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Verf hren und Vorichtung zur Röntgenstrahlanalyse. fls ist bekaunt,
daß eine charakteristi sche Röntgenstrahlung daiiii ausgesendet wird, wenn ein @lektronenstrahl
(uf ein geeignetes Target fällt. Weiterhin ist bekannt, daß die Wellenlänge dieser
Strahlungen bestimmt Werden kann, beispilelsweise mit einem Spektrometer, das mit
einem Kristall ausgerüstet ist. Wenn nun als Target für eine auseinandernehmbare
Röntgenröhre ein Stück Hetall verwendet wird, dessen Zusa@@ensetzung unbekannt ist,
so ist es Röglich, die :ellenläng e oder ve rs chie denen emittie rten S trahlungs
komp onent on zu bestimmen. Dadurch läßt sich eine Analyse der Elemente gewinnen,
aus denen das Stück Hetall zusanmengesetzt ist.
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Verwendet @@n Cmli geeigneten detektor, so läßt sich diese Analyse
quantitativ gestalten.
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Venn sich das oben beschriebene Verfhren, eine Stoffzusanmensetzung
durch eine Röntgenstrahlanalyse e zu bestimmen, sehr er@findlich sein kann, besitzt
es don @achteil, daß das Haterial des zu untersuchenden Probestücks in einer geeigneten
Form und in geeigneten Abmessungen vorliegen muß, um als Target f;fr eine Röntgenröhre
v @wendet werden zu können. Diese @or@erung kann abcr oft nur schwer oder überhaupt
nicht erfällt werden. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, wird häufig ein anderes
verfahren benutzt, nach dem das Probestück nit Röntgenstrahlen aus einer aus einandernehmbaren
oder aus einer abgeschmolzenen Rönhtgenröhre bestrahlt und die dabei angeragte charakteristische
Fluoreszenzstrahlung untersucht wird. Diese Röntgenfluoreszenzmethode läßt sich
für feste
gepulverte oder auch für flüssige Proben verwenden. Ihre
Empfindlichkeit ist aber wesentlich geringer als die Empfindlichkeit dec Verfahrens,
das riit direkter Röntgenemission rbeitet, hauptsächlich deswegen, weil die Röntgenstrahlen
einen Weg beachtliche@ Länge zurückzulegen hben, bevor sie L.flf die Irobe auftreffen.
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In manchen Gruppen von Untessuchungen liegt die Probe in Form einer
Suspension oder in Form einer Aufschwe@@ung vor odei: kann ei. ei£ie solche Form
überführt werden. Ge@äß zur Erfindung ist daher ein Verfahren ur Bestimmug der Bestandteile
einer Frobe mittels einer Röntgenanalyse vorgesehen, n@chden das Probematerial als
flüssige Suspension in eine Zelle eingegeben wird, die so eingerichtet ist, daß
sie zusammen mit der Probensuspension ein zusammergesetztes Target für eine Röntgenröhre
bildet, sodaß nach Anschalten der Röntgehröhre das Probenmaterial in der Zelle zun
Auss enden seiner charakteristi schen Röntgenstrahlung angeregt wird. Diese Strahlung
viird dann wie bisher untersucht, tiLl eine Analyse der Probe zu erhalten.
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Nach der Erfindung ist weiterhin CIII Target für eine Röntgenröhre
vorgeschen, das eine hohle Zelle aufweist, in die eine flüssige Suspension der @u
untersuchenden Probe eingebracht werden kann und die zusammen mit dieser Suspension
ein zusammengesetztes Röntgentarget darstellt, von dem sich nach Beschuß mit den(Röntgenstrahlen)
Elektronenstr @hlen einer Röntgenröhre die charakteristische Röntgenstrahlung der
Probe erh@lten läßt.
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Die Targetzelle kann ein Eingangsfenster aufweisen, durch das der
Elektronenstrahl der Röntgenröhre in die Zelle eintreten kann, uil das Probenmaterial
zur Ausse@dung seiner charakteristischen Röntgenstrahlung anzuregen. Andererseits
kann
das Eingangsfenster auf seiner Oberfläche außerhalb der Zelle (nämlich auf seiner
Oberfläche, auf die der Elektgronenstrahl auftrifft), mit einer Schicht eines Targetmaterials
verschen sein, das bei dem Bcschuß mit dem Elektronenstrahl der Röntgenröhre Röntgenstrahlen
emittiert, die durch das Fenster in die Zelle eintreten und das Probenmaterial zum
au@senden seiner charakteristischen Röntgenstrahlungen veranlassen. (Es ist klar,
daß bei dieser zweiten T1ölichkeit das Targetmaterial so gewählt sein muß, daß die
charakteristische Strahlung des Targetmaterials die charakteristische Strahlung
der probe nicht überdeckt). Die zweite Möglichekeit wied bevorzugt, da es viel einfacher
ist, Fenster vorzusehen, durch die Röntgenstrahlen praktisch ohne Absorption vorzuschen,
als solche Fenster fiir Elektronen zu finden. So lassen beispielsweise Aluminium-
oder merylliumfenster Röntgenstrahlen mit einer verhältnismäßig geringen Schwächung
hindurch, während die gleichen Fenster Elektronenstrahlen zu einem wesentlichen
tiieil absorbieren.
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Man kann die charakteristische Strahlung der Probe in ein Spektrometer
oder in ein anderes Untersuchungsgerät eintreten lassen, in den man diese Strahlung
durch das gleiche Fenster wieder aus der Zelle austreten läßt. Hun ist es allerdings
günstiger, besonders in den Fällen, iii denen das Eingangsfenster mit einer Targetschicht
versehen ist, (die charakteristische Strahlung, die duch das Fenster zurück austritt,
schwächen kann), die andere Seite der Zelle mit einem getrennten Ausgangsfenster
zu versehen, durch das die charakteristische Strahlung austritt. Dieses Ausgangsfenster
kann wieder aus Aluminium oder Berylliun bergestellt sein.
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Andere Materialien, die sich für das oder die Fenster verwenden lassen,
sind bestiarte kunststoffe, die sich in Form dünner Folien herstellen lassen, Din
Beispiel dafür ist ein Polyesterfilm, der unto@ der Dezeichnung "Melinex" vertriebes
wird.
Wenn solche haterialien allerdings einer Strahlung ausgesetzt werden, so neigen
sie dazu, sich zu zersetzen oder ihre Digenschaften zu ändern. Diese Haterialien
müssen daher in regelmäßigen Zeitabständen ersetzt werden.
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In folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen
im einzelnen beschrieben werden.
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Figur 1 zeigt ein Gerät in seinen Grundzügen, das eine Röntgenanalyse
einer Probe nach dem Verfahren der Erfindung elaubt, die in Form einer flüssigen
Suspension vorliegt.
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Figur 2, 3 und 4 sind eine Endansicht, ein Seitenschnitt längs der
linie III-III aus Figur 2, sowie ein Aufriß längs der linie IVFG-IV aus Figur 2.
iie Figuren zeigen eine Targetzelle, die für eine Verwendung in einem Gerät nach
Figur 1 geeignet ist. Die Fi£ureii 9 und 4 zeigen außerdem, wie die Targetzele am
Ende einer Röntgenröhre mpntiert werden kann.
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Figur 4a zeigt eine Abwandlung für ebi Eintrittsfenster zur Zelle,
Figuren 5 und 6 zeigen eine Anordnung, mit der sich eine Strömung einer flüssigen
Suspension durch die Targetzelle hindurch erreichen läßt.
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In der Figur 1 ist schematisch eine Röntgenröhre 1 gezeigt, die wie
üblich einen Heisfaden 2 und eine Kathode S ausweist. legt man ein elektrisches
potential ul, so erhält man einen @lektronenstrahl hoher Energie, der auf des Röntgentarget
gerichtet ist. In diesem Falle wird das Target von einer hohlen Targetzelle 5 dargestellt,
die einen Einlaß 6 und einen Auslaß 7 aufweist, durch die eine flüssige Suspension
der
zu untersuchenden Probe in die Zelle eingeführt werden RannO Die Zelle 5 besitzt
ein Eingangsfenster 8 und ein Ausgangsfenster 9e Das Eingangsfenster 8 kann ganz
einfach aus. einem dünnen Streifen eines Materials hergestellt sein, das die Elektronen
hindurchläßt, sodaß der Elektronenstrahl 4 das suspendierte Probenmaterial in der
Zelle anregen kann.
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Auf diese Anregung hin kann das Probenmaterial seine charakteristischen
Röntgenstrahlungen aussenden Nun werden allerdings Elektronen durch das Material
des Fensters stärker absorbiert, als Röntgenstrahlen. Dadurch wird die Empfindlichkeit
vermindert. Es ist daher günstiger, die Oberfläche des Fensters 8, die näher an
dem Kathodenaufbau 2-3 liegt, mit einer Schicht aus einem schwereren Targetmaterial
zu versehen, die auf einen Beschuß durch den Elektronenstrahl 4 hin eine primäre
Röntgenstrahlung erzeugte Diese primären Röntgenstrah.len treten in die Zelle 5
durch das Fenster 8 ein und rufen die charakteristische Strahlung der suspendierten
Probe hervor. Wie bereits erwähnt, muß das Eargetmaterial für eine solche Schicht
auf dem Fenster 8 so gewählt sein, daß die charakteristische Strahlung dieses Schichtmaterials
nicht die charakteristische Strahlung der Probe überdeckt. Wenn man sich beispielsweise
besonders für den Nachweis und die Bestimmung des Zinkgehaltes der Probe interessiert,
so ist als Targetmaterial Gold günstig.
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Wie auch immer das Eintrittsfenster 8 ausgebildet ist, die charakteristische
Strahlung des Probenmaterials in der Suspension wird die Zelle 5 durch das Austrittsfenster
9 verlassen. Sie kann dann in einem geeigneten Strahlungsunterauchungsapparat analysiert
werden. Es soll bemerkt werden, daß die flüssige Suspension die Fenster 8 und 9
von innen eng berührt, sodaß die Röntgenstrahlen nur einen außerordentlich kurzen
Weg zurückzulegen haben, bevor sie das äußere. der Zelle erreichen. Darüberhinaus
gestattet es die Anordnung
ebenso, den Weg der Röntgenstrahlen außerhalb
der Zelle zu verkürzen, sofern man diesen Weg mit den Strahlenwegen in den bisherigen
Geräten vergleicht, die dem gleichen Zweck dienen.
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Das analysiergerät ist des Beispiels wegen als Spektronetjr mit einem
Kollimator 10, einem Analysierkristall 11 und einem Hachweiser 12 gezeigt. Es ist
bekannt, daß Strahlung von einer bestimmten Wllenlänge von einem Kristall nur dann
reflektiert wird, wenn der Kristall in bezug auf die Einfalssrichtung der Strallung
eine bestimmte Orientierung besitzt. Demzufolge läßt sich das Wellenlängenspektrum
der Strahlung, die von der probe eIlit-tier-t wird (und die Auskunft über die Zusammensetzung
der Probe gibt), dedurch bestimmen, daß man den Kristall und den Nachweiser 12 dreht
und die Winkelstellungen feststellt, unter denen eine Reflexion stattfindet. Der
Dreh. winkel des Nachweisers 1 2-muß doppelt so groß wie der Dreliwinkel des Kristalles
11 sein. Wenn als Nachweisgerät ein Strahlugszähler verwendet wird, so läßt sich
die Zusanmensetzung der Probe Quantitativ bestimmen. Weiterhin kann ein Überwachungszähler
13 vorgesehen seinO Anstelle des Spektrometers können auch andere Untersuchungsgeräte
verwendet werden, wie e beispielsweise ein Szintilationszähler oder ein Proportionalzählrohr
in Verbindung mit einen Impul shöhenanalysator.
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Die Figuren 2 - 4 zeigen als Beispiel eine Ausführungsform einer Targetzelle
5 aus Figur 1. Die Zelle weist eine Platte 14 auf, in der sich eine kreisförinige
Öffnung 15 mit abgesetztem Durchmesser befindet. Scheiben 16 und 17 stellen das
Eingangs- und das Ausgangsfenster der Zelle dar, Ein Distanzring 18 sorgt für einen
gewissen Abstand zwischen den Scheiben. Die Scheiben 16 und 17 sowie der Distanzring
18 werden in ihrer Lage innerhalb der Öffnung 15 durch einen
Feststellring
19 gesiehert. So, wie das Eingangsfenster dargestellt it, ist es mit einer Kontinuierichen
Schicht ;i 6 zur einen schwereren Targetmaterial wie beispielsweise Gold versehen.
Die Dicke dieser Goldschicht ist so gewäh daß sie im wesentlichen alle einfallenden
Elektronen absorbiert, während die Röntgenanregung und die Durchlässigkeit für die
eigene Röntgenstrahlung möglichst gut ist. Die Schicht 16' kann aber auch diskontinuierlich
ausgebildet sein. sie kann beispielsweise als Gitter mit paralelen Streifen wie
in Fig. 4a oder netzartig aufgebaut sein. Weiterhin kann die Schicht eine punktförmige
Verteilung von Targetnaterial aufweisen. Man kann aber auch das Targetmaterial in
das Fenstermaterial hineindiffundieren lassen. Der Distanzring 18 ist auf entgegengesetzten
Seiten mit Öffnungen 20 und 21 versehen, die nach außen weiter werden. Die beiden
Öffnungen sind auf zwei nach außen auseinanderlaufende Schlitze 22 und 23 hin ausgerichtet,
die ill der Breite der Platte vorgesehen sind. Die Öffnungen stellen in Verbindung
mit den Schlitzen den Einlaß und den Auslaß dar und zeigen die Form einer Venturidüse,
die sich iu den Zwi@ehenraum zwischen den beiden Fenstern 16 und 17 hineinerstreckt.
Diese Ausbildung als Venturidüse trägt mit dazu bei, die Wirbelbildung innerhalb
der Zelle möglichst klein zu machen. Das kann auch dadurch erreicht werden, daß
man das Innere der Zeille so auslegt, alb 5 Strömungsquers schnitt für die hindurchströmende
Flüssigkeit im wesentlichen konstant bleiben.
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Wenn auch in den Figuren 2 und 3 die Dicke der Fenster übertrieben
gezeichnet ist, so soll doch bemerkt werden, daB die Dicke der Fenster so dünn sein
soll, wie es mmglich und mit der mechanischen Festigkeit verträglich ist. Auch in
der Figur 4a sit die Breite der Gitterstreifen und der Abstand zwisehen ih £en übertrieben
gezeichnet.
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Wie in den. Figuren 3 und 4 gezeigt ist, kann die Targetzelle an Ende
einer Röntgenröhre 24 mittels Schrauben oder Bolzen 25 @ontiert sein, die in einc
Platte eingeschraubt i, sie Platte 26 beitzt den gleichen ttilfJ 7iC L1C Platte
14 und ist zur das Ende der Röhre 25 herum angeschweißt.
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So, wie es gezeigt ist, ragt das äußerste Ende der Röhre 24 durch
die Platte 25 hindurch und etwas aus ihr heraus, sodaß dieses Ende einen Zentrierteil
darstellt, der in einen ringförmigen Einsprung ill der Stirnfläche der Platte 14
eingreift.
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Der evakuierte Raum innerhalb der Röhre 24 ist an diesem Ende mit
einen Rundschnurring 28 abgedichtet.
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Man läßt mit Vorzug die flüssige Suspension des zu untersuchenden
Materials durch die Targetzelle hindurchströmen.
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So kann man beispielsweise in einem herstellungsprozeß aus einer Strömung
einen Teil abzweigen und ihn durch die Zelle hindurchströmen lassen die es in der
figur 5 gezeigt ist, führt eine Abzweigleitung 29 von einer hauptleitung 30 zu der
Targetzelle 5 hin. Auf diese Weise läßt sich eine sehr empfindliche kontinuierliche
Analyse erreichen. Wenn für eine Analyse nur geringe Probenmengen zur Verfügung
stehen, so kann man die flüssige Suspension in einem geschlossenen Kreislauf durch
die Zelle hindurch zirkulieren lassen, un eine ausreichende Ansammlung von Meßdaten
zu erreichen.
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Des ist in der Figur 6 dargestellt, in der ein Behälter 31 zur Aufnahme
der flüssigen Suspension gezeigt ist, der mit einer Fumpe 32 verbunden ist. Diese
Pumpe läßt die flüssige Suspension durch die Targetzelle 5 und zurûück zu dem lBehälter
51 zirkulieren.
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Es ist üblich, zur Kühlung des Targets einer Röntgenröhre Wasser zu
verwenden. Im vorliegenden felle jedoch kann man die flüssige Suspension selbst
als Kühlmittel benutzen, sofern man sie durch die Targetzelle hindurchströmen läßt.
Dadurch kann man auf einen besonderen Kühlkreislauf verzeichten-