DE3731973A1 - Vorrichtung zur stabilisierung fuer roentgenfluoreszenzschichtdicken-messgeraete und verfahren hierzu - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Haupt­ anspruchs und ein Verfahren gemäß dem Anspruch 20.

Der Anspruch 1 geht von einer Vorrichtung gemäß der DE-OS 32 39 379.2 aus. Dort ist ein Proportionalzählrohr 97 gezeigt. Ein Roentgenstrahlerzeuger 33 schickt einen Roentgenstrahl zu einem Target 92, das zur Roentgen­ fluoreszenz angeregt wird und die angeregte Strahlung zum Zählrohr 97 strahlt. Eine Verschließvorrichtung 41 ist in der AUF-Lage gezeichnet. Damit keine Strahlung aus der Öffnung 22 austreten kann, wenn diese nach oben offen ist, kann durch eine nicht dargestellte Betätigungsvorrichtung das Küken 41 so gedreht werden, daß seine Bohrung 42 waagerecht steht. Es ist dann in der ZU-Lage.

Man kann sich das Küken 41 wie den drehbaren Teil eines Bier-Zapfhahns vorstellen. Es ist jedoch klar, daß die Verschließvorrichtung nicht unbedingt rotatorisch betätigbar sein muß. Vielmehr kann sie auch translatorisch be­ tätigbar sein.

Es ist klar, daß ein solches Meßgerät - wie jedes andere - eine Drift hat, herrührend von Einflüssen wie Wärme, Alter, Stromversorgung usw. Damit eine lntensitätsmessung mit einer bestimmten charakteristischen Roentgen­ strahlung durchgeführt werden kann, ist es notwendig, daß die Verstärkung des Systems "Proportionalzählrohr-Ladungsverstärker-Hauptverstärker- Vielkanalanalysator" stabil arbeitet. Eine Stabilisierung dieses Meßsystems wird im Stand der Technik dadurch erreicht, daß eine Strahlung mit einem definierten Spektrum auf das Zählrohr eingestrahlt wird und die gesamte Meßanordnung so stabilisiert wird, daß die Linie dieses Spektrums immer an einer bestimmten Stelle liegt. Während einer Messung ist dies nicht möglich. Üblicherweise wird in bestimmten periodischen Pausen anstatt eines Meßgegenstands (Target) ein Referenzgegenstand in den Primärstrahl gebracht. Er wird entweder von Hand eingelegt oder automatisch einge­ schwenkt und dann das Zählrohr stabilisiert. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß zwischen den einzelnen Stabilisierungsphasen das System unstabili­ siert betrieben wird.

Typisch für die Schichtdickenmessung im Stand der Technik ist, daß immer nach kurzen Meßzeitintervallen (zwischen 1 und 20 Sekunden) eine Pause auftritt, die sich auch auf etliche Minuten ausdehnen kann. ln diesen Pausen wird entweder ein anderer Meßgegenstand positioniert. Aus Strahlenschutz- Sicherheitsgründen muß dann die Primärstrahlung im Meßraum abgeschirmt sein. Oder es liegen keine Meßaufgaben vor, und das Gerät wird nicht bedient, bleibt aber eingeschaltet. Auch in diesem Fall schreibt die Roentgenschutz­ verordnung vor, daß die Strahlung nicht in den zugänglichen Meßraum emittiert werden soll. Um die Forderung eines Strahlenschutzes zu realisieren wird nach Beendigung einer Messung die Austrittsöffnung des primären Roentgenstrahls durch eine Verschließvorrichtung abgeschirmt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stabilisierung zu ermöglichen, bei der keine Meßzeit verlorengeht und keine aktive Handlung des Kunden bestimmt, ob stabilisiert wird oder nicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs ersichtlichen Merkmale gelöst. Damit ermöglicht man nun, daß in den Pausen, die zwangsläufig durch die Benützung der Vorrichtung entstehen, eine Stabilisierung durchgeführt wird. Es wird auch kein gesonderter Roentgenstrahlerzeuger notwendig. Außerdem ist der notwendige Aufwand minimal.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 kann man dem Zählrohr die Stabilisierungs- Roentgenstrahlung an irgendeiner Stelle zuführen, z.B. dort, wo der Weg zwischen der ersten Verschließvorrichtung und dem Zählrohr am kürzesten ist, denn Leichtmetall ist für diese Roentgenstrahlen durchlässig. Würde man Zählrohre mit Stahlmantel verwenden, dann müßte man entweder ein besonderes Fenster für die Stabilisierungsstrahlung schaffen, was bei den verhältnismäßig geringen Stückzahlen teuer sein dürfte oder aber man müßte dasjenige Fenster für die Stabilisierungsstrahlung verwenden, das auch für die vom Meßgegenstand kommende Strahlung benützt wird. Dies würde aber wahrscheinlich zu langen Wegen führen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 3 kann man die am weitesten verbreiteten Zählrohre verwenden.

Durch die Merkmale des Anspruchs 4 kann man die Bewegungen der ersten Verschließvorrichtung zugleich dazu verwenden, den der Stabilisierung dienenden Roentgenstrahl dem Zählrohr zuzuführen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 5 braucht man nicht auf die ganze Länge des Nebenschlußkanals eine dünne Bohrung vorsehen. Vielmehr ist man dann in der Lage eine relativ kurze erste Bohrung vorzusehen. Dies muß man vor dem Hintergrund sehen, daß selbst eine Bohrung im Zehntelsmillimeterbereich ganz wesentlich mehr Strahlung zum Zählrohr schicken würde als dies dem Bereich üblicher Zählraten entsprechen würde, die von den Meßgegenständen kommt.

Durch die Merkmale des Anspruchs 6 erreicht man, daß die Roentgenstrahlung gleich am Anfang geschwächt wird, so daß das Maß an Roentgenstrahlung gleich von vornherein auf der ungefährlicheren Seite liegt.

Durch die Merkmale des Anspruchs 7 kann man durch Bemessung der dünnen Schicht die Zählrate auf den gewünschten Wert herabsetzen ohne daß die erste Bohrung prohibitiv dünn sein muß. Außerdem kann man die dünne Schicht materialmäßig heraussuchen, so daß sie bestimmte Strahlungen wie z.B. die I-Strahlung wegabsorbiert, jedoch die gewünschte k-Strahlung durch­ läßt.

Durch die Merkmale des Anspruchs S braucht man nur die erste Schließ­ vorrichtung betätigen und automatisch wird dann die zweite Schließvorrichtung richtig betätigt.

Durch die Merkmale des Anspruchs 9 verhindert man, daß das Zählrohr auf zwei Wegen Strahlen erhält.

Durch die Merkmale des Anspruchs 10 erreicht man, daß die Vorrichtung klein baut, der Aufwand niedrig ist und an der ersten Schließvorrichtung sehr wenig geändert werden muß, um mit ihr auch noch die zweite Schließ­ vorrichtung zu realisieren.

Durch die Merkmale des Anspruchs 11 erreicht man, daß man mit denjenigen Roentgenstrahlen, die vor der ersten Schließvorrichtung beständig vorhanden sind direkt oder indirekt das Zählrohr mit Strahlen beaufschlagen kann. Man braucht also keinen zweiten separaten Durchlaß vom Erzeuger zum Zählrohr. Vielmehr kann man den ohnehin vorhandenen Durchlaß ausnutzen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 12 kann man von bekannten ersten Schließ­ vorrichtungen ausgehend auf billige einfache und strahlenschutzmäßig unbenk­ liche Weise die zweite Schließvorrichtung realisieren und von ihr aus die Strahlen in den Nebenschlußkanal schicken.

Material gemäß dem Anspruch 13 eignet sich am besten, wenn man die Strahlen indirekt (nicht auf geradem Wege) in den Nebenschlußkanal schickt.

Durch die Merkmale des Anspruchs 14 kann man die Forderung erfüllen, daß die Energie der charakteristischen Strahlung so hoch wie möglich ist. Bei höheren Ordnungszahlen würde die k-Strahlung nicht mehr angeregt.

Ein Material gemäß Anspruch 15 ist billig und steht überall zur Verfügung. Beispielsweise könnte man aber auch Silber oder dergleichen verwenden.

Die Merkmale des Anspruchs 16 gestatten, die Fläche auf ganz einfache Weise herzustellen, denn Lötzinn gibt es in jedem Labor. Erstaunlicherweise kann man das Lötzinn einfach auf die jetzigen aus Stahl bestehenden Küken auflöten.

Natürlich könnte man das Küken auch aus Messing machen aus Lagermetall oder dergleichen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 17 kann man die I-Strahlung des Bleis absorbieren. Wäre sowohl die k-Strahlung des Zinns als auch die l-Strahlung des Bleis vorhanden, dann hätte man ja zwei Maximas. Zum Stabilisieren benötigt man der Eindeutigkeit halber jedoch nur ein einziges. Man kann also weiterhin das überall verfügbare Lötzinn verwenden.

Eine Folie gemäß dem Anspruch 18 eignet sich ausgezeichnet. Sie könnte aber auch aus Stahl oder aus Kobalt bestehen. Aluminium wäre der Ordnungszahl nach zu niedrig und Silber wäre nicht verwendbar, weil sie die l-Strahlung des Bleis nicht so richtig absorbiert.

Durch die Merkmale des Anspruchs 19 hat man Zugriff auf die industriell breit in allen möglichen Dicken hergestellte Folie.

Durch die Merkmale des Anspruchs 20 nutzt man für die Stabilisierung die Meßpausen aus. Der Kunde braucht nicht an das Stabilisieren zu denken. Man verliert keine Zeit für die Stabilisierung. Die Geräte sind immer meß­ bereit und die Stabilisierung kann häufiger erfolgen.

Es wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische geschnittene Anordnung;

Fig. 2 eine Darstellung des linken oberen Bereichs in Fig. 1, wie er tatsächlich hergestellt wird;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Kükens in der Aufstellung für Strahlen zum Meßobjekt und in der Zustellung für Strahlen in dem Nebenschlußkanal; und

Fig. 4 eine Darstellung wie Fig. 3, jedoch in Zustellung für die Meß­ strahlen zum Meßobjekt und Aufstellung für die Strahlen in den Nebenschlußkanal.

Gemäß Fig. 1 ist in einem strahlungsdichten Behälter 11 ein Roentgen­ strahl-Erzeuger 12 vorgesehen. Über diesem hat der Behälter 11 ein Loch 13, durch das ein Roentgenstrahl 14 nach oben austreten kann. Oberhalb des Lochs 13 ist ein metallischer Aufbau 16 vorgesehen, dessen Material Roentgenstrahlen absorbiert und der einen von unten nach oben weisenden Durchlaß 17 hat. Im unteren Bereich unmittelbar oberhalb dem Loch 13 ist im Aufbau 16 eine kreiszylindrische Ausnehmung 18 vorgesehen, die koaxial zu einer waagerechten geometrischen Längsachse 19 ist. In der Ausnehmung 18 sitzt ein ebenfalls zur geometrischen Längsachse 19 koaxiales kreiszylindrisches Küken 21, das durch eine in Fig. 3 gestrichelt gezeichnete Betätigungsvorrichtung 22 drehbar ist. Diese Betätigungsvor­ richtung 22 kann ein Stellmotor sein. Das Küken 21 hat eine diametral verlaufende Durchgangsbohrung 23, die in der Querabmessung wenig kleiner als die Querabmessung des Durchlasses 17 ist. In der in Fig. 3 gezeichneten Stellung kann Strahlung von unten nach oben durchtreten, die letztendlich zum nicht dargestellten Meßgegenstand gelangt, wie dies z.B. die DE-OS 32 39 379.2 zeigt.

In der in Fig. 3 gezeichneten Stellung ist der obere Teil des Durchlasses 17 gegenüber der Strahlung durch den Sektor 24 abgeschirmt, der auf der einen Seite der Durchgangsbohrung 23 stehengeblieben ist und der sich von der geometrischen Längsachse 19 aus gesehen über etwa 140° erstreckt. Die Durchgangsbohrung 23 steht etwa unter 25° geneigt, ist also nicht waage­ recht gezeichnet in Fig. 3 und trotzdem reicht diese nicht ganz gegenüber Fig. 3 90° betragende Drehung aus, den oberen Teil des Durchlasses 17 strahlungsdicht abzuschirmen. Die Überlappung im Eckbereich 26 des Kükens 21 mit dem Aufbau 16 ist noch genügend groß, so daß auch in diesem Eck­ bereich das Küken 21 nicht strahlungsdurchlässig ist. Selbstverständlich ist das Küken 21 aus strahlungsabsorbierendem Material.

Im Bereich der Durchgangsbohrung 23 ist in dem zweiten Sektor 27 des Kükens 21 ein Ausschnitt 28 eingebracht, der einerseits bis zum Umfang des Kükens 21 und andererseits bis zur Durchgangsbohrung 23 reicht. Der Ausschnitt 21 reicht bis zu dem in Fig. 3 unteren Ende der Durchgangs­ bohrung 23 und läßt eine Fläche 29 entstehen, die eben ist, grob gesehen radial liegt und außerdem so liegt, daß sie in der Fig. 3 ähnlich wie ein Spiegel für die im unteren Teil des Durchlasses 17 befindliche Strahlung wirkt und somit Strahlung in einen Nebenschlußkanal 31 gelangen kann. Dies dann, und nur dann, wenn der Sektor 24 den oberen Teil des Durch­ lasses 12 abschirmt.

Wie man sieht, endet in dieser Lage die Fläche 29 links unten dort wo der untere Teil des Durchlasses 17 endet. Aus Fig. 3 erkennt man, daß der Ausschnitt 28 sowohl für den Durchlaß 17 als auch den Nebenschluß­ kanal 31 wirkungslos ist, weil nun der Sektor 24 vor dem Nebenschluß­ kanal 31 liegt.

Dreht man das Küken 21 aus seiner in Fig. 3 gezeichneten Lage zurück in die in Fig. 2 gezeichnete Lage, dann ist der Nebenschlußkanal 31 wegen des Eckbereichs 32 schon geschlossen, ehe die Überlappung des Eckbereichs 26 mit dem Aufbau 16 aufhört. Man hat so zwei Schließvorrichtungen miteinander vereint.

Auf der Fläche 29 ist Lötzinn 33 aufgebracht, das in der Lage von Fig. 3 angeregt wird, und einen Teil seiner Strahlung in den Nebenschlußkanal 31 schickt.

Gemäß Fig. 1 kann also der Durchlaß 17 Strahlung zum Meßobjekt schicken (im Falle einer Kükenlage nach Fig. 2). Die aus dem Meßobjekt austretende Strahlung kann dann vom Proportional-Zählrohr aufgenommen werden, das im Bereich 36 hierfür ein Fenster hat. Damit von rückwärts keine Strahlung eindringt ist üblicherweise in dem gezeichneten Bereich hinter dem Zählrohr eine sektorförmige Abschirmung 37 vorgesehen.

In der Kükenlage nach Fig. 3 kann dem Zählrohr 34 von schräg unten her ebenfalls Strahlung zugeführt werden.

Die genauere Realisation ist aus Fig. 4 zu entnehmen. Man erkennt dort das Zählrohr 34. Über den eingezeichneten Winkel von 60° geht der Bereich 36. Man erkennt den Aufbau 16 und den Durchlaß 17. Weiter oben ist der Platz 38 für einen nicht dargestellten bekannten Spiegel vorgesehen und in einer Führung 39 kann der Kollimator aus dem Stand der Technik geführt werden.

Der gemäß Fig. 4 linke Bereich des Aufbaus 14 ist so, daß in die senk­ rechte Wand 41 und in die von dort aus unter etwa 45° nach links unten geneigte Wand 42 das Zählrohr 34 sich einschmiegen kann. Man erkennt auch die tatsächliche Ausführung des Nebenschlußkanals 31. Er ist ausgeführt als Stufenbohrung 43 und hat demgemäß zwei zu einer geometrischen Längsachse 44 koaxiale Bohrungen 46, 47. Die im Durchmesser wesentlich kleinere Bohrung 47 hat ein Durchmesser von 0,15 mm, ist also übertrieben dick gezeichnet. Sie mündet in die nicht übertrieben dick gezeichnete Bohrung 46 und beginnt in der Ausnehmung 18 ungefähr bei 9 Uhr.

In der Bohrung 46 befindet sich eine koaxiale Hülse 48 die gerade in die Bohrung 46 paßt. Diese Hülse 48 hat selbst eine koaxiale Längsbohrung 49. Sie dient als Träger einer Kupfer-Beryllium-Folie 51, die auf ihre innere Stirnseite aufgeklebt ist.

Etwa dort, wo die geometrische Längsachse 44 das Zählrohr 34 durchstößt, tritt durch deren Aluminiummantel 51 k-Strahlung mit einer solchen Zählrate ein, wie sie im Durchschnitt der Fälle auch durch den Bereich 36 in das Zählrohr 34 gelangt.

Im Betrieb der Vorrichtung wird in den Meßpausen, die mit der Lage des Kükens 21 nach Fig. 3 übereinstimmt Strahlung in das Zählrohr 34 geschickt. Diese Zeiten werden in einem Speicher addiert. Ist genügend lange Zeit verflossen, dann wird die inzwischen in der Lage gemäß Fig. 3 in das Zähl­ rohr 34 gelangte Zählrate zur Stabilisierung benutzt: Es wird die Verstärkung des Systems Proportional-Zählrohr nicht dargestellter Ladungsverstärker, nicht dargestellter Hauptverstärker, nicht dargestellter Vielkanalanalysator geregelt.

Claims (20)

1. Vorrichtung zur Stabilisierung eines Proportional-Zählrohres für ein Schichtdickenmeßgerät nach dem Roentgenfluoreszenz-Prinzip, mit einem Roentgenstrahl-Erzeuger,
mit einer strahlungsmäßig stromabliegenden ersten Verschließeinrichtung für den Roentgenstrahl,
mit dem Zählrohr neben der ersten Verschließvorrichtung und mit einer Betätigungsvorrichtung, durch die die erste Verschließvor­ richtung zumindest in eine erste ZU-Lage und in eine zweite AUF-Lage bringbar ist gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) In der ZU-Lage der ersten Verschließvorrichtung ist ein Nebenschluß­ kanal offen, der von dem Zählrohr zumindest zum Roentgenstrahl führt, wobei im Nebenschlußkanal eine zweite Schließvorrichtung angeordnet ist.
• b) Die Durchlaßcharakteristik ist so, daß die in der ZU-Lage am Zählrohr ankommende Zählrate im Bereich derjenigen Zählrate ist, die von einem Meßgegenstand zurückgeworfen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zählrohr einen Leichtmetallmantel hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leichtmetall eine Aluminiumlegierung ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschlußkanal von der ersten Verschließ­ vorrichtung aus zum Zählrohr führt.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschlußkanal eine koaxiale Stufen­ bohrung in absorbierendem Material umfaßt, und daß die im Durchmesser kleinere erste Bohrung der Stufenbohrung die Zählrate um einen ersten Betrag herabsetzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Bohrung strahlungsmäßig stromauf liegt.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Nebenschlußkanal eine dünne Schicht liegt, die die Zählrate um einen zweiten Betrag herabsetzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Schließvorrichtung miteinander zwangsgekoppelt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schließvorrichtung erst dann Roentgenstrahlen in den Nebenschlußkanal läßt, wenn die erste Schließ­ vorrichtung ganz geschlossen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschlußkanal in die erste Schließ­ vorrichtung mündet und die zweite Schließvorrichtung mit der ersten Schließvorrichtung einstückig ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Teil der ersten Schließ­ vorrichtung eine Ausnehmung hat, die in deren ZU-Lage sowohl mit dem Nebenschlußkanal als auch mit dem Roentgenstrahl kommuniziert.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schließvorrichtung ein um eine Drehachse drehbares Küken umfaßt, das in einer komplementären Aus­ nehmung strahlungsdicht drehbar ist, welche Ausnehmung in einem Roentgenstrahlung absorbierenden Metallgehäuse vorgesehen ist,
daß im Metallgehäuse eine erste Durchgangsbohrung für die Roentgen­ strahlung vorgesehen ist, die von dem Erzeuger zu einem Target strahlt, daß das Küken eine zweite Durchgangsbohrung hat,
daß das Küken durch die Betätigungsvorrichtung in die Fluchtungsanlage für beide Durchgangsbohrungen bringbar ist, und in eine hiervon erheb­ lich abweichende Sperrlage bringbar ist,
daß die Ausnehmung im Küken eine Fläche hat, die in dieser Sperrlage einerseits den Nebenschlußkanal sieht und andererseits den Erzeuger sieht und
daß diese Fläche die Stabilisierungsstrahlung zum Zählrohr schickt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche mindestens teilweise aus einem Material besteht, das nach Anregung k-Strahlung aussendet.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine Ordnungszahl um 50 hat.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Zinn enthält.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Lötzinn ist, das auf die Fläche aufgelötet wurde.

17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht aus einem Material ist, das k-Strahlung gedämpft passieren läßt, l-Strahlung jedoch weitgehend absorbiert.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht eine Buntmetallfolie ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie eine Kupfer/Berylliumfolie ist.

20. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zählrate in einem Speicher als Meßwert in Meßpausen akkumuliert wird,
daß die einzelnen Zeitspannen der Meßpausen bis zu einer vorgegebenen Zeitspanne akkumuliert werden und
daß danach automatisch stabilisiert wird.