DE2642637C2

DE2642637C2 - Röntgenfluoreszenzspektrometer

Info

Publication number: DE2642637C2
Application number: DE2642637A
Authority: DE
Inventors: Kliment Vladislavovi&ccaron; Anisovi&ccaron;; Nikolai Ivanovi&ccaron; Leningrad Komyak
Original assignee: LE N- PROIZV OB EDINENIE BUREVESTNIK LE
Current assignee: LE N- PROIZV OB EDINENIE BUREVESTNIK LE
Priority date: 1975-09-26
Filing date: 1976-09-22
Publication date: 1982-02-11
Also published as: FR2325926B1; NL7610384A; SU614367A1; NL172594B; GB1564534A; DE2642637A1; FR2325926A1; US4091282A; NL172594C

Description

Die Erfindung betrifft ein Röntgenfluoreszenzspektrometer mit einer Röntgenstrahlungsquelle, einem in ihrem Strahlengang angeordneten Probenhalter mit einer zu analysierenden Probe, von der aus Fluoreszenzstrahlung durch einen ihr gegenüberliegenden Eintrittsspalt auf einen Analysatorkristall trifft und von letzterem zu einem Austrittsspalt reflektiert wird, hinter dem ein Röntgenstrahlen-Detektor angeordnet ist, bei dem der Eintritts- und der Austrittsspalt sowie der Analysatorkristall auf einem Fokussierungskreis liegt, dessen Durchmesser D durch die Krümmung der Netzebenen des die Fluoreszenzstrahlung der Probe auf den Austrittsspalt fokussierenden Analysatorkristalls bestimmt wird. Derartige Röntgenfluoreszenzspektrometer werden insbesondere zur quantitativen chemischen Analyse, z. B. in der Eisenhütten- und Buntmetallindustrie, Geologie, chemischen Industrie usw. verwendet.

Bekannt sind nach Soller Röntgenfluoreszenzspektrometer mit planparalleler Kristallplatte. Be; diesen Spektrometern ist die Empfindlichkeit durch den Primärstrahlstrom auf die Probe, d. h. durch die Leistung der Röntgenröhre, bestimmt. Eine Empfindlichkeitssteigerung dieser Spektrometer kann nur durch Leistungserhöhung der Röntgenröhre erreicht werden, was auf konstruktive und technologische Schwierigkeiten stößt. Eine Verminderung des Abstandes zwischen dem Brennpunkt der Röntgenröhre und der bestrahlten Fläche der Probe führt nicht zur Empfindlichkeitserhöhung, weil der die Empfindlichkeit bestim-

mende Primärstrahlstrom konstant bleibt

Bekannt sind außerdem nach Johann und Johansson fokussierende Röntgenfluoreszenzspektrometer mit gekrümmtem Kristall. Bei diesen Spektrometern ist die Empfindlichkeit durch die Bestrahlungsstärke im Arbeitsbereich der Probe mit der Primärstrahlung der Röntgenröhre bestimmt Das erforderliche bestrahlte Feld der Probe ist bei diesen Spektrometern groß infolge großen Abstands der Probenfläche vom

ίο Fokussierungskreis. Zur Schaffung der notwendigen Bestrahlungsstärke im Arbeitsbereich der Probe sind daher hochleistungs-Röntgenröhren erforderlich. In diesem Fall kann eine Empfindlichkeitssteigerung durch noch stärkere Leistungserhöhung der Röntgenröhre erreicht werden, was die genannten Schwierigkeiten verursacht Eine Verminderung des Abstandes zwischen dem Brennpunkt der Röntgenröhre und der Probenfläche führt nicht zur erwünschten Empfindlichkeitserhöhung, weil die Bestrahlungsstärke nur im mittigen Teil der Probe zunimmt und an dessen Umfang gleichzeitig abfällt, so daß die mittlere Bestrahlungsstärke praktisch unverändert bleibt

Bekannt sind auch Röntgenfluoreszenzspektrometer mit einer Röntgenstrahlungsquelle, einem im Strahlen gang der Röntgenstrahlungsquelle angeordneten Probenhalter, einem Analysatorkristall, der die Fluoreszenzstrahlung der im Probenhalter untergebrachten Probe fokussiert und durch die Krümmung (Knick) seiner Ebenen den Fokussierungskreis bestimmt und mit einem Detektor, der die vom Analysatorkristall 11 reflektierte Strahlung empfängt (vgL zum Beispiel Toshio Shiraiwa und Nobukastu Fujino, »Microfluorescent x-ray analyzer«. Advances in X-ray Analysis, volume H, Plenum Press, New York, 1968).

j5 Bei diesen Spektrometern befindet sich die ProbenfJäche auf dem Fokussierungskreis, wodurch eine kleine Fläche des Arbeitsbereiches der Probe gewährleistet wird. Die Empfindlichkeit dieser Spektrometer ist jedoch nicht hoch, weil die Röntgenstrahlungsquelle weit von der Probenfläche entfernt ist was eine geringe Bestrahlungsstärke auf ihr bedingt

Bei diesen Spektrometern kann eine Empfindlichkeitssteigerung durch Leistungserhöhung der Röntgenröhre erreicht werden, was aber aus den genannten Gründen

₄-, unerwünscht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem derartigen Röntgenfluoreszenzspektrometer durch Wahl der Stellung der Röntgenstrahlungsquelle und des Probenhalters zueinander die Empfindlichkeit wesent-

--,() lieh zu steigern, ohne die Leistung der Röntgenstrahlungsquelle erhöhen zu müssen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Hauptanspruch gekennzeichneten Maßnahmen. Es ist zweckmäßig, daß die Röntgenstrahlungsquelle

γ, in einem solchen Abstand vom Probenhalter liegt, daß bei einer Spannung von 50 kV die spezifische Strahlungsintensität auf dem zentralen Bereich der Oberfläche der Probe mindestens 1,5 · 10-³Js-^|cm-²W-'beträgt. Beim erfindungsgemäßen Röntgenfluoreszenzspek-

ho trometer ermöglicht die Erhöhung der Strahlungsintensität die Empfindlichkeit bei gleicher Leistung der Röntgenröhre um das Zehn- bis Dreißigfache zu steigern bzw. die Leistung der Röntgenröhre bei gleicher Empfindlichkeit um zwei bis drei Größenord-

(,T nungen herabzusetzen. Bei Verwendung einer Niederleistungs-Röntgenröhre mit stirnseitigem Strahlungsaustritt, die einen kleinen Abstand zwischen dem Brennfleck und der Austrittsöffnung aufweist, sinken die

Außenabmessungen und die Fertigungskosten des Spektrometer sehr.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausfuhningsbeispiels mittels der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 die Optik eines erfindungsgemäßen Röntgenfluoreszenzspektrometers in isometrischer Darstellung, und

Fig.2 die Kennlinie der Fluoreszenzintensität der zu bestrahlenden Abschnitte der Probe in Abhängigkeit von deren Abstand von der Mitte der bestrahlten Zone.

Das in Fig. 1 dargestellte Röntgenfluoreszenzspek- trometer enthält eine Röntgenstrahlungsquelle, hier eine einen stimseitigen Strahlungsaustritt aufweisende Röntgenröhre 1 mit einem Brennfleck 2 sowie einen Probenhalter 3, der im Wege des Strahlbündels von der Röntgenröhre 1 angeordnet ist F i g. 1 zeigt das Spektrometer mit einer Probe 4, die als eine im Probenhalter 3 untergebrachte Tablette ausgeführt ist Das Spektrometer enthält auch einen fokussierenden Analysatorkristall 5, dessen Ebenenkrüinmung die Lage eines Fokussierungskreises 6 bestimmt Der Analysator- kristall 5 hat eine Höhe H und eine Länge L Auf dem Fokussieningskreis 6 sind ein Eintrittsspalt 7 gegenüber dem Probenhalter 3 und ein Austrittsspalt 9 gegenüber einem Detektor 8, der vom Analysatorkristall 5 reflektierte Strahlung empfängt, angeordnet. Als Detektor 8 kann beispielsweise ein Gas-Proportionalzähler Verwendung finden. Eine zu untersuchende Zone 10 der bestrahlten Fläche der Probe 4 hat eine Höhe a und eine Breite k

Die Höhe ader zu untersuchenden Zone 10 der Probe 4 ist durch die Höhe des Analysatorkristalls 5 beschränkt und gleich H. Die Breite b der zu untersuchenden Zone 10 ist durch den Abstand r r> zwischen der Fläche der Zone 10 der Probe und dem Fokussieningskreis 6 bedingt und beträgt:

b =

rL sin θ R

rL D

mit If= Abstand zwischen Eintrittsspalt 7 und Analysatorkristall 5,

D =

= Durchmesser des Fokussierungs- ''

sin Θ

kreises 6

θ = Glanzwinkel (Braggscher Winkel).

Da die meisten zur Zeit verwendeten fokussierenden Analysatorkristalle auf eine Höhe von 1 bis 4 cm beschränkt sind, kann der Abstand h höchstens gleich einem Viertel der Höhe H des Analysatorkristalls 5 gewählt werden. In diesem Fall ist der Probenhalter 3 derart angeordnet, daß der Abstand r zwischen der bestrahlten Fläche der Probe 4 und dem Fokussierungs-

Dß-J

kreis 6 nicht — überschreitet.
4L

Die höchste Strahlungsintensität des mittigen Abschnitts der Probe 4 liegt vor, wenn der Abstand h zwischen dem Brennfleck 2 der Röntgenröhre 1 und der bestrahlten Fläche der Probe 4 möglichst klein gewählt ist

In F i g. 2 ist die Abhängigkeit der Fluoreszenzintensität der zu bestrahlenden Abschnitte der Probe von deren Abstand von der Mitte des bestrahlten Gebiets dargestellt. Auf der *-Achse ist der Abstand zwischen dem Abschnitt der Probe und deren Mittelpunkt und auf der y-Achse die Fluoreszenzintensität Js-¹Cm-²IO-⁷ aufgetragen.

Das Röntgenfluoreszenzspektrometer arbeitet wie folgt:

Die vom Brennfleck 2 ausgebende Primärstrahlung der Röntgenröhre I (F i g. 1) bestrahlt die Probe 4, in der Sekundärröntgen-Fluoreszenzstrahlung angeregt wird. Die Fluoreszenzstrahlung der Probe 4 passiert den Eintrittsspalt 7, wird vom Analysatorkristall 5 reflektiert, indem sie sich am Austrittsspalt 9 konzentriert, und von dem Röntgenstrahlen-Detektor 8 empfangen.

Die Empfindlichkeit dieses Röntgenspektrometers ist durch die Strahlungsintensität der zu untersuchenden Zone 10 der Fläche der Probe 4 bestimmt Eine Flächenverminderung der Zone 10 führt zur Verminderung des erforderlichen Strahlstromes der Röntgenröhre 1 und somit zur Erhöhung der Strahlungsintensität des Spektrometers.

Unter der Bedingung r<h~, wobei h mit Rücksicht

auf eine spezifische Strahlungsintensität auf der Probenfläche von mindestens 1,5 · IO-³ Js-¹Cm-²W-" bei einer Röntgenstrahlungsquellen-Spannung von 50 kV gewählt ist, gilt b = -^- < Λ. In diesem Fall ist die Bestrahlungsstärke der Zone 10 der Probe 4 über deren Höhe a gleichförmig verteilt Ober die Breite b der Zone 10 liegt die Bestrahlungsstärke von 1,5 · IO-³ Js-"cm-² nur für den mittigen Abschnitt der Zone 10 mit Abnahme zu deren Rand hin vor. Obwohl die erwähnte Strahlungsintensität nur im mittigen Abschnitt vorliegt, ist die durchschnittliche Strahlungsintensität der Zone 10, die die Strahlungsintensität des Spektrometers bestimmt, wegen der kleinen Fläche a · b der Zone 10 der Probe 4 groß, was die Möglichkeit bietet, eine hohe Empfindlichkeit des Spektrometers bei geringerem Energieaufwand zu erreichen.

Bei Erfüllung der Forderung r < — (h < — j ergibt sich für die Breite b der bestrahlten Zone 10 der Probe 4:

b < — = h. In diesem Fall ist die Bestrahlungsstärke der

Zone 10 der Probe 4 über deren Breite gleichmäßig. Über die Höhe a der Zone 10 liegt die maximale Strahlungsintensität ebenfalls nur für den mittigen Teil des Abschnitts mit Abnahme zum Rand hin vor. Dabei' sind die in Venikalrichtung äußersten Punkte der zu untersuchenden Zone 10 der Fläche der Probe 4 um

—= —- = 2Λ von der Mitte der Fläche versetzt. Dieser

Abstand zwischen dem Brennfleck 2 und der Fläche der Probe 4 bietet die Möglichkeit, den zu untersuchenden Flächenabschnitt praktisch mit dem gesamten Strahlungsstrom von der Röntgenröhre 1 in senkrechter Ebene zu bestrahlen (siehe F i g. 2). In diesem Fall ist die Strahlungsintensität ebenfalls hinreichend groß, während die Fläche des zu untersuchenden Abschnitts klein ist, wodurch eine hohe Strahlungsintensität des Spektrometers gewährleistet wird.

Bei möglichst kleinem Abstand h und r < h — liegen

die besten Ergebnisse vor, weil die Zone 10 die Mindestfläche und größtmögliche durchschnittliche Strahlungsintensität aufweist, wodurch die maximale Empfindlichkeit des Spektrometers gewährleistet wird. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel des Spektrometers ist der zu untersuchende Abschnitt der Probenfläche klein. Es ist daher zweckmäßig, zum

Mitteln der Analysenergebnisse die Probe während der Messung zu verschieben.

In der Beschreibung wurde bisher als Dispersions-Element der Analysatorkristall ausgewiesen, obwohl sein Ersatz durch ein (technisches) Äquivalent, z. B. ein Fokussierungsbeugungsgitter, offensichtlich ist.

F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Spektrometers mit außerhalb des Fokussierungskreises 6 angeordnetem Probenhalter 3. Es sind aber auch Ausführungsbeispiele mit einem innerhalb des Fokussierungskreises 6 angeordneten Probenhalter möglich; die in F i g. 1 dargestellte Anordnung ergibt jedoch die besten Ergebnisse.

Entsprechend der Optik von F i g. 1 wurde ein Röntgenfluoreszenzspektrometer hergestellt, bei dem eine Mikrofokus-Röntgenröhre mit stirnseitigem Strahlungsaustritt und 5-W-Leistung als Röntgenstrahlungsquelle Verwendung fand; es wurden A=5mm, r=3 mm, D= 300 mm gewählt Es wurde ein Lithiumfluorid-Analysatorkristall nach Johansson mit H= 20 mm, L=60 mm verwendet. Als Detektor 8 dieme ein angezapfter Xenon-Proportionalzähler. Mit den angegebenen Abmessungen wurde eine spezifische Bestrah-

■5 lungsstärke des mittigen Abschnitts der bestrahlten Probenfläche von 1,2 · 10-2Js-¹Cm-²W"¹ erreicht

Beim Nachweis der Fluoreszenzstrahlung von reinem Kobalt wurde eine Zählgeschwindigkeit von 150 000 Imp/s ermittelt, die einer spezifischen Zähl-

IU geschwindigkeit von 30 000 Imp/s · W entsprach, was die spezifische Zählgeschwindigkeit für die bekannten Spektrometer um zwei Größenordnungen überschritt Bei einer Röhrenleistung von 5 W betrug die

Empfindlichkeit des Spektrometers 1 · 10~⁴%, was der Empfindlichkeit der bekannten Spektrometer mit über 1 - W-Röhrenleistung entsprach. Das Spektrometer hatte kleine Außenabmessungen von » 300 - 300 · 200 mm und eine geringe Masse von « 30 kg.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Röntgenfluoreszenzspektrometer mit einer Röntgenstrahlungsquelle, einem in ihrem Strahlengang angeordneten Probenhalter mit einer zu analysierenden Probe, von der aus Fluoreszenzstrahlung durch einen ihr gegenüberliegenden Eintrittsspalt auf einen Analysatorkristall trifft und von letzterem zu einem Austrittsspalt reflektiert wird, hinter dem ein Röntgenstrahlen-Detektor angeordnet ist bei dem der Eintritts- und der Austrittsspalt sowie der Analysatorkristall auf einem Fokussierungskreis liegt dessen Durchmesser D durch die Krümmung der Netzebenen des die Fluoreszenzstrahlung der Probe auf den Austrittsspalt fokussierenden Analysatorkristalls bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand h zwischen dem Brennpunkt (2) der Röntgenstrahlungsquelle (1) und der bestrahlten Fläche der Probe (4) höchstens gleich einem Viertel der Höhe H des Analysatorkristalls (5) ist und der Abstand r zwischen der bestrahlten Fläche der Probe (4) und dem Eintrittsspalt (7) höchstens gleich einem Viertel des Ausdrucks D ■ H/L ist, wobei L die Länge des Analysatorkristalls (5) bedeutet

2. Röntgenfluoreszenzspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenstrahlungsquelle (1) in einem solchen Abstand Qi) vom Probenhalter (3) liegt, daß bei einer Spannung der Röntgenstrahlungsquelle von 50 kV die spezifische Strahlungsintensität auf dem zentralen Bereich der Oberfläche der Probe (4) mindestens 1,5 · 10-³Js-'cm-²W-'beträgt.