DE1136851B - Verfahren und Vorrichtung zum Analysieren von Stoffen durch Bestrahlung mit Roentgenstrahlen - Google Patents

Description

Zum Analysieren eines Musters, das Elemente gegebener Ordnungszahl enthält, ist es bekannt, das Muster mit Röntgenstrahlung von einem Energieinhalt zu bestrahlen, der dazu geeignet ist, Bestandteile des Musters zum Auslösen der charakteristischen Fluoreszenzstrahlung anzuregen. Dabei ist zum Nachweisen der Strahlung ein Proportionalzähler vorgesehen, dessen Ausgangsimpulse dazu Verwendung finden, die Zusammensetzung des Musters zu bestimmen. Mit diesem Verfahren ist es schwierig, benachbarte Elemente des periodischen Systems getrennt anzuzeigen.

Nicht nur bei der Messung mit einem Proportionalzähler, sondern auch bei Anwendung einer Ionisationskammer zum Nachweis der Strahlung ist man dieser Schwierigkeit begegnet. Im letzteren Falle wurden zur Verstärkung des Effektes bei der Analyse von Stoffen, deren charakteristische Sekundärstrahlung gemessen wird, in der Kammer feste oder gasförmige, selektiv absorbierende Stoffe angeordnet, die von den erregten Sekundärstrahlen getroffen werden; dadurch wurde eine Verstärkung der selektiven Strahlenwirkung im Vergleich zu der allgemeinen Strahlenwirkung erzielt.

Ein mit der Effektsteigerung bei Ionisationsmessungen vergleichbarer Erfolg wird unter bestimmten Verhältnissen bei Anwendung des Proportionalzählers erzielt. Eine Voraussetzung dafür ist, daß die Gasfüllung des Zählers Bestandteile solcher Ordnungs-" zahl enthält, die von Fluoreszenzstrahlung besonders angeregt werden.

Die Erfindung macht nun von einer besonderen, bisher nicht verwendeten Erscheinung Gebrauch, und zwar von der Möglichkeit, die Zusammensetzung der Gasfüllung dazu zu benutzen, die in Proportionalzählern auftretenden Folgeimpulse (escape pulses) gegenüber den Hauptimpulsen hervorzuheben. Erfindungsgemäß wird mit einem dem Zähler in an sich bekannter Weise hinzugefügten Amplitudenfilter (Impulshöhenanalysator) eine Trennung der Folgeimpulse von den Hauptimpulsen herbeigeführt und die von den Folgeimpulsen herrührenden Zählgeschwindigkeiten zum Nachweisen der im Muster vorhandenen Elemente benutzt.

Nachstehend wird der Unterschied zwischen den Haupt- und Folgeimpulsen eines Proportionalzählers zum besseren Verständnis der Erfindung näher erläutert.

Der Hauptimpuls eines Proportionalzählers ergibt sich, wenn sämtliche Energie der auffallenden Strahlung zum Erzeugen von Ionenpaaren angewandt wird, die darauf infolge des starken elektrostatischen Feldes zwischen dem Anodendraht und der Kathode eine Verfahren und Vorrichtung

zum Analysieren von Stoffen

durch Bestrahlung mit Röntgenstrahlen

Anmelder:

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 2. August 1954 (Nr. 447 054)

Charles Franklin Hendee,

Irvington-on-Hudson, N. Y.,

und Samuel Fine, New York, N. Y. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

Gasverstärkung erfahren. Bei einem Proportionalzähler ist somit die Amplitude des Hauptimpulses dem Energieinhalt der auffallenden Strahlung proportional.

Die Amplitude des Folgeimpulses dagegen ist dem Energieinhalt der auffallenden Strahlung abzüglich der Energie eines für das absorbierende Mittel charakteristischen Fluoreszenz-Photons proportional. Dies kann folgendermaßen erläutert werden: wenn ein Atom einer Gasfüllung Strahlung genügender Energie absorbiert, wird aus einer der inneren Schalen ein Photoelektron freigemacht. Die freie Stelle in der Innenschale wird nach einer Reorganisation aufgefüllt, wobei Elektronen der Außenschalen des Atoms zur freien Stelle geführt werden. Hierbei wird ein Fluoreszenz-Photon erzeugt. Wenn das Fluoreszenz-Photon aus dem Atom austritt und von der Wand des Zählers absorbiert wird oder aber den Zähler völlig verläßt, ergibt sich ein Folgeimpuls. Wenn dagegen das erwähnte Photon von dem das Fluoreszenzi-Photon erzeugenden Atom oder von anderen Atomen der Gasfüllung absorbiert wird, entsteht der vorstehend erwähnte Hauptimpuls. Aus vorstehendem geht hervor, daß der Folgeimpuls hinsichtlich seiner Energie stets einen Wert aufweist, der um den Betrag der Energie des ausgetretenen Fluoreszenz-Photons geringer als der Hauptimpuls ist.

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Die Erfindung gründet sich auf die Erkenntnis, daß wirkungsgrad des absorbierenden Mittels des Zählers, infolge der geringeren Halbwertsbreite der Impuls- Dieser Fluoreszenzwirkungsgrad wächst mit der Ordhöhenverteilung der Folgeimpulse der Folgeimpuls nungszahl und besitzt für die Edelgase Argon, Krypeine weit genauere Bestimmung benachbarter EIe- ton und Xenon Werte von 20 bzw. 80 %. Wenn somente des periodischen Sysytems ermöglicht. 5 mit die Zählgeschwindigkeit zum Bestimmen des Ge-

Die Erfindung wird an Hand einer Zeichnung naher haltes an jedem der Elemente im Muster benutzt erläutert, in der wird, werden die Zählungen je Sekunde der zu jedem

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Proportional- der Elemente gehörigen Folgeimpulse miteinander zähler darstellt, verglichen.

Fig. 2 schematisch einen Spektrometer nach der io Wenn ein Muster, das Praseodym und Neodym entErfindung zeigt und hält, bestrahlt wird, sendet jedes dieser Elemente

Fig. 3 eine graphische Darstellung ist, die den charakteristische Strahlungen aus. Durch Detektierung Unterschied zwischen den Impulshöhenverteilungen in einem mit Xenon gefüllten Zähler ergeben sieh der Folge- und Hauptimpulse zweier seltener Erden Impulse mit vier unterschiedlichen Energieinhalten, zeigt. 15 nämlich zwei Hauptimpulse und zwei Folgeimpulse:

Der Zähler nach Fig. 1 enthält eine zylindrische Xenon besitzt einen Fluoreszenzwirkungsgrad von Metallkathode 1, die einen zentrischen Anodendraht 2 etwa 80 %, d. h. daß etwa 80 % der Impulse eines mit umgibt. In der Kathode 1 ist ein Seitenfenster 3 vor- Xenon gefüllten Zählers den Energieinhalt des Folgegesehen, durch das hindurch die Strahlung ohne zu impulses aufweisen. Wenn somit die sekundliche starke Absorption eintreten kann. An den Zähler ao Impulszahl je Amplitudenintervall mittels eines wird ein derartiges Potential angelegt, daß derArbeits- Impulsanalysators mit einem oder mehreren Kanälen punkt in das Proportionalgebiet der Entladungskurve gezählt und das Ergebnis aufgezeichnet wird, ergibt fällt. sich bei gleichen Mengen der erwähnten Elemente die

Die Vorrichtung nach Fig. 2 enthält eine Strah- graphische Darstellung nach Fig. 3. Die Abszisse lungsquelle 10, beispielsweise eine Röntgenröhre, die as dieser Figur stellt die Amplitudeoder denEnergieinhalt ein Muster 11 bestrahlt. Die an die Röntgenröhre 10 dar; die Ordinate gibt die sekundliche Anzahl der angelegte Spannung wird so hoch bemessen, daß das Zählungen je Amplitudenintervall an. Die Spitze 20 Muster angeregt wird und Fluoreszenzstrahlung aus- ist die Verteilung der Xenonfolgeimpulse der Praseosendet. Bei einem Muster aus Praseodym und Neodym dymstrahlung, die Spitze 21 die der Xenonfolgegenügt eine Spannung von 50 kV zur Erzeugung der 30 impulse der Neodymstrahlung. Die Spitze 22 stellt die K-EmissionsHnien. Die charakteristische Fluoreszenz- unaufgelösten Verteilungen der Hauptimpulse der strahlung des Musters wird unmittelbar durch einen zwei Seltenen Erden dar. Zum Ermitteln des Prozent-Proportionalzähler 12 der in Fig. 1 dargestellten Art satzes eines jeden Elementes im Muster kann beispielsnachgewiesen. Die Impulse an den Ausgängen des weise die Anzahl der Zählungen je Sekunde für jeden Zählers 12 werden in einem Linearverstärker 13 ver- 35 Folgeimpuls 20 und 21, nämlich das Gebiet unter stärkt. Infolge der statistischen Art der Ladungs- jeder Kurve, bestimmt werden, wonach die Ergebnisse erzeugung und der Gasverstärkung im Zähler sind die durcheinander dividiert werden, und das so erzielte Amplituden der erzeugten Impulse nicht genau dem Verhältnis mit den Verhältnissen verglichen, die mit Energieinhalt der Fluoreszenzstrahlung proportional, einer Anzahl verschiedener Standards erzielt sind,
sondern es ergibt sich eine Amplitudenverteilung, die 4° Die Genauigkeit eines solchen Verfahrens ist von um diesen Wert schwankt. Die Wirkung der gleich- dem Maß abhängig, in dem die die unterschiedlichen zeitigen Strahlung einander benachbarter Elemente Strahlen darstellenden Impulsgipfel aufgelöst sind, des periodischen Systems ist die, daß sich eine Kurve Aus den Fig. ist ersichtlich, daß nicht nur das Zählmit mehreren Gipfeln ergibt, deren Flanken sich er- verhältnis der Folgeimpulsgipfel dasjenige der Hauptheblich überlappen, so daß die Absolutwerte nicht 45 impulsgipfel erheblich übersteigt infolge der Verwenunmittelbar bestimmt werden können. Daher rindet dung einer Gasfüllung mit verhältnismäßig hoher ein Gerät Anwendung, bei dem der Unterschied zwi- Ordnungszahl, sondern auch, daß die Auflösung der sehen benachbarten Elementen verbessert ist, was Folgeimpulsgipfel erheblich besser als diejenige der eine höhere Genauigkeit zur Folge hat. Dies wird da- Hauptimpulsgipfel ist; die letzteren können eigentlich durch erzielt, daß als Detektor ein gasgefüllter Pro- 5° gar nicht voneinander unterschieden werden,
portionalzähler mit einem Gas Anwendung findet, Bei der Wahl der Gasfüllung müssen die folgenden

dessen Ordnungszahl etwas niedriger als diejenige Regeln beachtet werden. Die Ordnungszahl der Fülder Bestandteile des Musters ist. Für die Seltenen lung soll nicht so hoch sein, daß die charakteristische Erden Praseodym und Neodym findet eine Gasfüllung Strahlung des Musters nicht absorbiert wird und sich von Xenon Verwendung. Der Detektor ist weiter mit 55 keine Folgeimpulse ergeben. Eine zweckmäßige Füleiner Vorrichtung 14 verbunden, beispielsweise einem lung weist somit eine derartige Ordnungszahl auf, Impulsanalysator, der z. B. nur den Folgeimpuls daß, wenn diese um eins vermehrt wird, keine Folgeweiterleitet. Der Ausgang des Analysators ist mit impulse bei den erwünschten minimalen Energiezueiner Zählvorrichtung 15 verbunden. ständen entstehen. Deshalb wird eine Füllung mit

Die Impulse am Ausgang des Zählers 12 besitzen ^6o einer Absorptionsgrenze gewählt, die hinsichtlich der eine Amplitude, die dem Energieinhalt der Fluo- Energie etwas geringer als die charakteristische Strahreszenzstrahlung proportional ist; und eine Zähl- lung desjenigen Elementes des Musters, das die geschwindigkeit, die von deren Intensität abhängig ist. niedrigste Ordnungszahl aufweist. Im allgemeinen Bei der Absorption liefert jedoch der Zähler einen der wird diese Bedingung erfüllt, wenn Elemente gewählt beiden Impulse verschiedenen Energieinhalts, näm- 55 werden, deren Ordnungszahlen um eins bis fünf gelich entweder einen Hauptimpuls oder einen Folge- ringer als die Ordnungszahl eines der zu ermittelnden impuls. Die Zählgeschwindigkeit dieser zwei Impulse Elemente sind. Vorzugsweise soll jedoch die Ordist verschieden in Abhängigkeit vom Fluoreszenz- nungszahl der Füllung um nicht mehr als zehn von

denjenigen der Bestandteile des Musters verschieden sein; auch wenn der Unterschied größer ist, ergeben sich jedoch die Vorteile der Erfindung in gewissem Maße. Die meist verwendeten Gasfüllungen sind diejenigen, die aus Edelgasen bestehen, weil diese sehr gut als strahlungsabsorbierende Materialien für einen Proportionalzähler wirken. Krypton wäre somit geeignet zum Unterscheiden der Folgeimpulse der Elemente Rubidium, Strontium, Yttrium und Zirkon voneinander. Xenon wäre geeignet für Cäsium, Barium, Lanthan und die Seltenen Erden. Im allgemeinen soll die Gasfüllung aus einem Edelgas und einer geringen Menge eines Löschgases, beispielsweise eines organischen Gases, bestehen unter einem Gesamtdruck, der zwischen etwa 50 mm Hg und Atmosphärendruck schwanken kann. Es können auch andere Gemische Anwendung finden, sofern nur das Gas der richtigen Ordnungszahl bei der Erzeugung der erwünschten Folgeimpulse die wichtigste Rolle spielt.

Gemäß der Erfindung kann weiterhin im Proportionalzähler eine Metalldampffüllung, eine metallorganische Gasfüllung oder eine sonstige Gasfüllung einer Metallverbindung Anwendung finden. In diesem Falle bildet die Metallverbindung das absorbierende Mittel.

Manche Metalle hoher Ordnungszahl besitzen als organische Verbindungen bei Zimmertemperatur einen Dampfdruck, der sie als Füllung geeignet macht. Es löst beispielsweise eine Füllung aus Trimethylrhenium, das einen Siedepunkt von 60° hat, die Folgeimpulse der Strahlungen von Osmium, Iridium, Platin und Gold aus.

Bestimmte Metalle oder Metallverbindungen besitzen derartige Siedepunkte, daß der Dampfdruck bei Zimmertemperatur sie als Gasfüllung ungeeignet macht. Diese Beschränkung kann gemäß der Erfindung dadurch behoben werden, daß der Zähler mit Heizelementen versehen wird, durch die die Füllung auf einer hohen Temperatur gehalten werden kann.

Ein Beispiel dieses zuletzt erwähnten Verfahrens ist Quecksilber, das bei 250° C einen Dampfdruck von 75 mm Hg hat. Ein Proportionalzähler mit einer Quecksilberdampffüllung kann zum Auflösen der Strahlungsimpulsgipfel von Thallium, Blei,, Wismut und Polonium Verwendung finden.

Diäthylzink mit einem Siedepunkt von 118° C kann bei Erhitzung des Zählers auf 50° C die Folgeimpulsgipfel der Strahlungen von Gallium, Germanium. Arsen und Selen auflösen.

In Fig. 1 sind die Heizorgane 30 in Form von Heizspulen dargestellt, die beiderseits des Fensters den Zähler umgeben.

Die Erfindung kann auch zum Ermitteln unbekannter Elemente Anwendung finden. Die Hauptimpulsgipfel lassen sich dadurch identifizieren, daß ihre Lage im Verhältnis zur Abszissenachse mit dem Hauptimpulsgipfel eines bekannten Elementes als innerem oder äußerem Standard verglichen wird. Die Differenz des Energieinhaltes der Folgeimpulsgipfel und der Hauptimpulsgipfel entspricht der Energie des ausgetretenen Photons. Mit Hilfe einer Skalenteilung der Abszissenachse der graphischen Darstellung nach Fig. 3 in keV können die Folgeimpulse leicht dadurch ermittelt werden, daß die Energie des charakteristischen ausgetretenen Photons von der Energie der Hauptimpulse subtrahiert wird. Es ist beispielsweise die Energie der wichtigsten K-Emission des Elementes Praseodym angenähert 36 keV. Weil die Energie eines Xenon-Photons etwa 29,7 keV ist, ist die Energie der Folgeimpulse des Praseodyms etwa 6,3 keV. Wenn umgekehrt die Energien der Haupt- und bzw. oder der Folgeimpulse gefunden worden sind, kann das Element bestimmt werden. Weil die Folgeimpulse eine bessere Unterscheidung ergeben, lassen sie sich vorteilhaft zum Bestimmen der Energie der detektierten fluoreszierenden Strahlung und somit zum Ermitteln des die Strahlung erzeugenden Elementes verwenden.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Analysieren eines Musters, das Elemente gegebener Ordnungszahl enthält, wobei das Muster mit Strahlung von einem Energieinhalt bestrahlt wird, die dazu geeignet ist, Bestandteile des Musters zum Auslösen der charakteristischen Fluoreszenzstrahlung anzuregen, und zum Nachweis der Strahlung ein Proportionalzähler vorgesehen ist, bei dem die Gasfüllung Bestandteile solcher Ordnungszahl enthält, die von der in dem Muster ausgelösten Fluoreszenzstrahlung besonders angeregt werden, und die infolge der Strahlung entstehenden Meßimpulse einem Amplitudenfilter zugeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Amplitudenfilter eine Trennung der Folgeimpulse von den Hauptimpulsen herbeigeführt wird und daß die von den Folgeimpulsen herrührenden Zählgeschwindigkeiten zum Nachweisen der im Muster vorhandenen Elemente benutzt werden.

2. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Proportionalzähler mit einer Gasfüllung verwendet ist, die einen Bestandteil enthält, dessen Ordnungszahl um eins bis zehn geringer als die Ordnungszahl eines jeden der Elemente des Musters ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Proportionalzähler eine Gasfüllung eines Stoffes enthält, dessen Dampfdruck bei Zimmertemperatur für die Zählwirkung zu niedrig ist, wobei Mittel vorgesehen sind, um die Gasfüllung auf eine höhere Temperatur zu bringen.

4. Proportionalzähler zur Verwendung in einer Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er von einer Heizspule umgeben ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 495 467;
R. Glocker, »Materialprüfung mit Röntgenstrahlung«, 3. Aufl., 1949, S. 48, 125.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen