-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum qualitativen
und/oder quantitativen Nachweis zumindest eines chemischen Elementes in einer aus
körnigen Bestandteilen bestehenden Probe durch in einer evakuierten Untersuchungskammer
erfolgende Anregung mittels einer Primärstrahlung, vorzugsweise Elektronenstrahlung,
deren - Energie zur Anregung der Serie des Röntgenspektrums des nachzuweisenden
Elementes ausreicht, und Auswertung der Röntgenstrahlung in einem hierauf ansprechenden,
ein elektrisches Ausgangssignal abgebenden Detektor.
-
Bekannte Verfahren und Vorrichtungen-der erwähnten Art konnten bisher
nicht zur Durchführung kontinuierlicher Untersuchungen verwendet werden, weil es
zur Anregung von Röntgenspektren in Festkörpern erforderlich ist, die zur Anregung
verwendete Primärstrahlung, beispielsweise Elektronenstrahlung oder andere energiereiche
Korpuskularstrahlung, in einem evakuierten Raum auf den oder die anzuregenden Festkörper
einwirken zu lassen, um zu vermeiden, daß die Anregungsstrahlung bereits vor Erreichen
des anzuregenden Festkörpers durch ein umgebendes Gas, beispielsweise Luft, absorbiert
wird.
-
Zweck der vorliegenden Erfindung ist eine solche Abwandlung der bekannten
Verfahren und Vorrichtungen, daß trotz des Erfordernisses der Aufrechterhaltung
eines Vakuums oder zumindest eines sehr niedrigen Gasdruckes in der Untersuchungskammer
gleichwohl eine kontinuierliche Untersuchnng einer aus körnigen Bestandteilen bestehenden
Probe durch Aliregulig von deren Röntgenspektrum erfolgen kann. Erreicht wird dies
dadurch, daß die Probe kontinuierlich in eine nicht benetzende Flüssigkeit von gegenüber
der Probe hoher Dichte, vorzugsweise Quecksilber; eingebracht wird und danach das
gebildete heterogene flässig/feste Gemisch gasdicht in die Untersuchungskammer eingeleitet
und wieder abgeführt wird. Da die nicht benetzende Flüssigkeit, welche. die Probe
transportiert, einen gasdichten Abschluß der Untersuchungskammer bewirkt, und zwar
an deren Einlaß und A1JSIaß, ergibt sich durch die Erfindung der wesentliche Vorteil,
die Probe in die Untersuchungskammer ohne deren jedesmalige Öffnung und Schließung
nebst nachfolgender Evakuierung enzubringen.
-
Es ist zwar schon bei der Durchführung von Krackverfahren für Kohlenwasserstoffe
bekannt> ein heterogenes flüssig/festes Gemisch zu verschiedenen Stationen in
Umlauf zu bringen, jedoch wird bei diesem bekannten Verfahren die Einbettung von
Festteilchen in e;ne nicht benetzende Flüssigkeit nicht zur Abdichtung einer ständig
evakuiert zu haltenden Untersuchungskammer verwendet.
-
Durch die vorliegende Erfindung wird es möglich, röntgenspektroskopische
Untersuchungsmethoden insbesondere zum kontinuierlichen Nachweis chemischer Elemente
bei der Herstellung von Brdbohrlöchern in breitem Umfang anzuwenden, bohne daß als
Ergänzung diskontinuierliche Verfahren, beispielsweise naß chemische Analysenverfahren,
angewendet werden mtißten.
-
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Primärstrahlung moduliert, wobei die Scheitelwerte der modulierten Prirnärstrahlung
dicht oberhalb sowie unterhalb der zur Anregung der K-Serie des
Röntgenspektrums
des nachzuweisenden Elementes erforderlichen Energie eingestellt werden und die
Scheitelwertdifferenz der Intensität der hierbei erzeugten modulierten Röntgenstrahlung
ausgewertet wird. Die K-Serie der Röntgen strahlung wird synchron mit der modulierten
Primärstrahlung vor dem Auffallen auf den Detektor selektiv und periodisch ausgefiltert.
Ein derartiges Verfahren bietet insbesondere bei bestimmten Zusammensetzungen der
Probe Vorteile im Hinblick auf eine mögliche Anhebung des Signalpegels gegenüber
dem Störpegel.
-
Demgemäß enthält eine Anordnung zur Durchführung des soeben erläuterten
ausgestalteten Verfahrens mit einer Untersuchungskammer, in welche die Probe eingeführt
wird, einer darin angeordneten Primärstrahlungsquelle und einem Detektor zur Aufnahme
der von der Probe ausgehenden Röntgenstrahlung nebst einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung
erfindungsgemäß eine in dem Strahlungsweg der auf den Detektor fallenden Röntgenstrahlung
angeordnete rotierende Filtersektorenscheibe, deren Sektoren aufeinanderfolgend
und abwechselnd für die K-Serie der nachzuweisenden Röntgenstrahlung durchlässig
oder nicht durchlässig sind. Bei einer derartigen Anordnung ist es möglich, an die
Auswerteeinrichtung lediglich das der K-Serie des Röntgenspektrums entsprechende
Signal abzugeben, während andere Strahlung bzw. ein dieser Strahlung proportionales
Störsignal, das bei Abdeckung des Detektors durch die für die K-Serie undurchlässigen
Sektoren der Filtersektorenscheibe in dem Detektor nachgewiesen wird, kompensiert
werden kann.
-
Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens in vereinfachter Darstellung, ohne eine zugehörige Anordnung zur Auswertung
der seitens einer Probe abgegebenen Röntgenstrahlung, Fig 2 eine in Verbindung mit
der Vorrichtung nach F i g. 1 zu verwendende Anordnung zur Aus-Wartung des Röntgenspektrums
in Blockschaltbilddarsteliung.
-
Gemäß Fig. 1 ist in einem teilweise mit einem Rohr 1 ausgekleideten
Bohrloch B eine Bohrpindel S geführt, welche an ihrem unteren Ende einen (nicht
gezeigten) drehbaren Meißel aufweist, der durch Drehung der Bohrspindel S von der
Erdoberfläche aus angetrieben wird. Von dem Meißel gebrochenes Erdmaterial wird
mittels komprimierten Gases, beispielsweise Druckluft oder Flüssigkeit, insbesondere
Wasser, aus dem Bohrloch b herausgetrieben und über einen Krümmer 2 abgegeben. Wird
das Erdmaterial durch Gas aus dem Bohrloch herausgetlieben, so kann die aus körnigen
Bestandteilen bestellende Probe C unmittelbar auf den oberen Spiegel 3 eines mit
Quecksilber 4 4 gefüllten Vorratsbehälters 7 abgegeben werden. Wurde das Erdmaterial
mit FlüssigiveEt, beispielsweise Wasser, aus dem Bohrloch B getrieben, so ist eine
vorangehende Abscheidung der Flüssigkeit vor der Einleitung in den Vorratsbehälter7
erforderlich.
-
Da das in dem Vorratsbehälter 7 enthaltene Quecksilber die Probe
C nicht benetzt und dieser gegenüber eine verhältnismäßig hohe Dichte aufweist,
schwimmt die Probe auf dem Quecksilber. Ein an seinem unteren Ende um 1800 gebogenes
Steigrohr 12 mündet an seinem oberen Ende in eine
über einen Pumpstutzen
16 mittels einer zugehörigen Pumpe p evakuierte erste Vorkammer 9. Der in der Vorkammer
9 herrschende Unterdruck bewirkt, daß, über das Steigrohr 12 laufend, ein heterogenes
flüssig/festes Gemisch, bestehend aus dem Quecksilber 4 und der Probe C, gasdicht
in die Vorkammer 9 gefördert wird, wobei der Probe C gegebenenfalls anhaftende Gasreste
bzv;. Luftreste entzogen werden.
-
Über ein an seinem unteren Ende um 1800 gekrümmtes Ablaufrohr 14
gelangt das heterogene ffüssig/feste Gemisch alsdann gasdicht in eine über einen
Pumpstutzen 17 mittels einer zugehörigen Pumpe P evakuierte zweite Vorkammer 10,
in welcher der Probe C weitere Gasreste bzw. Luftreste entzogen werden.
-
Über ein an seinem unteren Ende um 1800 gekrümmtes Ablaufrohr 15
gelangt das praktisch völlig entgaste heterogene flüssig/feste Gemisch nunmehr gasdicht
in eine über einen Pumpstutzen 18 mittels einer zugehörigen Pumpe P evakuierte Untersuchungskammer
11. In der Untersuchungskammer 11 ist eine Strahlungsquelle G, vorzugsweise ein
Flektronenstrahlerzeugungssystem, angeordnet, welche eine bezüglich ihrer Energie
zur Anregung der K-Serie des Röntgenspektrums eines in der Probe C nachzuweisenden
Elementes ausreichende Energie abgibt. Ein gegenüber der Primärstrahlung 25 abgeschirmter
Detektor 38, vorzugsweise ein Zählrohr, ist ausgangsseitig mit einem Impulsverstärker
45 (Fig. 2) verbunden. Ferner ist in der Untersuchungskammer 11 ein Elektromotor
42 angebracht, welcher je nach Einschaltung einer bestimmten Auswerteeinrichtung,
die nachfolgend noch näher erläutert ist, über eine Welle 41 eine als intermittierendes
Filter wirkende Sektorscheibe 40 (im folgenden Filtersektorenscheibe genannt) antreibt
bzw. nicht antreibt und der über die eine. gasdichte Durchführung 44 aufweiseuden
Zzteitungen 43 mit Strom versorgt wird. Aestatt die Untersuchungskammer 11 vollkommen
zu evakuieven, kann diese auch über eine Leiung 23 sowie ein Ventil V mit einem
die Primärstrahlung 25 sowie die auszuwertende Röntgeastrahlung nicht wesentlich
absorbierenden Gas, beispielsweise Wasserstoff oder Helium, gefüllt werden.
-
Nach Durchlaufen der Untersuchungskammer 11 gelangt das flüssig/feste
Gemisch über ein senkrecht nach unten verlaufendes Rohr 13 in einen Trcnnbehälter
8, an dessen Oberfläche die Probe C vollstpndig vo:i dem Quecksilber 4 getrennt
und ausge worten wird, wällre3nd das Quecksilber 4 über eine Flüssigkeitspumpe 6
sowie eine Rohrleitung 5 erneut ZU dem Vorratsbehälter 7 in Uallaurf gracllt wird.
-
Gemäß Fig. 2 ist der Detektor 38 über den berehs erwähnten Impulsverstärker
45 mit einem wahlweise zu betätigenden Umschalter SW verbunden.
-
Der Umsehalter SW bewirkt in der gezeigten Stellung eine Weiterleuitung
des Ausgangssignals des Impulsverstärkers 45 über einen modulierten Spitzengleichrichter
48 und ein auf die Modulationsfrequenz des Syitzengleichriconters 48 abgestimmtes
Tiefpaßfilter 52 zu einer Auswerteeinrichtung in Form eines Schreibers 1? 1, wobei
in diesem Fall die Filtersektorenscheibe 40 nicht angetrieben ist. In seiner anderen,
nicht gezeigten Stellung bewirkt der Umschalter SW eine Weiterleitung des Ausgangssignals
des Impulsverstärkers 45 über einen Spitzengleich-
richter 50 nebst nachgeordnetem
Bandpaßfilter zu einer anderen Auswerteeinrichtung in Form eines Schreibers R 2,
wobei in diesem Fall gleichzeitig auch die Filtersektorenscheibe 40 angetrieben
wird.
-
Das Bandpaßfilter ist je nach Ausführung der Filtersektorenscheibe
40 auf die Modulationsfrequenz oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon eingestellt.
-
Ein Oszillator 34 erzeugt eine Modulationsfrequenz von beispielsweise
5 Hz, welche einerseits auf den modulierbaren Spitzengleichrichter 48, andererseits
auf einen Hochspannungsmodulator 30 übertragen wird, solcher die Strahlungsquelle
G mit Energie versorgt. Auf diese Weise wird bewirkt, daß die von der Strahlungsquelle
G abgegebene Primärstrahlung 25 (F i g. 1) moduliert und das Ausgangssignal des
Detektors 38 bzw. des Impulsverstärkers 45 durch den Spitzengleichrichter 48 gleichgerichtet
wird, wobei oberhalb der Modulationsfrequenz des Oszillators 34 liegende Frequenzen
durch das Tiefpaßfilter52 ausgesiebt werden. Auf diese Weise lassen sich Störungen
vermeiden, welche durch die laufende Transportbewegung der aus körnigen Bestandteilen
bestehenden Probe C in der Untersuchungskammer 11 entstehen könnten, so daß der
Schreiber R 1, unbeschadet der Geschwindigkeit, der Korngröße oder aer Korngrößenverteilung
der Probe C in der Untersuchungskammer 11 eine im wesentlichen stetige Anzeige liefert.
-
Die bei dem Ausführungsbeispiel gewählte Modulationsfrequenz von
5 Hz bietet den Vorteil einer sehr hohen Trennschärfe bezüglich auszusiebender Schwebungsirequenzen
bei sehr stabilen Filterkeunwerten. Ferner können die Meßwerte nicht durch Harmonische
einer üblichen Netzfrequenz von 50 bis 60 E Hz gestört xlrerden. Auch können in
Anbetracht der geringen Frequenzen durch Stretlkapazitäten nur gering Störpegel
ein gekoppelt werden. Verstärkungsprobleme bezüglich der Notwendigkeit großer Kopplungskapazitäten
ergeben sich bei Anwendung on Transistorschaltungen mit galvanischer Kopplung nicht.
-
Der Hochspannungsnodulator 31> wird von einem Hochspannungsversorgungsgerät
26 über ein Stellglied 27 mit Energie versorgt, mit dem der Scheitelwert der von
der Strahlungsquelle G abgegebenen modulierten Primärstr thlung einstellbar ist.
Gemäß einer besonderen Durc @führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können
hierbei die Scheitelwerte der modulierten Primärstrahlung 25 dicht oberhalb und
unter alb der zur Anregung der K-Serie des Röntgenspektrums des nachzuweisenden
Elementes erforderlic len Energie eingestellt werden. Soll beisp[ielswese Natrium
in der Probe C nachgewiesen werden, so wäre durch geeignete Einstellung des. Stellgliedes
27 der maximale Scheitelwert der Prirnärstrahlung 25 auf etwas mehr als 1069 eV
einzustellen, der minimale Scheitelwert durch geeignete Regulierung des Modulationsgrades
auf etwas unterhalb 1069 eV. Danach kann in dem Detektor 38 bzw. den nachgeordneten
Bauelementen die Scheitelwertdifferenz der Intensität der hierbei erzeugten modulierten
Röntgenstrahlung ausgewertet werden. Dies ergibt eine weitere Verminderung unerwünschter
Störsignale.
-
Bei der in F i g. 2 veranschaulichten Stellung des Umschalters SW
befindet sich, wie bereits erwähnt, der in Fig. 1 gezeigte Elektromotor außer Betrieb,
und die Filtersektorenscheibe 40 ist so eingestellt,
daß die Röntgenstrahlung
ungehindert auf den Detektor 38 treffen kann. Befindet sich indessen der Umschalter
SW in seiner anderen Stellung, in welcher der Impulsverstärker 45 über den Gleichrichter
50 nebst zugeordnetem Bandpaßfilter mit dem Schreiber R 2 verbunden ist, so rotiert
der Elektromotor 42 und ist hierbei mit der Frequenz des Oszillators 34 syncbronisiert.
Die Filtersektorenscheibe 40 weist in der dargestellten Ausführungsform zwei gegenüberliegende
Sektoren auf, welche von der auffallenden Röntgenstrahlung die KSerie selektiv und
periodisch ausfiltern. Wenn bei der gezeigten Ausführungsform der Motor 42 mit einer
Drehzahl entsprechend der Frequenz des Oszillators34 umläuft, so wird die auf den
Detektor 38 fallende Röntgenstrahlung mit doppelter Frequenz zerhackt, und das in
der Baueinheit 50 enthaltene Bandpaßfilter wäre in diesem Fall auf die Zerhackungsfrequenz
der Filtersektorenscheibe 40 bzw. auf die doppelte Frequenz des oSzillators 34 abzustimmen.
Beim Betrieb der gezeigten Anordnung mit rotierender Filtersektorenscheibe 40 wird
die K-Serie der Röntgenstrahlung synchron mit der modulierten Primärstrahlung vor
dem Auffallen auf den Detektor 38 demnach selektiv und periodisch ausgefiltert.
Das an den Schreiber R 2 abgegebene Signal entspricht daher im wesentlichen der
K-Serie des Röntgenspektrums, während andere Strahlung bzw. Störstrahlung welche
bei Abdeckung des Detektors 38 durch die für die K-Serie undurchlässigen Sektoren
der Filtersektorenscheibe 40 in dem Detektor 38 nachgewiesen wird, kompensiert werden
kann. Auf diese Weise läßt sich auch bei Einstellung des Umschalters SW auf den
Schreiber R2 nach Fig.2 ein verhältnismäßig geringer Störpegel erzielen, insbesondere
dadurch, daß das Ausgangssignal des Detektors32 durch Unterdrückung sowohl der unterhalb
als auch oberhalb der Modulationsfrequenz liegenden Frequenzen in der Baueinheit
50 gesiebt wird.
-
Die Schreiber R 1, R 2 sind jeweils so ausgelegt, daß sie zwei Koordinaten
aufzeichnen, wobei die eine Koordinate, welche jeweils eine Funktion des Ausgangssignals
des Detektors 38 ist, senkrecht zur Vorschubrichtung eines bandförmigen Aufzeichnungsträgers,
beispielsweise Papierstreifens, verläuft, während die andere Koordinate dem Vorschub
des bandförmigen Aufzeichnungsträgers entspricht. Als zweite Koordinate ist hierbei
gemäß F i g. 2 die Bohrlochtiefe gewählt, wobei der Vorschub der Aufzeichnungsträger
in den Schreibern R 1, R 2 mit der jeweiligen Tiefe des (nicht gezeigten) Bohrmeißels
in dem Bohrloch B gekoppelt ist. Auf diese Weise wird in jedem der beiden Schreiber
die Intensität der KSerie des Röntgenspektrums des nachzuweisenden Elements als
Funktion der Bohrlochtiefe kontinuierlich angezeigt.
-
Die beschriebene Anordnung ist nicht auf den Nachweis eines einzigen
Elements beschränkt, sondern es können vielmehr durch Anordnung mehrerer Detektoren
38 gleichzeitig mehrere Elemente nachgewiesen werden. In diesem Fall ist grundsätzlich
in der einen Stellung des Umschalters SW dennoch nur eine Filtersektorenscheibe
40 erforderlich, wenn mehrere Detektoren 38 radial hinter der Filtersektorenscheibe
angeordnet werden. Auch kann die Anordnung, je nach den örtlichen Verhältnissen
oder nachzuweisenden Elementen, ausschlieS lich in einer der beiden Stellungen des
Umschalters
SW betrieben werden, so daß die der jeweils anderen Stellung des Umschalters
SW zugeordneten Baneinheiten (48, 52, R 1 bzw. 50, R 2,40) grundsätzlich nicht erforderlich
sind.