DE10018161B4

DE10018161B4 - Analysegerät zur Bestimmung geringer Mengen einer Probe

Info

Publication number: DE10018161B4
Application number: DE10018161A
Authority: DE
Inventors: Tamura Koichi
Original assignee: SII NanoTechnology Inc
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 1999-04-12
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2020-04-13
Also published as: JP2000292381A; DE10018161A1; TW484010B; KR100797680B1; US6539075B1; KR20000071648A; JP3330563B2

Abstract

Analysegerät zur Bestimmung geringer Mengen einer Probe (4), mit:
– einer Röntgenquelle (10) zur Erzeugung eines primären Röntgenstrahls;
– einem beweglichen Probentisch (1) zur Fixierung eines Trägerelements (3) der Probe (4), auf welche der Röntgenstrahl ausgerichtet ist;
– einem Detektor (11) zur Detektion eines fluoreszierenden Röntgenstrahles, welcher von der Probe (4) erzeugt wird, wenn die Probe (4) mit dem primären Röntgenstrahl bestrahlt wird; und mit
– zumindest einer Abdeckung (7), die auf dem auf dem Probentisch (1) liegenden Trägerelement (3) der Probe (4) angeordnet ist;
wobei in dem Probentisch (1) ein Loch (6) oder mehrere Löcher (6) ausgebildet sind, wobei jedes Loch (6) des Probentisches (1) eine auf der oder parallel zur optischen Achse des primären Röntgenstrahls verlaufende Mittelachse hat, und wobei jedes Loch (6) des Probentisches (1) eine Schwermetallbeschichtung (2) aufweist, die eine Innenseite des Loches (6) abdeckt, und
wobei jede Abdeckung...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Analysegerät für Röntgenfluoreszenzstrahlung zur Durchführung von Elementanalysen durch Bestrahlung einer Probe mit einem Röntgenstrahl und Erfassung des von der Probe ausgehenden sekundären Röntgenstrahles.
Es gibt vielfältige Anwendungen für das Analysegerät für Röntgenfluoreszenzstrahlung zur Durchführung von Elementanalysen durch Bestrahlung einer Probe mit einem primären Röntgenstrahl und Erfassung des von der Probe ausgehenden sekundären Röntgenstrahles.
Insbesondere wurde bereits eine Methode vorgeschlagen, bei der zur Bestimmung von kleinen Mengen in einer Lösung vorhandener Stoffe ungefähr 50 Mikro-Liter einer Lösung mittels Mikro-Pipette auf einen organischen Dünnschichtfilm aufgetropft und getrocknet werden, so daß das Residuum auf dem organischen Dünnschichtfilm danach mit einem Analysegerät für fluoreszierende Röntgenstrahlung gemessen werden kann (genannt Dünnschicht-Auftropf- und Trocknungs-Methode (drip- and dry method)) (nachzulesen im 34ten Röntgensttahlungs-Analyse Forum, vom 10. November, 1998). Das Prinzip dieser Messmethode wird im Folgenden kurz erläutert.
In 1 ist eine schematische Ansicht abgebildet, bei der die Analyse mit einem herkömmlichen Analysegerät für Röntgenfluoreszenzstrahlung durchgeführt wird.
Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Probentisch und Bezugszeichen 3 ein Trägerelement für den organischen Dünnschichtfilm.
Weiterhin bezeichnet Bezugszeichen 4 eine Residuum und Bezugszeichen 5 einen organischen Dünnschichtfilm.
Des weiteren bezeichnet Bezugszeichen 10 eine Röntgenquelle und Bezugszeichen 11 einen Detektor.
Wird eine Probe mit einem primären Röntgenstrahl bestrahlt, so enthält ein durch den Detektor aufgenommenes Röntgenspektrum 1 Röntgenfluoreszenzstrahlung aufgrund eines in der Probe vorhandenen Stoffes und 2 einen Anteil gestreuter Röntgenstrahlung durch Streuung (inklusive Beugung) des primären Röntgenstrahles auf der Probe. Der gestreute Röntgenstrahl kann einen breit gefächerten Strahlungshintergrund über eine weite Energiespanne des Spektrums bilden. Mittlerweile ist es möglich, aufgrund der abnehmenden Intensität der gestreuten Röntgenstrahlung mit abnehmender Dicke der Probe, ein Spektrum mit geringem Strahlungshintergrund zu erhalten.
Das Verhältnis zwischen der Untergrenze der Erfassung und der Intensität des Strahlungshintergrundes kann so definiert werden: (Intensität der Röntgenstrahlung erhalten durch Stoffkonzentration bei der Untergrenze der Erfassung) = 3 × √(Intensität des Strahlungshintergrundes).
Daraus folgt, daß die Anwendung der organischen Dünnschicht-Auftropf- und Trocknungs-Methode gegenüber der Analyse durch direkte Bestrahlung einer Probenlösung mit einem Röntgenstrahl die Erfassung niedrigerer Grenzwerte deutlich verbessert.
Zwischenzeitlich ist dem Analysegerät für Röntgenfluoreszenzstrahlung zur Bestimmung eines organischen Dünnschichtfilms, dieser hergestellt durch Auftropfen und Trocknen einer Probe, ein System zur Bestrahlung der Probe mit einem primären Röntgenstrahl von oben hinzugefügt worden, um ein Verlaufen des Residuums auf dem organischen Dünnschichtfilm zu verhindern. Mittlerweile wird ein Analysegerät für Röntgenfluoreszenzstrahlung so verwendet, daß der primäre Röntgenstrahl nur einen Teil des Residuums bestrahlt. Dieses Gerät ist mit einem Spaltrohr zur Erzeugung eines Strahles von etwa 1 bis 2 mm, einem Probentisch zur Positionierung des Residuums und einem Mechanismus zur Beobachtung der Probe ausgerüstet.
Aus der Druckschrift JP 03-225 267 A ist bereits ein Röntgen-Analysegerät bekannt, wobei – wie es ähnlich in 2 dargestellt ist – der Probentisch ein zylindrisches Loch aufweist, welches eine Schwermetallbeschichtung aufweist.
Ein organischer Dünnschichtfilm 5 hat eine Dicke von mehreren hundert Nanometern. Dieser organische Dünnschichtfilm ist auf ein Trägerelement 3 aus einer organischen Kunstharzschicht mit einer Öffnung vom ungefähren Durchmesser von 5-6 mm und einer Dicke von 1-2 mm aufgebracht. Ein Residuum 4 mit einem Durchmesser von 1-2 mm ist durch Auftropfen und Trocknen einer Probenlösung aufgebracht.
Ein beweglicher Probentisch 1, auf den das Trägerelement für den organischen Dünnschichtfilm 3 aufgelegt wird, ist zur Lichtreduktion aus Kunstharz oder Leichtmetall hergestellt. Im Probentisch ist ein Loch 6 in Form eines Kreiszylinders mit einem größeren Durchmesser als dem Durchmesser des Residuums, oder in einer diesen Kreiszylinder umschreibenden rechteckigen Form ausgeführt. Auf den Boden und die Wände des Loches 6 ist eine Schwermetallbeschichtung 2 aufgebracht. Das Schwermetall kann dabei Blei oder Wolfram oder ein ähnliches Material sein. Alternativ kann auch die gleiche Substanz wie anteilig im Zielmaterial der Röntgenstrahlungsröhre enthalten verwendet werden, um unerwünschte ansteigende Interferenzspitzen im erfassten Spektrum zu vermeiden. Die Beschichtung kann durch metallische Auflage, Bedampfungsüberzug oder ähnliche hergestellt werden. Die Dicke der Beschichtung sollte eine solche Stärke aufweisen, daß ein primärer Röntgenstrahl völlig unterdrückt wird und den Boden des Probentisches nicht erreicht. Zur Verringerung des Strahlungshintergrundes ist es außerdem zweckmäßig, die Tiefe des Loches so zu wählen, daß ein Lichtpunkt des primären Röntgenstrahles auf dem Boden des Loches vom Detektor nicht erfasst wird.
Ein Meßtechniker bringt das Trägerelement für den organischen Dünnschichtfilm 3 auf den Probentisch 1 auf, so daß das Residuum 4 im Mittelpunkt des Loches 6 liegt. Die Messung wird durch Bewegung des Probentisches 1 und Bestrahlung des Residuums 4 durch einen primären Röntgenstrahl durchgeführt.
In 3 wird ein Röntgenspektrum bei der Analyse einer kleinen Menge von Metall in einer Lösung dargestellt, wobei (a) ein Spektrum ist, welches mit einem Analysegerät für Röntgenstrahlung mit speziellem Probenhalter aufgenommen ist, und (b) ein Spektrum ist, welches aus der Analyse eines organischen Dünnschichtfilmes auf einem Trägerelement des herkömmlichen Kunststofftisches stammt. Daraus ist deutlich zu erkennen, daß die Verwendung eines speziellen Probenhalters ein Spektrum mit geringerem Strahlungshintergrund liefert.
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derart ausgestaltetes Röntgen-Analysegerät zu verbessern, mit welchem in besonders wirksamer Weise Streustrahlung von der Röntgenquelle absorbiert werden kann, so dass diese absorbierte Streustrahlung nicht mehr zu dem Detektor gelangt kann und insgesamt das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Detektors verbessert wird.
Diese Aufgabe wird mit einem Analysiergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei diesem Röntgen-Analysegerät ist der Probentisch leichtgewichtig ausgeführt, um ihn mittels Mechanik bewegen zu können, und besteht aus Kunstharz oder leichtem Metall wie Aluminium. Weil die Intensität eines gestreuten Röntgenstrahles umgekehrt proportional zur mittleren Atommassenzahl eines Objektes ist, ist der gestreute Röntgenstrahl vom entsprechend hergestellten Probentisch von sehr hoher Intensität. Wegen des hohen Gewichtes ist es nicht vorteilhaft, den gesamten Probentisch aus Schwermetall herzustellen. Deshalb ist der Probentisch aus Kunstharz oder leichtgewichtigem Material hergestellt und mit einem Loch an einer Stelle versehen, wo ein primärer Röntgenstrahl durchfallen kann. Die Bodenfläche des Loches, wo der primäre Röntgenstrahl schließlich gestoppt wird, ist aus Schwermetall. Dadurch wird die Intensität des gestreuten Röntgenstrahles vermindert ohne das Gewicht des gesamten Tisches zu erhöhen. Zusätzlich ist eine Beschichtung aus Schwermetall auch an den Innenseiten des Loches aufgebracht, wodurch die Streuung an den Innenflächen vermieden wird. Trotz geringer Intensität kann der von der Schwermetallbeschichtung gestreute Röntgenstrahl möglicherweise zu Interferenzspitzen im Spektrum führen. In dem Fall, wo die Beschichtung aus einem Stoff, der anteilig auch im Zielmaterial der Röntgenstrahlungsröhre enthalten ist, besteht, wird der Effekt erzielt, daß der Interferenzpeak nicht erhöht wird, da das charakteristische Röntgenstrahlungsmaximum des Zielmaterials auch in Wirklichkeit im Spektrum vorkommt.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des Röntgen-Analysegeräts anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Ansicht eines konventionellen Analysegerätes gemäß dem Stand der Technik;
2 eine Schnittansicht eines Probentisches eines aus dem Stand der Technik bekannten Analysegerätes für Röntgenstrahlung;
3 eine Abbildung, die den Unterschied zwischen einem Röntgenspektrum aufgenommen durch das Röntgen-Analysegerät und dem herkömmlichen Gerät ohne speziellen Probenhalter verdeutlicht;
4 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform des Probentisches; und
5 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Probentisches.
In 4 ist eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform des Probentisches des Analysegerätes dargestellt. Diese Ausführungsform ist so gestaltet, daß eine Abdeckung 7 mit einem Loch 6 auf das Trägerelement für organische Dünnschichtfilme 3 gelegt werden kann, wobei die Beschichtung der Abdeckung 7 auf der Oberseite dieselbe ist, wie die auf dem Boden und den inneren Flächen des Loches 6 gemäß 2. Deshalb wird durch einen primären Röntgenstrahl am Boden des Loches 6 ein gestreuter Röntgenstrahl erzeugt. Der Röntgenstrahl wird weiterhin durch ein Strukturteil, wie ein Spaltrohr oder einen Verschluß des Gerätes gestreut. Durch die Abdeckung auf dem in Kunstharz oder ähnlichem Material ausgeführten Trägerelement für den organischen Dünnschichtfilm 3 wird der Effekt der auf den Detektor fallenden Hintergrundstrahlung verringert.
In 5 wird eine weitere Ausführungsform des Probentisches des Analysegerätes dargestellt. Ein Probentisch ist mit einer Stufe versehen, so daß ein Trägerelement für den organischen Dünnschichtfilm 3 darin eingepasst werden kann. Der Probentisch ist mit mehreren kreisrunden zylindrischen Löchern 6 versehen, die in ihren Mittelpunkten mit den Mittelpunkten der Öffnungen des Trägerelementes 3 für mehrere organische Dünnschichtfilme 5 übereinstimmen. Weiterhin ist eine Abdeckung 7 mit einer Schwermetallbeschichtung auf der oberen Seite und Paßlöchern für die auf dem Probentisch 1 stehenden Positionierungsstifte 9 vorgesehen. Wird die Abdeckung auf den Probentisch gelegt, so weist sie in der Draufsicht Löcher an den gleichen Stellen wie die Löcher 6 des Probentisches auf. Dadurch ist es dem Meßtechniker möglich, durch alleinige Bewegung des Probentisches 1 ohne Arbeits- und Zeitaufwand für Justierung des Probentisches 1, des Trägerelementes für den organischen Dünnschichtfilm und der Abdeckung 7, eine Analyse einer Vielzahl von Proben durchzuführen.
Bei Verwendung eines gleichen Stoffes in der Schwermetallbeschichtung und im Anodenmaterial der Röntgenstrahlungsröhre wird die Möglichkeit der Störung eines Maximums der Röntgenfluoreszenzstrahlung aufgrund der Probe durch ein unerwünschtes Maximum der Röntgenfluoreszenzstrahlung verringert.

Claims

Analysegerät zur Bestimmung geringer Mengen einer Probe (4), mit: – einer Röntgenquelle (10) zur Erzeugung eines primären Röntgenstrahls; – einem beweglichen Probentisch (1) zur Fixierung eines Trägerelements (3) der Probe (4), auf welche der Röntgenstrahl ausgerichtet ist; – einem Detektor (11) zur Detektion eines fluoreszierenden Röntgenstrahles, welcher von der Probe (4) erzeugt wird, wenn die Probe (4) mit dem primären Röntgenstrahl bestrahlt wird; und mit – zumindest einer Abdeckung (7), die auf dem auf dem Probentisch (1) liegenden Trägerelement (3) der Probe (4) angeordnet ist; wobei in dem Probentisch (1) ein Loch (6) oder mehrere Löcher (6) ausgebildet sind, wobei jedes Loch (6) des Probentisches (1) eine auf der oder parallel zur optischen Achse des primären Röntgenstrahls verlaufende Mittelachse hat, und wobei jedes Loch (6) des Probentisches (1) eine Schwermetallbeschichtung (2) aufweist, die eine Innenseite des Loches (6) abdeckt, und wobei jede Abdeckung (7) eine Schwermetallbeschichtung aufweist, die aus dem gleichen Schwermetall gebildet ist, wie die Schwermetallbeschichtung (2), welche die Innenseite des Loches (6) des Probentisches (1) abdeckt, und wobei jede Abdeckung (7) ein Loch aufweist, welches einen Durchmesser hat, so dass ein im Probentisch (1) gebildetes Loch (6) freiliegt, wenn die Abdeckung (7) auf dem Trägerelement (3) der Probe (4) liegt.
Analysegerät zur Bestimmung geringer Mengen einer Probe nach Anspruch 1, wobei die Schwermetallbeschichtung (2) aus dem gleichen Material gebildet ist wie das Anodenmaterial der Röntgenquelle.