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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Korrigieren einer Abweichung eines in einer Röntgenanlage gemessenen Dickenwerts einer Probe in Bezug zu einem Kalibrierwert.
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In Röntgenanlagen können Dicken von eingeführten Werkstoffen oder Proben gemessen werden. Die gemessene Dicke variiert allerdings in Abhängigkeit einer Spannung der Röntgenanlage, wobei bei kleineren Spannungen eine Abweichung zu höheren Dicken und bei höheren Spannungen eine Abweichung zu kleineren Dicken feststellbar ist. Diese spannungsabhängigen Dickenabweichungen können korrigiert werden, wobei bei bisherigen Verfahren davon ausgegangen wird, dass sich bei Änderung eines Spektrums der Röntgenanlage infolge der Spannungsänderung der Absorptionskoeffizient μ ändert. Dieses Verfahren erlaubt eine zuverlässige Korrektur bei kleinem Dickenbereich, bei größerem Dickenbereich der zu untersuchenden Probe ist jedoch die Abweichung immer noch sehr groß.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mittels derer auch bei einem größeren Dickenbereich eine zuverlässige Korrektur von gemessenen Dickenwerten erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein Verfahren zum Korrigieren einer Abweichung eines in einer Röntgenanlage gemessenen Dickenwerts einer Probe in Bezug zu einem Kalibrierwert umfasst einen Kalibrierschritt. In diesem Kalibrierschritt werden mindestens drei Proben unterschiedlicher, aber bekannter Dicke und eine Referenzprobe bekannter Dicke bei mindestens drei verschiedenen Spannungswerten einer Röntgenröhre der Röntgenanlage hinsichtlich ihrer Dicke vermessen, also eine Dickenmessung durchgeführt. Aus den gemessenen Dicken wird jeweils ein korrigierter Dickenwert für jeden Spannungswert und jede Probe ermittelt. Der korrigierte Dickenwert ist ein Produkt aus dem gemessenen Dickenwert und einem Quotienten aus einem bei einer Kalibrierung der Röntgenanlage ermittelten Dickenwert der Referenzprobe und einem bei einem Abgleich ermittelten Dickenwert der Referenzprobe. Anschließend wird für jede der drei Proben ein Korrekturfaktor gebildet, der von einer durch eine Spannungsänderung verursachten Abweichung der jeweiligen Dickenwerte von dem bekannten Dickenwert und einer durch die Spannungsänderung verursachten Abweichung des Dickenwerts der Referenzprobe von dem bekannten Dickenwert der Referenzprobe abhängt. Aus den ermittelten Korrekturfaktoren der verschiedenen Proben wird ein Polynom mindestens dritten Grades bestimmt, das den dickenabhängigen Korrekturfaktor beschreibt. (Nach dem Kalibrierschritt wird in einem Messschritt eine Dicke einer zu messenden Probe bestimmt und eine tatsächliche Dicke auf Grundlage des während des Kalibrierschritts ermittelten Polynoms bestimmt.
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Durch die Korrektur über den bestimmten Dickenwert und die weitergehende Korrektur unter Berücksichtigung der Dickenabhängigkeit kann eine resultierende Abweichung minimiert werden, so dass auch bei Proben, deren Dicke wesentlich, beispielsweise mindestens um einen Faktor 2, von der Referenzprobe abweicht, zuverlässige Messungen durchgeführt werden können. Die Anzahl der hierfür benötigten Proben, aus denen das Polynom des dickenabhängigen Korrekturfaktors bestimmt wird, ist vergleichsweise gering, so dass das Verfahren schnell und effizient durchgeführt werden kann. Die Referenzprobe liegt typischerweise mittig in einem zu untersuchenden Dickenbereich, um so ausreichend Abstand zu größeren wie auch zu kleineren Dickenwerten zu haben, Durch das Polynom, das einen Wert des Dickenkorrekturfaktors für jeden Dickenwert vorgibt, können Proben im Messschritt zuverlässig gemessen und ein erhaltener Dickenwert korrigiert werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Korrekturfaktor durch einen ersten Quotienten bestimmt ist, bei dem eine Differenz des bei einem größten Spannungswert und einem kleinsten Spannungswert gemessenen Dickenwerts den Zähler bildet und der bei einem zwischen dem größten Spannungswert und dem kleinsten Spannungswert liegenden Spannungswert gemessenen Dickenwerts den Nenner bildet. Der erste Quotient wird zur Bildung des Korrekturfaktors mit einem zweiten Quotienten multipliziert, bei dem der bei einem zwischen dem größten Spannungswert und dem kleinsten Spannungswert liegenden Spannungswert gemessene Dickenwert der Referenzprobe den Zähler bildet und eine Differenz des bei einem größten Spannungswert und einem kleinsten Spannungswert gemessenen Dickenwerts der Referenzprobe den Nenner bildet. Durch die Verwendung von drei unterschiedlich großen Spannungswerten der Röntgenröhre erhält man eine unterschiedlich starke Abweichung des gemessenen von dem tatsächlichen Dickenwerts. Durch eine Differenzbildung und Normierung auf einen mittleren der drei Werte wird der Korrekturfaktor gut an tatsächliche Abweichungen angenähert.
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Die in dem Messschritt bestimmte Dicke kann bestimmt sein durch dkorr = dmeas·(1 + ( drk / dra – 1)·Σ n / i=0ki·dmeasi), wobei dmeas den gemessenen Dickenwert, drk den Dickenwert der Referenzprobe bei der Kalibrierung, dra den Dickenwert der Referenzprobe bei einem zuletzt erfolgten Abgleich, ki Koeffizienten des Polynoms mindestens dritter Ordnung bezeichnen und i eine natürlich Zahl ist. Diese Formel erlaubt ausgehend von einer einfachen Dickenkorrektur eine genauere Anpassung der Abweichung durch Bezugnahme auf die Korrekturfaktoren.
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Der mittlere Spannungswert der mindestens drei Spannungswerte weist typischerweise einen betragsmäßig gleich großen Abstand zu dem kleinsten Spannungswert und zu dem größten Spannungswert auf. Durch gleich große Abstände wird eine Umrechnung erleichtert und systematische Fehler durch verschieden Abstände reduziert.
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Der Abstand zwischen dem mittleren Spannungswert und dem größten Spannungswert bzw. zwischen dem mittleren Spannungswert und dem kleinsten Spannungswert kann 0,5 Prozent des mittleren Spannungswerts betragen. Durch verhältnismäßig kleine Variation des Spannungswerts, die auch bei tatsächlichen Messungen auftreten kann, kann das Verfahren schnell durchgeführt werden und die Röntgenröhre wird nicht durch stark unterschiedliche Betriebsbedingungen belastet.
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Zum verbesserten Anpassen bzw. Fitten des Polynoms können mindestens sechs, typischerweise jeweils voneinander in ihrer Dicke verschiedene Proben verwendet werden.
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Alternativ oder zusätzlich können die Proben eine Dicke zwischen 10 μm bis 40 mm, vorzugsweise zwischen 20 μm bis 10 mm, besonders vorzugsweise zwischen 30 μm bis 1 mm aufweisen und liegen somit im typischen Dickenbereich von Folien oder gewalzten Blechen, die bei der Fertigung mittels Röntgenstrahlung auf ihre Dicke und Abweichung von einem vorgegebenen Dickenwert überprüft werden.
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Die mindestens drei Spannungswerte der Röntgenanlage können in einem Bereich zwischen 6 kV und 160 kV, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 8 kV und 80 kV, besonders vorzugsweise in einem Bereich zwischen 8 kV und 40 kV liegen, um gängige Betriebsspannungen bei der Dickenmessung abzudecken.
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Eine Vorrichtung zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens weist eine Röntgenanlage mit einer Röntgenröhre, einem Röntgendetektor und einer elektronischen Recheneinheit auf. Die elektronische Recheneinheit ist eingerichtet, das beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Die Vorrichtung kann auch einen, vorzugsweise zwei Probenschwenkmechanismen aufweisen, über die Proben zwischen die Röntgenröhre und den Röntgendetektor bewegt werden können.
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Ein Computerprogrammprodukt umfasst typischerweise ein Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogrammprodukt in oder auf einer elektronischen Recheneinheit ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 7 erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Röntgenanlage;
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2 ein Diagramm einer spannungsabhängigen Dickenabweichung ohne Korrektur;
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3 ein Diagramm einer Dickenabweichung je Volt Nochspannungsänderung;
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4 ein Diagramm einer Abweichung nach Korrektur über einen Absorptionskoeffizienten;
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5 ein Diagramm einer Abweichung nach einer Korrektur über einen Dickenwert;
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6 ein Diagramm eines dickenabhängigen Korrekturfaktors und
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7 eine resultierende Abweichung nach dickenabhängiger Korrektur über das erfindungsgemäße Verfahren.
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1 zeigt in einer schematischen Ansieht eine Röntgenanlage mit einer Röntgenröhre 1 und einem Röntgendetektor 2. Zwischen der Röntgenröhre 1 und dem Röntgendetektor 2 wird eine Metallfolie 3 aus Stahl oder Aluminium durch Rollen 4 geführt und fortlaufend eine Dicke der Metallfolie 3 gemessen. Hierzu sendet die Röntgenröhre 1 Röntgenstrahlen, also elektromagnetische Strahlen im Wellenlängenbereich von 10 nm bis 1 pm aus, die die Metallfolie 3 durchdringen und von dem Röntgendetektor 2 registriert werden. Da die Röntgenstrahlung bei unterschiedlicher Foliendicke unterschiedlich stark absorbiert oder reflektiert werden, kann aus einem Messsignal des Detektors die Dicke der Metallfolie 3 bestimmt werden. Oberhalb und unterhalb der Metallfolie 3 ist jeweils ein Probenschwenkmechanismus 5, 6 vorgesehen, der auf Platten mit Ausnehmungen für Proben diese Proben halten kann und durch Schwenken die Proben vor die Röntgenröhre 1 fahren kann. Hierdurch können alternativ oder zusätzlich zu der Metallfolie 3 auch kleinere Proben untersucht oder zum Kalibrieren verwendet werden. In weiteren Ausführungsbeispielen können statt der Folie auch gewalzte Bleche mit der dargestellten Anlage untersucht werden.
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Prinzipiell können statt der Metallfolie 3 auch einzelne Proben in die Röntgenanlage eingebaut werden. Typischerweise wird hierzu eine Referenzprobe eingebaut und mit den im Folgenden noch näher beschriebenen Verfahren vermessen. Die Röntgenanlage wird über eine elektronische Recheneinheit 7 gesteuert, auf der auch ein Computerprogrammprodukt geladen werden kann, durch das ein Korrekturalgorithmus durchgeführt wird und eine korrigierte Dicke auf einer Anzeigeeinheit, beispielsweise einem Monitor, ausgegeben wird. Das Computerprogrammprodukt kann in der Recheneinheit 7 auf einem Speicher enthalten sein oder auf einem externen Speichermedium gespeichert sein und in einen Speicher der Recheneinheit 7 geladen werden.
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2 zeigt eine Dickenabweichung bei Veränderung einer in der Röntgenröhre 1 anliegenden Hochspannung. Hierzu wurde ein Versuch im Thermoschrank durchgeführt. Wiederkehrende Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Ein Generator der Röntgenanlage war mit einem 10 μm Austrittsfenster versehen und Messungen erfolgten bei 10 kV/2 mA. Eine Verstärkung des Röntgendetektors 2 war eins, ein Arbeitswiderstand 50 MOhm.
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Für den Versuch wurden zehn Proben im Dickenbereich von 10 μm bis 400 μm ausgewählt. Im Versuchsablauf wurde jeweils eine der Proben eingelegt, die Hochspannung schrittweise von 9,9 kV bis 10,1 kV eingestellt und eine Messspannung ermittelt. Nachdem nacheinander alle 10 Proben gemessen waren, erfolgte am Ende noch eine Serie von Abgleichen, wobei die Hochspannung im gleichen Raster wie zuvor eingestellt wurde. Somit muss zwar der Hochspannungsbereich für jede Probe einzeln durchfahren werden, aber die Proben müssen bei verschiedenen Hochspannungen nicht gewechselt werden, sondern bleiben immer in der gleichen Position und Messfehler aufgrund der Probenpositionierung können ausgeschlossen werden.
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2 zeigt für vier ausgewählte Proben die erhaltenen Messwerte. Alle Dicken und daraus ermittelte Abweichungen wurden auf die Messwerte bei 10 kV bezogen, d. h. bei 10 kV Hochspannung der Röntgenröhre 1 beträgt die Dickenabweichung definitionsgemäß null. Aus dem Diagramm ist zu erkennen, dass die Dickenabweichung nicht nur von der Hochspannungsänderung, sondern auch von der Probendicke abhängt.
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Zur Analyse der Dickenabhängigkeit der Dickenabweichung wurde aus dem in 2 dargestellten Bereich von ±100 V ausgehend von einem Mittelwert, in dem die Dickenabweichung linear ist, eine Steigung der einzelnen Kurven aus 2 bestimmt und über der Dicke aufgetragen. Der resultierende Kurvenverlauf lässt sich sehr gut durch ein Polynom dritter Ordnung annähern. 3 zeigt in einem Diagramm das angefittete Polynom dritten Grades, das eine prozentuale Dickenabweichung bei einer Veränderung der Hochspannung um 1 V über dem Dickenwert darstellt.
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Bei bisherigen Verfahren wird davon ausgegangen, dass sich bei einer Änderung des Spektrums der Absorptionskoeffizient μ ändert. Aus diesem Ansatz d = 1 / μ+Δμ·(– In(unorm)) erhält man mit unk als einem Normwert der Referenzprobe bei der Kalibrierung und una als einem unorm-Wert der Referenzprobe bei einem zuletzt erfolgten Abgleich näherungsweise für die notwendige Korrektur dkorr = dmeas· In(unk) / In(una). Unorm bezeichnet hierbei einen gemessenen Spannungswert, der normiert wurde auf den entsprechenden Wert bei Volleinstrahlung, also ohne abschwächendes Material zwischen Röntgenröhre 1 und Röntgendetektor 2.
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4 zeigt die resultierende Abweichung nach der bislang verwendeten Korrekturmethode mittels des Absorptionskoeffizienten für drei ausgewählte Dickenwerte. Während bei kleinen Dickenwerten die verbleibende Abweichung gering ist, ist sie bei großen Dickenwerten auch nach der Korrektur noch ziemlich groß. Bereits bei einer Änderung der Spannung von 10 V würden sich nach der Korrektur bei großen Dicken Abweichungen von wesentlich mehr als 0,1 Prozent ergeben. Dies kann bei Folienmessanlagen eventuell noch akzeptabel sein, da hier die größten Genauigkeitsanforderungen bei geringer Dicke vorliegen, im Allgemeinen ist diese Abweichung aber zu groß.
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Bei der erfindungsgemäßen Korrektur über den Dickenwert werden demgegenüber nach Abschluss des Verfahrens deutlich kleinere Abweichungen festgestellt. Bei diesem Korrekturverfahren wird der Quotient aus dem berechneten Dickenwert der Referenzprobe bei Kalibrierung, drk, und beim Abgleich, dra, gebildet. Der korrigierte Dickenwert dkorr ergibt sich dann wie folgt aus dem unkorrigierten Messwert dmeas: dkorr = dmeas· drk / dra.
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5 zeigt das Ergebnis dieser Korrektur für identische Messwerte wie in 4. Es ist zu erkennen, dass die verbleibende Abweichung bei großen Dicken zwar geringfügig kleiner, bei kleinen Dicken dafür etwas größer als bei dem Verfahren über den Absorptionswert ist. Da die Messgenauigkeit der Folienmessanlage bei geringen Dicken am höchsten sein soll, ist daher bereits prinzipiell die Korrektur über den Dickenwert vorzuziehen.
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Es kann allerdings davon ausgegangen werden, dass die Dickenabhängigkeit der Abweichung des Dickenwerts für eine Röntgenanlage zeitlich konstant bleibt. Somit ist es möglich, diese Dickenabhängigkeit einmalig im Rahmen der Kalibrierung zu bestimmen. Zur Laufzeit werden dann die Messwerte mit dem über den Dickenwert ermittelten Korrekturwert der Referenzprobe und einem dickenabhängigen Beiwert korrigiert.
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Im Rahmen dieses Korrekturverfahrens ist daher bei einem speziellen Kalibrierschritt zunächst die Dickenabhängigkeit zu bestimmen. Dazu werden über den Dickenmessbereich verteilt mehrere Proben ausgewählt und manuell in die Röntgenanlage eingelegt. Vor der eigentlichen Kalibrierung wird je ein Abgleich bei drei Hochspannungswerten U0 - ΔU, U0, U0 + ΔU gemacht. Der Wert von ΔU beträgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel 0,5 Prozent von U0, bei U0 = 10 kV also gerade 50 V.
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Nach Einlegen der ersten Probe wird die Hochspannung automatisch auf diese drei vorgegebenen Werte gestellt und die zugehörigen Dickenwerte d1, d2 und d3 der gerade eingelegten Probe mit der aktuellen Kalibrierkurve und den zugehörigen Werten aus den vorherigen Abgleichen ermittelt. Für die Referenzprobe wird ebenso verfahren und die entsprechenden Werte dr1, dr2 und dr3 gebildet. Aus diesen Werten wird für jede Probendicke ein Faktor kd über die folgende Formel gebildet
Dieser Wert ist der Quotient der durch die Hochspannungsänderung verursachten Abweichung der aktuellen Probendicke zur Abweichung der Referenzprobendicke.
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Trägt man die so erhaltenen Korrekturfaktoren über der Dicke auf, lässt sich ein Polynom mindestens dritten Grades an die erhaltenen Werte anfitten, wie in 6 in einem Diagramm auch gezeigt. Die vier Koeffizienten k0, k1, k2 und k3 dieser Approximation werden gespeichert und zur Laufzeit für die Korrektur des Dickenmesswerts verwendet.
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Die korrigierte Dicke dkorr ergibt sich in diesem Fall unter Verwendung der Formel für die über den Dickenwert korrigierte Dicke und unter Berücksichtigung der verwendeten Polynomkoeffizienten durch: dkorr = dmeas·(1 + ( drk / dra – 1)·Σ 3 / i=0ki·dmeasi).
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Da das Polynom bei großen Dickenwerten einen flachen Verlauf aufweist, werden vorzugsweise sechs Proben vermessen und zum Fitten des Polynoms verwendet, um eine ausreichende Genauigkeit der Approximation zu erreichen.
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7 zeigt in einem Diagramm die resultierenden Abweichungen nach der Anwendung dieser Korrektur. Die Abweichungen sind wesentlich geringer als bei der einfachen Korrektur ohne Berücksichtigung der Dickenabhängigkeit, wie sie in 5 gezeigt war. Die Abweichung überschreitet in der Regel nicht 0,05 Prozent, lediglich bei einer Probe (10 μm) wird dieser Wert bei Hochspannungsänderungen von mehr als 25 V überschritten. Hierbei ist allerdings zu berücksichtigen, dass bei diesen geringen Dicken alle Fehler, auch die bei der Messung der für die Kompensation verwendeten Werte, sehr groß sind un im Allgemeinen die Genauigkeit mit nicht besser als ±20 μm angegeben wird.
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Sofern mehrere Proben verwendet werden, kann das Verfahren mit höherer Genauigkeit durchgeführt werden. Bei mehr als sechs Proben können dann bei der Kalibrierung und bei jedem Abgleich alle Proben vermessen werden. Aus den Quotienten werden jeweils wie beschrieben Korrekturwerte für diese Proben bestimmt und durch Anfitten des Polynoms mindestens dritter Ordnung der Verlauf der Korrekturwerte über der Dicke angenähert. Aus den Koeffizienten des Polynoms wird dann zur Laufzeit der für die gemessene Dicke passende Korrekturwert ermittelt.
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Hierzu werden in zwei voneinander unabhängige Probenschwenkmechanismen der Röntgenanlage, die jeweils in vier Positionen bewegt werden können, Proben eingesetzt. Zusätzlich zu den Proben werden auch noch die Funktionen ”Shutter auf” und ”Shutter zu” realisiert. Somit lassen sich bei fünf Proben mit den Dicken 10 μm, 20 μm, 50 μm, 120 μm und 250 μm durch Anfahren der unterschiedlichen Positionen insgesamt 11 Probenkombinationen erreichen, indem zwei der Proben übereinander platziert werden, so dass sich deren Dicken addieren. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Positionskombinationen:
| Position | S1 | S2 |
| 1 | geschlossen | offen |
| 2 | offen | 10 μm |
| 3 | 20 μm | 50 μm |
| 4 | 120 μm | 250 μm |
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Die hierdurch erreichbaren Dickenkombinationen sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben:
| S1 | S2 | Dicke |
| 1 | 1 | zu |
| 2 | 1 | auf |
| 2 | 2 | 10 μm |
| 3 | 1 | 20 μm |
| 3 | 2 | 30 μm |
| 2 | 3 | 50 μm |
| 3 | 3 | 70 μm |
| 4 | 1 | 120 μm |
| 4 | 2 | 130 μm |
| 4 | 3 | 170 μm |
| 2 | 4 | 250 μm |
| 3 | 4 | 270 μm |
| 4 | 4 | 370 μm |
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Auch zwei Messbereiche können durch geeignete Bestückung mit Proben realisiert werden. Ein erster Messbereich kann beispielsweise den Bereich zwischen 10 μm und 300 μm bei einer Spannung von 10 kV, einer Stromstärke von 3 mA und einem 10 μm-Filter abdecken, während ein zweiter Messbereich einen Dickenbereich zwischen 200 μm und 1000 μm bei einer Spannung von 13 kV, einer Stromstärke von 2 mA und einem 70 μm-Filter abdeckt. Eine Bestückung der Probenschwenkmechanismen könnte dann wie folgt aussehen:
| Position | S1 | S2 |
| 1 | geschlossen | offen |
| 2 | offen | 10 μm |
| 3 | 60 μm | 140 μm |
| 4 | 300 μm | 600 μm |
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Die möglichen Kombinationen sind in folgender Tabelle angegeben:
| S1 | S2 | Dicke |
| 1 | 1 | zu |
| 2 | 1 | auf |
| 2 | 2 | 10 μm |
| 3 | 1 | 60 μm |
| 3 | 2 | 70 μm |
| 2 | 3 | 140 μm |
| 3 | 3 | 200 μm |
| 4 | 1 | 300 μm |
| 4 | 2 | 310 μm |
| 4 | 3 | 440 μm |
| 2 | 4 | 600 μm |
| 3 | 4 | 660 μm |
| 4 | 4 | 900 μm |
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Für den ersten Messbereich lassen sich die Probenkombinationen für Dicken bis 300 μm verwenden, für den zweiten Messbereich wird zur Messung die 60 μm-Probe eingeschwenkt. Zusammen mit dem Abdeckfenster des GEnerators ergibt sich ein 70 μm-Filter. Für die Referenzmessungen stehen dann noch die sieben Proben ab 200 μm Dicke zur Verfügung. Der 60 μm-Filter muss bei diesen Referenzmessungen nicht eingeschwenkt sein, da keine Absolutwertmessung gemacht wird, aber alle Messwerte der Referenzproben etwa um den Betrag 60 μm verringert erscheinen.
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Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
