DE3524379C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Röntgenspektrometer zu wellen­ längen- oder energiedispersiven Röntgenfluoreszenzanalyse gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Röntgenfluoreszenzanalyse, wie sie z. B. in der DE-Z "CZ-Chemie-Technik", 3. Jahrgang, 1974, Nr. 2, Seiten 69 bis 73, beschrieben ist, regen Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung einer Röntgenröhre als Primärstrahlung eine Röntgen­ fluoreszenzstrahlung der in einer Probe enthaltenen chemischen Elemente an, wobei das Spektrum der die Probe verlassenden Sekundärstrahlung Aufschluß über die einzelnen darin enthalte­ nen Elemente gibt. Zur Analyse kann das Wellenlängenspektrum oder auch das Energiespektrum der Röntgenfluoreszenzstrahlung dienen.

Bei der wellenlängendispersiven Analyse spaltet ein Analysator­ kristall das aus der Probe austretende sekundäre Strahlungs­ bündel gemäß der Bragg'schen Reflektionsbedingung in ein Wellen­ längenspektrum auf, wobei Strahlung unterschiedlicher Wellen­ länge von einem winkelmäßig einstellbaren Detektor bei ent­ sprechend unterschiedlichen Winkeln aufgefangen wird. Die Intensität der in den einzelnen Winkelbereichen detektierten Strahlung bildet ein Maß für den Anteil des betreffenden Ele­ mentes in der Probe. Bei der energiedispersiven Analyse wird die unterschiedliche Energie der Strahlungsquanten von einem Haltleiterdetektor, beispielsweise einem lithiumdotierten Siliziumkristall, in elektrische Impulse verschiedener Span­ nungshöhe umgewandelt und mit einem Vielkanal-Impulsanalysator registriert. Die Anzahl der in den einzelnen Kanälen aufgefan­ genen Impulse ist ein Maß für den Anteil des entsprechenden Elementes in der Probe.

Bei den für die Röntgenfluoreszenzanalyse verwendeten Röntgen­ spektrometern, die, gemessen an chemischen Analysenmethoden, schon ein in Größenordnungen schnelleres Ergebnis liefern, be­ steht trotzdem noch das Bedürfnis nach kürzeren Analysenzeiten, beispielsweise um die Röntgenspektrometer direkt zur Steuerung von Produktionsvorgängen einzusetzen. Selbstverständlich be­ steht auch ein Bedürfnis, die Analysengenauigkeit weiter zu erhöhen und die Nachweisempfindlichkeit für einzelne Elemente zu erweitern. Diese gewünschten Eigenschaften sind abhängig von einer höheren Intensität der auf die Probe geworfenen Primärröntgenstrahlung. Darüber hinaus sind bessere Anregungs­ bedingungen für bestimmte Elemente einer Probe durch entspre­ chende Wahl des Anodenmaterials der Röntgenröhren zu erwarten. Bisher wurde versucht, eine höhere Strahlungsleistung durch Verbesserungen an der Röntgenröhre, wie höhere Anodenbelastung, intensivere Kühlung, dünneres Strahlungsaustrittsfenster und geringerer Anodenfensterabstand, zu erreichen. Der inzwischen von der Röhrenentwicklung erreichte Stand der Technik läßt jedoch zur Zeit keinen wesentlichen Fortschritt in dieser Richtung erwarten.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, zu einer Erhöhung der Leistung der auf eine Probe fallenden Primärröntgenstrahlung und/oder zur Erweiterung des Wellenlängenbereiches dieser Primärstrahlung zu kommen, unter Benutzung bereits vorhandener Röntgenröhrentypen.

Eine Lösung der Aufgabe wird in einem Röntgenspektrometer ge­ sehen, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.

Die Anordnung mehrerer Röntgenröhren gegenüber einer Probenhalterung derart, daß die von ihnen erzeugte Primärröntgenstrahlung gleichzeitig auf eine in einer Halterung befindlichen Probe trifft, ist hier die Herstellung von Röntgenaufnahmen für sich aus der DE-PS 8 44 031 bekannt.

Werden beim Patentgegenstand beispielsweise zwei Röhren gleichen Typs verwen­ det, so läßt sich gegenüber bisherigen Spektrometern mit einer Röhre maximal die doppelte Strahlungsintensität auf der Probe erzielen.

Mit Vorteil können auch mehrere Röhren verschiedenen Typs eingesetzt werden, insbesondere sind damit auch raum­ mäßige Gegebenheiten schon vorhandener Spektrometerstruk­ turen berücksichtigbar.

Unter Röhrentyp sollen Röhren mit Stirnfenstern, Seiten­ fenstern und offene Röhren verstanden werden. Die offenen Röhren machen dabei die Verwendung eines Vakuumspektro­ meters zur Voraussetzung, das es gestattet, das Spektro­ meter unter einem für die offene Röhre notwendigen Hoch­ vakuum zu betreiben.

Die zusammenwirkenden Röntgenröhren können unter sich gleiches Anodenmaterial aufweisen.

Mit Vorteil sind mehrere Röhren auch mit verschiedenem Anodenmaterial vorzusehen. Mit dieser Lösung kann leicht die Forderung zur Erweiterung des Wellenlängenbereiches einer die Probe anregenden Primärstrahlung erfüllt werden.

Der verkleinerte Raumbedarf für neuere Mittelfrequenz- Röntgengeneratoren macht es auch möglich, für jede der im Spektrometer eingesetzten Röhren einen ihr zugeordneten Generator vorzusehen.

Es kann auch eine Schaltung zweckmäßig sein, bei der jede von mehreren Röhren einzeln an einen gemeinsamen Generator anschaltbar ist. Dabei ist die Leistung der Primärstrah­ lung, die auf die Probe fällt, nicht erhöht. Bei Ausfall der jeweils angeschlossenen Röhre kann jedoch sofort eine andere Röhre ohne Montage eingeschaltet werden. Außerdem ist es möglich, mit Röhren verschiedenen Anodenmaterials zu arbeiten.

Bei einer Kombination mehrerer Röhren mit einem einzigen Generator und wechselweisem Betrieb kann für die Umschal­ tung der Röhre auch eine besondere Schalteinrichtung, bei­ spielsweise ein Ölschalter, vorgesehen sein. Durch diese Schalteinrichtung wird das Umschalten von einer auf die andere Röhre im Spektrometer in kürzester Zeit möglich.

Es ist jedoch auch möglich, mehrere Röntgenröhren parallel aus einem einzigen, entsprechend ausgelegten Generator mit Betriebsspannungen zu versorgen. Wenn die mit dem einzigen Generator zusammenarbeiten­ den Röhren nicht mit ihrer höchsten Leistung betrieben werden, so ist auch eine höhere Verfügbarkeit zu erwar­ ten, weil die Lebensdauer der Röhren wesentlich von ihrer Belastung während des Betriebs abhängt.

Die mit den bisher beschriebenen Maßnahmen erreichten Verbesserungen der Analysengenauigkeit über den gesamten möglichen Elementenbereich sowie der Anregungsbedingungen werden weiter dadurch gefördert, daß die Röhren für unter­ schiedlich hohe Betriebsspannungen ausgelegt sind. Zweckmäßig endet dabei der untere Betriebsspannungsbe­ reich bei ungefähr 30 kV. Das Verhältnis zwischen unterem und oberem Betriebsspannungsbereich bewegt sich etwa zwi­ schen 1 : 2 und 1 : 3.

Als eine optimale Lösung wird die Lieferung unterschied­ lich hoher Betriebsspannungen an Anzapfungen einer Span­ nungsvervielfacherkaskade eines einzigen Generators ange­ sehen. Es ist dabei an einen gleichzeitigen Betrieb der Röhren ohne Umschaltung der Leistung der einzelnen Röhren gedacht. Einlaufeffekte im Spektrometer entfallen hier ebenso wie bei einem gleichzeitigen Betrieb mehrerer Röhren an je einem Generator.

Zweckmäßig werden die Röhrenströme aller Röhren einzeln geregelt. Diese Maßnahme wird sehr erleichtert, wenn die Röhren mit ihren Kathoden an Massepotential liegen. Bei Stirnfensterröhren ist diese Schaltungsart leicht zu verwirklichen.

Als Röhre für die niederere Betriebsspannung wird vor­ teilhafterweise eine räumlich in ihren Abmessungen klei­ nere Röhre Verwendung finden. Die Röhre mit der niedri­ geren Betriebsspannung kann zur Anregung der leichten Elemente einer Probe und die mit der höheren Betriebs­ spannung zur Anregung der schweren Elemente einer Probe dienen.

Eine Verwendung der vorgeschlagenen Anordnungen ist so­ wohl bei Sequenz-Röntgenspektrometern, bei denen das Spektrum der von einer Probe ausgehenden Sekundärstrah­ lung zeitlich nacheinander abgetastet wird, als auch bei einem Mehrkanal-Röntgenspektrometer, bei dem das Spektrum der Sekundärstrahlung gleichzeitig erfaßt wird, möglich. Das Mehrkanal-Röntgenspektrometer kann vom wellenlängen­ dispersiven oder energiedispersiven Typ sein. Es sind je­ doch auch Mischtypen denkbar, bei denen beispielsweise in einem Mehrkanal-Röntgenspektrometer gleichzeitig ein Ka­ nal mit variablem Einstellwinkel vorhanden ist.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung mit vier Figuren beschrieben.

Fig. 1 stellt dabei eine schematische Aufsicht auf ein Spektrometer mit zwei verschiedenen Röhrentypen dar.

Fig. 2 ist eine teilweise geschnittene Aufsicht auf ein Röntgenspektrometer, bei dem zwei Stirnfensterröhren ver­ wendet sind.

In Fig. 3 ist eine Ansicht in Richtung des Schnittes III-III der Fig. 2 dargestellt.

Fig. 4 zeigt die schematische Anordnung einer Stirnfen­ sterröhre zusammen mit einer Seitenfensterröhre.

In Fig. 1 wird eine Probe 1 in der Grundfläche eines Tetraeders 2 von einer Stirnfensterröhre 3 und einer Sei­ tenfensterröhre 4 "beleuchtet". Von der Röhre 1 als Folge der einfallenden Primärstrahlung ausgehende Sekundär­ strahlung fällt in eine Strahlungseintrittsöffnung 5 eines Spektrometers 6.

Einzelheiten des Spektrometers 6 sind in der Fig. 2 dar­ gestellt. Mit der Fig. 1 übereinstimmende Bauteile sind in Fig. 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Strahlenweg der von der Probe ausgehenden Sekundärstrah­ lung folgt nach der Strahleneintrittsöffnung 5 des Spek­ trometers 6 eine Anordnung von Soller-Spalten 7, die um eine Achse 8 schwenkbar sind. Von den Soller-Spalten fällt die Sekundärstrahlung auf einen Analysatorkristall 9, der auf einem Kristallwechsler 10 angeordnet ist, der um eine Achse 11 gedreht werden kann. Vom Analysatorkristall 9 abgebeugte Strahlung fällt in einen um einen Winkel 2 Φ verstellbaren Detektor, der aus einem Durchflußzählrohr 12 und einem im Strahlengang dahintergeschalteten Szintilla­ tionszähler 13 besteht. Bei der wellenlängendispersiven Abtastung des Spektrums der von der Probe ausgehenden Sekundärstrahlung wird der Analysatorkristall 9 um eine in seiner Oberfläche und senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufende Achse um einen Winkel Φ geschwenkt. Elektri­ sche Ausgangssignale des Durchflußzählrohrs 12 und des Szintillationszählers 13 sind jeweils zwei Verstärkern 14 und 15 und Diskriminatoren 16 und 17 zugeführt. Die aus den beiden letztgenannten Einheiten entnehmbaren Signale können als Wellenlängenspektren aufgezeichnet werden. In Fig. 2 geht die auf die Probe 1 fallende Primärstrahlung von der Anode 18 einer Stirnfensterröhre 19 aus. Im Strah­ lengang der Primärstrahlung liegt ein Primärstrahlenfilter 20, das um eine Achse 21 in den Strahlengang ein- und ausschwenkbar ist. Vor der Strahleneintrittsöffnung 5 des Spektrometers 6 liegt im Sekundärstrahlengang eine eben­ falls verschiebliche Blende 22.

In der Fig. 3 ist eine Ansicht in Richtung III-III des in Fig. 1 gezeichneten Schnittes zu sehen. Es ist zu er­ kennen, daß neben der linken Stirnfensterröhre 19 eine weitere Stirnfensterröhre 23 die Probe 1 bestrahlt. Die Röhre 23 wird in der Fig. 2 durch die Röhre 19 verdeckt.

In Fig. 4 ist eine gegenüber Fig. 3 abgewandelte Kombi­ nation der Stirnfensterröhre 19 mit einer Seitenfenster­ röhre 24 dargestellt, die beide die Probe 1 gemeinsam "beleuchten".

Claims (15)

1. Röntgenspektrometer mit einer Anordnung zur wellenlängen- oder energiedispersiven Röntgenfluoreszenzanalyse von in einer Probenhalterung an­ geordneten Proben, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere Röntgenröhren (3, 4) gegenüber der Proben­ halterung (1a) derart angeordnet sind, daß die von ihnen jeweils erzeugte Primärröntgenstrahlung gleichzeitig oder abwechselnd auf die in der Probenhalterung (1a) befindliche Probe (1) trifft.

2. Röntgenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Röhren (19, 23) gleichen Typs verwendet sind.

3. Röntgenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Röhren (19, 24) verschiedenen Typs verwendet sind.

4. Röntgenspektrometer nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß Röhren mit gleichem Anodenmaterial verwendet sind.

5. Röntgenspektrometer nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß Röhren mit verschiedenem Anodenmaterial verwendet sind.

6. Röntgenspektrometer nach einem der vorausgehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannungsversorgung jeder der Röhren aus einem ihr zugeordneten Generator erfolgt.

7. Röntgenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Röhre einzeln an einen gemeinsamen Generator anschalt­ bar ist.

8. Röntgenspektrometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für eine wechselweise Anschaltung der Röhren an den gemeinsamen Generator eine besondere Schalteinrichtung vorgesehen ist.

9. Röntgenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannungsversorgung der Röhren parallel aus einem einzigen Generator erfolgt.

10. Röntgenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren für unterschiedlich hohe Betriebsspannungen aus­ gelegt sind.

11. Röntgenspektrometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der niedere Betriebs­ spannungsbereich bis 30 kV reicht und die Verhältnisse zwischen niederer und hoher Betriebsspannung zwischen 1 : 2 und 1 : 3 liegen.

12. Röntgenspektrometer nach Anspruch 10 oder 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die unter­ schiedlich hohen Betriebsspannungen an Anzapfungen einer Spannungsvervielfacherkaskade eines einzigen Generators abgreifbar sind.

13. Röntgenspektrometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrenströme aller Röhren einzeln geregelt sind.

14. Röntgenspektrometer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren mit ihren Kathoden an Massepotential liegen.

15. Röntgenspektrometer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren Stirnfenster­ röhren sind.