shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to th

3、e English translation. VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) Fachbereich Optische Technologien VDI/VDE-Handbuch Optische Technologien VDI/VDE-Handbuch Prozessmesstechnik und Strukturanalyse Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zwecke nicht gestattet /Reproductionevenforinter

4、nalusenot permittedFrhere Ausgabe:12.13 Entwurf,deutschFormeredition:12/13Draft,in German onlyZu beziehen durch /Available atBeuth Verlag GmbH,10772 BerlinAlle Rechte vorbehalten /Allrightsreserved Verein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2015Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2

5、 1 Anwendungsbereich . 3 2 Normative Verweise 3 3 Formelzeichen, Abkrzungen und Indizes . 3 4 Strahlungsquellen . 6 4.1 Wichtige Rntgenstrahlungsquellen 6 4.2 Eigenschaften der Strahlungsquellen . 7 5 Detektoren . 8 5.1 Detektoren zur Erfassung der Strahlleistung . 9 5.2 Detektoren zur Erfassung der

6、 rumlichen Verteilung des (spektralen) Photonenflusses 9 6 Prinzipieller Messaufbau 10 7 Bestimmung strahlgeometrischer Gren rntgenoptischer Systeme . 13 7.1 Strahlabmessungen, Strahldurchmesser, effektive Bestrahlungsflche, Strahlgleichfrmigkeit . 13 7.2 Ausgangsdivergenz, Ausgangsbrenn-weite, Eing

7、angswinkelakzeptanz . 20 7.3 Wellenfrontsensor 23 8 Bestimmung spektraler Gren rntgenoptischer Systeme . 25 8.1 Grenzwinkel der Totalreflexion, spektraler Transmissionsgrad, spektraler Reflexionsgrad, integrales spektrales Reflexionsvermgen . 25 8.2 Spektrales Auflsungsvermgen, spektrale Halbwertsbr

8、eite . 27 8.3 Messung der Beugungseffizienz von Rntgengittern 27 8.4 Spektrale Intensittserhhung, spektraler Wirkungsgrad 29 Schrifttum 31 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 3 2 Normative references . 3 3 Symbols, abbreviations and indices . 3 4 Radiation sources . 6 4.1 Important X-ray s

9、ources 6 4.2 Properties of the radiation sources . 7 5 Detectors . 8 5.1 Detectors for the determination of the radiant power . 9 5.2 Detectors for the determination of the spatial distribution of the (spectral) photon flux . 9 6 Basic measurement set-up 10 7 Determination of beam-geometric quantiti

10、es of X-ray optical systems . 13 7.1 Beam dimensions, beam diameter, effective irradiated area, beam homogeneity 13 7.2 Exit divergence angle, back focal length, entrance acceptance angle . 20 7.3 Wave front sensor 23 8 Determination of spectral quantities of X-ray optical systems . 25 8.1 Critical

11、angle of total reflection, spectral transmittance, spectral reflectance, integral spectral reflectance 25 8.2 Spectral resolving power, spectral half width . 27 8.3 Measurement of the diffraction efficiency of X-ray gratings . 27 8.4 Spectral intensity enhancement, spectral efficiency 29 Bibliograph

12、y 31 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF86D9NormCD - Stand 2015-08 2 VDI/VDE 5575 Blatt 2 / Part 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI

13、 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Li-zenzbedingungen (www.vdi.de/rich

14、tlinien), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/5575. Preliminary note The content of thi

15、s standard has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the standard VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or

16、of extracts. The use of this standard without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VDI Notices. We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this standard. A catalogue of all available parts of this

17、series of standards can be accessed on the Internet at www.vdi.de/5575. Einleitung Die Charakterisierung rntgenoptischer Systeme erfolgt mit verschiedenen Messmethoden, mit de-nen sowohl die nderungen der geometrischen als auch die der spektralen Eigenschaften der Strah-lung durch das System bestimm

18、t werden knnen. Als Rntgenquellen kommen unterschiedliche Quellen zum Einsatz. Die Quellen werden in Ab-schnitt 4 kurz beschrieben. Die einfallende Rnt-genstrahlung wird in der Regel mit Filterfolien oder Monochromatoren auf den Wellenlngenbe-reich eingeschrnkt, in dem die rntgenoptischen Systeme sp

19、ter Verwendung finden. Zum Nachweis der reflektierten bzw. transmittier-ten Strahlung werden je nach Erfordernis unter-schiedliche Detektoren eingesetzt, die entweder den Strahl integral erfassen oder eine positions-empfindliche Erfassung des Rntgenstrahls ermg-lichen. Eine bersicht zu mglichen Dete

20、ktoren findet sich in Abschnitt 5. Zur Strahlformung kn-nen sich neben dem zu untersuchenden rntgenop-tischen System zustzlich weitere optische Ele-mente wie Blenden, Teststrukturen und Absorber sowohl vor als auch hinter dem rntgenoptischen System im Strahlengang befinden. Um eine Ver-gleichbarkeit

21、 der Messungen in verschiedenen Apparaturen zu ermglichen, mssen alle relevan-ten Gerteparameter angegeben werden. Alle Messmethoden bentigen ein Positionier-system, das in der Lage ist, die Rntgenquelle, das zu charakterisierende rntgenoptische System so-wie das Detektorsystem mit der erforderliche

22、n Przision zueinander zu positionieren und zu be-wegen. Das bentigte Positioniersystem ist abhn-gig von der benutzten Messmethode. In Ab-Introduction For the characterization of X-ray optical systems, various measurement methods are available which allow the variations both of the geometric and of t

23、he spectral properties of radiation due to the sys-tem to be determined. For this purpose, different X-ray sources are used, which are briefly described in Section 4. Filter foils or monochromators are normally used to limit the incident X-rays to the wavelength range in which the X-ray optical syst

24、ems will be employed. To measure the reflected or transmitted radiation, different detectors are used depending on the par-ticular requirements. They either cover the beam of X-rays integrally or permit position-sensitive de-tection. An overview of potential detectors can be found in Section 5. For

25、beam shaping, in addition to the X-ray optical system to be investigated, fur-ther optical elements such as diaphragms, test structures and absorbers may be located in the optical path either in front of or behind the X-ray optical system. To ensure comparability of the measurements performed in dif

26、ferent systems, all relevant device parameters must be stated. All measurement methods require a positioning system that has the ability to position and displace the X-ray source, the X-ray optical system to be characterized as well as the detector system with respect to one another with the precisi

27、on required. The choice of the required positioning system is dependent on the measurement method applied. In B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF86D9NormCD - Stand 2015-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 VDI/VDE 5575 Blatt 2 / Part 2 3 schnitt 6 wird ein pr

28、inzipieller Messaufbau be-schrieben und es werden Koordinatensysteme de-finiert. In den darauf folgenden Abschnitten wer-den die unterschiedlichen Messmethoden beschrie-ben, wobei sich der Messaufbau bzw. die Koordi-natensysteme auf die in Abschnitt 6, Bild 1 gege-benen Definitionen beziehen. Die He

29、rangehensweise bei der Charakterisierung von rntgenoptischen Systemen ist hufig abhngig davon, ob eine absolute Bestimmung eines Parame-ters (z. B. Strahlabmessungen, Divergenzwinkel) erfolgt oder ob eine Gre in Relation zu dem Zu-stand ohne rntgenoptisches System (z. B. spektrale Intensittserhhung)

30、 ermittelt wird. Whrend im ersten Fall die fr die Messung entscheidenden Ei-genschaften des Messaufbaus (Quelle, Blendensys-tem, Detektor) sehr genau bekannt sein mssen, ist es im zweiten Fall meist ausreichend, neben der Sicherung der fr die jeweiligen Messaufgaben erforderlichen Eigenschaften ledi

31、glich auf eine aus-reichende Stabilitt des Aufbaus zu achten. Section 6, a fundamental measurement set-up is described and coordinate systems are defined. In the subsequent sections, different measurement methods are described, the measurement set-up and the coordinate systems conforming to the defi

32、-nitions given in Section 6, Figure 1. The approach to characterize X-ray optical systems frequently differs. It depends on whether to deter-mine a particular parameter (e.g., beam dimen-sions, divergence angle) in absolute terms or a quantity in relation to the state without an X-ray optical system

33、 (e.g., spectral intensity enhance-ment). While in the first-mentioned case the prop-erties of the measurement set-up that are crucial for the measurement (source, diaphragm system, de-tector) must be known very exactly, it is usually sufficient in the second case to ensure, besides the properties n

34、ecessary for the particular measure-ment tasks, sufficient stability of the set-up. 1 Anwendungsbereich Diese Richtlinie bezieht sich auf Messverfahren zur Erfassung von Kenngren, die zur Bewertung von rntgenoptischen Systemen herangezogen werden knnen. 1 Scope This standard relates to measurement p

35、rocedures to determine characteristics which can be drawn upon for the assessment of X-ray optical systems. 2 Normative Verweise Das folgende zitierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlinie erforderlich: VDI/VDE 5575 Blatt 1:2009-11 Rntgenoptische Systeme; Begriffe 2 Normative references T

36、he following referenced document is indispensa-ble for the application of this standard: VDI/VDE 5575 Part 1:2009-11 X-ray optical sys-tems; Terms and definitions 3 Formelzeichen, Abkrzungen und Indizes Formelzeichen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Formelzeichen verwendet: K

37、oordinatensystem Formel-zeichen Bezeichnung Einheit xD, yD, zDAchsensystem des Detektor- Koordinatensystems m xL, yL, zLAchsensystem des Labor- Koordinatensystems m xRP, yRP, zRPAchsensystem der Referenzprobe m xRS, yRS, zRSAchsensystem des rntgen-optischen Systems m 3 Symbols, abbreviations and ind

38、ices Symbols The following symbols are used throughout this standard: Coordinate system Symbol Designation Unit xD, yD, zDaxis system of detector coordinate system m xL, yL, zLaxis system of laboratory coordinate system m xRP, yRP, zRPaxis system of reference sample m xRS, yRS, zRSaxis system of X-r

39、ay optical system m B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF86D9NormCD - Stand 2015-08 4 VDI/VDE 5575 Blatt 2 / Part 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 Formel-zeichen Bezeichnung Einheit D, D, DRotation um die xD-, yD- bzw. zD-Achse rad, L, L, LRotation um d

40、ie xL-, yL- bzw. zL-Achse rad, RP, RP, RPRotation um die xRP-, yRP- bzw. zRP-Achse rad, RS, RS, RSRotation um die xRS-, yRS- bzw. zRS-Achse rad, Messgren Formel-zeichen Bezeichnung Einheit AEEingangsflchea)m2A(zD) effektive Bestrahlungsflche a)m2dabAbsorberdicke m dapBlendendurchmesser m duStrahldur

41、chmessera)m dx,u, dy,uStrahlabmessungena)m E Strahlungsleistungsdichte Wm2EphPhotonenenergie eV E Linienbreite eV f2Ausgangsbrennweitea)m f2,xAusgangsbrennweitea)in einer Vorzugsachse m f2,yAusgangsbrennweitea)senk-recht zur Vorzugsachse m h Spaltweite m Kspektrale Intensittserhhunga)1 LGLnge der Be

42、leuchtung m m Beugungsordnung MTF(xRP) Modulationstransferfunktion 1 nrFurchendichte m1R spektrales Auflsungsvermgena)1 Rint() integrales spektrales Reflexionsvermgena)rad, r1Eingangsarbeitsabstanda)m r2Ausgangsarbeitsabstanda)m S allgemeines Messsignal a.u. U(zD) Strahlgleichfrmigkeita)1 Einfallswi

43、nkel bezglich der Flchennormalen rad, spektraler Wirkungsrada)1 Einfallswinkel (Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und der reflektierenden Oberflche) rad, A,uAusgangsdivergenza)rad, BBraggwinkel rad, E,uEingangswinkelakzeptanza)rad, Symbol Designation Unit D, D, Drotation about xD-, yD- and zD-

44、axis, respectively rad, L, L, Lrotation about xL-, yL- and zL-axis, respectively rad, RP, RP, RProtation about xRP-, yRP- and zRP-axis, respectively rad, RS, RS, RSrotation about xRS-, yRS- and zRS-axis, respectively rad, Measurands Symbol Designation Unit AEentrance areaa)m2A(zD) effective irradiat

45、ed areaa)m2dababsorber thickness m dapdiameter of diaphragm m dubeam diametera)m dx,u, dy,ubeam dimensionsa)m E radiant power density Wm2Ephphoton energy eV E line width eV f2back focal lengtha)m f2,xback focal lengtha)in a pre-ferred axis m f2,yback focal lengtha)vertical to preferred axis m h slit

46、 width m Kspectral intensity enhancementa)1 LGillumination length m m order of diffraction MTF(xRP) modulation transfer function 1 nrgroove density m1R spectral resolving powera)1 Rint() integral spectral refectivitya) rad, r1entrance working distancea)m r2exit working distancea)m S general measurem

47、ent signal a.u. U(zD) beam homogeneitya)1 angle of incidence measured from normal of surface rad, spectral efficiencya)1 angle of incidence (angle be-tween incident beam and reflect-ing surface) rad, A,uexit divergence anglea)rad, BBragg angle rad, E,uentrance acceptance anglea)rad, B55EB1B3E14C2210

48、9E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF86D9NormCD - Stand 2015-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 VDI/VDE 5575 Blatt 2 / Part 2 5 Formel-zeichen Bezeichnung Einheit GGrenzwinkel der Total- reflexiona)rad, uDivergenzwinkela)bei radial-symmetrischer Strahlform rad, x,u y,uDiverg

49、enzwinkela)in zwei orthogonalen Richtungen rad, Kippwinkel rad, auflsbarer Wellenlngen-abstand m Ephauflsbarer Photonenenergie-abstand eV Wellenlngea)m Hspektrale Halbwertsbreitea)m () spektraler Reflexionsgrada)1 () spektraler Transmissionsgrada)1 a)Definition siehe VDI/VDE 5575 Blatt 1 Abkrzungen In dieser Richtlinie werden die nachfol