DE202014105158U1

DE202014105158U1 - Vorrichtung zur Elementaranalyse an Mikroskopen

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Publication number: DE202014105158U1
Application number: DE201420105158
Authority: DE
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2014-11-24
Anticipated expiration: 2024-10-29
Also published as: DE202015009068U1; DE102015105293A1

Abstract

Vorrichtung zur qualitativen und quantitativen Elementaranalyse kleiner Materialbereiche einer Probe mittels Röntgenfluoreszenz an Mikroskopen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Probenort in der Probe mittels einer Einrichtung zur Darstellung einer Mikrostruktur auswählbar ist und von diesem Probenort mittels Röntgenfluoreszenz die chemische Zusammensetzung bestimmbar ist und wobei zur Anregung der Probe/des Materialbereichs primäre Röntgenstrahlung mit Hilfe eines pyroelektrischen Effekts erzeugbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die qualitative und quantitative Elementanalyse an Mikroskopen, insbesondere Lichtmikroskopen.
Für die Elementanalyse von Festkörpern sind verschiedene Verfahren bekannt. Beispielsweise die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA), die Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA) und die optische Atomemissionsspektroskopie (AES).
Die Röntgenfluoreszenzanalyse basiert auf der Erzeugung von primärer Röntgenstrahlung mit einer Röntgenröhre oder einem radioaktiven Isotop. Durch Wechselwirkung der primären Röntgenstrahlung mit der Materialprobe entsteht Röntgenstrahlung die als Fluoreszenzstrahlung bezeichnet wird. Diese Fluoreszenzstrahlung wird wellenlängen- oder energiedispersiv spektroskopiert. Als Ergebnis wird die Elementzusammensetzung erhalten. Ein wesentlicher Nachteil der bekannten RFA-Verfahren und Vorrichtungen ist die geringe laterale Auflösung, d.h. die Abmessung des kleinsten noch zu charakterisierenden Probenbereichs. Somit ist keine chemische Zuordnung zur Mikrostruktur möglich.
Die optische Atomemissionsspektroskopie basiert auf der Lichtemission, beispielsweise angeregt durch einen Funken und der Spektroskopie des von der Probe emittierten Lichts. Der Durchmesser des Messortes liegt im Bereich von einigen Millimetern. Lokale Analysen mit einer Zuordnung der Elementzusammensetzung zu Bestandteilen der Mikrostruktur sind daher nicht möglich. Zudem wird bei diesem Verfahren die Probenoberfläche nachhaltig verändert und ist somit zerstörend. Dieses Verfahren hat die wesentlichen Nachteile, dass durch den relativ großen Analysebereich keine Zuordnung zur Mikrostruktur möglich ist und dass die Probe an der analysierten Stelle verändert wird.
Die ESMA wird häufig im Rasterelektronenmikroskop durchgeführt und beruht auf der Wechselwirkung eines Elektronenstrahls mit der zu untersuchenden Probe. Die dabei emittierte Röntgenstrahlung wird energie- und/oder wellenlängendispersiv spektroskopiert und anhand des Spektrums die qualitative und quantitative Elementzusammensetzung des Messortes erhalten. Der Vorteil zu den beiden vorab genannten Systemen liegt vor allem in der Möglichkeit der lokalen Analyse der Probe und somit einer ortsaufgelösten mikroskopischen Zuordnung des Analyseergebnisses. Die laterale Auflösung beträgt rund 1 µm. Ein Nachteil dieses Systems ist die Notwendigkeit eines Vakuums oder sehr geringen Drucks in der Probenkammer. Dies erschwert oder verhindert Analysen von feuchten Proben.
DE 10 2010 034 666 A1 offenbart eine Röntgenanalysevorrichtung mit einer Strahlungsquelle, die zum Bestrahlen eines Bestrahlungspunktes auf einer Probe mit Strahlung konfiguriert ist, einem Röntgendetektor, der zum Erfassen der von der Probe emittierten charakteristischen Röntgenstrahlung und zur Ausgabe eines Signals konfiguriert ist, das Energieinformationen über den charakteristischen Röntgenstrahl enthält; einem zum Analysieren des Signals konfigurierten Analysator, einem Probentisch, der so konfiguriert ist, dass die Probe darauf angeordnet werden kann, einem Schiebemechanismus, der die Probe auf dem Probentisch und die Strahlungsquelle sowie den Röntgendetektor relativ zueinander verschieben kann, einem Höhenmessmechanismus, der die Höhe des Bestrahlungspunktes auf der Probe messen kann und einer Steuerung, die zum Steuern des Schiebemechanismus auf Basis der gemessenen Höhe des Bestrahlungspunktes auf der Probe und zum Einstellen des Abstands der Probe bezüglich der Strahlungsquelle und des Röntgenstrahldetektors konfiguriert ist.
Lichtmikroskope gehören zu den weitverbreiten Geräten in wissenschaftlichen und technischen Einrichtungen. Dazu gehören Hochschulen, Universitäten, private Forschungs-institute, Laboratorien, Abteilungen für Entwicklung oder Qualitätssicherung in Unternehmen jeder Größe, Prüfinstitutionen oder auch kriminaltechnische Einrichtungen. In vielen der genannten Bereiche ist nicht allein das stark vergrößerte optische Erscheinungsbild einer Oberfläche oder einer Probe von Interesse, beispielsweise um die Mikrostruktur zu bewerten, sondern auch die chemische Zusammensetzung des Untersuchungsobjekts. Für letzteres werden in der Regel andere Verfahren benötigt. Ein Beispiel dafür ist das Rasterelektronenmikroskop. Derartige Geräte sind jedoch durch ihren Anschaffungspreis und Anforderungen an Platz, Bedienpersonal und Kosten für Verbrauchsmaterial und Wartung meist nicht in allen der oben genannten Einrichtungen vorhanden. Ein REM kann ein Lichtmikroskop nicht ersetzten, da ein spezifischer Kontrast notwendig ist, z.B. die Farbe von Mikrostrukturbestandteilen. Der Nutzer eines Lichtmikroskops ist demnach gezwungen die Analyse nicht nur an einem anderen Gerät durchzuführen, sondern er muss eine Dienstleistung Dritter in Anspruch nehmen. Daraus ergibt sich der Bedarf Elementanalysen direkt am Lichtmikroskop durchführen zu können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung für die qualitative und quantitative Elementanalyse an Lichtmikroskopen zur Verfügung zu stellen, welche die zuvor genannten Nachteile überwindet und eine Zuordnung der Elementzusammensetzung zu Bestandteilen der Mikrostruktur ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtungen gemäß Anspruch 1, wobei weitere vorteilhafte Ausführungsformen aus den Unteransprüchen hervorgehen.
Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur qualitativen und quantitativen Elementaranalyse kleiner Materialbereiche einer Probe mittels Röntgenfluoreszenz an Mikroskopen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Probenort in der Probe mittels einer Einrichtung zur Darstellung einer Mikrostruktur auswählbar ist und von diesem Probenort mittels Röntgenfluoreszenz die chemische Zusammensetzung bestimmbar ist. Zudem ist vorgesehen, dass zur Anregung der Probe bzw. des Materialbereichs primäre Röntgenstrahlung mit Hilfe eines pyroelektrischen Effekts erzeugbar ist.
Die Nutzung des pyroelektrischen Effektes ermöglicht die Herstellung sehr kleiner Röntgenquellen, vorzugsweise in der Größe eines 10 €-Cent-Stücks und somit die Integration in ein Gehäuse, welches in ein Lichtmikroskop integriert werden kann. Die dabei erzeugten Energien liegen im Bereich von 30 keV und lassen somit durch Anregung von Röntgenfluoreszenz in einem Probenmaterial die Analyse weiter Ordnungszahlbereiche und somit aller technisch relevanten Materialien zu.
Somit ist es erstmals möglich an einem bzw. mittels eines Lichtmikroskops beispielsweise Fehlstellen und/oder Materialinhomogenitäten auf ihre chemische Zusammensetzung hin zu untersuchen. Durch diese Art der Methodenkopplung sind in vielen Fällen Untersuchungen mit anderen Geräten, wie Elektronenmikroskopen nicht notwendig. Dadurch ergibt sich für den Anwender eine Zeit und Kostenersparnis.
Die geringe Versorgungsenergie der Röntgenquelle, beispielsweise mittels Batterien, ermöglicht den transportablen Einsatz des Gerätes.
Ebenfalls vorteilhaft ist, dass es sich nicht um einen permanenten Strahler handelt, wie z.B. radioaktive Isotope, welche in anderen Geräten zur RFA eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung geeignet, um Röntgenfluoreszenzstrahlung energiedispersiv zu spektroskopieren und qualitativ und quantitativ auszuwerten.
Die energiedispersive Spektroskopie ermöglicht das gleichzeitige Erfassen hoher Signalmengen und damit die Auswertung in kurzen Zeiträumen. Weiterhin lassen die Abmaße moderner Halbleiterdetektoren es zu, dass sie problemlos in eine Vorrichtung nach einer der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Varianten integrieren lassen. Energiedispersive Halbleiterdetektoren ermöglichen mit entsprechender Software zu Datenauswertung in der Regel quantitative Analysen der Ordnungszahlen 5–92 und quantitative Analysen der Ordnungszahlen 11–92. Darin sind alle technisch relevanten Elemente enthalten, wonach der erfindungsgemäße Einsatz möglich ist.
Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung eine Einrichtung auf, vorzugsweise eine Kapillare oder Blende, zur Anpassung des Querschnitts der anregenden Röntgenstrahlung, so dass eine Analyse von Messorten < 100 µm, vorzugsweise < 20 µm möglich ist.
Die Verringerung des Anregungsquerschnitts auf/in der Probe ermöglicht eine ortsaufgelöste chemische Analyse. Dabei sind beispielsweise Inhomogenitäten wie bspw. Fremdkörper oder -stoffe oder andere Fehlstellen in einem Material, auch Ausscheidungen in metallischen Gefügen von Interesse. Somit ist es möglich, Mikrostrukturbestandteile kleiner als 50 µm zu charakterisieren.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind eine Röntgenquelle und ein Röntgendetektor an einem Objektiv eines Lichtmikroskops angeordnet. Zudem ist vorgesehen, dass der Objektivträger in Form eines Objektivrevolvers ausgeführt werden kann.
Damit wird kaum zusätzlicher Bauraum benötigt, um ein Spektroskop in ein Lichtmikroskop zu integrieren und Analysen zur chemischen Zusammensetzung in Kombination mit der optischen Mikrostrukturuntersuchung durchzuführen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Röntgenquelle und der Röntgendetektor als eine Röntgeneinheit ausgebildet sind, welche derart gegen einen Objektivträger des Mikroskops oder ein Objektiv an diesem austauschbar sind und mit Komponenten zur Aufnahme einer Probe und der Probe selbst so zusammenwirken, dass der ausgewählte Probenort erhalten bleibt. Dadurch können ausgewählte Probenbereiche oder Inhomogenitäten ortsaufgelöst auf ihre Elementzusammensetzung hin untersucht werden.
Es ist vorgesehen, dass die Röntgenquelle und der Röntgendetektor gemeinsam durch eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung an dem Objektiv eines Mikroskops angeordnet sind, so dass die zusätzlichen Komponenten den Einsatz des Lichtmikroskopes nicht beeinträchtigen und parallel die optische und chemische Materialcharakterisierung möglich ist.
Dabei können sich dann optische und spektroskopische Komponenten an unterschiedlichen Positionen an dem Objektivrevolver befinden. So kann eine Probenoberfläche mikroskopisch betrachtet werden und nachfolgend kann durch Schwenken, Schieben und/oder Verfahren des Objektivrevolvers das Spektroskop an die Stelle der optischen Komponente, beispielsweise einem Objektiv, positioniert werden. Dabei bleibt der betrachtete Probenbereich im Zentrum der spektroskopischen Achse. Somit kann ein optisch ausgewählter Probenbereich ortsaufgelöst auf seine chemische Zusammensetzung hin untersucht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann am Mikroskop ein verschiebbarer Halter zur Aufnahme der Röntgeneinheit senkrecht zur optischen Achse des Mikroskops angeordnet sein.
Dabei können sich dann optische und spektroskopische Komponenten an unterschiedlichen Positionen an diesem Halter befinden. So kann eine Probenoberfläche mikroskopisch betrachtet werden und nachfolgend kann durch Verschieben und/oder Verfahren des Halters das Spektroskop an die Stelle der optischen Komponente, z. B ein Objektiv, positioniert werden. Dabei bleibt der betrachtete Probenbereich im Zentrum der spektroskopischen Achse.
Somit kann ein optisch ausgewählter Probenbereich ortsaufgelöst auf seine chemische Zusammensetzung hin untersucht werden.
Die Vorrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass das Objektiv relativ zur Röntgeneinheit, bestehend aus der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor (RQ und RD), derart angeordnet ist, dass durch eine Ortsänderung der Probe, vorzugsweise mittels eines Tisches, der mittels einer Lichtmikroskopoptik auswählbare Messort auf der Probe erhalten bleibt und die Probe der Röntgeneinheit zuführbar und positionierbar ist.
In diesem Fall wird durch eine Kalibrierung des Tisches sichergestellt, dass der Verfahrweg des Tisches den exakten Abstand des Fokuspunktes der optischen Komponente (z. B. Objektiv) zum Fokuspunkt der Primärstrahlung der spektroskopische Komponente bzw. des Pyroelectric Microanalyzers (PMA) beschreibt. So kann die chemische Zusammensetzung eines vorab ausgewählten Probenbereichs ortsaufgelöst ermittelt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Vorrichtung derart ausgestaltet sein, dass das Objektiv und die Röntgeneinheit derart zusammenwirken, dass Röntgenstrahlung durch eine Öffnung im Objektiv oder seitlich am Objektiv vorbei auf eine Probe trifft.
Dabei ist ein Austausch der Komponenten nicht notwendig und die Bestimmung der Elementzusammensetzung kann gleichzeitig mit der optischen Probencharakterisierung erfolgen.
Vorteilhafterweise ist nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung der Röntgendetektor am Objektiv befestigt, so dass die Röntgenstrahlung durch Röntgenleiter, beispielsweise einer Kapillare neben dem Objektiv auf die Probe leitbar ist.
Die Vorrichtung kann eine Positioniervorrichtung umfassen, wobei mittels einer Abstandsmessung, beispielsweise durch Laserstrahlen oder Lichtinterferenz die Ausrichtung des Fokuspunktes der Röntgenkomponente auf den ausgewählten Messort der Oberfläche einer Probe erfolgt. Die Positionierungsvorrichtung stellt sicher, dass sich der ausgewählte Probenbereich präzise im Fokuspunkt der Primärstrahlung befindet. So wird sichergestellt, dass die laterale Auflösung möglichst hoch ist und ausschließlich der Ausgewählte Probenbereich analysiert wird.
Die Vorrichtung zur qualitativen und quantitativen Elementanalyse an Mikroskopen kann beispielsweise folgende Bestandteile umfassen:

– eine pyroelektrische Röntgenquelle zur Erzeugung von Röntgenstrahlung Rö₁ zum Bestrahlen einer Probe
– einen energiedispersiven Detektor
– einer Vorrichtung zur Befestigung an einem Lichtmikroskop
– eine Messeinheit zur Prozessüberwachung und Verarbeitung von Messdaten,
– eine Rechen- und Steuereinheit zur Auswertung der Messdaten und Eingabe von Steuerbefehlen, wobei die Auswertung aller Messsignale mittels entsprechender Software erfolgt,
– eine Datenspeichereinheit zur Speicherung der Prozessparameter, Messsignale und Analyseergebnisse und ein
– Anzeigegerät zur Ausgabe der Messdaten bzw. Spektren, Eingabe von Steuerbefehlen und Ausgabe von Analyseergebnisse, wobei
– der Detektor mit der Signalverstärker- und Verarbeitungseinheit, der Messeinheit und Rechen- und Steuereinheit derart zusammenwirkt, dass die in der Probe enthaltenen chemischen Elemente analysierbar sind.

Die pyroelektrische Röntgenquelle dient als Strahlenquelle für die Erzeugung von primärer Röntgenstrahlung. Sie basiert auf der Polarisierung pyroelektrischer Kristalle wie LiTaO₃ oder LiNbO₃ durch eine Temperaturänderung. Die erzeugte Ladung wird zur Erzeugung und Beschleunigung von Elektronen genutzt. Durch eine gemeinsame Anordnung mit einem Target kann Röntgenstrahlung erzeugt werden.
Die Vorrichtung dient beispielsweise zur Ermittlung der chemischen Zusammensetzung einer Probe, welche unter einem Lichtmikroskop betrachtet wird. Mit der Vorrichtung können insbesondere Elemente der Ordnungszahl 5–92 qualitativ und quantitativ ermittelt werden. An einem Lichtmikroskop werden dabei Röntgenquelle und Röntgendetektor so angeordnet, dass eine Zuordnung der Elementanalyse zu vorab ausgewählten Bereichen der Mikrostruktur des zu untersuchenden Materials möglich ist.
Die Besonderheit besteht darin, dass es möglich ist, durch die Nutzung pyroelektrischer Kristalle, zum Bsp. LiTaO₃, vergleichsweise kleine Strahlenquellen herzustellen, welche jedoch keine permanenten Strahler sind. Mit Hilfe dieser Kristalle wird die Primärstrahlung erzeugt. Dadurch wird es möglich sehr kleine Spektroskope herzustellen, die erstmals zur Elementanalyse insbesondere an Lichtmikroskopen genutzt werden können. Das Spektroskop kann dabei durch Adapterlösungen direkt in das Mikroskop integriert werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen ergibt sich aus der kleinen und kompakten Bauweise sowie einfachen Bedienbarkeit mit geringem Kalibrieraufwand. Zudem ist der geforderte Platz- und Energiebedarf für dieses Prüfgerät sowie für die Peripheriegeräte deutlich geringer als bei herkömmlichen Prüfgeräten. Da die zu untersuchenden Proben unter Umgebungsbedingungen/Atmosphäre, d.h. bei normalem Luftdruck, geprüft werden können und kein Vakuum wie z.B. im Rasterelektronenmikroskop notwendig ist, können ebenso feuchte und porige Proben analysiert werden.
Da die Nutzung der Vorrichtung mittels Batteriebetrieb möglich ist, kann das Spektroskop ebenfalls transportabel verwendet werden. Durch eine Kombination der Vorrichtung mit Mikroskopen, insbesondere Lichtmikroskopen können integrale und lokale Elementanalysen durchgeführt werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse zusätzlich umfasst:

– eine Einrichtung zur Abstandsmessung zwischen der Röntgenquelle oder Gehäuseunterkante und einer Probenoberfläche und
– eine Fokussiereinheit zur Verringerung des Querschnitts der primären Röntgenstrahlung Rö₁ und / oder charakteristischen Röntgenstrahlung Rö₂ zur ortsaufgelösten Messung.

Die Verringerung des Querschnitts der primären Röntgenstrahlung kann beispielsweise mittels einer Glasfaserkapillaroptik oder einer Blende erfolgen.
Der energiedispersive Detektor und/oder die Einrichtung zur Abstandsmessung und/oder die Fokussiereinheit können außerhalb oder innerhalb des Gehäuses angeordnet sein und stehen mit diesem in Verbindung.
Mit der Einrichtung zur Fokussierung der Primärstrahlung und/oder der charakteristischen Strahlung der Probe ist es ebenso möglich ortsaufgelöste Elementanalysen durchzuführen.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung zusätzlich eine Energieversorgungseinrichtung auf.
Dadurch wird die transportable Anwendung des Gerätes möglich. Es können demnach zerstörungsfreie Untersuchungen zur chemischen Zusammensetzung im Feldeinsatz durchgeführt werden. Beispiele zur Anwendung sind Analyse direkt an technischen Bauteilen, geologischen, mineralogischen oder archäologischen Proben.
In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zusätzlich eine Schnittstelle zur Datenweitergabe aufweist.
So können im Laboreinsatz vorhandene Geräte (Laptop, PC etc.) oder im Feldeinsatz transportable Geräte (Laptop, Tablet PC, Smartphone oder ähnliches) genutzt werden. Dabei können die Geräte zur Eingabe von Steuerbefehlen und / oder zur Ausgabe von Messwerten, Spektren und Analyseergebnissen genutzt werden.
Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung eine Controllerbox, in der zumindest

– die Signalverstärker- und Verarbeitungseinheit,
– die Messeinheit,
– die Rechen- und Steuereinheit,
– die Energieversorgungseinrichtung und
– die Datenspeichereinheit

Die Controllerbox dient dabei der Steuerung des Messsystems an sich, sowie der Verarbeitung, Weitergabe und Auswertung von Messsignalen, der Datenleitung und Energieversorgung und als Schnittstelle zur Datenausgabe.
Hierzu sieht eine weitere Ausführungsform der Erfindung vor, dass in der Controllerbox zusätzliche die Schnittstelle zur Datenweitergabe angeordnet ist.
Durch die Adaptereinrichtung kann eine spezielle Anpassung auf die jeweiligen Gewindearten von herkömmlichen Mikroskopen, speziell Lichtmikroskopen erfolgen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch diese Adaptereinrichtung auch mit beliebigen stark vergrößernden optischen oder lichtoptischen Geräten, wie beispielsweise einer Kamera, gekoppelt werden.
Eine Abstandsmessung kann beispielsweise in Ausführung von lichtoptischen Messmethoden mit visueller Auswertung ausgeführt werden.
Verwendet werden kann die Vorrichtung zur Prüfung der chemischen Zusammensetzung von Materialien. Diese können sein:

– Bauteile, und/oder archäologische, mineralogisch und / oder geologische Proben,
– Werkstoffe
– feuchte und / oder porige und / oder ölige Materialien.

Verfahrensgemäß kann zur qualitativen und quantitativen Elementaranalyse kleiner Materialbereiche einer Probe mittels Röntgenfluoreszenz an Mikroskopen ein Probenort in der Probe mittels einer Einrichtung zur Darstellung einer Mikrostruktur ausgewählt werden und von diesem Probenort mittels Röntgenfluoreszenz die chemische Zusammensetzung bestimmt werden.
Verfahrensgemäß erfolgt die Anregung der Probe oder des Materialbereichs durch primäre Röntgenstrahlung, die mit Hilfe eines pyroelektrischen Effekts erzeugt wird.
Die Röntgenfluoreszenzstrahlung kann energiedispersiv spektroskopiert und qualitativ und quantitativ ausgewertet werden.
Vorteilhafterweise können eine Röntgenquelle und ein Röntgendetektor an einem Objektiv eines Lichtmikroskops angeordnet werden, um einen mikroskopisch ausgewählten Bereich der Mikrostruktur auf seine chemische Zusammensetzung hin zu untersuchen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Röntgenquelle und der Röntgendetektor gemeinsam durch eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung an dem Objektiv eines Mikroskops angeordnet werden, um die Messvorrichtung fest zu arretieren.
Die Röntgenquelle und der Röntgendetektor können vorrichtungsgemäß als eine Röntgeneinheit ausgebildet werden, welche derart gegen einen Objektivträger des Mikroskops oder ein Objektiv an diesem ausgetauscht werden kann und mit Komponenten zur Aufnahme einer Probe und der Probe selbst so zusammenwirken kann, dass der ausgewählte Probenort erhalten bleibt.
Der Objektivträger kann in einer Weiterbildung der Erfindung in Form eines Objektivrevolvers ausgebildet werden, um mittels verschiedener Objektive mehrere Vergrößerungen nutzen zu können und dabei die Position der Probe nicht zu verändern.
Vorteilhafterweise kann am Mikroskop ein verschiebbarer Halter zur Aufnahme der Röntgeneinheit senkrecht zur optischen Achse des Mikroskops angeordnet werden, um den Wechsel zwischen unterschiedlichen Objektiven zu ermöglichen.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Anordnung des Objektivs relativ zur Röntgeneinheit (RQ u. RD) derart erfolgen, dass durch eine Ortsänderung der Probe, vorzugsweise mittels eines Tisches der mittels einer Lichtmikroskopoptik ausgewählte Messort auf der Probe erhalten bleibt und die Probe der Röntgeneinheit zugeführt und positioniert wird.
Dabei können das Objektiv und die Röntgeneinheit derart zusammenwirken, dass Röntgenstrahlung durch eine Öffnung im Objektiv oder seitlich am Objektiv vorbei auf eine Probe geleitet wird.
Verfahrensgemäß kann der Röntgendetektor am Objektiv befestigt werden und die Röntgenstrahlung durch Röntgenleiter, beispielsweise einer Kapillare neben dem Objektiv auf die Probe geleitet werden.
Zudem kann eine Positioniervorrichtung bereitgestellt werden, wobei mittels einer Abstandsmessung, beispielsweise durch Laserstrahlen oder Lichtinterferenz die Ausrichtung des Fokuspunktes der Röntgenkomponente auf den ausgewählten Messort der Oberfläche einer Probe erfolgt.
Weiterhin kann eine Einrichtung angeordnet werden, vorzugsweise eine Kapillare oder Blende, derart, dass eine Anpassung des Querschnitts der anregenden Röntgenstrahlung erfolgt, um eine Analyse von Messorten < 100 µm, vorzugsweise < 20 µm zu ermöglichen.
Dabei kann die Elementaranalyse nach vorgegebenen Kriterien automatisch während eines Abrasterns der Probe mittels eines digitalen Bildverarbeitungssystems anhand der lichtmikroskopischen Abbildung ausgewählt und der Röntgeneinheit zugeführt wird.
Es ist denkbar, dass eine solche Vorrichtung beispielsweise zur automatischen Erkennung und chemischen Analyse von Inhomogenitäten und Fehlstellen genutzt werden kann. Dabei werden digitale Bilddaten zur Auswahl des Probenbereiches genutzt und zur Positionierung genutzt.
Das Verfahren zur qualitativen und quantitativen Elementanalyse an Mikroskopen kann zumindest folgende Verfahrensschritte beinhalten:

– Erzeugung einer Röntgenstrahlung Rö₁ mittels einer pyroelektrischen Röntgenquelle und Bestrahlen einer Probe,
– Detektierung einer von der Probe emittierten charakteristischen Röntgenstrahlung Rö₂ mittels eines energiedispersiven Detektors,
– Wandlung, Verstärkung, Weiterleitung und Verarbeitung der durch die Röntgenstrahlung Rö₂ im Detektor erzeugten Messsignale mittels einer Signalverstärker- und Verarbeitungseinheit,
– Ermittlung von Messdaten mittels entsprechender Messsensorik zur Prozessüberwachung mittels einer Messeinheit,
– Auswertung der Messdaten und Eingabe von Steuerbefehlen mittels einer Rechen- und Steuereinheit, und Auswertung aller Messsignale mittels entsprechender Software,
– Speicherung der Messdaten/Spektren, und Analyseergebnisse mittels einer Datenspeichereinheit und
– Ausgabe der Messdaten, Spektren und Analyseergebnisse mittels eines Anzeigegeräts, wobei
– der Detektor mit der Signalverstärker- und Verarbeitungseinheit, der Messeinheit und Rechen- und Steuereinheit derart zusammenwirkt, dass die in der Probe enthaltenen chemischen Elemente analysierbar werden.

Der Vorteil gegenüber anderen Verfahren besteht darin, dass erstmals die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung einer Probe direkt an einem beliebigen Auflichtmikroskop ermöglicht wird. Dabei wird die beschriebene Vorrichtung beispielsweise in einer Objektivwechselvorrichtung angeordnet.
Durch die Bündelung der Primärstrahlung wird der angeregte Bereich der Probe klein gehalten und nur dieser Bereich zum Aussenden von charakteristischer Röntgenstrahlung angeregt wird. Dadurch ist es möglich lokale Elementanalysen an ausgewählten Probenbereichen durchzuführen. Die Kombination einer ortsaufgelösten Elementanalyse mit einem Lichtmikroskop stellt eine klare Abgrenzung zum Stand der Technik dar.
Durch eine Adapterlösung kann die Vorrichtung an bereits vorhandene Auflichtmikroskope angebracht werden. Der Anwender hat zudem die Möglichkeit das Spektroskop transportabel einzusetzen und zerstörungsfreie Analysen direkt an einem Bauteil durchzuführen. Da die Probe nicht evakuiert werden muss, können auch feuchte, ölige oder porige Materialien untersucht werden. Geeignet ist die Vorrichtung auch zur Analyse von dünnen Schichten.
Die Flexibilität, Kompaktheit und die analytischen Vorteile des PMA bilden gegenüber bereits bekannten Systemen wesentliche Alleinstellungsmerkmale. Durch ein derartiges Spektroskop kann auf dem Gebiet der korrelativen Mikroskopie und der transportablen Analytik ein wichtiger technischer Fortschritt erreicht werden.
Die Vorrichtung weist einen geringen Energiebedarf auf und kann über Energiespeichermedien, wie beispielsweise Akkumulatoren oder transportable Energiequellen, wie z.B. Solarmodule gespeist werden.
Die Vorrichtung kann für transportable bzw. mobile Anwendungen, d.h. Messungen im Feld aber auch für stationäre Anwendungen, beispielsweise Messungen am Mikroskop, speziell am Lichtmikroskop genutzt werden.
Beispielhaft werden Ausführungsformen der Erfindung in den nachfolgenden Figuren dargestellt und näher beschrieben, wobei die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist.
Es zeigen:
1: schematisch eine Vorrichtung zur qualitativen und quantitativen Elementanalyse an Mikroskopen in Form eines PMA ohne Fokussierung in ihrer Funktionsweise.
2: schematisch eine Vorrichtung zur qualitativen und quantitativen Elementanalyse an Mikroskopen in Form eines PMA mit Fokussierung in ihrer Funktionsweise und
3: schematisch ein Flussdiagramm einer PMA.
Eine Vorrichtung zur qualitativen und quantitativen Elementanalyse an Mikroskopen und ihre Funktionsweise werden in 1 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst zumindest:

– eine pyroelektrische Röntgenquelle 2 zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung Rö₁ zum Bestrahlen einer Probe 11, wobei die Röntgenquelle 2 in einem Gehäuse 1‘ angeordnet ist,
– einen energiedispersiven Detektor 3, der an oder in dem Gehäuse 1‘ zur Detektierung einer von der Probe 11 emittierten Röntgenstrahlung Rö₂ angeordnet ist, wobei das Gehäuse 1‘ eine Einrichtung 12, in Form eines Adapters, zur Adaption des Gehäuses 1‘ an ein nicht in der 1 gezeigtes Mikroskop aufweist,
– eine Signalverstärker- und Verarbeitungseinheit 4 zur Wandlung, Verstärkung, Weiterleitung und Verarbeitung des im Detektor 3, durch die charakteristische Röntgenstrahlung Rö₂ erzeugten Messsignals,
– eine Messeinheit 5 zur Prozessüberwachung und Verarbeitung von Messdaten,
– eine Rechen- und Steuereinheit 6 zur Auswertung der Messdaten und Eingabe von Steuerbefehlen,
– eine Datenspeichereinheit 8 zur Speicherung der Prozessparameter, Messsignale und Analyseergebnisse und
– ein Anzeigegerät 10 zur Ausgabe der Messdaten, Eingabe von Steuerbefehlen und Ausgabe von Analyseergebnisse, wobei
– der Detektor 3 mit der Signalverstärker- und Verarbeitungseinheit 4, der Messeinheit 5 und Rechen- und Steuereinheit 6 derart zusammenwirkt, dass die in der Probe 11 enthaltenen chemischen Elemente analysierbar sind.

Die Vorrichtung umfasst zusätzlich eine Energieversorgungseinrichtung 7 und eine Schnittstelle 9 zur Datenweitergabe. Die Energieversorgungseinrichtung kann auch ein Energiespeicher sein.
Hierbei stellen in allen Figuren die gestrichelten Linien jeweils einen Daten- und Informationsfluss dar. Die Linien mit Punkten kennzeichnen den jeweiligen Energiefluss von der Energieversorgungseinrichtung 7 zu dem jeweiligen Vorrichtungsbestandteil.
Die Vorrichtung umfasst zusätzlich eine Controllerbox 1‘‘, in der zumindest die Signalverstärker- und Verarbeitungseinheit 4, die Messeinheit 5, die Rechen- und Steuereinheit 6, die Energieversorgungseinrichtung 7, die Datenspeichereinheit 8 und die Schnittstelle 9 angeordnet sind.
In der 2 wird schematisch die Vorrichtung aus 1 in Form eines PMA ergänzt mit einer Fokussiereinrichtung gezeigt. Hierbei umfasst das Gehäuse 1‘ zusätzlich eine Einrichtung 13 zur Abstandsmessung zwischen der Röntgenquelle 2 oder einer Gehäuseunterkante 1a und einer Probenoberfläche 11‘ der Probe 11 und eine Fokussiereinheit 14 zur Fokussierung der primären Röntgenstrahlung Rö₁ und/oder charakteristischen Röntgenstrahlung Rö₂.
Demgemäß kann eine Abstandsmessung zwischen der Röntgenquelle oder der Gehäuseunterkante und der Probenoberfläche mittels dieser Einrichtung 13 erfolgen. Eine Fokussierung der primären Röntgenstrahlung Rö₁ und / oder charakteristischen Röntgenstrahlung Rö₂ kann somit mittels dieser Fokussiereinheit zur ortsaufgelösten Messung erfolgen.
In der 3 wird schematisch ein Flussdiagramm einer PMA gezeigt wobei zumindest die folgenden Verfahrensschritte bei einer qualitativen und quantitativen Elementanalyse an Mikroskopen zum Tragen kommen:

– Erzeugung einer Röntgenstrahlung Rö₁ mittels einer pyroelektrischen Röntgenquelle 2 und Bestrahlen einer Probe 11 mit einer Probenoberfläche 11‘,
– Detektierung einer von der Probe 11 emittierten charakteristischen Röntgenstrahlung Rö₂ mittels eines energiedispersiven Detektors 3,
– Wandlung, Verstärkung, Weiterleitung und Verarbeitung der durch die Rö₂ im Detektor 3 erzeugten Messsignale mittels einer Signalverstärker- und Verarbeitungseinheit 4,
– Ermittlung von Messdaten zur Prozessüberwachung mittels einer Messeinheit 5,
– Auswertung der Messdaten und Eingabe von Steuerbefehlen mittels einer Rechen- und Steuereinheit 6, und Auswertung aller Messsignale,
– Speicherung der Messdaten und/oder Spektren und Analyseergebnisse mittels einer Datenspeichereinheit 8 und
– Ausgabe der Messdaten, Spektren und Analyseergebnisse mittels eines Anzeigegeräts 10, wobei
– der Detektor mit der Signalverstärker- und Verarbeitungseinheit 4, der Messeinheit 5 und Rechen- und Steuereinheit 6 derart zusammenwirkt, dass die in der Probe enthaltenen chemischen Elemente analysierbar werden.

Der Weg des jeweiligen Daten- und Informationsflusses ist hierbei mit I₁ bis I₆ gekennzeichnet. Beispielsweise kennzeichnet das Symbol I₁ den Weg des Datenund Informationsflusses von der Rechen- und Steuereinheit 6 hin zur pyroelektrischen Röntgenquelle 2.
In der 3 nicht dargestellt, kann zusätzlich eine Abstandsmessung zwischen der Röntgenquelle 2 oder der Gehäuseunterkante 1a und der Probenoberfläche 11‘ mittels einer Einrichtung 13 erfolgen und eine Fokussierung der primären Röntgenstrahlung Rö₁ und / oder charakteristischen Röntgenstrahlung Rö₂ mittels einer Fokussiereinheit 14 zur ortsaufgelösten Messung vorgenommen werden.

In der Tabelle 1 sind die Vorteile der Vorrichtung als Produktvorteile aufgeführt und der hieraus resultierende Kundennutzen dargelegt. Tabelle 1:

Vorteile der Erfindung	Anwendernutzen
Fokussierung der Primärstrahlung	– Ortsaufgelöste Materialanalyse
Nutzung des pyroelektrischen Effekts	– kein permanenter Strahler – transportable Anwendung mit Akkubetrieb – kompakte Bauform – robustes System
Nutzung von EDX und Primärstrahlung bis ca. 30 keV	– alle technisch relevanten Materialien analysierbar
Nutzung von SDD´s	– kurze Analysezeit – keine Stickstoffkühlung
Keine Evakuierung der Probe nötig	– Analyse feuchter, öliger und poriger Proben
Analyse mittels Röntgenfluoreszenz	– Zerstörungsfreie Untersuchung möglich – geringer Präparationsaufwand
Kombination mit einem Lichtmikroskop	– technische Erweiterung bereits erworbener Geräte – direkte Durchführung von Elementanalysen – Wegfall von Kosten für externe Analysen
Geringe Kosten für den Großteil der Bauteile	– geringer Anschaffungspreis im Vergleich zu alternativen Systemen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010034666 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung zur qualitativen und quantitativen Elementaranalyse kleiner Materialbereiche einer Probe mittels Röntgenfluoreszenz an Mikroskopen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Probenort in der Probe mittels einer Einrichtung zur Darstellung einer Mikrostruktur auswählbar ist und von diesem Probenort mittels Röntgenfluoreszenz die chemische Zusammensetzung bestimmbar ist und wobei zur Anregung der Probe/des Materialbereichs primäre Röntgenstrahlung mit Hilfe eines pyroelektrischen Effekts erzeugbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Röntgenfluoreszenzstrahlung energiedispersiv spektroskopierbar und qualitativ und quantitativ auswertbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer Einrichtung, vorzugsweise einer Kapillare oder Blende, zur Anpassung des Querschnitts der anregenden Röntgenstrahlung, so dass eine Analyse von Messorten < 100 µm, vorzugsweise < 20 µm möglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Röntgenquelle und ein Röntgendetektor an einem Objektiv eines Lichtmikroskops anordenbar sind und wobei ein Objektivträger in Form eines Objektivrevolvers ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Röntgenquelle und der Röntgendetektor als eine Röntgeneinheit ausgebildet sind, welche derart gegen den Objektivträger des Mikroskops oder ein Objektiv an diesem austauschbar sind und mit Komponenten zur Aufnahme einer Probe und der Probe selbst so zusammenwirken, dass der ausgewählte Probenort erhalten bleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei am Mikroskop ein verschiebbarer Halter zur Aufnahme der Röntgeneinheit senkrecht zur optischen Achse des Mikroskops angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Objektiv relativ zur Röntgeneinheit derart angeordnet ist, dass durch eine Ortsänderung der Probe, vorzugsweise mittels eines Tisches, der mittels einer Lichtmikroskopoptik auswählbare Messort auf der Probe erhalten bleibt und die Probe der Röntgeneinheit zuführbar und positionierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Objektiv und die Röntgeneinheit derart zusammenwirken, dass Röntgenstrahlung durch eine Öffnung im Objektiv oder seitlich am Objektiv vorbei auf eine Probe trifft.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Röntgendetektor am Objektiv befestigt ist und die Röntgenstrahlung durch Röntgenleiter, beispielsweise einer Kapillare neben dem Objektiv auf die Probe leitbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Positioniervorrichtung, wobei mittels einer Abstandsmessung, beispielsweise durch Laserstrahlen oder Lichtinterferenz die Ausrichtung des Fokuspunktes der Röntgenkomponente auf den ausgewählten Messort der Oberfläche einer Probe erfolgt.