DE4015275A1 - Anordnung mit beschichtetem spiegel zur untersuchung von proben nach der methode der roentgenfluoreszenzanalyse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Untersuchung von Proben nach der Methode der Röntgenfluoreszenzana­ lyse, umfassend einen Strahlungsdetektor zur Erfassung einer von der zu analysierenden Probe herrührenden Sekundärstrahlung, sowie eine Röntgenstrahlungsquelle, deren Strahlung beim Analysevorgang auf die Probe gerichtet ist, wobei an einem Spiegel, der mit einer alternierend periodischen Folge einer Mehrzahl einzelner Lagen aus Metall oder Nichtmetall beschichtet sein kann, die von der Röntgenstrahlungsquelle kommende Primär­ strahlung unter Totalreflexionsbedingungen reflektiert wird.

Eine Anordnung dieser Art wird in der Patentanmeldung P 39 38 193.5 beschrieben. Mit der vorangemeldeten Anord­ nung zur Messung der charakteristischen Fluoreszenzstrahlung (Sekundärstrahlung) bei streifendem Einfall der Primärstrahlung ist ein grundsätzlich geeignetes Instrument zur Elementbestimmung in ober­ flächennahen Schichten geschaffen worden, was durch sehr erfolgreich verlaufende Versuche bestätigt wurde. Bei Anordnungen dieser Art wird der Effekt ausgenutzt, daß bei streifendem Einfall von Röntgenstrahlung auf plane Oberflächen die primäre Röntgenstrahlung eine nur geringe vertikale Eindringtiefe in den Körper unterhalb der Oberfläche aufweist. Für Einfallswinkel unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion ist die Eindringtiefe nur auf wenige nm beschränkt. Die Nutzung eines derartigen Effektes ist auch für die Röntgenfluoreszenzanalyse kleinster zu untersuchender Proben im µg-Bereich geeig­ net, z. B. von Stäuben oder Rückständen aus Lösungsmit­ teln, wobei die Proben auf plane polierte Oberflächen, die dann als Probenträger dienen, gegeben werden. Bei dieser Anwendung führt die unter Totalreflexionsbedin­ gungen extrem niedrige, vom Untergrund des Probenträgers herrührende Beeinflussung zu Nachweisgrenzen in pg-Be­ reich.

Um mit der vorangemeldeten Anordnung die Meßgenauigkeit erhöhen zu können, mit dem Ziel, besonders geeignete Anregungsbedingungen für die Totalreflexions-Röntgen­ fluoreszenzanalyse herzustellen, ist ein monochroma­ tischer Röntgenstrahl hoher Intensität bei geringer Winkeldivergenz erforderlich. Zu diesem Zweck wurde der Spiegel der Anordnung, der die primäre Röntgenstrahlung unter Totalreflexionsbedingungen reflektiert, wenigstens am Ort der Reflexion mit einer alternierend periodischen Folge einer Mehrzahl einzelner Lagen aus Metall oder Nichtmetall beschichtet, wobei derartige Schichten mit "Synthetics Multilayer Structure" oder kurz SMLS-Schicht bezeichnet werden. Durch das Vorsehen dieser SMLS-Beschichtung im Reflexionsbereich ist eine die Bandpaß-Filterung an SMLS-Schichten ausnutzende Win­ kelbestimmung möglich, die die sehr hohe Flankensteil­ heit und Selektivität ausnutzt, um der Forderung nach einem monochromatischen Primärstrahl am Probenort nachkommen zu können. Eine Verbesserung der Intensität der Röntgenstrahlung am Probenort führt zu einer Ver­ besserung der Nachweisstärke der Anordnung als solcher. Bei Verwendung eines mit der SMLS-Beschichtung versehe­ nen Spiegels sorgt ein ausreichend breiter, den Anfor­ derungen der Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse angepaßter Durchlaßbereich bei Energie- und Auftreff­ winkel für hinreichend kleine Intensitätsverluste. Untersuchungen haben gezeigt, daß eine Kurve, die den Durchlaßbereich der auf den Spiegel auftreffenden Strahlung für einen festen Winkel einer geeignet ausge­ wählten SMLS-Beschichtung in Abhängigkeit von der Energie zeigt, etwa bei doppelter Energie einen weiteren Durchlaßbereich zeigt. Somit wird im Falle des mit einer SMLS-Beschichtung versehenen Spiegels noch ein uner­ wünschter spektraler Beitrag zur Messung geliefert, der den Störuntergrund vergrößert, d. h. die Meßgenauigkeit wiederum einschränkt.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Röntgenfluoreszenzanalyse zu schaffen, bei der der von einem mit einer SMLS-Beschichtung versehene Spiegel reflektierte Röntgenstrahl, der einen unerwünschten spektralen Beitrag enthält, von diesem spektralen Beitrag befreit wird, um den Störuntergrund zu vermindern, und die Meßgenauigkeit der Anordnung zu erhöhen.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß in den Strahlengang zwischen der Röntgenstrahlungsquelle und dem Spiegel ein zweiter Spiegel angeordnet ist, wobei wenigstens der Reflexionsbereich eines Spiegels mit der Mehrzahl einzelner Lagen (SMLS-Beschichtung) beschichtet ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß es auf einfache Weise möglich ist, den hochenergetischen Reflex des mit einer SMLS-Beschichtung versehenen Spiegels zu eleminieren, wobei die Intensität und die Charakteristik des nutzbaren Bandes der SMLS- Beschichtung praktisch nicht verändert wird. Vorteilhaft ist es auch, die SMLS-Beschichtung wahlweise entweder auf dem ersten oder dem zweiten Spiegel vorzusehen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das die SMLS-Beschichtung bildende Metall Wolfram und/oder Platin und/oder Tantal, wobei das Nichtmetall Kohlenstoff und/oder Silizium und/oder ein Metallsilizit ist. Die Zahl der Schichten, die die Gesamtdicke bildet, ist wenigstens 20-200 groß, wobei die Dicke der Lagen im Bereich von 10^-9 m, d. h. im Bereich von nm liegt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Strahlungsdetektor an einem als Träger dienenden Körper ausgebildet, wobei der Körper als erster Spiegel dient. Auf diese Weise kann der Winkel am quasi als Spiegel wirkenden Trägerkörper, wenn die SLMS-Schicht an diesem Spiegel ausgebildet ist, genutzt werden, um über die spezielle Energie/Winkelbeziehung des Reflexionsko­ effizienten der Röntgenstrahlung das Energiespektrum der Primärstrahlung unabhängig vom Auftreffwinkel auf die Probe zu beeinflussen. Hinzu kommt, daß bei dieser Ausgestaltung die Probe gegenüber dem als erster Spiegel dienenden Trägerkörper auf einem exakt definierten Abstand gehalten wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung liegt der Einfallswinkel β 1 der von der Röntgenstrah­ lungsquelle kommenden Primärstrahlung auf dem zweiten Spiegel im Bereich von 10 (9,4) mrad. Dieser Wert zeigt besonders vorteilhafte Reflexionsbedinungen.

Der Einfallswinkel β 2 der vom zweiten Spiegel reflek­ tierten Primärstrahlung auf den ersten Spiegel liegt vorteilhafterweise im Bereich von 1 (1,5) mrad. Mit diesen Werten wird eine Durchlaßcharakteristik er­ reicht, die den zweiten Reflex optimal eliminiert.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach­ folgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Aus­ führungsbeispieles beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 in der Seitenansicht die bei der Anordnung zusammenwirkenden Komponenten mit schematisch dargestelltem Strahlengang der Primärstrah­ lung,

Fig. 2 in der Seitenansicht in teilweisem Schnitt die bei der Anordnung zusammenwirkenden Komponen­ ten gemäß Fig. 1, jedoch mit einem als Träger­ körper ausgebildeten ersten Spiegel sowie einer detaillierteren Darstellung der ein­ zelnen Komponenten der Anordnung,

Fig. 3 der Verlauf der Intensität der Primärstrahlung nach Spiegelung an einer SLMS-Schicht bei einer vorbestimmten Energie, wobei ein Inten­ sitätsmaximum der Primärstrahlung einem bestimmten Winkel zugeordnet ist (Kurve A), sowie die gleiche Primärintensität nach Spiegelung an einem normalen Röntgenspiegel (Kurve B) und einem weiteren Durchlaßbereich bei höherer Energie und

Fig. 4 eine Darstellung gemäß Fig. 3, jedoch ohne den Durchlaßbereich bei hoher Energie (2. Maximum), wobei diese Fig. die erfindungsgemäß durch Kombination von SMLS und Normalspiegel gerei­ nigte Primärstrahlung darstellt.

Die Anordnung 10, vgl. Fig. 1, 2, besteht im wesent­ lichen aus einem ersten Spiegel 11, der gemäß Fig. 2 als quaderförmiger Block in Form eines Trägerkörpers 110 ausgebildet ist, sowie einer Röntgenstrahlungsquelle 16, die einstellbar ist. Die Röntgenstrahlungsquelle 16 ist in allen Freiheitsgraden verschieb- bzw. verschwenkbar relativ zum Trägerkörper 11 ausgebildet.

Im Trägerkörper 110 ist in einem Abstand von der Rönt­ genstrahlungsquelle 17 eine Bohrung 21 ausgebildet, die den Trägerkörper 110 im wesentlichen rechtwinklig zur grundsätzlich flächig ausgebildeten Unterseite des Trä­ gerkörpers 110 durchquert. Der Reflexionsbereich 19 der Primärstrahlung 17 am Trägerkörper 110 wird durch die Unterseite des Trägerkörpers 110 zu einer Referenzebene 22 für die Probenoberfläche verlängert. In der Bohrung 21 ist als Teil der Anordnung 10 der Strahlungsdetektor 12 angeordnet. Der Detektor 12 weist eine Detektoremp­ fangsachse 23 auf, die rechtwinklig zur Reflexionsfläche 22 der Primärstrahlung 17, 170 verläuft. Zentrisch zu der Detektorempfangsachse 23, bei Betrachtung der Anordnung der Fig. 1 und 2, und unterhalb der Reflexi­ onsfläche 22 ist ein auswechselbarer Probenträger 24 angeordnet, der zur Detektorempfangsachse 23 axial und winklig entsprechend der Pfeile 28 und 29 verschwenkbar ist.

Auf dem Probenträger 24 ist eine zu analysierende Probe 15 positioniert, was symbolisch durch die in Richtung des Strahlungsdetektors 12 gerichteten Pfeile, die die von der Probe 15 herrührende Sekundärstrahlung 18 (Fluoreszenzstrahlung) zeigen, dargestellt ist.

Oberhalb, bei Betrachtung der Darstellung der Fig. 1 und 2, der Referenzebene 22 ist auf dem als quaderförmigem Block ausgebildeten Trägerkörper 110 wenigstens ein Ab­ standserfassungsmittel 26 angeordnet. An der Stelle, an der das Abstandserfassungsmittel 26 am Trägerkörper 110 ausgebildet ist, wird der Trägerkörper 110 durch ein Durchgangsloch 31 durchquert, wobei das Durchgangsloch im wesentlichen parallel zur Detektorempfangsachse 23 verläuft. Der Abstand 13 zwischen einer Oberfläche 25 einer vom Probenträger 24 aufgenommenen Probe 15 und der Referenzebene 22 des Trägerkörpers 11 ist somit durch das Abstandserfassungsmittel 26 erfaßbar. Das Abstands­ erfassungsmittel 26 kann beispielsweise durch eine Meßeinrichtung gebildet werden, die mit Meßfühlern versehen ist, so daß eine bewertbare physikalische Größe entsprechend dem Abstand 13 zwischen Trägerkörper 11 und der Oberfläche 25 der Probe 15 geliefert wird, indem beispielsweise die Meßfühler unmittelbar die Oberfläche 25 der Probe 15 bzw. den Probenträger 24 berühren und bei Verschiebung auf das Abstandserfassungsmittel 26 zu bzw. von diesem weg bewegt werden.

Die Meßeinrichtung kann darüber hinaus, was hier im einzelnen nicht dargestellt ist, berührungslos den Abstand zwischen der Referenzebene 22 und der Oberfläche 25 der Probe 15 erfassen.

Schließlich umfaßt die Anordnung 10 Blenden 20, 27, wobei die Blende 20 im wesentlichen im Reflexionsbereich der Primärstrahlung am Trägerkörper 110 angeordnet ist.

Die Blende 20 ist als Stegblende ausgebildet. Die Schlitzbreite der Blende 20 beträgt beispielsweise 1 bis 5×10^-5 m. Die Blende 20 ist dabei in etwa in der Mitte zwischen der Anode der Röhre der Röntgenstrahlungsquelle 16 und der Probe 15 angebracht. Die Breite der Schlitzes kann beispielsweise durch Distanzstücke gegenüber der Reflexionsbereich 19 des Trägerkörpers 11 eingestellt werden.

Um den Strahlungsdetektor 12 herum ist die vorgenannte zweite Blende 27 ausgebildet, die vorzugsweise in Form einer Zylinderblende geformt ist. Diese Zylinderblende hält zusätzlich unerwünschte Primär- und Streustrahlung vom Strahlungsdetektor 12 fern und definiert den zu un­ tersuchenden Ausschnitt der flächenhaften Probe 15 durch Ausblendung der sekundären Fluoreszenzstrahlung 18.

Zwischen der Röntgenstrahlungsquelle 17 und dem ersten Spiegel 11 bzw. dem als ersten Spiegel 11 wirkenden Trägerkörper 110 ist ein zweiter Spiegel 14 in den von der Röntgenstrahlungsquelle zum ersten Spiegel führenden Strahlengang eingefügt. Der Strahlengang der Primärstrahlung 17, 170, 171 ist durch die gepunktete Linie dargestellt, die von der Röntgenstrahlungsquelle 16 ausgeht, am zweiten Spiegel 14 reflektiert wird und am Trägerkörper 110 bzw. ersten Spiegel 11 in einem Reflexionsbereich 19 unter Totalreflexionsbedingungen reflektiert wird und dann als reflektierte Primärstrah­ lung 171 auf die Probe 15 gelangt.

Der Trägerkörper 110 kann vorzugsweise aus einem Quarz­ glas oder aus Metall bestehen, wobei grundsätzlich aber jedes beliebige geeignete Material den Trägerkörper 110 bilden kann. So ist es auch möglich, den Trägerkörper 110 beispielsweise aus Quarzglas herzustellen und die Reflexionsfläche 19 metallisch zu beschichten.

Der erste Spiegel 11 bzw. der Trägerkörper 110 kann vorzugsweise im Reflexionsbereich 19 mit einer alter­ nierend periodischen Folge einer Mehrzahl einzelner Lagen aus Metall oder Nichtmetall beschichtet sein. Die durch die Mehrzahl der Lagen gebildete Beschichtung wird allgemein als SMLS-Beschichtung bezeichnet (SMLS-Syn­ thetic Multilayer Structure). Die einzelnen Lagen der Gesamtschicht können beispielsweise als Metall Wolfram oder ein anderes Schwermetall aufweisen, während die Lagen aus Nichtmetall beispielsweise durch Kohlenstoff und/oder Silizium und/oder ein Metall Silizit gebildet werden können. Die Zahl der Lagen kann beliebig variiert werden, sie ist jedoch vorzugsweise 20-200 groß, wobei die Dicke der Lagen im Bereich 10^-9 m liegt.

Der zweite Spiegel 14 kann genauso wie der erste Spiegel 11 im Reflexionsbereich 190 mit einer alternierend periodischen Folge einer Mehrzahl einzelner Lagen aus Metall oder Nichtmetall beschichtet sein, d. h. mit der vorangehend beschriebenen SMLS-Beschichtung, wobei gleichermaßen die vorgenannten Dickenrelationen anwend­ bar sind und ebenfalls die gleiche vorgenannte Materi­ alwahl genutzt werden kann.

Wie Fig. 4 zeigt, ist eine die Bandpaß-Filterung an SMLS-Schichten ausnutzende Winkelbestimmung möglich, die die sehr hohe Flankensteilheit und Selektivität aus­ nutzt. Fig. 4 zeigt auch, daß erfindungsgemäß ein weiterer Durchlaßbereich nicht mehr existent ist.

Die Fig. 3 und 4 verdeutlichen auch die Wirkungsweise der Anordnung 10. Fig. 3 zeigt Energiedurchlaßkurve für einen einfachen Röntgenspiegel (Einfallswinkel β 2= 1,4 mrad, Kurve B) zusammen mit der Durchlaßkurve für den mit einer SMLS-Beschichtung versehenen zweiten Spiegel (Einfallswinkel β 1=9,4 mrad, Kurve A). Fig. 4 zeigt, wie erwähnt, die aus dem Hintereinanderschalten der beiden Spiegel 14, 11 resultierende Durchlaßkurve. Im Ergebnis zeigt Fig. 4 im Vergleich zur Kurve A in Fig. 3, daß es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung gelingt, den hochenergetischen Reflex bzw. Durchlaßbe­ reich des mit einer SMLS-Beschichtung versehenen Spie­ gels 11; 14 zu eleminieren. Es sei darauf hingewiesen, daß entweder der erste Spiegel 11 oder der zweite Spiegel 14 mit der SMLS-Beschichtung versehen sein kann, um die erfindungsgemäße Wirkung zu erreichen. Grund­ sätzlich wird die Intensität und die Charakteristik des nutzbaren Bandes des mit der SMLS-Beschichtung versehe­ nen Spiegels 11; 14 praktisch nicht verändert. Zur Verbesserung einer Fokussierung der Primärstrahlung 170, 171 ist es möglich, die Spiegel 11; 14 geringfügig gewölbt auszubilden.

Bei der Ausbildung der SMLS-Schicht am erten Spiegel läuft das mit der Anordnung 10 ausführbare Verfahren in folgenden Verfahrensschritten ab: auf der Probenträgeroberfläche 25 wird zunächst die Probe 15 angeordnet. Die Probenträgeroberfläche 25 wird dann parallel in einen definierten Abstand 13 zur Referenzebene 22 überführt, an der die Röntgenprimär­ strahlung 170 unter Totalreflexionsbedingungen im Reflexionsbereich 19 reflektiert wird und als reflek­ tierte Strahlung 171 auf die auf der Probenträger­ oberfläche 25 angeordneten Probe 15 trifft. Nachfolgend wird die von der Röntgenstrahlungsquelle 16 ausgehende Primärstrahlung 17 zu ihrem Strahlengang relativ zur Referenzebene 22 variiert, vergl. Fig. 1, und zwar in Richtung des Pfeiles 30. Dadurch ändert sich der Refle­ xionswinkel 32 zwischen der Referenzebene 22 und dem Strahlengang der reflektierten Primärstrahlung 171.

Gleichzeitig wird das Strahlungsspektrum der Sekundär­ strahlung 18 der auf der Probenträgeroberfläche 25 angeordneten Probe 15 mit dem Strahlungsdetektor 12 beobachtet und zwar derart, daß anschließend bei einem vorbestimmten Energiebetrag der Primärstrahlung 17 ein Sekundärstrahlungsintensitätsmaximum ermittelt wird, und zwar unter Verwendung bekannter Beziehungen zwischen dem Reflexionswinkel 32 und der Intensität der reflektierten Primärstrahlung 171, so daß dem Sekundärstrahlungsin­ tensitätsmaximum ein bestimmter Reflexionswinkel zuge­ ordnet werden kann.

Dabei kann jeder beliebige Einfallswinkel 33, unter dem die an der Referenzebene 22 reflektierte Primärstrahlung 171 auf der Probenträgeroberfläche 25 auftrifft, relativ zum ermittelten Referenzwinkel eingestellt werden.

Bezugszeichenliste

10  Anordnung
11  erster Spiegel
110 Trägerkörper
12  Strahlungsdetektor
13  Abstand
14  zweiter Spiegel
15  Probe
16  Röntgenstrahlungsquelle
17  Primärstrahlung
170 Primärstrahlung nach erster Reflexion
171 Primärstrahlung nach zweiter Reflexion
18  Sekundärstrahlung
19  Reflexionsbereich
190 Reflexionsbereich
20  Blende
21  Bohrung
22  Referenzebene
23  Detektorempfangsachse
24  Probenträger
25  Probenoberfläche
26  Abstandserfassungsmittel
27  Blende
28  Pfeil (Abstandsänderung)
29  Pfeil (Winkeländerung)
31  Durchgangsloch
32  Reflexionswinkel
33  Einfallswinkel

Claims (6)

1. Anordnung zur Untersuchung von Proben nach der Methode der Röntgenfluoreszenzanalyse, umfassend einen Strahlungsdetektor zur Erfassung einer von der zu analysierenden Probe herrührenden Sekundärstrahlung sowie eine einstellbare Röntgenstrahlungsquelle, deren Strahlung beim Analysevorgang auf die Probe gerichtet ist, wobei an einem Spiegel, der mit einer alternierend periodischen Folge einer Mehrzahl einzelner Lagen aus Metall oder Nichtmetall beschichtet sein kann, die von der Röntgenstrahlungsquelle kommende Primärstrahlung unter Totalreflexionsbedingungen reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang zwischen der Röntgenstrahlungsquelle (17) und dem Spiegel (11) ein zweiter Spiegel (14) angeordnet ist, wobei wenig­ stens der Reflexionsbereich (19; 190) eines Spiegels (11; 14) mit einer Mehrzahl einzelner Lagen beschichtet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Wolfram und/oder Platin und/oder Tantal ist und daß das Nichtmetall Kohlenstoff und/oder Sili­ zium und/oder ein Metallsilizit ist.

3. Anordnung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Lagen wenigstens 20 bis 200 groß ist, wobei die Dicke der Lagen im Bereich von 10^-9 m liegt.

4. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsdetek­ tor (12) an einem als Träger dienenden Körper (110) angeordnet ist, wobei der Trägerkörper (110) als erster Spiegel dient.

5. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel β 1 der von der Röntgenstrahlungsquelle (16) kommenden Primärstrahlung (17) auf den zweiten Spiegel (14) im Bereich von 10 mrad liegt.

6. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel β 2 der vom zweiten Spiegel (14) reflektierten Primär­ strahlung (170) auf den ersten Spiegel (11) im Bereich von 1 mrad liegt.