DE2651645A1

DE2651645A1 - Roentgenfluoreszenzspektrometer

Info

Publication number: DE2651645A1
Application number: DE19762651645
Authority: DE
Inventors: Edward Bruninx
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1975-11-25
Filing date: 1976-11-12
Publication date: 1977-06-02
Also published as: NL7513716A; US4131794A; AU507455B2; AU1991276A; FR2333239B1; GB1570595A; JPS5265490A; FR2333239A1

Description

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"Röntgenfluoreszenzspektrometer"

Die Erfindung betrifft ein Röntgenfluoreszenzspektrometer mit einer Röntgenstrahlenquelle. einem Strahlendetektor und einem analysierenden Kristall, der derart angeordnet ist, daß Wellenlängerjdispersion auftritt und Röntgenstrahlung einer bestimmten Wellenlänge im Detektor wenigstens nahezu mit einer Leitung quer zur Dispersionsrichtung zusammenfällt.

Ein derartiges Spektrometer ist z.B. aus der US-PS 2,842,670 bekannt. Bei dem bekannten Spektrographen besteht der Detektor aus einem photographischen Film, dessen stellenweise Schwärzung nach der Durchführung der vollständigen Analyse beispielsweise mit einem Densitometer gemessen werden muß. Auch kann der Detektor aus einem Zähler bestehen, der während

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der Messung das Meßfeld abtastet.

Der Ort der Schwärzung auf dem Film ist dabei für die in einer zu analysierenden Probe vorhandenen Elemente charakteristisch. Ein Nachteil eines Spektrographen mit einem Film als Detektor besteht darin, daß die Detektion keine "on-line"-Messung erlaubt, d.h., daß jede Messung zunächst vollständig durchgeführt werden muß, bevor aus der Messung der Filmschwärzung das Ergebnis bestimmbar ist. Häufig wird die Probe inzwischen durch eine andere ersetzt sein und es kann eine mögliche nähere Bestimmung nicht durchgeführt werden, sondern es ist eine ganz neue Messung notwendig. Die ganze Messung ist hierdurch äußerst zeitraubend.

Nachteilig ist ferner, daß der Film äußerst genau im Gerät montiert oder auf jedem Film eine Referenz aufgenommen werden muß. Auch kann Längenverzerrung des Filmes die Meßgenauigkeit nachteilig beeinflussen. Ein Spektrometer, bei dem der Detektor das Meßfeld abtastet, hat weiterhin den Nachteil, daß die Aufzeichnung der Lage des Detektors beim Messen für die Meßgenauigkeit bestimmend ist. Dies erfordert einen verhältnismäßig aufwendigen Bewegungsmechanismus für den Detektor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Röntgenfluoreszenzspektrometer der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsdetektor im Spektrometer ortsfest angeordnet und stellenempfindlich und "on-line" lesbar ist.

Durch die Verwendung eines ortsfesten "on-line" auslesbaren stellenempfindlichen Detektors können, ohne daß im Spektrometer bei der Messung zu bewegende Teile angeordnet sind, die Meßdaten einer Probe direkt, also während der Messung, beurteilt werden. Hierdurch können gegebenenfalls nähere Messungen sofort durchgeführt werden. In bezug auf einen simultan

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arbeitenden Spektrographen mit Detektoren, bei denen kein analysierender Kristall verwendet wird, ist ein besseres Auflösungsvermögen verwirklicht.

Als positionsempfindlicher Detektor kann z.B. ein gasgefüllter Zähler verwendet werden, wie er in'"The Rev. of Scientific Instruments" Vol. 39 (1968) Nr. 10, Seiten 1515 bis 1522 beschrieben ist. Auch andere positionsempfindliche Detektoren, wie z.B. ein Si-Detektor oder eine Hochdruckkamera, können verwendet werden. Ein derartiger positionsempfindlicher Detektor kann in der Dispersionsrichtung sowohl homogen ausgeführt als auch aus einer Reihe gesondert auslesbarer Detektoren mit je einer verhältnismäßig geringen Abmessung in der Dispersionsrichtung der zu messenden Strahlung aufgebaut sein.

Einige bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Spektrometers verden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine skizzenhafte Darstellung eines erfindungsgeraäßen

Spektrometers mit einem gasgefüllten Zähler als Detektor, Fig. 2, 3 und 4 Ausführungsbeispiele weiterer Detektoren.

In der Zeichnung ist eine Röntgenquelle 1 mit einem Glühdraht 2, einer Anode 3 und einem Austrittsfenster 4, eine auf einem Probenträger 5 angeordnete Probe 7, ein analysierender Kristall 9 mit Kristallflächen 10 und ein Detektor 11 eines Spektrometers dargestellt. Durch Verwendung der dazu geeigneten Fenster oder Filter kann die Strahlung der Röntgenquelle 1 chromatisiert werden.

Der analysierende Kristall 9 kann in bezug auf eine abschirmende Platte 13 derart angeordnet sein, daß nur eine Stirnfläche des Kristalls 9 durch Röntgenstrahlung aus der Probe 7 angestrahlt werden kann. An der Stirnfläche 15 wird durch ein Röntgenstrahlenbündel 17 aus der Röntgenquelle 1 erzeugte Fluoreszenzstrahlung 19 auf bekannte Weise abgebeugt und

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also in Abhängigkeit von der für jedes Element in der Probe charakteristischen Wellenlänge zerstreut. In der Zeichnung sind zwei Diffraktionsrichtungen 21 und 23, d.h. Richtungen für zwei in der Fluoreszenzstrahlung auftretende Wellenlängen, angegeben. Wenn nur die Stirnfläche 15 des Kristalls 9 wirksam benutzt wird, kann durch das Auftreten nur geringfügig von der Wellenlänge unabhängiger und somit unerwünschter Streuung in der abgebeugten Strahlung ein verhältnismäßig hohes Auflösungsvermögen verwirklicht v/erden, aber das zu detektierende Signal ist verhältnismäßig schwach. Es ist dabei zu bedenken, daß die Abmessung des Kristalls 9 quer zur Abschirmplatte 13 gemessen beispielsweise ungefähr 0,1 mm beträgt. Ein kräftigeres Signal kann dadurch erhalten werden, daß der Kristall 9 weiter hinter der Platte 13 herausragt, so daß auch ein Teil 25 einer Seitenfläche angestrahlt wird und somit ebenfalls Übertragungsdiffraktion auftritt. Hierbei tritt aber auch eine größere unerwünschte Streuung in der abgebeugten Strahlung auf. Ein vorteilhafter Wert für das Maß des Herausragens eines flachen Kristalls 9 an der Platte 13 wird daher aus einem Kompromiß zwischen dem trennenden Vermögen einerseits und der Signalstärke am Detektor andererseits bestimmt. Ein praktischer Wert ist bei dem hier angegebenen Kristall 9 beispielsweise etwa 1 mm. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der analysierende Kristall 9 derart gebogen, daß die Orientierung der Kristallflächen 10 ein darauf fallendes monochromatisches Röntgenstrahlenbündel in ein in Dispersionsrichtung gesehen auf den Detektor fokussiertes Strahlenbündel abbeugt. Das zu detektierende Signal kann auf diese Weise weiter verstärkt werden, ohne daß das Auflösungsvermögen dadurch reduziert wird. Um zu vermeiden, daß die Strahlung direkt aus der Probe 7 oder sogar aus der Quelle 1 den Detektor 11 erreichen könnte, sind in einer bevorzugten Ausführungsform neben der Abschirmplatte zwischen der Probe 7 und dem Detektor 11 weitere das Bündel seitwärts abschirmende Platten 27 und 29 angeordnet. Diese abschirmenden Platten 27 und 29 bestehen vorzugsweise aus

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einem Werkstoff mit einer hohen Atomnummer, beispielsweise Blei.

In der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform besteht der Detektor 11 aus einem gebogenen gasgefüllten Zähler. Dieser Zähler ist mit einem sehr homogenen Kollektordraht mit einem bestimmten Widerstandswert und Kapazitätswert pro Längeneinheit gemäß der Beschreibung im bereits erwähnten Artikel aus "Rev. Sei. Inst." Vol. 39 ausgerüstet. Für eine gute Anpassung des Detektors 11 an die Geometrie des Spektrographen ist er gebogen, hier über einen Kreisbogen von ungefähr 90° mit einem Krümmungsradius von ungefähr 20 cm. Das Gehäuse 31 eines derartigen Zählers besteht beispielsweise aus einer Röhre, die an beiden Enden mit elektrisch isolierenden Propfen abgeschlossen ist, die gleichfalls als Durchführungen für einen Kollektordraht 35 dienen, der beispielsweise aus einem Kohlefaden besteht. An der dem analysierenden Kristall 9 zugewandten Seite ist die Röhre mit einem Strahlenfenster, beispielsweise bestehend aus Beryll oder aluminisierter Mylarfolie, versehen. Um eine gute zentrale Positionierung des Kollektordrahtes 35, auch über längere Zeit gesehen, zu gewährleisten, wird er einer Vorbearbeitung unterworfen, wodurch ihm eine bleibende gebogene Form aufgeprägt wird. Auch kann der Kollektordraht 35 durch stellenweise Abstützungen positioniert werden. Hierbei sind Störungen in der Potentialverteilung im Zähler zu vermeiden, z.B. durch eine optimale Anpassung der Abstützungen an das bestehende Feld. Für das positionsempfindliche Auslesen des Detektors 11 kann eine dafür bekannte elektronische Schaltung 37 verwendet werden, die z.B. einen Energieanalysator und einen Mehrkanalanalysator enthält.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist für die Detektion ein Feststoffdetektor verwendet, der aus einer einfachen Reihe von Detektorelementen besteht, die gesondert durch eine dafür bekannte elektronische Schaltung auslesbar sind, die oetzt pro Detektorelement die aufzuzeichnenden

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Signale empfängt. Auch derartige Detektoren mit dazu geeigneten Ausleseschaltungen sind an sich bekannt, aber nicht in einer gebogenen Form.

Da das Auflösungsvermögen hier durch die Abmessung der Detektorelemente bestimmt wird, braucht der Detektor nicht die gebogene Form aufzuweisen. Bei einer geraden Reihe von Detektoren kann hier der Abstandsunterschied elektronisch korrigiert werden. Ein derartiger Detektor besteht nach Fig. 2 z.B. aus Elementen 40 mit einer Abmessung 42 von beispielsweise 1 mm in der Dispersionsrichtung, in einer Richtung quer darauf mit einer Abmessung 44 von beispielsweise 10 bis 20 mm und in Richtung auf den Strahlengang mit einer Abmessung 46, die der Eindringüefe der betreffenden Strahlung angepaßt ist. Jedes der Detektionselemente 40 ist mit einem Ausleseanschluß 53 versehen. Zwischenräume 49 zwischen den Detektionselementen können mit einem elektrisch isolierenden Material ausgefüllt sein, das gleichfalls eine hohe Absorption für die zu detektierende Strahlung hat.

In einer weiteren Ausführungsform besteht der Detektor aus einer angepaßten Hochdruckkamera vom Typ wie in der US-PS 3,774,029 für andere Zwecke beschrieben. Diese Kamera ist nach Fig. 3 in Form einer flachen gebogenen Röhre ausgeführt, von der eine dem analysierenden Kristall zugewandte Wand 50 mit einem den auftretenden Röntgenstrahlen angepaßten elektrisch leitenden Fenster 51 versehen ist. Von einer gegenüberliegenden Wand 54 ist ein Teil 56 sowohl an der Innen- als auch an der Außenseite mit Elektroden versehen. Jede der Innenelektroden 58 (vgl. Fig. 4) ist durch die Wand 54 mit einer entsprechenden Elektrode 60 an der Außenseite elektrisch verbunden. Hierzu besteht der mit Elektroden versehene Wandteil beispielsweise aus einem isolierenden Material,wie Glas, Kunststoff oder Keramik, mit eingebauten, quer zu den Oberflächen gerichteten elektrisch leitenden Durchführungen. Die gegenseitig isolierten Innenelektroden haben beispielsweise Abmessungen entsprechend denen der gesonderten Detektionselemente des in Fig. 2 darge-

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stellten Detektors, während auch hier der Abstand 62 zwischen der Vorder- und der Rückwand der zu detektierenden Strahlung angepaßt ist und beispielsweise etwa 10 mm beträgt. Dieser Abstand wird durch den hohen Gasdruck kleiner als beim gasgefüllten Zähler sein können, wodurch Abweichungen in der Geometrie einen geringeren Einfluß auf das Auflösungsvermögen ausüben . Alle Außenelektroden 60 sind auch hier mit Anschlüssen 64 zum Zuführen aufzuzeichnender Signale an weiter nicht dargestellte elektronische Schaltungen versehen»

PATENTANSPRÜCHE:

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AO

Leerseite

ORfGiNAL IHSPBCTED

Claims

PATENTANSPRÜCHE;

1. Röntgenfluoreszenzspektroraeter mit einer Röntgenstrahlenquelle, einem Strahlendetektor und einem analysierenden Kristall, der derart angeordnet ist, daß Wellenlängendispersion auftritt und Röntgenstrahlung einer "bestimmten Wellenlänge im Detektor wenigstens nahezu mit einer Linie quer zur Dispersionsrichtung zusammenfällt, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlendetektor im Spektrometer ortsfest angeordnet und positionsempfindlich und "on-line" auslesbar ist.

2. Röntgenfluoreszenzspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom analysierenden Kristall ausschließlich eine parallel zu Kristallflächen des Kristalls veuaufende verhältnismäßig kleine Stirnfläche von der Fluoreszenzstrahlung treffbar ist.

3. Röntgenfluoreszenzspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein verhältnismäßig kleiner Teil einer Oberfläche des analysierenden Kristalls, die quer zu den Kristallflächen des Kristalls verläuft, für Durchstrahlung durch die Fluoreszenzstrahlung treffbar ist.

4. Röntgenfluoreszenzspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das analysierende Kristall, insoweit von der zu analysierenden Strahlung treffbar, derart gebogen ist, daß abgebeugte Strahlung einer bestimmten Wellenlänge den Detektor wenigstens nahezu in einem linienförmigen Brennpunkt trifft.

5. Röntgenfluoreszenzspektrometer nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor aus einer Reihe je gesondert auslesbarei/Feststoffdetektorelemente besteht, deren Abmessung in der Dispersionsrichtung dem trennenden Vermögen angepaßt ist.

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ORiGINAL INSPBCTED

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6. Röntgenfluoreszenzspektrometer nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor wie eine über etwa 90 gebogene Ionisationskammer mit einem darin aufgenommenen Kollektordraht mit einem bestimmten Widerstandswert und Kapazitätswert pro Längeneinheit aufgebaut ist.

7. Röntgenfluoreszenzspektrometer nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor aus einer über etwa 90° gebogenen Hochdruck!onisationskammer besteht, von der ein durch die Strahlung erzeugtes Potentialfeld automatisch positionsabhängig detektierbar ist.

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