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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur energieaufgelösten Messung der Fluoreszenz von mit Röntgenlicht bestrahlten Proben, in denen das Vorkommen vorbestimmter chemischer Elemente erkannt werden soll. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur schnellen Untersuchung von Bodenproben auf die Anwesenheit seltener und wertvoller Elemente.
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Die Abschwächung eines Materie durchquerenden Röntgenstrahls mit Photonenenergien kleiner als 1 MeV erfolgt durch elastische und inelastische Streuprozesse sowie durch photoelektrische Wechselwirkung auch mit Elektronen der inneren Atomschalen der bestrahlten Elemente.
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Der Massenschwächungskoeffizient (MSK = Quotient aus linearem Absorptionskoeffizient und Massendichte) weist dabei eine für das Material charakteristische Abhängigkeit von der Wellenlänge bzw. der Energie der Röntgenphotonen auf. Der MSK als Funktion der Photonenenergie zeigt insbesondere Peaks mit steilen Kanten bei Energiewerten, die gerade der Austrittsarbeit für ein Elektron der inneren Schalen entsprechen. Beispielsweise spricht man von einer K-Absorptionskante – oft auch kurz: K-Kante –, wenn ein Elektron der K-Schale herausgelöst wird. Für andere Schalen nach dem Bohr'schen Atommodell gilt dies entsprechend.
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Die energetische Lage der Absorptionskanten ist für die chemischen Elemente genau bekannt und charakteristisch, d. h. sie können zur Unterscheidung der Elemente dienen. Dies bildet die Grundlage der Röntgenabsorptionsspektroskopie. Beispielsweise ist Tabelle 1 eine Liste mit seltenen und wertvollen Elementen zu entnehmen, die auch die K-Kantenenergien und ferner die ungefähren Marktpreise der Rohmaterialien angibt.
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Die Absorption eines Röntgenphotons kann eine Lücke in einer inneren Elektronenschale eines Atoms erzeugen und wird durch ein Elektron aus einer energetisch höher liegenden Schale sofort wieder geschlossen. Dabei wird ein neues Photon mit der Energie der Differenz der Bindungsenergien der beiden beteiligten Schalen freigesetzt und propagiert in irgendeine zufällige Raumrichtung. Man spricht hier von Röntgenfluoreszenzstrahlung (XRF, „x-ray fluorescence”), die räumlich isotrop emittiert wird. Sie kann auch als eine inelastisch gestreute Strahlung mit beliebig großen Streuwinkeln aufgefasst werden.
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Die übliche elastische Streuung – sog. „coherent scatter” – betrifft Photonen, welche lediglich in ihrer Propagationsrichtung verändert werden. Sie bewegen sich dabei aber auch nach dem Streuprozess im Wesentlichen noch weiter in Vorwärtsrichtung der Primärstrahlung.
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Als Primärstrahlung wird gängig das Röntgenlicht bezeichnet, das aus einer Röntgenlichtquelle ausgetreten aber noch nicht in das zu untersuchende Probenmaterial eingetreten bzw. mit diesem Material noch nicht in Wechselwirkung getreten ist. Der Raumbereich, in dem Primärstrahlung existieren kann, ist durch die Anordnung von Röntgenlichtquelle und den Öffnungswinkel der Röntgenlichtquelle oder eines nachgeschalteten Kollimators z. B. zur Emission eines Fächerstrahls oder eines Bündels aus Fingerstrahlen und ggf. dem Probenmaterial festgelegt. Die Propagationsrichtung der Primärstrahlen ist als Primärachse bezeichnet. Das aus dem Probenmaterial austretende Röntgenlicht, das auch ballistische Photonen enthalten kann, wird als Sekundärstrahlung bezeichnet.
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Die inelastische Streuung von Röntgenphotonen basiert sowohl auf dem Compton-Effekt, bei dem die Photonen energieübertragende Stöße mit Elektronen erfahren, als auch auf dem XRF Phänomen. Die Compton-Streuung von Photonen mit Energien deutlich kleiner als die Ruhemasseenergie des Elektrons, 511 keV, ist annähernd isotrop in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung. Allerdings ist der Energieverlust der gestreuten Photonen gemäß der bekannten Compton-Formel vom Streuwinkel gegenüber der Primärachse abhängig und insbesondere umso größer, desto mehr sich der Streuwinkel 180° – also der Rückstreuung – annähert.
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Die Röntgenfluoreszenz ist hingegen völlig isotrop, d. h. ein einfallendes Photon mit einer Energie oberhalb der K-Kante eines zur Fluoreszenz anzuregenden Elementes kann zur Emission von Photonen mit für das Element charakteristischen Energien in jede Raumrichtung führen. Ein Zusammenhang zwischen Photonenenergie und Propagationsrichtung besteht im Unterschied zur Compton-Streuung nicht.
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Wichtig für die spektroskopische Materialuntersuchung mit Röntgenstrahlung ist die Kenntnis des Spektrums der Primärstrahlung. Die Primärstrahlung kann dabei mit einer Röntgenlichtquelle umfassend einen Hochspannungsgenerator und eine Anode, z. B. aus Kupfer oder Wolfram, erzeugt werden, die beispielsweise Bremsstrahlung mit charakteristischen Cu- bzw. W-Peaks emittiert. Das Bremsstrahlungsspektrum erstreckt sich dabei kontinuierlich über ein Energieintervall von einigen keV bis hin zu einer Grenzenergie, die von der benutzten Betriebsspannung bestimmt ist. Alternativ kann auch ein radioaktives Präparat, z. B. ein Gamma-Strahler, als Strahlungsquelle verwendet werden.
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Es ist oft zweckmäßig, die Primärstrahlung zu filtern, um das Spektrum zu modifizieren. Als Filter dienen üblich dünne Elementmetallfolien, deren K-Kantenenergien an die Untersuchung angepasst ausgewählt werden. Die Filter absorbieren einen Anteil der Röntgenstrahlung in Abhängigkeit der Filterfoliendicke und des Filtermaterials, wobei Photonen mit geringer Energie – sog. weiche Strahlung – stärker absorbiert werden als solche mit hoher Energie – sog. harte Strahlung. An der K-Absorptionskante des Filtermaterials steigt jedoch die Absorption des Filters sprunghaft an, so dass Strahlung mit höherer Energie als der K-Kantenenergie gut absorbiert und somit im aus dem Filter austretenden Strahl wirksam unterdrückt wird. Darum ist ein K-Kanten-Filter sehr gut zur energieselektiven Abschwächung der Primärstrahlung einer Röntgenlichtquelle geeignet.
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Filter können beispielsweise dazu verwendet werden, differentielle Röntgenstreu- oder Röntgentransmissionsmessungen ohne Energieauflösung vorzunehmen, aus denen sich der Mengengehalt eines vorbestimmten Materials in einer Probe ermitteln lässt. Die Druckschrift
GB 1,158,871 A beschreibt ein Messverfahren zur Bestimmung der Konzentration von Barium in einer flüssigen Suspension, die nacheinander an zwei Messkammern vorbeigeführt wird. Die beiden Kammern enthalten je ein Filtermaterial, das bei Bestrahlung mit einer Primärstrahlung eine eigene Sekundärstrahlung erzeugen und auf die Suspension einstrahlen kann, sowie je einen Szintillationszähler zur Detektion der von der Suspension zurück gestreuten Strahlung. Die beiden Sekundärstrahlungen unterscheiden sich dadurch, dass die erste Photonen mit Energien im Bereich oberhalb wenigstens einer Absorptionskante von Barium aufweist und die zweite nur Photonen mit Energien unterhalb dieser Absorptionskante. Weiterhin wird die Intensität beider Sekundärstrahlungen möglichst gleich eingerichtet. In Abwesenheit von Barium in der Suspension liefern die Detektoren der beiden Messkammern dieselben Zählraten, doch bei Eintritt von Barium in die beiden Kammern – nacheinander, durch den Strom der Suspension geführt – wird die Absorption im Barium in der ersten Kammer deutlich erhöht, in der zweiten aber nicht. Das Verhältnis der Zählraten korreliert dabei direkt mit der im Strom vorhandenen Bariumkonzentration.
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Aus der Arbeit von Harding et al., „A K edge filter technique for optimization of the coherent-to-Compton scatter ratio method”, Medical Physics 22, 2007 (1995) (doi: 10.1118/1.597497) ist weiterhin bekannt, einen K-Kantenfilter zeitlich nacheinander (i) zum Filtern der Primärstrahlung zwischen der Röntgenlichtquelle und einer Probe und (ii) zum Filtern der Sekundärstrahlung zwischen der Probe und einem energiesensitiv messenden Röntgendetektor anzuordnen. Der Filter, dort beispielsweise eine dünne Folie aus Erbium, beeinflusst in jeder seiner beiden Positionen (i) und (ii) das vom Detektor erfasste Spektrum des elastisch gestreuten Anteils der Sekundärstrahlung – coherent scatter – in identischer Weise. Im Differenzsignal der Messungen mit den beiden Filterpositionen werden somit Signalanteile der elastischen Streuung eliminiert, wohingegen Compton-Streuung verbleibt und herausgehoben wird.
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Weiterhin ist aus der
US 2007/269 004 A1 , der
US 2007/274 441 A1 , der
US 2012/321 038 A1 und der
JP 2006/38 822 A bekannt, Messvorrichtungen mit gleichartigen oder verschiedenartigen Primär- und Sekundärfiltern für Röntgenfluoreszenzstrahlung bereitzustellen.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Erfindung nun die Aufgabe, eine Vorrichtung zur energieaufgelösten Messung der Röntgenfluoreszenz von Probenmaterialien bereitzustellen, die Signalanteile der Compton-Streuung bereits bei der Messung so erfasst, dass sie sehr einfach entfernt werden können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Messvorrichtung für Röntgenphotonen umfassend wenigstens eine polychromatische Röntgenlichtquelle mit einem ersten Kollimator ausgebildet zur Einstrahlung eines divergenten Primärstrahls auf eine Probe und wenigstens einen energieaufgelöst messenden Röntgenlichtdetektor angeordnet in Rückstreurichtung der Sekundärstrahlung und eine Auswerteeinrichtung ausgebildet zum Auslesen der vom Detektor erfassten Messdaten, dadurch gekennzeichnet, dass eine primäre Filterschalteinrichtung mit einem Primärfilter zwischen dem ersten Kollimator und der Probe angeordnet ist und eine sekundäre Filterschalteinrichtung mit einem Sekundärfilter zwischen der Probe und dem Detektor angeordnet ist, wobei der Primärfilter und der Sekundärfilter als Folien aus demselben Material gebildet sind und der Sekundärfilter eine geringere Foliendicke als der Primärfilter aufweist, wobei das Verhältnis der Foliendicke des Sekundärfilters zur Foliendicke des Primärfilters im Intervall 0,5 bis 0,9 liegt.
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Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung gestattet die Erfassung von XRF-Spektren mit kompensiertem Compton-Streusignal, sofern der Anwender die Filterschalteinrichtungen bei den Messungen des Detektors sachgerecht schaltet. Die Einzelheiten werden nachfolgend erklärt. Das korrekte Bedienen der Vorrichtung ist automatisierbar und wird in den Ausgestaltungen näher beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst wenigstens eine polychromatische Röntgenlichtquelle und wenigstens einen ersten Kollimator, der wenigstens einen aufgefächerten – divergenten – Primärstrahl formt. Der Primärstrahl kann auch ein divergentes, d. h. auseinanderlaufendes Bündel von Fingerstrahlen sein.
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Die Vorrichtung umfasst ferner wenigstens einen energieaufgelöst messenden Röntgenlichtdetektor angeordnet in einer Rückstreurichtung der Sekundärstrahlung, also unter einem Winkel von mehr als 90° gegenüber der Primärachse der gefächerten Primärstrahlung.
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Bevorzugt umfasst die Vorrichtung wenigstens einen zweiten Kollimator angeordnet vor dem wenigstens einen Detektor zur Begrenzung des Sichtfeldes des Detektors.
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Die Vorrichtung umfasst erfindungswesentlich eine primäre Filterschalteinrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen primären Röntgenlichtfilter zwischen der wenigstens einen Röntgenlichtquelle mit dem wenigstens einen ersten Kollimator und einem zu untersuchenden Probenmaterial nach Vorgabe des Anwenders in den Primärstrahl einzubringen und aus dem Primärstrahl auszubringen. Weiterhin umfasst die Vorrichtung erfindungswesentlich eine sekundäre Filterschalteinrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen sekundären Röntgenlichtfilter zwischen Probenmaterial und Detektor nach Vorgabe des Anwenders in den Sekundärstrahl einzubringen und aus dem Sekundärstrahl auszubringen. Es ist dabei möglich, primäre und sekundäre Filterschalteinrichtung in einer baulichen Einheit zu realisieren.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner eine Auswerteeinheit, die die Messdaten des wenigstens einen Detektors erfasst und wenigstens teilweise elektronisch speichert. Die Auswerteeinheit kann vorzugsweise ferner dazu vorgesehen sein, wenigstens einen Parameter zu erfassen, der indikativ für die Schaltzustände der primären und sekundären Filterschalteinrichtungen während der Erfassung der Messdatensätze des wenigstens einen Detektors ist.
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Die Auswerteeinrichtung soll vorzugsweise Spektren erfassen, bei denen die primäre Filterschalteinrichtung aktiv, d. h. der primäre Filter in den Primärstrahl eingebracht, ist, während die sekundäre Filterschalteinrichtung inaktiv, d. h. der sekundäre Filter aus dem Sekundärstrahl zum Detektor ausgebracht, ist. Solche Spektren werden hier als Primärfilter-Spektren oder kurz P-Spektren bezeichnet. Genauso soll sie Spektren bei inaktiver primärer Filterschalteinrichtung und zugleich aktiver sekundärer Filterschalteinrichtung erfassen, die hier Sekundärfilter-Spektren oder kurz S-Spektren genannt werden.
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Die soweit beschriebene Vorrichtung ähnelt dem Messaufbau aus der genannten Arbeit von Harding et al. (dort 3) mit dem Unterschied, dass hier der Detektor in Rückstreurichtung angeordnet und nur energieauflösend aber nicht energiesensitiv ist. Bei Harding et al. (1995) sind der primäre und der sekundäre Filter jedoch gleich oder sogar identisch, weil dadurch gesichert ist, dass die elastisch gestreuten Photonen in den erfassten P- und S-Spektren in gleicher Weise abgeschwächt werden, so dass bei der Differenzbildung beider Spektren der elastisch gestreute Signalanteil eliminiert wird.
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Bei der hier vorliegenden Erfindung sind der primäre und der sekundäre Filter indes immer verschieden. Sie bestehen beide aus einer Folie aus demselben Material, bevorzugt aus einem Elementmetall, weisen jedoch unterschiedliche Foliendicken auf. Dabei ist der sekundäre Filter immer dünner als der primäre. Bevorzugt liegt das Verhältnis zwischen der sekundären und der primären Foliendicke im Bereich 50% bis 90%.
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Der Grundgedanke der Erfindung kann nun wie folgt zusammengefasst werden:
Durch die Anordnung des Detektors in Rückstreurichtung der Sekundärstrahlung wird die Photonenenergie des inelastisch gestreuten Compton-Anteils deutlich verringert. Um die Röntgenfluoreszenz des Probenmaterials in einem vorbestimmten Photonenenergiebereich zu detektieren, muss die Primärstrahlung möglichst viele Photonen dieses Energiebereichs enthalten, aber zugleich möglichst wenige mit Energien oberhalb der größten interessierenden Energie. Denn diese höherenergetischen Photonen könnten durch Compton-Streuung Energie verlieren und das XRF-Signal überlagern. Der primäre Filter kann die Primärstrahlung entsprechend konditionieren, wenn er ein K-Kantenfilter mit einer Kantenenergie knapp oberhalb des interessierenden Energiebereichs ist. Der primäre Filter betrifft somit XRF- und Compton-Anteil des Messsignals im besagten Energiebereich unterschiedlich stark. Wird anstelle des primären der sekundäre Filter aktiviert, so werden beide Strahlungsanteile hingegen in gleicher Weise abgeschwächt. In Abwesenheit eines XRF-Signals – also bei einer Probe ohne die gesuchten Elemente – kann man durch die Wahl eines dünneren sekundären Filters gegenüber dem primären Filter erreichen, dass das Messsignal am Detektor wenigstens in dem interessierenden Energiebereich durch den primären und den sekundären Filter in etwa gleichem Ausmaß abgeschwächt wird. Anders ausgedrückt wird ausgenutzt, dass für den Compton-Streuanteil die Änderung der Photonenenergie durch die Rückstreuung und die Abschwächung durch den sekundären Filter ohne primären Filter etwa genauso groß wie die Abschwächung allein durch den primären Filter und die Rückstreuung eingerichtet werden kann. Das Differenzsignal zweier Messungen, die nur Compton-Streustrahlung erfassen, ist dann annähernd null. Wird indes in diese Konfiguration eine Probe mit fluoreszierenden Elementen eingeführt, zeigt sich ein deutliches Signal, weil die beiden Filter den XRF-Anteil gerade nicht in gleicher Weise abschwächen, und die Differenzbildung der P- und S-Spektren diesen XRF-Anteil als Residuum ausgibt.
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Die Erfindung wird nachfolgend noch näher erläutert auch anhand von Figuren. Dabei zeigt:
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1 die Skizze einer Anordnung zur Messung der Röntgenfluoreszenz in Rückstreuung geeignet zur Untersuchung eines Untergrundes, beispielsweise Erdreich;
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2 die Skizze einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
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Es zählt zu den hervorzuhebenden Vorteilen der Erfindung, dass die Messung des Fluoreszenzsignals in Rückstreurichtung erfolgt, so dass die Materialprobe neben der Messvorrichtung angeordnet werden kann. Dies gestattet insbesondere das Messen im Material eines sehr großen Objekts oder in einem Untergrund, z. B. Erdreich oder Sand.
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Dies ermöglicht grundsätzlich die Untersuchung größerer Gebiete, mithin die Exploration, auf seltene und wertvolle Elemente, wenn die Messvorrichtung auf ein Gefährt montiert und während der Messung über ein Gelände bewegt werden kann. Dabei ist es allerdings von kritischer Bedeutung, dass die Messdauer für die Einzelmessungen kurz ist bei zugleich ausreichender Sensitivität zur Unterscheidung der Materialien.
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Es ist daher eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, dass die Messvorrichtung dank der nunmehr möglichen Kompensation des Compton-Streusignals mit einem photonenzählenden Detektor („photon-counting detector”, PCD) als dem wenigstens einen energieaufgelöst messenden Röntgenlichtdetektor ausgestattet werden kann.
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An sich unterscheidet der Fachmann zwischen energiebestimmenden – oder „energy-sensitive” – und photonenzählenden Detektoren:
Erstere sind in der Lage, die Energie direkt zu bestimmen, haben dafür aber eine hohe Messtotzeit, in der sie keine weiteren Daten registrieren können, und dadurch eine geringe Zählrate. Überdies sind energiebestimmende Detektoren generell sehr teuer, und sie müssen meist auf etwa –170°C gekühlt werden, was bei der Exploration nur schwer praktikabel ist. Damit ist diese Art der Detektoren schlecht zur schnellen Detektion in einem Untergrund geeignet.
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Photon-Counting Detectors (PCDs) hingegen sind kostengünstiger und verwenden ein „binning” in ihrer Messelektronik, sodass ein Photon in einem gewissen Energiebereich beim Eintreffen lediglich einen Zähler erhöht. Dadurch kann die Totzeit deutlich reduziert werden, und zudem lassen sich PCDs auch bei normaler Umgebungstemperatur betreiben. Ein PCD kann heutzutage daher als halbwegs energie-sensitiv bezeichnet werden, aber er weist eine größere Diskretisierung hinsichtlich seiner Energieauflösung (meist 100–128 bins von 0 bis 160 keV bei 8 bis 15% Energieauflösung) auf.
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Im Kontext der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff energieaufgelöst messender Röntgenlichtdetektor jeden Detektortyp, der die gestreuten Photonen mehr oder weniger genau nach ihrer Photonenenergie zu unterscheiden vermag, insbesondere also die beiden vorgenannten Typen.
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In 1 ist eine mögliche Messanordnung zur Röntgenfluoreszenzmessung in einem Untergrund nach dem an sich bekannten Stand der Technik zu sehen. Die Messanordnung umfasst eine polychromatische Röntgenlichtquelle 10 mit einem nachgeschalteten ersten Kollimator 40, und beide zusammen emittieren einen Röntgenlichtfächer oder -kegel 50, der auf einen Untergrund 60, beispielsweise Sand, gerichtet ist. Die Messanordnung umfasst weiterhin einen energieaufgelöst messenden Detektor 20, vorzugsweise mit einem vorgeschalteten zweiten Kollimator 30, der den Erfassungsbereich des Detektors 20 begrenzt. Der Detektor 20 kann aus dem Untergrund 60 austretendes Röntgenlicht aus einem Gebiet detektieren, dass sich als Überlappregion zwischen der von der Primärstrahlung 50 durchsetzen Region des Untergrundes 60 und dem Sichtfeld des Detektors 20 ggf. mit Kollimator 30, angedeutet durch gestrichelte Linien, ergibt. Wie in 1 gezeigt, schließen die Zentralachsen 70 von Primärstrahlung 50 und Detektorsichtfeld den Winkel α ein, der dem Streuwinkel entspricht, unter dem die Messung erfolgen soll. Der Winkel α wird hier wie üblich zwischen den Vorwärts- oder Rückwärtsrichtungen der Photonenpropagation definiert, und er ist daher größer als 90°. Bevorzugt liegt er zwischen 150° und 170°, besonders bevorzugt um 165°.
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Aus einer mit Röntgenlicht bestrahlten Oberfläche des Untergrundes 60 von ungefähr 10 × 10 cm2 und einer realisierbaren Messtiefe bis etwa 30 cm ergibt sich, das in etwa 3–5 Liter des Untergrundmaterials mit einer Messung analysiert werden können.
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In 2 ist eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 mit den zusätzlich installierten Filterschalteinrichtungen 80, 90 dargestellt. Die übrigen gezeigten Komponenten 10, 20, 30, 40 sind dieselben wie in 1. Die gezeigten Komponenten sind in Bezug auf ihre Anordnung zueinander fixiert, d. h. vorzugsweise fest in ein Gehäuse montiert, wie der umgebende Kasten andeuten soll.
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Die zum Betrieb weiterhin erforderliche Auswerteeinrichtung, die die Messdaten des Detektors 20 ausliest und speichert, ist nicht dargestellt. Sie kann durch einen herkömmlichen Personal Computer mit einer entsprechenden Software realisiert werden. Es ist zwar vorteilhaft, aber nicht erforderlich, dass die Auswerteeinrichtung in die Anordnung der anderen Komponenten 10, 20, 30, 40, 80, 90 integriert wird. Vielmehr kann das Vorsehen einer Datenschnittstelle am Gehäuse ausreichen, um die Auswerteeinrichtung als externe Einheit wenigstens mit dem Detektor 20 kommunizieren zu lassen.
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Die Auswerteeinheit kann vorzugsweise zur Interpretation der erfassten Messdaten des Detektors 20 wenigstens einen Parameter erfassen, der den Schaltzustand der Filterschalteinrichtungen 80 und 90 anzeigt. Insbesondere soll die Auswerteeinheit dadurch die Information erhalten, ob sie ein P-Spektrum oder ein S-Spektrum erfasst. Auf diese Weise kann die Auswerteeinrichtung autonom und unverzüglich die Bildung von Differenzmessdaten mit kompensierter Compton-Streuung vornehmen. Hierfür kann vorgesehen sein, dass jede der Filterschalteinrichtungen 80 oder 90 dazu ausgebildet ist, beispielsweise ihren aktiven Zustand über ein elektrisches Signal an die Auswerteeinrichtung zu melden. In einer bevorzugten Ausgestaltung wechseln die Filterschalteinrichtungen 80 und 90 zu vorbestimmten Zeitpunkten, besonders bevorzugt zeitlich periodisch, ihren Schaltzustand, wobei zeitgleich je eine aktiv und die andere inaktiv vorbestimmt ist. In diesem Fall kann es ausreichen, dass die Auswerteeinrichtung die Uhrzeit der Messdatenerfassung erfasst.
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Vorzugsweise soll die Auswerteeinrichtung die Differenzen von S- und P-Spektren wenigstens im interessierenden Energieintervall in regelmäßigen Zeitabständen in einen nicht-flüchtigen Datenspeicher eintragen. Besonders bevorzugt im Kontext der oben erwähnten Anwendung in der Exploration sollte die Auswerteeinrichtung zu dem gespeicherten Messwert auch eine Position, beispielsweise geografische Längen- und Breitenwerte aus dem Global Positioning System (GPS), hinterlegen. Alternativ oder auch zusätzlich kann sie die Uhrzeit der Messungen protokollieren, was dann auch eine nachträgliche Zuordnung der Messdaten auf Messpositionen gestattet.
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Es sei angemerkt, dass die Auswerteeinrichtung natürlich auch alle während einer Messkampagne erfassten Messdaten des Detektors 20 einfach abspeichern kann, so dass eine nachträgliche Auswertung dieser Daten möglich ist. In diesem Fall kann die Information über die Schaltzustände der Filterschalteinrichtungen auch erst in die nachträgliche Auswertung einfließen, d. h. diese Information kann auch separat erfasst werden und muss nicht zwangsläufig schon während der XRF-Messung einbezogen werden. Eine gemeinsame Zeitindizierung aller Datensätze wäre in diesem Fall aber besonders empfehlenswert.
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Die Filterschalteinrichtungen 80 und 90 umfassen je einen Röntgenlichtfilter aus einer Folie – desselben Materials in beiden Filterschalteinrichtungen –, der so ausgestaltet ist, dass er nach Wahl des Nutzers in einen vorbestimmten Durchstrahlungsbereich, den das Röntgenlicht innerhalb oder benachbart der Filterschalteinrichtung durchqueren muss, eingebracht oder daraus entfernt werden kann. Der Durchstrahlungsbereich kann beispielsweise durch eine Öffnung in der Filterschaltvorrichtung 80 oder 90 vorbestimmt sein, die im Primärstrahlengang der Röntgenlichtquelle 10 oder im Sichtfeld des Detektors 20 angeordnet wird, respektive.
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Die Filterschalteinrichtungen 80, 90 können in vielerlei Weise ausgestaltet sein. Als ein einfaches Beispiel kann eine Filterschalteinrichtung 80, 90 als eine Kassette gestaltet sein, die eine beweglich gelagerte Filterfolie umgibt, welche wiederum mechanisch in den Durchstrahlungsbereich eingeschoben und wieder herausgezogen werden kann. Die Filterfolie kann beispielsweise und bevorzugt die Form eines Kreissegments aufweisen und eine Drehbewegung innerhalb der Kassette um eine Achse senkrecht zur Kreisebene durchführen. Während der Drehbewegung durchquert dabei die Filterfolie wiederholt den Durchstrahlungsbereich der Kassette.
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Schub- oder Drehbewegungen der Filterfolien sollten vorzugsweise mittels einer Antriebseinrichtung erfolgen. Die Antriebseinrichtung kann dabei einen oder mehrere separate Antriebe umfassen. Einzelne oder alle Antriebe können elektrisch betrieben sein. Jeder Antrieb wird auf wenigstens eine Filterschalteinrichtung 80 oder 90 einwirken.
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Beispielsweise können über einen außerhalb der Kassette angeordneten Elektromotor als Antrieb und ein an einem Kraftanschluss der Kassette angreifendes Getriebe – Motor und Getriebe bilden zusammen eine Antriebseinrichtung – die Filterfolien in die den Filterschalteinrichtungen zugeordneten Durchstrahlungsbereiche bewegt werden, d. h. die Aktivierung der Filterschalteinrichtungen erfolgt durch den elektrischen Antrieb. Dies gestattet eine zeitgenaue Umschaltung der Filterschalteinrichtungen 80, 90 und ist somit für die Messdatenerfassung der Differenzen von P- und S-Spektren begünstigend, denn beide Filterschalteinrichtungen 80, 90 sollen üblich gleichzeitig umgeschaltet werden.
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Als besonders vorteilhaft ist anzusehen, wenn die beiden Filterschalteinrichtungen 80 und 90 über ein mechanisch gekoppeltes Getriebe durch einen gemeinsamen Elektromotor angetrieben werden, so dass eine Synchronisation der Zeitpunkte der Schaltvorgänge der beiden Filterschalteinrichtungen 80 und 90 über beliebig lange Zeitspannen durch die mechanische Kopplung garantiert ist. Dies ist eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Antriebeinrichtung.
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Es ist vorteilhaft möglich, aber nicht notwendig, die Antriebseinrichtung mit der Auswerteeinrichtung in Daten austauschende Kommunikation zu setzen. Dadurch kann die Auswerteeinrichtung die Schaltzustände der Filterschalteinrichtungen jederzeit abrufen und ggf. auch Ansteuerbefehle an die Antriebseinrichtung erteilen.
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Bei der Exploration eines Untergrundes 60 soll die in 2 gezeigte Vorrichtung 100 möglichst parallel zum Untergrund 60 mit möglichst konstanter Geschwindigkeit bewegt werden. Vorzugsweise ist die Vorrichtung 100 hierfür auf ein Gefährt montiert, wobei das Gefährt entweder über einen eigenen Antrieb verfügt oder als Anhänger ausgestaltet ist. Das Gefährt trägt insbesondere auch die Energieversorgung der Vorrichtung 100.
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Die Messung des Untergrundes 60 erfolgt bei nicht zu hoher Geschwindigkeit des Gefährtes kontinuierlich, in dem fortlaufend zwischen der Erfassung eines P-Spektrums und eines S-Spektrum abgewechselt wird. Aufgrund der Vorwärtsbewegung der Messvorrichtung während der Datenerfassung kann es zweckmäßig sein, die vorzugsweise zu ermittelnden Differenzspektren zur Compton-Kompensation aus jedem erfassten Spektrum mit seinem unmittelbaren Vorgänger und seinem unmittelbaren Nachfolger zu bilden und beide als Messwerte zu speichern.
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Es wird als vorteilhaft angesehen, die Zeitabstände zwischen zwei Umschaltvorgängen der Filterschalteinrichtungen 80, 90 konstant zu wählen, wenigstens solange sich das Gefährt mit der Vorrichtung 100 mit konstanter Fahrgeschwindigkeit bewegt. Es kann von Vorteil sein, die Zeitabstände zu verkürzen, wenn die Fahrgeschwindigkeit erhöht wird, etwa derart, dass beispielsweise die Zahl der erfassten Messdatensätze bzw. Spektren pro zurückgelegte Fahrstreckenlänge konstant sein soll. Dies ist jedoch limitiert durch die minimale Dauer der Erfassung eines einzelnen Spektrums, die im Sekundenbereich liegen wird.
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Die Auswerteeinrichtung kann jedenfalls dazu ausgebildet sein, die Fahrgeschwindigkeit der Vorrichtung 100 relativ zum Untergrund 60 kontinuierlich zu erfassen. Sie kann weiterhin dazu ausgebildet sein, die Zeitpunkte der Wechsel der Schaltzustände der Filterschalteinrichtungen 80, 90 direkt zu bestimmen, etwa durch Ansteuern der Antriebseinrichtung, und insbesondere dabei die Zeitabstände der Umschaltvorgänge in Abhängigkeit der erfassten Fahrgeschwindigkeit des Gefährts zu bestimmen.
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Es wird weiterhin vorgeschlagen, als polychromatische Röntgenlichtquelle 10 eine herkömmliche Hochspannungs-Röntgenröhre mit einer Betriebsspannung im Bereich 120–225 kV zu verwenden. Eine bevorzugte Betriebsspannung wird bei 150 kV gesehen.
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Für die Exploration nach seltenen Elementen der Tabelle 1 ist es zweckmäßig, die Filterfolien der beiden Filterschalteinrichtungen 80, 90 aus demselben Element der Ordnungszahl 82 oder höher, bevorzugt aus dem Elementmetall Blei oder einer Blei enthaltenden Zusammensetzung, zu bilden. Es kommen auch chemische Verbindungen der vorgenannten Elemente als Material für die Folien in Betracht. Die K-Kante von Blei liegt bei etwa 88 keV und somit oberhalb jeder K-Kanten-Fluoreszenz der Elemente aus Tabelle 1. Beispielsweise und bevorzugt beträgt die Dicke der Blei-Filterfolie im Primärstrahl, also in der primären Filterschalteinrichtung 80, etwa 200 Mikrometer. In der sekundären Filterschalteinrichtung 90 muss die Dicke der Blei-Filterfolie dann geringer sein, beispielsweise 150 Mikrometer.
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Die genaue Festlegung der Dicken der beiden Filterfolien erfolgt vorzugsweise anhand einer initialen Kalibriermessung an einer Probe, von der bekannt ist, dass sie kein XRF-Signal der gesuchten Elemente erzeugen kann. Diese Probe kann auch eine bereits zuvor eingehend untersuchte Stelle des Untergrundes 60 sein. Die Filterdicken werden bei der Kalibrierung so ausgewählt, dass die Differenz von S- und P-Spektren möglichst genau den Wert Null ergibt, wenigstens in dem Energiebereich, in dem man nach Tabelle 1 die Röntgenfluoreszenz der gesuchten Elemente erwarten muss. Dabei ist die initial gewählte Filterdicke eher abhängig von Röntgenlichtquelle 10 und Detektor 20 und weniger vom Untergrund 60, dessen Hauptbestandteil Quarze sind, die ein sehr ähnliches Streuverhalten zueinander aufweisen.
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Sollte die Kompensation der Compton-Messsignale für eine Initialmessung nicht gut genug gelingen, etwa aufgrund von Ungenauigkeiten durch die Detektorresponsefunktion, die Energieauflösung des Detektors oder die Variation in der Emission der Quelle, dann gibt es auch noch die Möglichkeit, die Signale rechnerisch – durch Programmanpassung der Auswerteeinrichtung – anzugleichen.
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Somit können größere Unterschiede zuerst durch geänderte Filterdicken und kleinere später zusätzlich durch numerische Kalibrierung der Initialmessung kompensiert werden.
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Zusammenfassend ist durch das Anordnen zweier Filterschalteinrichtungen 80, 90 im Primärstrahl 50 vor dem Untergrund 60 und vor dem Detektor 20 eine Vorrichtung 100 geschaffen worden, in der die Überlagerung von XRF-Messdaten vorbestimmter chemischer Elemente mit denen von Compton-gestreuten Photonen kompensiert wird, weil die Filterschalteinrichtungen 80, 90 Filterfolien aus einem Material umfassen, dessen K-Absorptionskantenenergie knapp oberhalb der K-Kantenenergien der gesuchten Elemente ausgewählt ist. Die Kompensation der Compton-Streuung erfolgt durch eine Reduktion der Filterfoliendicke in der Filterschalteinrichtung 90 derart, dass das Differenzsignal von P- und S-Spektren in Abwesenheit der gesuchten Elemente wenigstens im Bereich ihrer vorbekannten Fluoreszenzsignalenergien annähernd verschwindet. In Anwesenheit der gesuchten Elemente wird das XRF-Signal von den Filterschalteinrichtungen 80, 90 unterschiedlich stark beeinflusst und im Differenzsignal allein sichtbar, was zur Unterscheidbarkeit der Elemente und Elementverbindungen führt.
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Die Vorrichtung 100 ist insbesondere dazu geeignet, bei Bewegung der Vorrichtung 100 über den Untergrund 60 fortlaufend die vorbestimmten Elemente zu detektieren und somit ein Untersuchungsgelände zu explorieren.
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Als ergänzende Ausgestaltung für eine auf einem Gefährt montierte Messvorrichtung 100 kann eine Einrichtung zum Einprägen eines vorbestimmten Oberflächenprofils in den Untergrund 60, dienen, die ebenfalls am Gefährt angeordnet wird. Diese Einrichtung kann insbesondere als eine Struktur, z. B. aus Metall, mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen ausgestaltet sein, die so am Gefährt montiert ist, dass die Vorsprünge wenigstens teilweise in den Untergrund 60 eindringen. Bei Bewegung des Gefährts werden die Vorsprünge durch den Untergrund 60 gezogen und erzeugen so Furchen, vergleichbar mit einer Harke oder einem Pflug.
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Die Einrichtung zum Einprägen eines Oberflächenprofils in den Untergrund 60 wird deshalb hier kurz als Pflug bezeichnet. Der Pflug kann eine oder mehrere parallel verlaufende Furchen erzeugen. Vorbilder zur effektiven technischen Realisierung sind aus der Landwirtschaft hinlänglich bekannt.
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Das Anordnen eines Pfluges am Gefährt mit der Messvorrichtung 100 derart, dass der Primärstrahl 50 auf den gefurchten Untergrund 60 eingestrahlt wird, hat zwei wesentliche Vorteile:
Zum Ersten wird die geometrische Messkonfiguration während aller Messungen einer Explorationskampagne standardisiert, d. h. der Untergrund 60 wird bei allen Messungen in gleicher Weise als Probe vorbereitet durch Elimination lokaler Unterschiede in der Bodenneigung. Dies verbessert die Vergleichbarkeit aller Messungen und unterstützt insbesondere die Interpretation von Differenzmessdaten während der kontinuierlichen Bewegung der Messvorrichtung 100.
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Zum Zweiten führt ein Furchenprofil im Untergrund 60 eine größere Oberfläche des Untergrunds 60 ein im Verhältnis zu einer planen Oberfläche. Dadurch liegen alle etwaig vorhandenen Körner oder Nuggets aus wertvollen und seltenen Metallen in einer vorbestimmten Schicht statistisch näher an der Oberfläche. Sie sind dadurch für die Primärstrahlung besser zugänglich, und ihr XRF-Signal gelangt leichter, nämlich weniger stark abgeschwächt durch sekundäre Dämpfung beim Durchqueren des Erdreichs, zum Detektor 20. Beides steigert die Aussagekraft der Messdaten hinsichtlich des Vorliegens der gesuchten Metalle.
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Man kann die durch das Furchenprofil insgesamt verbesserte Messbarkeit der gesuchten seltenen und wertvollen Elemente auch ausnutzen, um die Erfassungszeit der Spektren pro Messpunkt zu reduzieren und dadurch das effektive Scanvolumen pro Zeitintervall zu erhöhen, mit anderen Worten, die Exploration zu beschleunigen.
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Es wird als vorteilhaft angesehen, dass die Furchen durchaus tief sein sollen in Relation zu ihrem Abstand zueinander. Mit anderen Worten ist eine große Steilheit der Furchenwände wünschenswert, vorzugsweise mit einem Basiswinkel zwischen 35° und 80°. Die Furchen können mehrere 10 Zentimeter tief sein.
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Besteht der Untergrund 60 hauptsächlich aus Sand, so sind tiefe, steilwandige Furchen üblich instabil und kollabieren kurz nach ihrer Erzeugung unter Lawinenbildung. Dies ist insofern nachteilig, weil sich der Untergrund 60 während der Erfassung der XRF-Messdaten möglichst wenig oder gar nicht intern bewegen sollte.
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Zur Abhilfe kann man beispielsweise vorsehen, den Abstand von Pflug und Röntgenmessvorrichtung 100 am Gefährt so groß einzurichten, dass der kurzfristige Furchenkollaps bereits abgeschlossen ist, wenn der Primärstrahl auf die Furchen eingestrahlt wird. In diesem Fall sind die Furchen allerdings gerade nicht sehr steil.
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Alternativ kann man den Abstand von Pflug und Primärstrahl auch relativ klein wählen, beispielsweise weniger als 50 cm, und durch die Fahrgeschwindigkeit des Gefährts im Bereich einiger Meter pro Sekunde erreichen, dass die zeitliche Verzögerung zwischen dem Erzeugen der Furchen und der Messung nur Bruchteile einer Sekunde beträgt, so dass den Furchen vor der Messung wenig Zeit zum Kollabieren bleibt. Die Stabilisierung der Furchen kann überdies dadurch befördert werden, dass man wenigstens den Bereich der Furchen anfeuchtet, etwa durch Besprühen mit Wasser aus einem im Gefährt mitgeführten Tank.
| Ordnungszahl | Metall | Chem. Symbol | K-Kantenenergie/keV | Marktpreis US$/g |
| 73 | Tantal | Ta | 65.22 | 8.0 |
| 74 | Wolfram | W | 67.24 | 12.9 |
| 75 | Rhenium | Re | 69.31 | 112.5 |
| 76 | Osmium | Os | 71.41 | 12.9 |
| 77 | Iridium | Is | 73.56 | 13.8 |
| 78 | Platin | Pt | 75.75 | 45.0 |
| 79 | Gold | Au | 77.98 | 40.2 |
Tabelle 1
