DE10035917A1 - Gerät zur Strahlungsanalyse mit variablem Kollimator - Google Patents

Abstract

In Geräten zur Strahlungsanalyse, beispielsweise Röntgenspektrometern, wird häufig gewünscht, dass sich der Öffnungswinkel des analysierenden Strahlungsbündels 45 während des Messprozesses ändert. Der Öffnungswinkel des Strahlungsbündels wird beispielsweise durch die Länge der kollimierenden Elemente 46, 60 in dem Kollimator bestimmt. Gemäß der Erfindung wird dies durch Verlagern oder Rotieren des Kollimators durch das Strahlungsbündel 45 hindurch erreicht, so dass als Folge die dem Strahlungsbündel ausgesetzte Länge L der kollimierenden Elemente verändert werden kann. Ein Kollimator mit rechteckigen Platten 46 (Soller-Kollimator) kann um eine Welle 50 senkrecht zu den Platten gedreht werden, oder ein Kollimator mit Röntgenfasern kann mit unterschiedlichen Faserlängen ausgeführt werden und diese durch das Strahlungsbündel quer zur Längsrichtung der Fasern verlagern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Strahlungsanalyse einer zu untersuchenden Probe, in dem ein Strahlungsbündel entlang eines optischen Weges von einer Strahlungsquelle über die zu untersuchende Probe zu einem Strahlungsdetektor verläuft, in welchem optischen Weg sich ein Kollimator mit kollimierenden Elementen befindet, welcher Kollimator, infolge einer Bewegung durch das Strahlungsbündel hindurch, einen variablen Öffnungswinkel für das Strahlungsbündel aufweist.

Die Erfindung betrifft auch einen Kollimator zur Verwendung in einem derartigen Gerät.

Ein solches Gerät ist aus "Patent Abstracts of Japan", Anmeldungsnummer 08208931, Veröffentlichungsnummer 10038823 A bekannt. In der genannten Druckschrift wird das Gerät zur Strahlungsanalyse von einem Röntgenfluoreszenzspektrometer gebildet. In dem röntgenoptischen Weg dieses bekannten Spektrometers gibt es zwei Kollimatoren in Form sogenannter Soller-Spalt-Kollimatoren. Solche Kollimatoren umfassen einen Stapel aus zueinander parallelen Platten aus einem Röntgenstrahlung absorbierendem Material, die bestimmte Zwischenräume aufweisen. Ein kollimierendes Element in einem solchen Kollimator wird somit durch einen Zwischenraum plus den benachbarten Platten gebildet. Der von einer solchen Plattengesamtheit dem Strahlungsbündel angebotene Öffnungswinkel ist gleich zweimal das Verhältnis des Zwischenraums zu der Länge der Platten am Ort des die Platten durchlaufenden Röntgenstrahlenbündels.

Geräte zur Strahlungsanalyse sind häufig zum Messen eines Spektrogramms (beispielsweise Röntgenspektrometer) oder Beugungsmuster (beispielsweise Röntgendiffraktometer) mit hoher Auflösung eingerichtet. Für bestimmte Strahlen in dem Strahlungsbündel gibt es dann Abweichungen vom idealen Strahlungsweg, die einen nachteiligen Einfluss auf die Auflösung der Messungen haben, Um diese Abweichungen zu verringern, ist es an sich bekannt, einen Kollimator zum Begrenzen des Strahlungsbündels, insbesondere zum Begrenzen des Öffnungswinkels des Strahlungsbündels, im optischen Weg des Gerätes anzuordnen.

Eine Messung mit einem Röntgenspektrometer oder einem Röntgendiffraktometer umfasst häufig das Ausführen einer Winkelabtastung, d. h. die aus der zu untersuchenden Probe stammende Strahlungsintensität wird für einen größeren Bereich von Winkelwerten um die Probe herum gemessen. Die genannten Abweichungen vom idealen Strahlungsweg sind dann vom Winkelwert abhängig. Um die Messdauer mit diesem Gerät so kurz wie möglich zu halten, wird der Öffnungswinkel (also die Gesamtintensität) des Strahlungsbündels wünschenswerterweise nicht weiter begrenzt, als für die Auflösung notwendig ist. Daher wird während der Messung der Öffnungswinkel des Kollimators wünschenswerterweise variabel gemacht, d. h. abhängig von Winkelwert.

In dem aus der genannten Druckschrift bekannten Röntgenspektrometer wird dieser variable Wert des Öffnungswinkels erreicht, indem die dort dargestellten Soller-Spalt- Kollimatoren, die einen Stapel aus Platten mit gleichen gegenseitigen Zwischenräumen umfassen, so ausgebildet werden, dass der Stapel aus Platten eine Vielzahl Teilstapel umfasst, die zueinander unterschiedliche Zwischenräume zwischen den Platten aufweisen. Durch Verlagern des jeweiligen Soller-Spalt-Kollimators in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche der Platte, so dass ein anderer Teilstapel in das Strahlungsbündel eingebracht wird, kann jetzt ein anderer Öffnungswinkel selektiert werden.

Das Herstellen eines Kollimators, in dem die kollimierenden Elemente voneinander unterschiedliche Abmessungen haben, ist aus der Sicht der Fertigung unbequem. Zudem können nur einige diskrete Werts des Öffnungswinkels auf diese bekannte Weise realisiert werden, oder es gibt (bei einem sich kontinuierlich ändernden Zwischenraum) gleichzeitig eine Vielzahl von Zwischenräumen in dem Strahlenbündel, so dass der Öffnungswinkel nicht gut definiert ist.

Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Strahlungsanalyse zu verschaffen, in dem der Öffnungswinkel des Strahlungsbündels kontinuierlich veränderbar ist, und das in relativ einfacher Weise hergestellt werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Gerät dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimator in einer solchen Weise durch das Strahlungsbündel bewegt werden kann, dass als Folge die dem Strahlungsbündel ausgesetzte Länge des kollimierenden Elementes eine Veränderung zulässt. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die gewünschte Änderung des Öffnungswinkels durch eine Bewegung erhalten werden kann, derart, dass die Abmessungsunterschiede, wie sie häufig in verschiedenen Anlagen von Natur aus vorhanden sind, diese Änderung des Öffnungswinkels bewirken. Es ist jedoch nicht notwendig, diese inhärenten Abmessungsunterschiede zu verwenden; es ist auch möglich, einfach herzustellende Abmessungsunterschiede zu nutzen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung, in der inhärente Abmessungsunterschiede in einfacher Weise genutzt werden, haben die kollimierenden Elemente die Form von zueinander parallelen Platten und umfasst die genannte Bewegung eine Rotation um eine Welle senkrecht zu den Platten. Infolge der genannten Rotation folgt das Strahlungsbündel im Allgemeinen einem anderen Weg relativ zum Kollimator, so dass das Bündel auf unterschiedliche Abmessungen trifft.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, in der inhärente Abmessungsunterschiede in einfacher Weise genutzt werden, haben die Platten eine rechteckige Form. Dies verschafft ein hohes Maß an Einfachheit beim Herstellungsprozess mit einer Form, die bei dieser Technik bereits allgemein Verwendung findet.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung haben die Platten zumindest teilweise eine elliptische Form. In einem stark divergenten Strahlungsbündel ermöglicht diese Maßnahme, den Unterschied beim Öffnungswinkel für verschiedene Trajektorien in dem Strahlenbündel zu verringern.

In noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung haben die kollimierenden Elemente die Form von Kanälen mit einem in sich geschlossenen Querschnitt, welche Kanäle untereinander verschiedene Längen haben, und umfasst die genannte Bewegung eine Verlagerung quer zur Längsrichtung der Kanäle. Die Kanäle können als röntgenoptische Fasern ausgebildet sein, z. B. Glasfasern. Röntgenoptische Fasern sind an sich zur Beeinflussung des Strahlenganges in einem Strahlungsbündel bekannt. Solche Fasern sind jedoch sehr dünn, so dass ein aus Fasern hergestellter Kollimator eine sehr große Anzahl Fasern umfasst und nicht einfach in beliebiger Form hergestellt werden kann. Es ist jedoch sehr gut möglich, eine Packung aus Fasern herzustellen, so dass diese Packung in Seitenansicht die Form beispielsweise eines Dreiecks hat; indem der so gebildete Kollimator quer zu den Längsachsen der Fasern verlagert wird, werden in das Strahlenbündel Fasern von unterschiedlicher Länge eingebracht.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente bezeichnen. Es zeigen:

Fig. 1 eine globale Darstellung eines an sich bekannten Röntgenanalysegerätes, in dem die Erfindung angewendet werden kann,

Fig. 2a eine Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform eines variablen Soller-Spalt-Kollimators gemäß der Erfindung,

Fig. 2b eine Draufsicht einer Kollimatorplatte des Kollimators von Fig. 2a, zusammen mit dem Strahlungsbündel;

Fig. 3 eine Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform eines variablen Soller-Spalt-Kollimators gemäß der Erfindung und

Fig. 4 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform eines variablen Soller- Spalt-Kollimators mit röntgenoptischen Fasern gemäß der Erfindung.

Die Erfindung soll anhand einer Ausführungsform beschrieben werden, in der das Gerät zur Strahlungsanalyse von einem Röntgenanalysegerät gebildet wird, insbesondere einem Röntgendiffraktionsgerät. Darin hat die analysierende ionisierende Strahlung die Form von Röntgenstrahlung. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch auf alle weiteren Geräte zur Strahlungsanalyse angewendet werden kann, in denen ein Kollimator für das analysierende Strahlungsbündel verwendet wird.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines bekannten Röntgenanalysegerätes, hier ein Röntgendiffraktionsgerät. In diesem Gerät ist auf einem Gestell 2 ein Goniometer 4 angebracht. Dieses Goniometer 4 kann mit einem Winkelkodierer zum Messen der Winkeldrehung der darauf montierten Röntgenquelle 7 und der ebenfalls darauf montierten Detektoreinrichtung 9 versehen sein. Das Goniometer ist außerdem mit einem Probenträger 8 versehen, auf dem eine Probe 10 angebracht ist. Für die Fälle, bei denen eine Messung der Winkeldrehung der Probe wichtig ist, kann auf dem Probenträger ein Winkelkodierer angebracht sein. Die Röntgenquelle 7 enthält einen Halter 12 für eine in dieser Figur nicht wiedergegebene Röntgenröhre, die mit einem Befestigungsring 20 in dem Halter befestigt ist. Diese Röntgenröhre enthält einen Hochspannungsstecker 15, mit dem die Hochspannung und der Heizstrom für die Röntgenröhre über das Hochspannungskabel 18 zugeführt werden. An der gleichen Seite der Röntgenröhre sind Zu- und Abfuhrleitungen 22 und 24 für das Kühlwasser der Röntgenröhre angebracht. Der Röhrenhalter 12 enthält weiterhin ein Austrittsfenster für Röntgenstrahlung 44 und eine Einheit 16 zum Parallellisieren des Röntgenstrahlenbündels (einen Soller-Spalt-Kollimator). Die Platten des Soller-Spalt-Kollimators 16 stehen parallel zur Zeichenebene, so dass das von der Röntgenquelle 7 erzeugte Röntgenstrahlenbündel die Probe 10 mit einem divergenten Bündel belichtet. Die Detektoreinrichtung 9 umfasst einen Halter 26 für einen Soller-Spalt- Kollimator, einen Halter 28 für einen Monochromatorkristall und einen Detektor 30. Die Platten des Soller-Spalt-Kollimators im Halter 26 stehen ebenfalls parallel zur Zeichenebene. Wenn sowohl die Röntgenquelle als auch der Detektor um die Probe drehbar sind, ist es nicht notwendig, dass die Probe drehbar montiert ist. Es ist jedoch auch möglich, die Röntgenquelle fest zu montieren, was für umfangreiche und schwere Röntgenquellen manchmal notwendig ist. In diesem Fall sollten sowohl der Probenträger als auch der Detektor drehbar sein.

Das Röntgendiffraktionsgerät, wie es in Fig. 1 wiedergegeben wird, enthält weiterhin eine Verarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung der verschiedenen gemessenen Daten. Diese Verarbeitungseinrichtung umfasst eine Zentraleinheit 32 mit einer Speichereinheit 36 und einem Monitor 34 zur Präsentation der verschiedenen Daten und zur Wiedergabe des gemessenen und berechneten Ergebnisses. Die auf dem Goniometer 4 montierte Röntgenquelle 7, die Detektoreinrichtung 9 und der Probenträger 8 sind alle mit einer (nicht abgebildeten) Einheit zum Bestimmen der Winkelstellung des betreffenden Elementes in Bezug auf die Skaleneinteilung des Goniometers versehen. Ein Signal, das diese Winkelstellung wiedergibt, wird über Verbindungsleitungen 38-1, 38-2 und 38-3 zur Zentraleinheit 32 übertragen.

In Fig. 1 wird ein sogenannter Bragg-Brentano-Aufbau wiedergegeben, was bedeutet, dass die von einem einzelnen Punkt ausgehenden Röntgenstrahlen nach der Reflexion an der Probe 10 wieder in einem Punkt fokussiert werden, vorausgesetzt, dass die Oberfläche der Probe einen durch den Ausgangspunkt und den Brennpunkt verlaufenden Kreis berührt. Die Probe 10 wird mit aus der Röntgenquelle 7 stammender Röntgenstrahlung bestrahlt. In dieser Röntgenquelle ist schematisch eine Anode 40 wiedergegeben, die Teil der in dieser Figur nicht weiter wiedergegebenen Röntgenröhre ist. In der Anode 40 wird die Röntgenstrahlung auf übliche Weise erzeugt, indem diese Anode hochenergetischen Elektronen ausgesetzt wird. Dadurch wird in der Anode Röntgenstrahlung 42 erzeugt, die durch das Röntgenfenster 44 austritt. In dem Aufbau nach Fig. 1 wird der genannte Ausgangspunkt nicht von einem einzelnen Punkt gebildet, sondern von einer Brennlinie 41 auf der Anode, die senkrecht zur Zeichenebene steht. Der genannte Brennpunkt wird von dem Sammelpunkt 43 des die Probe verlassenden Strahlenbündels 45 am Ort des Eingangs des Detektors 30 gebildet. Dadurch hat dieser Aufbau nur in der Zeichenebene eine fokussierende Wirkung.

Fig. 2 zeigt eine Perspektivansicht einer Ausführungsform eines variablen Soller-Spalt-Kollimators, in dem die Platten des Kollimators eine rechteckige Form haben. Der dargestellte Kollimator umfasst einen Stapel aus Kollimatorplatten 46 mit Zwischenräumen 48. Alle Platten in diesem Kollimator haben die gleichen Abmessungen. Ein Strahlungsbündel 45, dessen Öffnungswinkel vom Kollimator begrenzt wird, fällt parallel zur Ebene der Kollimatorplatten 46 ein. Der Öffnungswinkel α des Strahlungsbündels wird durch das Zweifache des Verhältnisses des Zwischenraums d zwischen den Platten 46 zu der dem Strahlungsbündel ausgesetzten Länge L des kollimierenden Elementes (siehe auch Fig. 2b) gegeben, so dass α = 2d/L gilt.

Der Wert der Größe L kann durch Drehen der Kollimatorplatten um eine Welle 50, die senkrecht zur Ebene der Platten 46 steht, verändert werden. Hierzu ist ein Bewegungsmechanismus vorgesehen, der in dieser Ausführungsform von einer Welle 50 und einer Antriebseinheit 52 gebildet wird, in der die Welle 50 gelagert ist und die fest mit dem Analysegerät verbunden ist, von dem der Kollimator ein Teil ist. Die Antriebseinheit umfasst beispielsweise einen Motor zum Drehen der Welle, welcher Motor von einer Steuereinheit 54 gesteuert wird, die Teil eines zu dem Analysegerät gehörenden Computers sein kann.

Wenn die von dem Analysegerät auszuführenden Messungen es erfordern, werden die Kollimatorplatten 46 um die Welle 50 gedreht, bis der richtige Öffnungswinkel erreicht worden ist, d. h. dass die Beziehung α = 2d/L, wobei α ein vorgeschriebener Wert ist, erfüllt ist.

Fig. 3 zeigt eine Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform eines variablen erfindungsgemäßen Soller-Spalt-Kollimators. Diese Ausführungsform ist vor allem für die Einrichtungen geeignet, in denen das Strahlungsbündel in einer Ebene parallel zu den Kollimatorplatten stark divergierend oder konvergierend ist. Diese Situation kann beispielsweise in einem Spektrometer vom Bragg-Brentano-Typ eintreten. Bei einem so divergenten Strahlenbündel ist der Wert für L (d. h. die dem Strahlungsbündel 45 ausgesetzte Kollimatorplattenlänge L) nicht für alle Strahlen in dem Strahlungsbündel derselbe. Dies kann für Messungen, die ein hohes Maß an Genauigkeit erfordern, ein Nachteil sein. Es kann gezeigt werden, dass für derartige Messungen ein Soller-Spalt-Kollimator mit elliptisch geformten Platten diesen Nachteil vollständig oder weitgehend beseitigt. Ebenso wie in dem Kollimator von Fig. 2 wird der Kollimator in Fig. 3 über die Welle 50 angetrieben, in gleicher Weise, wie es bereits anhand von Fig. 2 beschrieben worden ist.

Fig. 4 zeigt eine Perspektivansicht einer Ausführungsform eines variablen Soller-Spalt-Kollimators mit röntgenoptischen Fasern gemäß der Erfindung. Von solchen Fasern ist an sich bekannt, dass sie Strahlungsbündel aus Röntgenstrahlen beeinflussen. Mit solchen Fasern kann ein hohes Maß an Kollimation, d. h. ein sehr kleiner Öffnungswinkel des Strahlungsbündels erhalten werden.

Der in dieser Figur gezeigte Kollimator umfasst eine zweidimensionale Packung aus Röntgenfasern 60. Die Röntgenfasern 60 haben den gleichen Querschnitt, aber eine Länge, die von ihrer Höhe in der Packung abhängt. Parallel zur axialen Richtung der Röntgenfasern 60 fällt ein Strahlungsbündel 45 ein, dessen Öffnungswinkel von der Packung aus Röntgenfasern begrenzt wird. Der Öffnungswinkel des Strahlungsbündels wird durch das Verhältnis des inneren Querschnitts zur Länge der hohlen Faser bestimmt. Der Öffnungswinkel kann somit durch Hin- und Herbewegen des Kollimators verändert werden. Hierzu ist in dieser Ausführungsform ein Bewegungsmechanismus vorgesehen, der von einem Halter zum Packen von Röntgenfasern versehen ist, wobei der Halter zwei Führungen 62 umfasst, die von einem Antriebsstab 64 hin- und herbewegt werden können, wobei die Führungen 62 entlang Teilen 56 der Aufstellung des Analysegerätes geführt werden. Der Antrieb der genannten Bewegung wird von einer Antriebseinheit 52 ausgeführt, in der der Antriebsstab 64 gelagert ist und die auch fest mit dem Analysegerät verbunden ist. Die Antriebseinheit umfasst beispielsweise einen Motor zum Hin- und Herbewegen die Antriebsstabes, welcher Motor von einer Steuereinheit 54 gesteuert wird, die Teil eines zum Analysegerät gehörenden Computers ist. Wenn die mit dem Analysegerät auszuführenden Messungen es erfordern, wird der Kollimator hin- und herbewegt, bis der korrekte Öffnungswinkel erreicht ist.

Claims (12)

1. Gerät zur Strahlungsanalyse einer zu untersuchenden Probe (10), in dem ein Strahlungsbündel (45) entlang eines optischen Weges (41, 10, 45, 43) von einer Strahlungsquelle (40) über die zu untersuchende Probe zu einem Strahlungsdetektor (9) verläuft, in welchem optischen Weg sich ein Kollimator (26) mit kollimierenden Elementen (46) befindet, welcher Kollimator, infolge einer Bewegung durch das Strahlungsbündel (45) hindurch, einen variablen Öffnungswinkel für das Strahlungsbündel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimator in einer solchen Weise durch das Strahlungsbündel (45) bewegt werden kann, dass als Folge die dem Strahlungsbündel ausgesetzte Länge (L) des kollimierenden Elementes eine Veränderung zulässt.

2. Gerät zur Strahlungsanalyse nach Anspruch 1, in dem die kollimierenden Elemente (46) die Form von zueinander parallelen Platten haben und in dem die genannte Bewegung eine Rotation um eine Welle (50) senkrecht zu den Platten umfasst.

3. Gerät zur Strahlungsanalyse nach Anspruch 2, in dem die Platten (46) eine rechteckige Form haben.

4. Gerät zur Strahlungsanalyse nach Anspruch 2, in die Platten zumindest teilweise eine elliptische Form haben.

5. Gerät zur Strahlungsanalyse nach Anspruch 1, in dem die kollimierenden Elemente die Form von Kanälen mit einem in sich geschlossenen Querschnitt haben, welche Kanäle untereinander verschiedene Längen haben, und die genannte Bewegung eine Verlagerung quer zur Längsrichtung der Kanäle umfasst.

6. Gerät zur Strahlungsanalyse nach Anspruch 5, in dem die Kanäle als röntgenoptische Fasern (60) ausgebildet sind.

7. Kollimator zur Verwendung in einem Gerät zur Strahlungsanalyse mit Hilfe eines Strahlungsbündels (45), mit kollimierenden Elementen (46, 60), welcher Kollimator einen Bewegungsmechanismus (50, 52; 62, 64) für Bewegungen durch das Strahlungsbündel hindurch umfasst, so dass der Kollimator einen variablen Öffnungswinkel für das Strahlungsbündel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsmechanismus eingerichtet ist, um dem Strahlungsbündel eine variable Länge (L) der kollimierenden Elemente auszusetzen, so dass als Folge der variable Öffnungswinkel für das Strahlungsbündel erhalten wird.

8. Kollimator nach Anspruch 7, in dem die kollimierenden Elemente die Form von zueinander parallelen Platten (46) haben, und in dem der Bewegungsmechanismus zum Drehen des Kollimatoren um eine Welle (50) senkrecht zu den Platten eingerichtet ist.

9. Kollimator nach Anspruch 8, in dem die Platten eine rechteckige Form haben.

10. Kollimator nach Anspruch 8, in dem die Platten zumindest teilweise eine elliptische Form haben.

11. Kollimator nach Anspruch 7, in dem die kollimierenden Elemente die Form von Kanälen mit in geschlossenem Querschnitt haben, welche Kanäle untereinander verschiedene Längen haben, und in dem der Bewegungsmechanismus zur Verlagerung des Kollimatoren quer zur Längsrichtung der Kanäle eingerichtet ist.

12. Kollimator nach Anspruch 11, in dem die Kanäle als röntgenoptische Fasern (60) ausgebildet sind.