DE102011051365B4 - Detektionseinrichtung und System zum Messen der Dicke einer Zinkschicht auf Stahl und zum Messen des Eisengehaltes einer Zinkschicht - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Dicke einer Zinkschicht auf Stahl und gegebenfalls zum Messen des Eisengehaltes der Zinkschicht. Stahlbleche werden verzinkt, um sie korrosionsbeständiger zu machen. Die Bestimmung der Dicke der Zinkschicht ist wesentlich, um einerseits zum Gewährleisten der Korrosionsbeständigkeit eine gewisse Mindestdicke der Zinkschicht sicherzustellen und andererseits im Sinne der Ressourceneinsparung keine zu dicken Zinkschichten aufzubringen.
- Die
EP 0 465 797 B1 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen des Eisengehaltes in Zinkschichten und/oder zum Messen der Stärke einer Zinkschicht mittels Röntgenfluoreszenz. Die darin beschriebene Vorrichtung weist den Nachteil auf, dass maximal ein Zinkauftrag von 350 g/m2 ermittelt werden kann. Ein höherer Zinkauftrag kann mit einer solchen Vorrichtung nicht gemessen werden. - Insbesondere bei der Herstellung von Leitplanken und beim Bau von Lastkraftwagen ist es wünschenswert, einen Zinkauftrag von mehr als 350 g/m2 auf ein Stahlblech aufzutragen. Ferner ist es wünschenswert, dass in Bandverzinkungsanlagen ein Qualitätsprüfungssystem implementiert wird, das einen Zinkauftrag über einen größeren Messbereich ermitteln kann.
- Bei der Stahlerzeugung wird bandförmiger Stahl zur Erhöhung des Korrosionswiderstandes mit Zink beschichtet. Anschließend kann ein so genannter Galvanneling-Prozess durchgeführt werden. Dabei wird der verzinkte Stahl nachträglich auf etwa 500°C bis etwa 600°C aufgeheizt. Durch dieses Galvanneling diffundiert Eisen in die Zinkschicht, so dass intermetallische Verbände bzw. eine intermetallische Legierung zwischen Zink und Eisen gebildet werden. Dieser intermetallische Verband ist für die Weiterverarbeitbarkeit des beschichteten Stahls und das Haftverhalten der Zinkschicht von außerordentlich großer Bedeutung. Hierbei ist es wesentlich, dass während des Herstellverfahrens der Eisenanteil in der Zinkschicht in engen Grenzen eingestellt wird, damit das Verfahren reproduzierbar durchgeführt werden kann. Folglich ist es wichtig, den Eisengehalt in einer Zinkschicht zerstörungsfrei zu prüfen.
- Die
US 3,497,691 beschreibt eine Materialprüfung mittels Gammafluoreszenzstrahlung und Gammastreustrahlung. Ferner kann die Dicke einer Zinkbeschichtung bestimmt werden. - Die
US 5,579,362 betrifft die Prüfung von galvanisiertem Stahl mittels Compton-Strahlung und Fluoreszenzstrahlung. Ferner wird ein Farbauftrag geprüft. - Die
US 7,356,114 B2 beschreibt, dass das Einstellen der Winkel für eine Tiefenmessung von Eisen, eine oberflächliche Messung von Eisen, eine Tiefenmessung von Zink sowie eine oberflächliche Messung von Zink kompliziert sei. Diese Druckschrift betrifft Röntgenfluoreszenzstrahlung von Galvanilstahl. - Die
US 3,843,884 betrifft die Prüfung von Stahl mit einer Zinkschicht mittels Röntgenstrahlung. Diese Druckschrift offenbart eine Ionisationskammer mit zwei Elektroden, wobei sich die beiden Elektroden in unterschiedlichen Kammern befinden. - Die
DE 199 19 990 B4 betrifft die Bestimmung von Röntgenfluoreszenzstrahlung von Eisen und der Compton-Streuung. - Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, eine Detektionseinrichtung und ein System zu schaffen, das die Dicke einer Zinkschicht auf Stahl in einem weiten Bereich messen kann. Die Erfindung stellt sich auch zur Aufgabe, eine Detektionseinrichtung und eine Vorrichtung zu schaffen, um den Eisengehalt einer Zinkschicht zu messen.
- Die Aufgabe wird durch eine Ermittlungsvorrichtung nach Anspruch 1 und eine Zinkschichtdickenermittlungsvorrichtung nach Anspruch 2 gelöst.
- Die Compton-Detektionseinrichtung beider Vorrichtungen ist so ausgebildet, dass die Compton-Streuung eine Nickelschicht und eine Eisenschicht durchläuft, bevor sie von einem Sensor erfasst wird. Der Sensor kann eine Ionisationskammer sein, die mit Xenon oder vorzugsweise Krypton gefüllt ist. Die Ionisationskammer kann für die Absorption von Photonen mit einer Energie in einem Bereich von etwa 25 keV bis etwa 40 keV eingerichtet sein. Die Nickelfolie kann eine Dicke von etwa 13 μm +/– 3 μm aufweisen und die Eisenfolie kann eine Dicke von etwa 25 μm +/– 5 μm aufweisen. Die Kombination aus einem Nickelfilter und Eisenfilter ist zweckmäßig, weil ein Teil der im Nickel absorbierten Strahlung in Fluoreszenzstrahlung von Nickel umgesetzt wird. Die Fluoreszenzstrahlung des Nickels wird vom Eisen besonders stark absorbiert. Die Unterdrückung der Zinkfluoreszenzstrahlung ist bei gleicher Durchlässigkeit der Compton-Streuung bei dieser Kombination effizienter.
- Durch diese Filteranordnung wird die besonders störende Zink-Fluoreszenzstrahlung besonders effizient unterdrückt. Durch diese Filteranordnung wird die weniger störende Eisen-Fluoreszenzstrahlung auch unterdrückt, jedoch weniger stark. Diese Filterung bewirkt dass in die Compton-Detektionseinrichtung lediglich die Strahlung aufgrund der Compton-Streuung eintritt. Diese Strahlung weist eine Energie von mehr als etwa 25 keV auf.
- Die Erfindung betrifft eine Ermittlungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Dicke einer Zinkschicht auf einer Eisenschicht eines Prüfobjektes und den Eisenanteil in der Zinkschicht auf der Eisenschicht des Prüfobjektes zu ermitteln. Die Ermittlungsvorrichtung umfasst eine Röntgenquelle, die Röntgenstrahlung auf das Prüfobjekt mit der Zinkschicht auf der Eisenschicht emittiert. Die Ermittlungsvorrichtung umfasst eine erste Fluoreszenz-Detektionseinrichtung, die eine erste Fluoreszenzstrahlung aufgrund von Eisen im Prüfobjekt ermittelt, die unter einem ersten Winkelsegment vom Prüfobjekt gestreut wird. Die Ermittlungsvorrichtung weist eine Compton-Detektionseinrichtung auf, die eine Compton-Streuung aufgrund von Eisen im Prüfobjekt ermittelt, die unter einem ersten Winkelsegment vom Prüfobjekt gestreut wird. Die Ermittlungsvorrichtung umfasst eine zweite Fluoreszenz-Detektionseinrichtung, die eine zweite Fluoreszenzstrahlung aufgrund von Eisen vom Prüfobjekt ermittelt, die unter einem zweiten Winkelsegment vom Prüfobjekt gestreut wird, und eine dritte Fluoreszenz-Detektionseinrichtung, die eine dritte Fluoreszenzstrahlung aufgrund von Zink im Prüfobjekt ermittelt, die unter einem zweiten Winkelsegment vom Prüfobjekt gestreut wird. Eine erste Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, die Dicke der Zinkschicht auf der Eisenschicht des Prüfobjektes aus der ersten Fluoreszenzstrahlung und der Compton-Streuung zu ermitteln. Eine zweite Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, den Eisenanteil in der Zinkschicht aus der ersten Fluoreszenzstrahlung, der zweiten Fluoreszenzstrahlung und der dritten Fluoreszenzstrahlung zu ermitteln.
- Die Erfindung betrifft auch eine Zinkschichtdickenermittlungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Dicke einer Zinkschicht auf einer Eisenschicht eines Prüfobjektes zu ermitteln. Die Zinkschichtdickenermittlungsvorrichtung umfasst eine Röntgenquelle, die Röntgenstrahlung auf das Prüfobjekt mit der Zinkschicht auf der Eisenschicht emittiert. Die Zinkschichtdickenermittlungsvorrichtung weist eine erste Fluoreszenz-Detektionseinrichtung, die eine erste Fluoreszenzstrahlung aufgrund von Eisen im Prüfobjekt ermittelt, die unter einem ersten Winkelsegment vom Prüfobjekt gestreut wird, und eine Compton-Detektionseinrichtung auf, die eine Compton-Streuung aufgrund von Eisen im Prüfobjekt ermittelt, die unter einem ersten Winkelsegment vom Prüfobjekt gestreut wird. Eine erste Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, die Dicke der Zinkschicht auf der Eisenschicht des Prüfobjektes aus der ersten Fluoreszenzstrahlung und der Compton-Streuung zu ermitteln.
- Der Ausdruck Winkelsegment ist so auszulegen, dass er einen Winkel mit einem Toleranzband umfasst, d. h. einen Winkelbereich bildet.
- Das Prüfobjekt kann beispielsweise ein Bandstahl sein. Vorzugsweise wird die Röntgenstrahlung senkrecht auf die Oberfläche des Prüfobjektes abgegeben. Die erste Fluoreszenz-Detektionseinrichtung, die zweite Fluoreszenz-Detektionseinrichtung, die dritte Fluoreszenz-Detektionseinrichtung und/oder die Compton-Detektionseinrichtung können eine Ionisationskammer aufweisen. In der Ionisationskammer kann sich Xenon oder vorzugsweise Krypton befinden.
- Es kann eine Mehrzahl von ersten Fluoreszenz-Detektionseinrichtungen, zweiten Fluoreszenz-Detektionseinrichtungen, dritten Fluoreszenz-Detektionseinrichtungen und/oder Compton-Detektionseinrichtungen vorhanden sein, die symmetrisch zum Röntgenstrahl angeordnet sind. Dadurch lassen sich Welligkeiten des Prüfobjektes oder Justagefehler ausgleichen.
- Die Bestimmung des Eisenanteils in der Zinkschicht ist wichtig, damit anschließend die Dicke der Zinkschicht genauer bestimmt werden kann.
- Die Mitte des ersten Winkelsegments bzw. das erste Winkelsegment kann sich in einem Bereich von etwa 45° bis etwa 90° gegenüber der Oberfläche des Prüfobjektes befinden. Vorzugsweise befindet sich die Mitte des ersten Winkelsegments bzw. das erste Winkelsegment in einem Bereich von etwa 60° bis etwa 85°, höchstvorzugsweise in einem Bereich von etwa 70° bis etwa 80°, gegenüber der Oberfläche des Prüfobjektes. In diesem Winkelbereich kann sowohl die Compton-Streuung als auch die Fluoreszenz-Strahlung der Eisenatome ermittelt werden.
- Die auf das Prüfobjekt abgegebene Röntgenstrahlung befindet sich in einem Energiebereich von niedriger als etwa 50 keV. Zum Erzeugen der Compton-Streuung befindet sich die primäre Röntgenstrahlung in einem Energiebereich von etwa 35 keV bis etwa 45 keV, höchstvorzugsweise in einem Bereich von etwa 39 keV bis etwa 41 keV. Die Zink-K-Alpha-Linie aufgrund der Fluoreszenz befindet sich bei etwa 8,6 keV. Die Compton-Streuung befindet sich in einem Energiebereich von etwa 25 bis etwa 40 keV. Unter dem ersten Winkelsegment wird sowohl die Compton-Streuung als auch die erste Fluoreszenz-Strahlung aufgrund von Eisen im Prüfobjekt ermittelt. Dadurch kann die Dicke der Zinkschicht über der Eisenschicht ermittelt werden. Ist die Zinkschicht dünn, beispielsweise dünner als 250 g/m2, ist das Signal aufgrund der ersten Fluoreszenzstrahlung besser geeignet, die Dicke der Zinkschicht zu ermitteln. Ist die Zinkschicht vergleichsweise dick, beispielsweise dicker als 250 g/m2, ist das Signal aufgrund der Compton-Streuung besser geeignet, um die Dicke der Zinkschicht zu ermitteln.
- Die Mitte des zweiten Winkelsegments bzw. das zweite Winkelsegment kann sich in einem Bereich von etwa 0° bis etwa 45°, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10° bis 40°, höchstvorzugsweise in einem Bereich kleiner 35° zur Oberfläche des Prüfobjektes befinden. Die Mitte des zweiten Winkelsegments bzw. das zweite Winkelsegment kann sich bei etwa 30°, vorzugsweise in einem Bereich niedriger als 30° gegenüber der Oberfläche des Prüfobjektes befinden.
- An der ersten Fluoreszenz-Detektionseinrichtung kann eine Eisenschicht angeordnet sein, die die Eisen-Fluoreszenzstrahlung durchläuft. Die Eisenschicht kann eine Eisenfolie mit einer Dicke von etwa 25 μm +/– 5 μm sein. Durch die Eisenschicht wird die unerwünschte Zink-Fluoreszenzstrahlung unterdrückt.
- Zumindest eine der Fluoreszenz-Detektionseinrichtungen und/oder die Compton-Detektionseinrichtung kann eine dispersive Ionisationskammer sein. Die dispersive Ionisationskammer umfasst zumindest zwei Ionisationsräume, die je eine oder mehrere Ausleseelektroden aufweisen. Die Ionisationsräume sind so hintereinander angeordnet, dass der in Richtung des Strahls vordere Ionisationsraum ein Absorptionsmedium für den in Strahlrichtung dahinter liegenden Ionisationsraum darstellt. Die Ionisationsräume sind getrennt voneinander auslesbar. Jeder Ionisationsraum umfasst eine eigene Sammelelektrode. Die Strahlung muss die einzelnen Ionisationsräume nacheinander durchlaufen. Dadurch werden leicht absorbierbare Komponenten bzw. Spektren der Strahlung bevorzugt in den vorderen Ionisationsräumen der dispersiven Ionisationskammer durch Ionisation in ein elektrisches Signal gewandelt. Härtere Strahlung bzw. ein höher energetisches Spektrum wird in einem erheblichen Ausmaß auch in hinteren Ionisationsräumen gewandelt. Dadurch lässt sich aufgrund der in den unterschiedlichen Ionisationsräumen in ein elektrisches Signal gewandelten Strahlung der spektrale Aufbau der Strahlung ermitteln. Die Ionisationsräume können sich in einer Kammer befinden, die mit einem geeigneten Gas, beispielsweise einem Edelgas, vorzugsweise Krypton und/oder Argon gefüllt ist. Die Anmelderin behält sich vor, auf diesen Aspekt der Erfindung ein separates Schutzbegehren zu richten.
- Es wird auch die Verwendung einer dispersiven Ionisationskammer bei der Materialprüfung offenbart. Die Compton-Detektionseinrichtung und die erste Fluoreszenz-Detektionseinrichtung können integral beispielsweise durch eine dispersive Ionisationskammer ausgebildet werden. Die zweite Fluoreszenz-Detektionseinrichtung und die dritte Fluoreszenz-Detektionseinrichtung können integral beispielsweise durch eine dispersive Ionisationskammer ausgebildet sein. Der Begriff „integral” ist so aufzufassen, dass er durch eine Komponente realisiert und/oder einstückig bedeutet.
- Die erste Auswerteeinrichtung kann exemplarisch dazu ausgebildet sein, einen gewichteten Mittelwert aus der Fluoreszenzstrahlung und der Compton-Streuung zu berechnen, um die Dicke der Zinkschicht zu bestimmen. Die erste Auswerteeinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Dicke der Zinkschicht lediglich aus der ersten Fluoreszenzstrahlung zu ermitteln, falls die Dicke der Zinkschicht einen ersten Schwellenwert unterschreitet. Die erste Auswerteeinrichtung kann die Dicke der Zinkschicht lediglich aus der Compton-Streuung ermitteln, falls die Dicke der der Zinkschicht einen zweiten Schwellenwert überschreitet. Die erste Auswerteeinrichtung kann die Dicke der Zinkschicht aus der ersten Fluoreszenzstrahlung und der Compton-Streuung berechnen, falls sich die Dicke der Zinkschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellenwert befindet. Da die erste Auswerteeinrichtung sowohl die erste Fluoreszenzstrahlung als auch die Compton-Streuung zum Ermitteln der Dicke der Zinkschicht verwendet, können die Genauigkeit und die Konsistenz der Messergebnisse erhöht werden. Ferner kann ein breiter Messbereich ausgewertet werden.
- Die erste Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, die Dicke der Zinkschicht rekursiv aus der ersten Fluoressenzstrahlung und der Compton-Streuung zu ermitteln. Die erste Auswerteeinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Dicke der Zinkschicht rekursiv aus der ersten Fluoreszenzstrahlung zu ermitteln, falls die Dicke der Zinkschicht einen ersten Schwellenwert unterscheidet. Die erste Auswerteeinrichtung kann die Dicke der Zinkschicht aus der Compton-Streuung rekursiv ermitteln, falls die Dicke der Zinkschicht einen zweiten Schwellenwert überschreitet. Die erste Auswerteeinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Dicke der Zinkschicht rekursiv aus der ersten Fluoreszenzstrahlung und der Compton-Streuung zu ermitteln, falls sich die Dicke der Zinkschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellenwert befindet. Aufgrund dieser Auswertung kann einerseits die Konsistenz der Messergebnisse verbessert werden und andererseits der Messbereich erhöht werden.
- Die erste Auswerteeinrichtung kann dazu ausgebildet sein, beim Ermitteln der Dicke der Zinkschicht den Eisenanteil in der Zinkschicht zu berücksichtigen. Dadurch ergibt sich eine besonders genaue Bestimmung der Dicke der Zinkschicht.
- Die Erfindung offenbart auch eine Vorrichtungzum Ermitteln der Dicke einer Zinkschicht auf einer Eisenschicht eines Prüfobjektes und zum Ermitteln des Eisenanteils in einer Zinkschicht auf einer Eisenschicht des Prüfobjektes. Röntgenstrahlung wird auf das Prüfobjekt mit der Zinkschicht auf der Eisenschicht, beispielsweise unter einem Winkel von etwa 90° bezogen auf die Oberfläche des Prüfobjektes, emittiert. Eine erste Fluoreszenzstrahlung aufgrund von Eisen im Prüfobjekt wird bestimmt, die unter einem ersten Winkelsegment von dem Prüfobjekt gestreut wird. Ferner wird eine zweite Fluoreszenzstrahlung aufgrund von Eisen bestimmt, die unter einem zweiten Winkelsegment von dem Prüfobjekt gestreut wird. Es wird eine dritte Fluoreszenzstrahlung aufgrund von Zink im Prüfobjekt bestimmt, die unter einem zweiten Winkelsegment von dem Prüfobjekt gestreut wird. Es wird eine Compton-Streuung aufgrund von Eisen im Prüfobjekt bestimmt, die unter einem ersten Winkelsegment von dem Prüfobjekt gestreut wird. Der Eisenanteil in der Zinkschicht wird aus der ersten Fluoreszenzstrahlung, der zweiten Fluoreszenzstrahlung und der dritten Fluoreszenzstrahlung ermittelt. Die Dicke der Zinkschicht auf der Eisenschicht des Prüfobjektes wird aus der ersten Fluoreszenzstrahlung und der Compton-Streuung ermittelt.
- Der Schritt des Ermittelns der Dicke der Zinkschicht kann den Schritt des Ermittelns des gewichteten Mittelwertes aus der ersten Fluoreszenzstrahlung und der Compton-Strahlung umfassen. Der Schritt des Ermittelns der Dicke der Zinkschicht kann den Schritt des iterativen Verarbeitens der ersten Fluoreszenzstrahlung und der Compton-Streuung umfassen. Der Schritt des Ermittelns der Dicke der Zinkschicht kann den Schritt des Berücksichtigens des Eisenanteils der Zinkschicht umfassen.
- Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, die nicht einschränkend auszulegende Ausführungsbeispiele zeigen, detaillierter beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht einer Zinkschichtdickenermittlungsvorrichtung; -
2 die relativen Intensitäten der Rückstreuung der Fluoreszenzstrahlung sowie der Compton-Streuung als Funktion der Dicke der Zinkschicht; -
3 Messkurven der Ionisationskammern der Zinkschichtdickenermittlungsvorrichtung; -
4 eine schematische Ansicht der Eisenanteilermittlungsvorrichtung; -
5 bis7 Ansichten einer dispersiven Ionisationskammer aus unterschiedlichen Perspektiven; und -
8 die Stärke der Ionisation als Funktion der Eindringtiefe in die dispersive Ionisationskammer. - Es wird auf
1 Bezug genommen, die eine Zinkschichtdickenermittlungsvorrichtung1 zeigt. Die Zinkschichtdickenermittlungsvorrichtung1 ist dazu ausgebildet, die Dicke einer Zinkschicht18a auf einer Eisenschicht18b eines Prüfobjekts18 , beispielsweise Bandstahl, zu ermitteln. Eine Röntgenquelle2 emittiert einen Röntgenstrahl14 , der durch ein Vorfilter12 aus Zink verläuft. Das Vorfilter hat eine Dicke von etwa 1 μm bis etwa 10 μm. Der Röntgenstrahl14 trifft etwa senkrecht auf die Zinkschicht18a und die Eisenschicht18b des Prüfobjektes18 auf. Das Prüfobjekt18 ist in der schematischen Darstellung in1 gegenüber der Zinkschichtdickenermittlungsvorrichtung1 vergrößert dargestellt. - Der Röntgenquelle
2 wird eine Hochspannung über eine Hochspannungseinrichtung20 zugeführt. Ein Wärmetauscher30 führt die in der Hochspannungseinrichtung20 entstehende Abwärme an die Umgebung ab. Die Röntgenquelle2 umfasst eine Blende34 , die den Querschnitt des Röntgenstrahls auf das gewünschte Maß von etwa 25 mm × etwa 80 mm einstellt. Der primäre Röntgenstrahl14 durchläuft ein Messfenster32 , bevor er auf dem Prüfobjekt18 auftrifft. - Eine erste Ionisationskammer
4 ist als erste Fluoreszenz-Detektionseinrichtung ausgebildet. Eine zweite Ionisationskammer4' ist auch als erste Fluoreszenz-Detektionseinrichtung ausgebildet. Eine dritte Ionisationskammer6 und eine vierte Ionisationskammer6' bilden eine Compton-Detektionseinrichtung. Die Ionisationskammern sind vorzugsweise mit dem Edelgas Krypton gefüllt, das eine vergleichsweise hohe Empfindlichkeit für Strahlung mit einer Energie von mehr als etwa 25 keV sicherstellt. Die erste Ionisationskammer4 und die zweite Ionisationskammer4' sind symmetrisch zum Röntgenstrahl14 angeordnet. Auch die dritte Ionisationskammer6 und die vierte Ionisationskammer6' sind symmetrisch zum Röntgenstrahl14 angeordnet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass Justagefehler und Welligkeiten des Prüfobjektes18 eliminiert werden können. - Vom Prüfobjekt
18 wird Fluoreszenzstrahlung und Compton-Strahlung durch das Messfenster32 zu den Ionisationskammern4 ,4' ,6 und6' als sekundäre Röntgenstrahlung gestreut. Vor den Messfenstern der Ionisationskammern4 ,4' ,6 und6' befindet sich eine Eisenfolie8 mit einer Dicke von etwa 25 μm +/– 5 μm. Diese Eisenfolie8 stellt sicher, dass die K-Alpha-Linie des Zink bei etwa 8,6 keV gedämpft wird. Diese Fluoreszenzstrahlung des Zinks ist bei der Messung der Dicke der Zinkschicht unerwünscht. Die K-Alpha-Linie des Eisen bei etwa 6,4 keV kann das Eisenfilter8 passieren. Vor dem Messfenster der Compton-Detektionseinrichtung6 befindet sich eine Nickelfolie mit einer Dicke von etwa 13 μm ±/– 4 μm. Die Nickelfolie10 wandelt die Fluoreszenzstrahlung des Eisens in Fluoreszenzstrahlung von Nickel um. Die Fluoreszenzstrahlung des Nickels wird von dem sich in Strahllaufrichtung dahinter befindenden Eisen-Filter8 effizient unterdrückt. Somit werten die dritte und die vierte Ionisationskammer6 ,6' hauptsächlich die Compton-Streuung vom Eisen aus. - Die Röntgenquelle
2 und die Ionisationskammern4 ,4' ,6 ,6' sind an eine erste Auswerteeinrichtung24a in einer Steuerungseinrichtung24 angeschlossen. An die Steuerungseinrichtung24 sind auch eine Eingabeeinrichtung22 und eine Ausgabeeinrichtung28 angeschlossen. Ferner umfasst die Steuerungseinrichtung24 eine Schnittstelle26 zum Anschluss an ein Prozessleitsystem. Die erste Auswerteeinrichtung24a kann der Hochspannungseinrichtung20 einen Hochspannungswert übermitteln, der angibt, mit welcher Spannung die Röntgenquelle2 versorgt werden muss. - Im Folgenden wird die Funktionsweise der ersten Ausführungsform der Vorrichtung beschrieben. Die Erfindung betrachtet eine Rückstreuung von Röntgenstrahlung in einem Energiebereich von niedriger als etwa 50 keV. Es ist bekannt, dass eine Rückstreuung im Röntgenbereich, die sich aus verschiedenen Anteilen zusammensetzen kann, stattfindet, wenn ein Körper mit Röntgenstrahlung bestrahlt wird.
- Bei einem Prüfobjekt aus verzinktem Stahl ergeben sich die im Folgenden betrachteten Arten von Rückstreuung. Die Röntgenfluoreszenz basiert auf der Anregung von Atomen durch die primäre Röntgenstrahlung
14 . Die angeregten Atome springen wieder in ihren Grundzustand zurück und geben dabei eine charakteristische Röntgenstrahlung ab, die in einem Energiebereich von etwa einigen keV liegt. Die K-Alpha-Linie von Eisen18b liegt bei etwa 6,4 keV und die K-Alpha-Linie von Zink18a liegt bei etwa 8,6 keV. Bei dem bei dieser Ausführungsform betrachteten Prüfobjekt18 nimmt die Intensität der Eisenlinie aufgrund der Abschattung durch eine zunehmende Auflage aus Zink18a ab. Die Intensität der Zinklinie nimmt zu. Die Materialtiefe, aus der die Fluoreszenzstrahlung in die Ionisationskammer gelangen kann, entspricht etwa der Absorptionslänge der emittierten Strahlung in dem bestrahlten Material. Die Beobachtungstiefe, d. h. der Messbereich, entspricht einem mehrfachen der Absorptionslänge von etwa 0 bis etwa 40 μm. Daraus ergibt sich in der Praxis ein Messbereich von etwa 0 bis etwa 350 g/m2, falls Röntgenfluoreszenzstrahlung verwendet wird, um die Dicke der Zinkschicht18a zu ermitteln. - Eine zweite Möglichkeit zum Bestimmen der Dicke der Zinkschicht
18a auf dem Eisen18b ist die Auswertung der Compton-Rückstreuung. Die Compton-Streuung ist die Streuung von Röntgenstrahlung an schwach gebundenen Elektronen im bestrahlten Material. Die Compton-Streuung wird mit einer Energie zurückgestreut, die der Energie des einfallenden Röntgenquants abzüglich der Stoßenergie des Elektrons entspricht. Bei einer technischen Anwendung beträgt die Energie der zurückgestreuten Compton-Strahlung mehr als 20 keV, insbesondere etwa 25 keV bis etwa 40 keV. Die Intensität der Compton-Rückstreuung hängt von der Art des Materials ab, da die Röntgenstrahlung in unterschiedlichen Materialien unterschiedlich absorbiert wird. Zink und Eisen absorbieren Röntgenstrahlung etwa gleichstark. Die Compton-Streuung von Zink und Eisen unterscheidet sich, weil die Zinkschicht18a weniger Elektronen und damit Streuzentren aufweist. Die Intensität der Compton-Streuung nimmt mit zunehmender Dicke der Zinkschicht leicht ab. - Die Absorptionslänge der Compton-Streuung im bestrahlten Material ist höher als 100 μm in Abhängigkeit der Energie der primären Photonen. Daraus ergibt sich, dass die Beobachtungstiefe in der Größenordnung von mehr als 100 μm liegt. Es ergibt sich ein Messbereich von etwa 800 g/m2, der durch eine höhere Energie der Röntgenstrahlung erhöht werden kann, beispielsweise auf bis zu 1000 g/m2.
- Neben dem Compton-Effekt, der auf der inelastischen Streuung gebundener Elektronen beruht, tritt auch eine elastische Streuung an den Atomen, d. h. Rayleigh-Streuung, auf. Die Streuung an dem Atomverband bzw. an den einzelnen Atomen hat ähnliche energetische Eigenschaften wie die Compton-Streuung. Da sich die energetischen Verhältnisse und die Wirkung dieser Prozesse analog zum Compton-Effekt verhalten, werden diese Prozesse im Kontext der vorliegenden Erfindung unter dem Compton-Effekt subsummiert.
-
2 zeigt die relativen Intensitäten der Rückstreuung am Prüfobjekt18 für Fluoreszenzstrahlung und Compton-Streuung, in Abhängigkeit von der Auflage an Zink. Die Linie102 zeigt die Fluoreszenz von Zink, die Linie104 zeigt die Compton-Streuung an Elektronen der Eisenatome und die Linie106 zeigt die Fluoreszenz aufgrund von Eisen. Die Fluoreszenzstrahlung von Zink102 wird bei der Ermittlung der Dicke der Zinkschicht unterdrückt, da sie sich auf einem ähnlichen Energieniveau wie die Fluoreszenzstrahlung von Eisen befindet und eine zu dieser gegenläufige Steigung aufweist. - Erfindungsgemäß werden zur Ermittlung der Dicke der Zinkschicht
18a sowohl die Röntgenfluoreszenz als auch die Rückstreuung bei höheren Röntgenenergien, beispielsweise der Compton-Streuung, verwendet. Zur Ermittlung der Dicke der Zinkschicht18a werden unterschiedliche physikalische Effekte kombiniert, beispielsweise die Röntgenfluoreszenz und die höher energetische Strahlung, beispielsweise die Compton-Streuung. - Da die Fluoreszenzstrahlung und die Compton-Streuung unterschiedliche Beobachtungstiefen aufweisen, wie zuvor diskutiert wurde, kann durch die Kombination der beiden Effekte eine Zinkschichtdickenermittlungsvorrichtung
1 entwickelt werden, die die Dicke der Zinkschicht18a über einen großen Bereich mit einer guten Genauigkeit ermittelt werden. Die Dicke der Zinkschicht kann in einem Bereich von etwa 0 bis etwa 800 g/m2 und auch bis etwa 1000 g/m2 ermittelt werden. Mit diesem Messbereich können die Dicken der Zinkschicht aller derzeit verwendeten Bandmaterialien mit einer Feuerverzinkung gemessen werden. - Die Erfindung erzeugt mit lediglich einem Primärstrahl
14 mehrere Sekundärstrahlen, d. h. Eisen-Fluoreszenzstrahlung und Sekunderstrahlung aufgrund des Compton-Effektes. - Die erste Ionisationskammer
4 und die zweite Ionisationskammer4' erfassen die Eisen-Fluoreszenzstrahlung106 . Die Eisenfluoreszenzstrahlung nimmt mit steigender Zinkauflage ab und wird bei einer Auflage von etwa 300 g/m2 bis etwa 350 g/m2 nahezu vollständig gedämpft. Mit der ersten Ionisationskammer4 und der zweiten Ionisationskammer4' können Zinkauflagen bis etwa 350 g/m2 ermittelt werden. Die dritte Ionisationskammer6 und die vierte Ionisationskammer6' ermitteln die höher energetische Strahlung, beispielsweise aufgrund der Compton-Streuung. Es versteht sich, dass die dritte Ionisationskammer6 und die vierte Ionisationskammer6' weitere Anteile an Streuung, beispielsweise die Streuung an den Atomen, erfasst. Auch die Compton-Streuung nimmt mit steigender Zinkauflage ab. Da sich die Compton-Streuung auf einem höheren Energieniveau befindet, weist sie eine höhere Eindringtiefe und folglich eine geringere Dämpfung aufgrund des Zinkmaterials auf. Mittels des Compton-Effekts kann eine Zinkauflage mit einer Dicke bis zu 800 g/m2 bzw. etwa 1000 g/m2 erfasst werden. - Die erste und die zweite Ionisationskammer
4 ,4' ist besonders für die Messung niedriger Zinkauflagen18a geeignet, wohingegen die dritte und vierte Ionisationskammer6 ,6' insbesondere für die Messung dicker Zinkschichten geeignet ist. - In
3 zeigt die Linie110 die Signalintensität der ersten und zweiten Ionisationskammer4 ,4' in Abhängigkeit von der Zinkauflage. Die Linie108 zeigt die Signalintensität der dritten und vierten Ionisationskammer6 ,6' . Es ist zu erkennen, dass aufgrund der unterschiedlichen Filter8 ,10 die Ionisationskammern unterschiedliche Strahlungstypen messen, da sie in unterschiedlichen Energiebereichen eine Empfindlichkeit aufweisen. Die erste und zweite Ionisationskammer4 ,4' weist in einem vergleichsweise niedrigenergetischen Niveau eine Empfindlichkeit auf, um die Fluoreszenzstrahlung von Eisen zu messen. Die dritte und vierte Ionisationskammer6 ,6' weist eine Empfindlichkeit in einem vergleichsweise hochenergetischen Bereich auf, um die Compton-Streuung von Eisen zu messen. Aufgrund der Steigung des Signals110 der ersten und zweiten Ionisationskammer4 ,4' kann dieses Signal zum Ermitteln der Auflage an Zink in einem Bereich von 0 bis etwa 350 g/m2 verwendet werden. - Das Signal der dritten und vierten Ionisationskammer
6 ,6' kann in einem Bereich von etwa 200 g/m2 bis etwa 800 g/m2 verwendet werden, um die Dicke der Zinkschicht zu ermitteln. - Die erste Auswerteeinrichtung
24a kann dazu ausgebildet sein, bei einer Zinkauflage von weniger als einem vorbestimmten Schwellenwert, beispielsweise etwa 250 g/m2, lediglich das Messsignal aufgrund der Eisen-Fluoreszenzstrahlung zu verwenden, das mittels der ersten und zweiten Ionisationskammer4 ,4' erfasst wird. Die erste Auswerteeinrichtung24a kann dazu ausgebildet sein, in einem Bereich oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes für die Zinkauflage, beispielsweise mehr als etwa 250 g/m2, lediglich die Compton-Streuung auszuwerten, die von der dritten und vierten Ionisationskammer6 ,6' erfasst wird. - Die erste Auswerteeinrichtung
24a kann dazu ausgebildet sein, der Hochspannungseinrichtung20 eine niedrigere an die Röntgenquelle2 zu liefernde Hochspannung vorzugeben, falls sich die Dicke des Prüfobjektes unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes befindet. Die erste Auswerteeinrichtung24a kann die Hochspannungseinrichtung20 anweisen, eine höhere Spannung an die Röntgenquelle2 zu liefern, falls die Dicke des Bleches einen Schwellenwert überschreitet. Die niedrigere Röntgenspannung bzw. Hochspannung kann etwa 30 kV und die höhere Röntgenspannung bzw. Hochspannung kann etwa 40 kV betragen. Dadurch kann vermieden werden, dass dünne Materialien durchleuchtet werden. Dünne Materialien weisen in der Regel eine dünnere Zinkschicht auf. - Die erste Auswerteeinrichtung
24a verwendet sowohl die Eisen-Fluoreszenzstrahlung als auch die Compton-Streuung, um die Dicke des Zinkauftrages zu ermitteln. In diesem Fall weist die erste Auswerteeinrichtung24a die Hochspannungseinrichtung20 an, die Röntgenquelle2 mit der höheren Hochspannung, beispielsweise 40 kV anzusteuern. Befindet sich der Zinkauftrag unterhalb eines ersten Schwellenwerts, wird die Dicke des Zinkauftrages lediglich durch die Eisen-Fluoreszenzstrahlung ermittelt. Befindet sich die Dicke des Zinkauftrages über einem zweiten Schwellenwert, wird die Dicke des Zinkauftrages lediglich mittels der Compton-Streuung verwendet. Befindet sich die Dicke des Zinkauftrages zwischen dem ersten und zweiten Schwellenwert, wird sowohl die Eisen-Fluoreszenzstrahlung als auch die Compton-Streuung verwendet, um die Dicke des Zinkauftrages zu bestimmen. - Die erste Auswerteeinrichtung
24a kann die Dicke des Zinkauftrages lediglich mittels der Eisen-Fluoreszenzstrahlung bestimmen, falls sich die Eisen-Fluoreszenzstrahlung und/oder die Compton-Streuung über einem ersten Schwellenwert befinden. Die erste Auswerteeinrichtung24a kann die Dicke des Zinkauftrages lediglich mittels der Compton-Streuung ermitteln, falls sich die Eisen-Fluoreszenzstrahlung und/oder die Compton-Streuung unter einem zweiten Schwellenwert befinden. Die erste Auswerteeinrichtung24a kann sowohl die Eisen-Fluoreszenzstrahlung als auch die Compton-Streuung verwenden, um die Dicke des Zinkauftrages zu ermitteln, falls sich die Eisen-Fluoreszenzstrahlung und/oder die Compton-Streuung zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellenwert befinden. - Die erste Auswerteeinrichtung
24a kann die Dicke des Zinkauftrages mittels einer gewichteten Mittelwertbildung aus der Eisen-Fluoreszenzstrahlung und der Compton-Streuung berechnen. Hierzu kann beispielsweise folgende Formel verwendet werdenx = μ·xc + (1 – μ)·xf; (1) - xc:
- Dickenmesswert durch die Compton-Streuung;
- xf:
- Dickenmesswert durch die Eisen-Fluoreszenzstrahlung;
- Fall 1: Auswahl aufgrund des Dickenmesswertes durch die Compton-Streuung
-
- μ = 1 für xc > erster Schwellenwert SW1;
- μ = 0 für xc < zweiter Schwellenwert SW2; und
- μ = (xc – SW1)/(SW2 – SW1) für SW1 ≥ xc ≥ SW2
- Fall 2: Auswahl aufgrund des Dickenmesswertes durch die Eisen-Fluoreszenzstrahlung:
-
- μ = 1 für xf > erster Schwellenwert SW1;
- μ = 0 für xf < zweiter Schwellenwert SW2; und
- μ = (xf – SW1)/(SW2 – SW1) für SW1 ≥ xf ≥ SW2.
- Der erste Schwellenwert kann etwa 220 g/m2 und der zweite Schwellenwert kann etwa 350 g/m2 betragen.
- Die erste Auswerteeinrichtung
24a kann die Dicke des Zinkauftrages auch mittels eines rekursiven Lösungsverfahrens ermitteln. Die erwarteten Messkurven des Messsignals in Abhängigkeit vom Zinkauftrag können in Form einer Tabelle oder Formeln Uf = ff(x) und Uc = fc(x) vorliegen. Uf ist das Signal der Eisen-Fluoreszenzstrahlung in Abhängigkeit der Dicke des Zinkauftrages x, und Uc ist das Signal aufgrund der Compton-Streuung in Abhängigkeit der Dicke x. Aus den Signalen der ersten und zweiten Ionisationskammer4 ,4' ergibt sich ein Signal Usf und aus der dritten und vierten Ionisationskammer6 ,6' ergib sich das Signal Usc. Es muss ermittelt werden, bei welcher Dicke x die Bedingungen ff(x) – Usf = 0 und fc(x) – Usc = 0 erfüllt sind. Die Nullstellen können beispielsweise mit einem Sekantenverfahren (regula falsi) bestimmt werden, das von dem Newton-Verfahren abgeleitet ist. - Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass Korrekturen der Funktionen ff(x) und fc(x), die von x abhängig sind, leicht eingefügt werden können. Dies betrifft insbesondere Abstandskorrekturen h(x, d) oder Normierungen. Die Signale U aus den Ionisationskammern sind auch abhängig vom Abstand d des Prüfobjektes von der Ermittlungseinrichtung. Diese Abhängigkeit wird zwar konstruktiv minimiert. Es verbleibt jedoch eine Restabhängigkeit h(x, d), die sowohl eine Funktion vom Abstand als auch von der Auflage x ist. Diese kann für die Ermittlungseinrichtung in einem Prüfstand ermittelt werden und ist daher als Funktion h(x, d) bekannt. Die Normierung ist eine Funktion der Auflage x und wird mit Referenzmustern durch Kalibrierung ermittelt. Beim Einrichten der Ermittlungseinrichtung nach Ihrer Fertigstellung wird eine Eichkurve erstellt. Danach ist die Normierung „1”. Im Laufe des Betriebes der Ermittlungseinrichtung erfolgt zwangsläufig eine Veränderung der Ermittlungseinrichtung durch Alterung der Komponenten oder durch Verschmutzung. Die Veränderung wird durch die Kalibrierung der Ermittlungseinrichtung durch eine Normierungsfunktion n(x) Rechnung getragen.
- Beispielsweise ergibt sich durch Messen von Mustern bekannter Auflage eine Normierungsfunktion n(x) über die Zinkauflage und diese wird mit Referenzmustern durch Kalibrierung ermittelt. Beim Einrichten der Ermittlungseinrichtung nach Ihrer Fertigstellung wird eine Eichkurve erstellt. Danach ist die Normierung „1”. Im Laufe des Betriebes der Ermittlungseinrichtung erfolgt zwangsläufig eine Veränderung der Ermittlungseinrichtung durch Alterung der Komponenten oder durch Verschmutzung. Danach ist die Normierungsfunktion eine eigenständige Funktion der Auflage. Im Falle von Legierungseinflüssen, die durch den Legierungsanteil p des zweiten Bestandteils, beispielsweise der zweiten Schicht (Eisen), parametrisiert werden, kann die ursprüngliche Funktion für die Detektorsignale U1,2 = f1,2(x) durch die Zusatzfunktionen g1,2(x, p) zusätzlich ergänzt werden. Im Fall einer Galvanneal-Auflage, also die Ermittlung des Eisengehaltes wird hier vorzugsweise ein steil stehender und ein flachstehende Detektor miteinander benutzt. Es sind bereits gute Ergebnisse zu erzielen, wenn als Zusatzfunktion die Funktionen pg1(x) bzw. pg2(x) verwendet werden können. Vorzugsweise sollte der Parameter p aus den zwei Gleichungen für U1 und U2 in eindeutiger Weise eliminiert werden können. Im Falle der oben genannten Zusatzfunktionen p·g1(x) bzw. p·g2(x) ergibt sich durch Eliminieren von p die Gleichung
g2(x)·(U1 – f1(x)) – g1(x)·(U2 – f2(x)) = 0 - Diese Gleichung ist wieder ein Nullstellenproblem und lässt sich daher mit dem oben beschriebenen Sekantenverfahren (regula falsi) lösen. Dies kann programmtechnisch in ein und derselben Sequenz passieren. Die Nullstelle xn ist bereits die Lösung für die Auflage. Der Eisengehalt p ergibt sich dann aus einer der Gleichungen zu
p = (U1 – f1(xn))/g1(xn) - Im Fall von Legierungseinflüssen, die durch den Legierungsanteil p des zweiten Bestandteils, beispielsweise der zweiten Schicht (Eisen), parametrisiert werden, kann die ursprüngliche Funktion ff(x) und fc(x) durch die Zusatzfunktionen gf(x, p) bzw. gc(x, p) zusätzlich ergänzt werden. Im Fall einer Galvanneal-Auflage, bei der die Zinkauflage und deren Eisengehalt gesucht werden, wie anschließend beschrieben wird, können sich bereits gute Ergebnisse ergeben, wenn als Zusatzfunktion die Funktionen pgf(x) bzw. pgc(x) verwendet werden können. Der Parameter p repräsentiert den Anteil an Eisen in der Zinkschicht.
- Die Zinkschichtdickenermittlungsvorrichtung kann durch Messung von 4 bis 6 Blechmustern mit einer bekannten Auflage kalibriert werden. Dazu wird die Zinkschichtdickenermittlungseinrichtung
1 mittels einer Mechanik über den Blechmustern (Referenzmustern) positioniert. Als erstes Referenzmuster wird ein Eisenblech benutzt. Ferner werden hinreichend starke Zinkbleche als Referenzmuster genutzt. Dies ergibt den Anfangspunkt der Kurve und deren Asymptote. Zusätzlich werden die Bleche aus der Produktion zum Kalibrieren verwendet, sofern sie eine hinreichende Homogenität aufweisen. Falls derartige Referenzmuster nicht vorhanden sind, können Zinkbleche verwendet werden, auf denen eine Eisenfolie (beispielsweise mit einer Stärke von 25 μm +/– 5 μm) aufgeklebt wird. Ferner können die Referenzmuster ein reines Eisenblech, ein reines Zinkblech und einen Satz von Blechen mit Zinkschichten unterschiedlicher Dicke aufweisen. -
4 zeigt eine Ermittlungsvorrichtung50 , die dazu ausgebildet ist, die Dicke einer Zinkschicht18a auf einer Eisenschicht18b und den Eisenanteil18c in der Zinkschicht18a auf der Eisenschicht18b zu ermitteln. Die Ermittlungsvorrichtung50 umfasst alle Komponenten der zuvor beschriebenen Zinkschichtdickenermittlungsvorrichtung1 , die folglich in Übereinstimmung mit der vorhergehenden Beschreibung nicht erneut beschrieben werden. - Zusätzlich umfasst die Ermittlungseinrichtung
50 eine erste dispersive Ionisationskammer52 und eine zweite dispersive Ionisationskammer52' . Die dispersive Ionisationskammern52 ,52' weisen eine Mehrzahl von Ionisationsräumen auf, die mittels einer Mehrzahl von Elektroden ausgelesen werden können. Folglich kann neben der Anzahl der in die Ionisationskammer eintretenden Teilchen auch deren Energieverteilung bestimmt werden. Die dispersiven Ionisationskammern52 ,52' bilden je eine integral ausgebildete zweite Fluoreszenz-Detektionseinrichtung und eine dritte Fluoreszenz-Detektionseinrichtung. Sowohl die erste dispersive Ionisationskammer52 als auch die zweite dispersive Ionisationskammer52' können die Fluoreszenzstrahlung von Zink und die Fluoreszenzstrahlung von Eisen erfassen. - Die erste, zweite, dritte und vierte Ionisationskammer
4 ,4' ,6 ,6' sind unter einem ersten Winkel bzw. Winkelsegment symmetrisch zum Röntgenstrahl14 angeordnet, wobei der erste Winkel größer als 70° gegenüber der Oberfläche des Prüfobjektes18 , vorzugsweise etwa 80° gegenüber der Oberfläche des Prüfobjektes ist. Die erste dispersive Ionisationskammer52 und die zweite dispersive Ionisationskammer52' sind unter einem zweiten Winkel bzw. Winkelsegment gegenüber der Oberfläche des Prüfobjektes18 angeordnet. Der zweite Winkel ist niedriger als 35°, vorzugsweise etwa 30°, höchst vorzugsweise niedriger als etwa 30°, gegenüber der Oberfläche des Prüfobjektes18 . Der Ausdruck Winkelsegment umfasst die geringfügigen Differenzen der Winkel der ersten, zweiten, dritten und vierten Ionisationskammer zu der Oberfläche des Prüfobjektes. - Die dispersiven Ionisationskammern
52 ,52' sind symmetrisch zum Röntgenstrahl14 angeordnet, damit Welligkeiten des Prüfobjektes18 oder Justagefehler ausgeglichen werden können. - Zum Ermitteln des Eisenanteils
18c in der Zinkschicht18a verwendet die zweite Ermittlungseinrichtung24b das Eisen-Fluoreszenzsignal von der ersten und zweiten Ionisationskammer4 ,4' . Ferner verwendet die zweite Auswerteeinrichtung24b den Wert der Eisen-Fluoreszenzstrahlung und Zink-Fluoreszenzstrahlung, die mit den dispersiven Ionisationskammern52 ,52' gemessen werden. - Der Eisenanteil der Zinkschicht führt zu einer Erhöhung der Eisenfluoreszenzstrahlung, zu einer Verringerung der Zinkfluoreszenzstrahlung und zu einer Erhöhung der Compton-Streuung. Leider ist dies in sehr ähnlicher Weise auch für die Verringerung der Zinkauflage der Fall. Um diese Mehrdeutigkeit aufzulösen wird die Messung durch die Beobachtung der Fluoreszenzstrahlung unter einem flachen Winkel ergänzt. Ein flacher Winkel bedeutet eine Betonung der Oberfläche, da sich die Beobachtungstiefe in der Senkrechten durch den flachen Winkel β entsprechend der Beziehung 1/cos(90 – β) verkürzt. Mit anderen Worten, unter dem flacheren Winkel wird insbesondere der Eisenanteil in der Zinkschicht durch die Detektionseinrichtungen stärker bzw. zusätzlich erfasst. Ein Vergleich zwischen der Ermittlung bei einem steileren Winkel und der Ermittlung bei einem flacheren Winkel löst die Mehrdeutigkeit auf.
- Die zweite Auswerteeinrichtung
24b kann den Eisenanteil18c in der Zinkschicht18a an die erste Auswerteeinrichtung24a übergeben, damit die Dicke der Zinkschicht18a ,18c genauer beurteilt werden kann. - Unter Bezugnahme auf
5 bis7 wird eine beispielhafte dispersive Ionisationskammer60 beschrieben.5 zeigt eine Seitenansicht der dispersiven Ionisationskammer,6 zeigt eine teilweise weggeschnittene Draufsicht auf die dispersive Ionisationskammer und7 zeigt eine Vorderansicht der dispersiven Ionisationskammer60 . Röntgenstrahlung tritt über ein Fenster72 in eine Ionisationszone70 ein, die in mehrere Ionisationsräume aufgeteilt ist. In der Ionisationszone befindet sich ein Edelgas, das durch die eintretende Röntgenstrahlung ionisiert wird. Den Ionisationsräumen ist eine Mehrzahl von Elektroden62 ,64 ,66 ,68 zugeordnet. An das Gehäuse74 der dispersiven Ionisationskammer wird eine Spannung von etwa –150 V bis etwa –300 V angelegt. - Eine durch das Fenster
72 in die dispersive Ionisationskammer60 eintretende Röntgenstrahlung passiert zuerst den Ionisationsraum, der der ersten Elektrode62 zugeordnet ist. Es folgen sukzessive weitere Ionisationsräume, die je der zweiten Elektrode64 , der dritten Elektrode66 und der vierten Elektrode68 zugeordnet sind. Niederenergetische Röntgenstrahlung wird statistisch in den Ionisationsräumen absorbiert, die sich näher am Fenster72 befinden, wohingegen höherenergetische Röntgenstrahlung statistisch in Ionisationsräumen absorbiert wird, die den weiter vom Fenster72 entfernten Elektroden zugeordnet sind. Somit ist es möglich, neben der Intensität der Strahlung auch die Energie der Strahlung zu ermitteln, da die Absorption niederenergetischer Röntgenstrahlung statistisch mit einer höheren Wahrscheinlichkeit einen Impuls an den Elektroden62 ,64 auslöst, die sich näher am Fenster72 befinden, und Röntgenstrahlung höherer Energie statistisch mit einer höheren Wahrscheinlichkeit einen Impuls an Elektroden66 ,68 auslöst, die weiter vom Fenster72 entfernt sind. Der Arbeitspunkt der dispersiven Ionisationskammer60 kann durch Auswahl eines Gases und eines Arbeitsdruckes parametrisiert werden. Jede der Elektroden kann an eine Strommesseinrichtung angeschlossen sein, die an Masse angeschlossen ist. Die Absorption der Röntgenquanten erzeugt Ladung, die von einer der Elektroden62 ,64 ,66 ,68 erfasst wird und von der Strommesseinrichtung erfasst wird, die der jeweiligen Elektrode zugeordnet ist. -
8 zeigt ein Diagramm, bei dem die Eindringtiefe der Röntgenstrahlung in die Ionisationszone70 in Abhängigkeit von der Röntgenstrahlung aufgetragen ist. In der Ionisationszone70 befindet sich Argon mit einem Druck von etwa 1,6 bar. Der Graph108 resultiert aus der Eisen-K-Alpha-Linie und aus der Eisen-K-Beta-Linie. Der flachere Graph resultiert aus der Zink-K-Alpha-Linie und der Zink-K-Beta-Linie. Da die Zink-Fluoreszenzstrahlung statistisch weiter entfernt vom Fenster72 absorbiert wird, weist sie eine höhere Energie auf als die Eisen-Fluoreszenzstrahlung. Folglich erlaubt die dispersive Ionisationskammer auch, den Strahlungstyp festzustellen. - Die Fluoreszenzdetektionseinrichtungen und die Compton-Detektionseinrichtung können durch Einzelpulszähler, beispielsweise Halbleiterzähler, implementiert werden, sofern sie ausreichend standfest sind und ausreichend resistent gegen Alterung sind.
- Die Dicke der Zinkauflage wurde in der Beschreibung in der Einheit g/m2 angegeben. Mittels folgender Formel kann die Dicke in μm umgerechnet werden:
Dicke [μm] = Auflage [g/m2]/ρSchicht; (2)
Claims (8)
- Ermittlungsvorrichtung (
50 ), die dazu ausgebildet ist, die Dicke einer Zinkschicht (18a ) auf einer Eisenschicht (18b ) eines Prüfobjektes (18 ) und den Eisenanteil (18c ) in der Zinkschicht (18a ) auf der Eisenschicht (18b ) des Prüfobjektes (18 ) zu ermitteln, mit: – einer Röntgenquelle (2 ), die Röntgenstrahlung (14 ) auf das Prüfobjekt (18 ) mit der Zinkschicht (18a ) auf der Eisenschicht (18b ) emittiert; – einer ersten Fluoreszenz-Detektionseinrichtung (4 ,4' ), die eine erste Fluoreszenzstrahlung aufgrund von Eisen (18b ) im Prüfobjekt (18 ) ermittelt, die unter einem ersten Winkelsegment vom Prüfobjekt (18 ) gestreut wird; – einer Compton-Detektionseinrichtung (6 ,6' ), die eine Compton-Streuung aufgrund von Eisen (18b ) im Prüfobjekt (18 ) ermittelt, die unter einem ersten Winkelsegment vom Prüfobjekt (18 ) gestreut wird; – einer zweiten Fluoreszenz-Detektionseinrichtung (52 ,52' ), die eine zweite Fluoreszenzstrahlung aufgrund von Eisen (18b ,18c ) im Prüfobjekt (18 ) ermittelt, die unter einem zweiten Winkelsegment vom Prüfobjekt (18 ) gestreut wird; – einer dritten Fluoreszenz-Detektionseinrichtung (52 ,52' ), die eine dritte Fluoreszenzstrahlung aufgrund von Zink (18a ) im Prüfobjekt (18 ) ermittelt, die unter einem zweiten Winkelsegment vom Prüfobjekt (18 ) gestreut wird; und – einer ersten Auswerteeinrichtung (24a ), die dazu ausgebildet ist, die Dicke der Zinkschicht (18a ) auf der Eisenschicht (18b ) des Prüfobjektes (18 ) aus der ersten Fluoreszenzstrahlung und der Compton-Streuung zu ermitteln; und – einer zweiten Auswerteeinrichtung (24b ), die dazu ausgebildet ist, den Eisenanteil (18c ) in der Zinkschicht (18a ) aus der ersten Fluoreszenzstrahlung, der zweiten Fluoreszenzstrahlung und der dritten Fluoreszenzstrahlung zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Compton-Detektionseinrichtung (6 ,6' ) eine Filteranordnung aufweist, die so ausgebildet ist, dass die von dem Prüfobjekt (18 ) aufgrund der Compton-Streuung emittierte Strahlung eine Nickelschicht (10 ) und eine Eisenschicht (8 ) durchläuft, nachdem sie von einem Prüfobjekt (18 ) gestreut wurde und bevor sie von einem Sensor der Compton-Detektionseinrichtung (6 ,6' ) erfasst wird. - Zinkschichtdickenermittlungsvorrichtung (
1 ), die dazu ausgebildet ist, die Dicke einer Zinkschicht (18a ) auf einer Eisenschicht (18b ) eines Prüfobjektes (18 ) zu ermitteln, mit: – einer Röntgenquelle (2 ), die Röntgenstrahlung (14 ) auf das Prüfobjekt (18 ) mit der Zinkschicht (18a ) auf der Eisenschicht (18b ) emittiert; – einer ersten Fluoreszenz-Detektionseinrichtung (4 ,4' ), die eine erste Fluoreszenzstrahlung aufgrund von Eisen (18b ) im Prüfobjekt (18 ) ermittelt, die unter einem ersten Winkelsegment vom Prüfobjekt (18 ) gestreut wird; – einer Compton-Detektionseinrichtung (6 ,6' ), die eine Compton-Streuung aufgrund von Eisen (18b ) im Prüfobjekt ermittelt, die unter einem ersten Winkelsegment vom Prüfobjekt (18 ) gestreut wird; und – einer ersten Auswerteeinrichtung (24a ), die dazu ausgebildet ist, die Dicke der Zinkschicht (18a ) auf der Eisenschicht (18b ) des Prüfobjektes (18 ) aus der ersten Fluoreszenzstrahlung und der Compton-Streuung zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Compton-Detektionseinrichtung (6 ,6' ) eine Filteranordnung aufweist, die so ausgebildet ist, dass die von dem Prüfobjekt (18 ) aufgrund der Compton-Streuung emittierte Strahlung eine Nickelschicht (10 ) und eine Eisenschicht (8 ) durchläuft, nachdem sie von einem Prüfobjekt (18 ) gestreut wurde und bevor sie von einem Sensor der Compton-Detektionseinrichtung (6 ,6' ) erfasst wird. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fluoressenz-Detektionseinrichtung (
4 ,4' ) und/oder die Compton-Detektionseinrichtung (6 ,6' ) eine Ionisationskammer (52 ,52' ) aufweist. - Vorrichtung (
1 ,50 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich das erste Winkelsegment in einem Bereich von etwa 45° bis etwa 90° befindet und/oder sich das zweite Winkelsegment in einem Bereich von etwa 0° bis etwa 45° befindet. - Vorrichtung (
1 ,50 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Fluoreszenz-Detektionseinrichtungen und/oder die Compton-Detektionseinrichtung eine dispersive Ionisationskammer (52 ,52' ) aufweist. - Vorrichtung (
1 ,50 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Auswerteeinrichtung (24a ) dazu ausgebildet ist, einen gewichteten Mittelwert aus der ersten Fluoreszenzstrahlung und der Compton-Streuung zu berechnen, um die Dicke der Zinkschicht (18a ) zu bestimmen. - Vorrichtung (
1 ,50 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Auswerteeinrichtung (24a ) dazu ausgebildet ist, die Dicke der Zinkschicht (18a ) rekursiv aus der ersten Fluoreszenzstrahlung und der Compton-Streuung zu ermitteln. - Vorrichtung (
1 ,50 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Auswerteeinrichtung (24a ) dazu ausgebildet ist, beim Ermitteln der Dicke der Zinkschicht (18a ) den Eisenanteil (18c ) im Zink zu berücksichtigen.
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