DE3803750A1 - Mehrkanaliges roentgenspektrometer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Röntgenspek­ tralapparate zur qualitativen und quantitativen Analyse der elementaren Zusammensetzung von Werkstoffen, und sie betrifft insbesondere mehrkanalige Röntgenspektrometer.

Die Erfindung kann in verschiedenen Bereichen der Wissen­ schaft und Technik: Physik, Chemie, Biologie, Metallurgie, Geologie sowohl für die Lösung von praktischen Aufgaben als auch für die Untersuchung von grundlegenden Problemen der Wissenschaft weite Anwendung finden.

Es ist ein mehrkanaliges Röntgenspektrometer bekannt (ARL) US, ARL 72 000 S, 1981), das eine Röntgenröhre, einen ge­ genüber der Röntgenröhre liegenden Halter für eine zu un­ tersuchende Probe und um die Röntgenröhre herum verlau­ fende Spektrometerkanäle enthält, die - im Strahlengang der Röntgenstrahlung hintereinander angeordnet - Ein­ trittsspalte, fokussierende Analysatorkristalle und Aus­ trittsspalte, die ebenso wie auch die fokussierenden Analysatorkristalle in auf einer Grundplatte angeordneten individuellen Haltern befestigt sind und Röntgenstrah­ lungsdetektoren aufweisen.

Bei diesem bekannten Spektrometer stellen die individuel­ len Halter Metallplatten dar, deren eine Fläche konkav ist. Die auf der Grundplatte befindlichen individuellen Halter werden im Fokussierungskreis der fokussierenden Analysatorkristalle angeordnet und mittels Justierschrau­ ben festgehalten.

Die Justierung der Spektrometerkanäle wird also auf eine mechanische Verschiebung der individuellen Halter für die Analysatorkristalle und Austrittsspalte gegeneinander zu­ rückgeführt, was die konstruktive Ausführung der Spektro­ meterkanäle und folglich auch die Konstruktionsausführung des Spektrometers im ganzen kompliziert und die Justierung dieser Kanäle und also auch des gesamten Spektrometers zu einem arbeitsaufwendigen Vorgang macht.

Es ist auch ein mehrkanaliges Röntgenspektrometer bekannt (XIII Vsesojuznoe soveschanie po rentgenovskoi i elektron­ noi spektroskopii. Tezisy dokladov (XIII. Allunionskonfe­ renz zu Problemen der Röntgen- und Elektronenspektrosko­ pie. Leitsätze zu Berichten), I.P. Zhizhin et al. "Spek­ trometer rentgenovskii mnogokanalnyi" ("Mehrkanaliges Röntgenspektrometer"), Lvov, 1981, S. 245-246) bekannt, das eine Röntgenröhre, einen gegenüber der Röntgenröhre liegenden Halter für eine zu untersuchende Probe und um die Röntgenröhre herum verlaufende Spektrometerkanäle auf­ weist, die - im Strahlengang der Röntgenstrahlung hinter­ einander angeordnet - Eintrittsspalte, fokussierende Ana­ lysatorkristalle und Austrittsspalte, die ebenso wie auch die fokussierenden Analysatorkristalle in auf einer Grund­ platte angeordneten individuellen Haltern befestigt sind, und Röntgenstrahlungsdetektoren enthalten.

Bei diesem bekannten Spektrometer sind die individuellen Halter für die Analysatorkristalle und Austrittsspalte in jedem Spektrometerkanal auf der Seitenfläche der Grund­ platte angeordnet.

Bei einem Radius des Fokussierungskreises der fokussieren­ den Analysatorkristalle jedes Kanals von ca. 100 mm können rund um die Röntgenröhre höchstens sechs Kanäle angeordnet werden. Eine Vergrößerung der Anzahl der Spektrometerka­ näle ist bei diesem Spektrometer nur durch Anordnung von je zwei Haltern für die Analysatorkristalle und dement­ sprechend von je zwei Haltern für die Austrittsspalte übereinander zu erreichen, was zum einen die Justierung der Spektrometerkanäle und also auch des gesamten Spektro­ meters kompliziert und zum anderen die Außenmaße der Spek­ trometerkanäle und folglich auch des gesamten Spektrome­ ters beträchtlich vergrößert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mehrkanali­ ges Röntgenspektrometer zu schaffen, in dem die indivi­ duellen Halter sowohl für die fokussierenden Analysator­ kristalle als auch für die Austrittsspalte in der Weise ausgeführt sind, daß es möglich wird, die Justierung des Spektrometers wesentlich zu vereinfachen und seine Außen­ maße zu verringern.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einem mehrkanaligen Röntgenspektrometer mit einer Röntgenröhre, einem der Röntgenröhre gegen­ überliegenden Halter für eine zu untersuchende Probe und um die Röntgenröhre herum verlaufenden Spektrometerkanä­ len, die im Strahlengang der Röntgenstrahlung hinterein­ ander angeordnet Eintrittsspalte, fokussierende Analysa­ torkristalle, ebenso wie die fokussierenden Analysator­ kristalle in auf einer Grundplatte angeordneten individuellen Haltern befestigte Austrittsspalte und Röntgenstrahlendetektoren aufweisen, alle individuellen Halter sowohl für die fokussierenden Analysatorkristalle als auch für die Austrittsspalte in Form geschlitzte Rastteile aufweisender zylindrischer Lagerungen ausge­ führt sind, auf der Stirnfläche der Grundplatte jedes Spektrometerkanals adäquat zu den jeweiligen zylindri­ schen Lagerungen liegende zylindrische Aufnahmeöffnungen für eine Aufnahme der jeweiligen zylindrischen Lagerung in der Weise vorgesehen sind, daß deren geschlitzte Rastteile die Seitenflächen der Grundplatte umfassen, die Achsen der zylindrischen Lagerungen der individuel­ len Halter für die fokussierenden Analysatorkristalle und für die Austrittsspalte mit der zentralen Erzeugen­ den des jeweiligen fokussierenden Analysatorkristalls bzw. mit dem jeweiligen Austrittsspalt zusammenfallen und in einem Abstand voneinander liegen, der gleich oder kleiner ist als

2 R (1-2δ ) sin R,

wobei R den Radius eines Fokussierungskreises des fokus­ sierenden Analysatorkristalls, δ die Mosaizität des fokussierenden Analysatorkristalls und R den Wulff- Braggschen Winkel bezeichnen und die Stirnfläche der Grundplatte zwischen den Aufnahmeöffnungen ein Win­ kelprofil mit einem Winkel von 180°-2 R aufweist.

Eine derartige konstruktive Ausführung eines mehrkanali­ gen Röntgenspektrometers gestattet es, die gesamte Justierung bei der Montage des Spektrometers auf die Einstellung eines vorgegebenen Abstandes zwischen dem Analysatorkristall und dem Austrittsspalt und auf eine entsprechende Verschwenkung des Analysatorkristalls um einen vorgegebenen Wulff-Braggschen Winkel zu bringen und die Außenmaße des Spektrometers erheblich zu verringern.

Die Erfindung soll durch die nachstehende Beschreibung eines konkreten Ausführungsbeispiels anhand der beilie­ genden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die Gesamtanordnung eines erfindungsgemäßen mehr­ kanaligen Röntgenspektrometers (im Längsschnitt, z. T. aufgebrochen);

Fig. 2 die Grundplatte und die Halter für die fokussie­ renden Analysatorkristalle und die Austrittsspalte des Spektrometers nach Fig. 1 (in axonometrischer Darstellung).

Das dargestellte Röntgenspektrometer enthält ein Gehäuse 1 (Fig. 1), in dem eine in einem Mantel 3 untergebrachte Röntgenröhre 2 angeordnet ist. Der Röntgenröhre 2 gegen­ über liegt ein Halter 4 für eine zu untersuchende Probe 5. Im Gehäuse 1 verlaufen auch Spektrometerkanäle 6, die um die Röntgenröhre 2 herum angeordnet sind und im Strahlen­ gang A der Röntgenstrahlung positioniert Eintrittsspalte 7, fokussierende Analysatorkristalle 8, Austrittsspalte 9 und Röntgenstrahlungsdetektoren 10 aufweisen.

Die fokussierenden Analysatorkristalle 8 und die Aus­ trittsspalte 9 sind in individuellen Haltern 11 bzw. 12 angebracht, die ihrerseits auf einer am Boden des Gehäuses 1 befestigten Grundplatte 13 angeordnet sind.

Alle individuellen Halter 11 (Fig. 2) und 12 sind in Form zylindrischer Lagerungen 14 bzw. 15 ausgeführt, die ge­ schlitzte Rastteile 16 und 17 aufweisen.

Auf der Stirnfläche 18 der Grundplatte 13 sind zylindrische Aufnahmeöffnungen 19 und 20 vorgesehen, die adäquat zu den zylindrischen Lagerungen 14 bzw. 15 liegen, wobei in der Öffnung 19 die Lagerung 14 und in der Öffnung 20 die Lagerung 15 in der Weise Aufnahme findet, daß die Rastteile 16 und 17 die Seitenflächen 21 der Grundplatte 13 umfassen, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist.

Die Achsen 22 (Fig. 2) und 23 der zylindrischen Lagerungen 14 und 15 fallen mit der zentralen Erzeugenden des fokus­ sierenden Analysatorkristalls 8 bzw. mit dem Austritts­ spalt 9 zusammen und liegen voneinander in einem Abstand L, der gleich 2R (1-2 δ) sin R ist, worin
R den Radius eines Fokussierungskreises 24 (Fig. 1) des fokussierenden Analysatorkristalls 8,
δ die Mosaizität des fokussierenden Analysatorkristalls 8 und
R den Wulff-Braggschen Winkel bezeichnen.

Die Stirnfläche 18 (Fig. 2) der Grundplatte 13 weist zwi­ schen den zylindrischen Aufnahmeöffnungen 19 und 20 ein Winkelprofil mit einem Winkel α auf, der gleich 180°-2 R ist.

Bei der beschriebenen Ausführungsform eines mehrkanaligen Röntgenspektrometers sind für eine Spektrallinie CuK _α der zu untersuchenden Probe 5 L =76,49 mm bei R =100 mm, δ=5 × 10^-4 Rad, R=22,5° und α=135°.

Der Abstand L darf aber auch kleiner als 2R (1-2 δ) sin R, beispielsweise gleich 76,00 mm, sein.

Die Halter 11 (Fig. 2) und 12 werden in den Löchern 19 und 20 wie folgt angeordnet.

Die zylindrische Lagerung 14 des Halters 11 für den Analysatorkristall 8 wird in die zylindrische Aufnahme­ öffnung 19 der Grundplatte 13 derart eingesetzt, daß der geschlitzte Rastteil 16 die Seitenflächen 21 der Grund­ platte 13 umfaßt. Die zylindrische Lagerung 15 des Hal­ ters 12 für den Austrittsspalt 9 wird in die zylindrische Aufnahmeöffnung 20 der Grundplatte 13 derart eingesetzt, daß der geschlitzte Rastteil 17 die Seitenflächen 21 der Grundplatte 13 umfaßt. Hierbei gehen die Achsen 22 und 23 der zylindrischen Lagerungen 14 und 15 durch die zentrale Erzeugende des Analysatorkristalls 8 bzw. den Austritts­ spalt 9 hindurch. Bei einer Verschwenkung des Analysator­ kristalls 8 in der Pfeilrichtung 8 bzw. C und des Aus­ trittsspaltes 9 in der Pfeilrichtung D bzw. E um einen Winkel ist der letztere stets auf die zentrale Erzeugende des Analysatorkristalls 8 ausgerichtet. Mit Hilfe einer durch den Körper der Grundplatte 13 hindurchgehenden und in den Körper des Halters 11 des Analysatorkristalls 8 eingelassenen Schraube 25 wird der Halter 11 auf einen vorgegebenen Wulff-Braggschen Winkel eingestellt.

Die Arbeitsweise des dargestellten mehrkanaligen Röntgen­ spektrometers besteht in folgendem.

Die Röntgenstrahlung fällt von der Röntgenröhre 2 (Fig. 1) auf die Oberfläche der zu untersuchenden Probe 5, wodurch eine charakteristische Röntgenstrahlung erregt wird, die den Eintrittsspalt 7 jedes Spektrometerkanals 6 passiert und auf den im individuellen Halter 11 befindlichen fokus­ sierenden Analysatorkristall 8 auftrifft. Durch Drehen des Halters 11 (Fig. 2) mit dem Analysatorkristall 8 in der zylindrischen Aufnahmeöffnung 19 der Grundplatte 13 mit Hilfe der Schraube 25 wird der Analysatorkristall 8 auf einen vorgegebenen Wulff-Braggschen Winkel eingestellt, der die Abtrennung der Strahlung einer bestimmten Wellen­ länge aus der charakteristischen Röntgenstrahlung der Probe 5 ermöglicht. Die auf solche Weise monochromati­ sierte Röntgenstrahlung wird auf den Austrittsspalt 9 fokussiert und durch den Detektor 10 registriert.

Die geschlitzten Rastteile 16 und 17 sorgen bei den Ver­ schwenkungen des Analysatorkristalls 8 und des Austritts­ spaltes 9 für deren genaue Winkellage bezüglich der Ebene des Fokussierungskreises 24 (Fig. 1). Die Einfallsrichtung der monochromatisierten Röntgenstrahlung vom Analysator­ kristall 8 (Fig. 2) wird bei deren Einfall auf den Aus­ trittsspalt 9 durch einen Winkel bestimmt, der gleich 180°-2 R ist.

Als geometrische Bedingung für die Fokussierung der vom Analysatorkristall 8 auf den Austrittsspalt 9 reflektier­ ten Röntgenstrahlung gilt die Beziehung L =2R sin R.

Unter Berücksichtigung dessen, daß die verwendeten Analy­ satorkristalle 8 keine ideale Struktur, sondern eine Mo­ saizität in der Größenordnung von 10^-2 bis 10^-4 Rad auf­ weisen, muß die angegebene geometrische Bedingung auch den Einfluß der Mosaizität mit berücksichtigen, weshalb als optimale Fokussierungsbedingung die Beziehung L2R (1- 2 δ) sin R gilt.

In dem dargestellten Spektrometer ist der Abstand L (Fig. 2) zwischen den Achsen 22 und 23 der zylindrischen Lagerungen 14 und 15 des Halters 11 für den Analysatorkristall 8 und des Halters 12 für den Austrittsspalt 9, die mit der zen­ tralen Erzeugenden des Analysatorkristalls 8 bzw. mit dem Austrittsspalt 9 zusammenfallen, gleich (eventuell auch kleiner als 2R (1-2 δ) sin R, wie dies vorstehend be­ schrieben ist.

Das erfindungsgemäße mehrkanalige Röntgenspektrometer weist eine einfachere Justierung und kleine Außenmaße der Spektrometerkanäle auf, was die Konstruktion der Spektro­ meterkanäle und folglich auch des Spektrometers im ganzen wesentlich vereinfacht.

Claims (2)

1. Mehrkanaliges Röntgenspektrometer mit

   • - einer Röntgenröhre (2),
   • - einem der Röntgenröhre (2) gegenüberliegenden Halter (4) für eine zu untersuchende Probe (5) und
   • - um die Röntgenröhre (2) herum verlaufenden Spektrometer­ kanälen (6), die im Strahlengang (A) der Röntgenstrahlung hintereinander angeordnet Eintrittsspalte (7), fokussierende Analysatorkristalle (8), ebenso wie die fokussierenden Analysatorkristalle (8) in auf einer Grundplatte (13) ange­ ordneten individuellen Haltern (11, 12) befestigte Aus­ trittsspalte (9) und Röntgenstrahlendetektoren (10) auf­ weisen,
2. dadurch gekennzeichnet,
   daß alle individuellen Halter (11, 12) sowohl für die fokussieren­ den Analysatorkristalle (8) als auch für die Austrittsspalte (9) in Form geschlitzte Rastteile (16, 17) aufweisender zylin­ drischer Lagerungen (14, 15) ausgeführt sind,
   daß auf der Stirnfläche (18) der Grundplatte (13) jedes Spektro­ meterkanals (6) adäquat zu den jeweiligen zylindrischen Lagerungen (14, 15) liegende zylindrische Aufnahmeöffnungen (19, 20) für eine Aufnahme der jeweiligen zylindrischen Lagerung (14 bzw. 15) in der Weise vorgesehen sind, daß deren geschlitzte Rastteile (16, 17) die Seitenflächen (21) der Grundplatte (13) umfassen,
   daß die Achsen (22, 23) der zylindrischen Lagerungen (14, 15) der individuellen Halter (11, 12) für die fokussierenden Analysatorkristalle (8) und für die Austrittsspalte (9) mit der zentralen Erzeugenden des jeweiligen fokussierenden Ana­ lysatorkristalls (8) bzw. mit dem jeweiligen Austrittsspalt (9) zusammenfallen und in einem Abstand (L) voneinander lie­ gen, der gleich oder kleiner ist als 2 R (1-2 δ ) sin R,wobei R den Radius eines Fokussierungskreises (24) des fokus­ sierenden Analysatorkristalls (8), δ die Mosaizität des fokus­ sierenden Analysatorkristalls (8) und R den Wulff-Braggschen Winkel bezeichnen, und
   daß die Stirnfläche (18) der Grundplatte (13) zwischen den Auf­ nahmeöffnungen (19, 20) ein Winkelprofil mit einem Winkel α von 180°-2 R aufweist.