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Die
Erfindung betrifft ein Gerät
zur Strahlungsanalyse einer zu untersuchenden Probe, in dem ein
Strahlungsbündel
entlang eines optischen Weges von einer Strahlungsquelle über die
zu untersuchende Probe zu einem Strahlungsdetektor verläuft, in welchem
optischen Weg sich ein Kollimator mit kollimierenden Elementen befindet,
welcher Kollimator, infolge einer Bewegung durch das Strahlungsbündel hindurch,
einen variablen Öffnungswinkel
für das Strahlungsbündel aufweist.
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Die
Erfindung betrifft auch einen Kollimator zur Verwendung in einem
derartigen Gerät.
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Ein
solches Gerät
ist aus der
JP 10038823
A bekannt. In der genannten Druckschrift wird das Gerät zur Strahlungsanalyse
von einem Röntgenfluoreszenzspektrometer
gebildet. In dem röntgenoptischen
Weg dieses bekannten Spektrometers gibt es zwei Kollimatoren in
Form sogenannter Soller-Spalt-Kollimatoren. Solche Kollimatoren
umfassen einen Stapel aus zueinander parallelen Platten aus einem
Röntgenstrahlung
absorbierendem Material, die bestimmte Zwischenräume aufweisen. Ein kollimierendes
Element in einem solchen Kollimator wird somit durch einen Zwischenraum
plus den benachbarten Platten gebildet. Der von einer solchen Plattengesamtheit
dem Strahlungsbündel
angebotene Öffnungswinkel
ist gleich zweimal das Verhältnis des
Zwischenraums zu der Länge
der Platten am Ort des die Platten durchlaufenden Röntgenstrahlenbündels.
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Geräte zur Strahlungsanalyse
sind häufig zum
Messen eines Spektrogramms (beispielsweise Röntgenspektrometer) oder Beugungsmuster
(beispielsweise Röntgendiffraktometer)
mit hoher Auflösung
eingerichtet. Für
bestimmte Strahlen in dem Strahlungsbündel gibt es dann Abweichungen
vom idealen Strahlungsweg, die einen nachteiligen Einfluss auf die
Auflösung
der Messungen haben. Um diese Abweichungen zu verringern, ist es
an sich bekannt, einen Kollimator zum Begrenzen des Strahlungsbündels, insbesondere
zum Begrenzen des Öffnungswinkels
des Strahlungsbündels,
im optischen Weg des Gerätes
anzuordnen.
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Eine
Messung mit einem Röntgenspektrometer
oder einem Röntgendiffraktometer
umfasst häufig
das Ausführen
einer Winkelabtastung, d. h. die aus der zu untersuchenden Probe
stammende Strahlungsintensität
wird für
einen größeren Bereich
von Winkelwerten um die Probe herum gemessen. Die genannten Abweichungen
vom idealen Strahlungsweg sind dann vom Winkelwert abhängig. Um
die Messdauer mit diesem Gerät
so kurz wie möglich
zu halten, wird der Öffnungswinkel
(also die Gesamtintensität)
des Strahlungsbündels
wünschenswerterweise
nicht weiter begrenzt, als für
die Auflösung
notwendig ist. Daher wird während
der Messung der Öffnungswinkel
des Kollimators wünschenswerterweise variabel
gemacht, d. h. abhängig
von Winkelwert.
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In
dem aus der
JP 10038823
A bekannten Röntgenspektrometer
wird dieser variable Wert des Öffnungswinkels
erreicht, indem die dort dargestellten Soller-Spalt-Kollimatoren, die
einen Stapel aus Platten mit gleichen gegenseitigen Zwischenräumen umfassen,
so ausgebildet werden, dass der Stapel aus Platten eine Vielzahl
Teilstapel umfasst, die zueinander unterschiedliche Zwischenräume zwischen den
Platten aufweisen. Durch Verlagern des jeweiligen Soller-Spalt-Kollimators
in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche der Platte, so dass ein
anderer Teilstapel in das Strahlungsbündel eingebracht wird, kann
jetzt ein anderer Öffnungswinkel
selektiert werden.
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Das
Herstellen eines Kollimators, in dem die kollimierenden Elemente
voneinander unterschiedliche Abmessungen haben, ist aus der Sicht
der Fertigung unbequem. Zudem können
nur einige diskrete Werts des Öffnungswinkels
auf diese bekannte Weise realisiert werden, oder es gibt (bei einem
sich kontinuierlich ändernden
Zwischenraum) gleichzeitig eine Vielzahl von Zwischenräumen in
dem Strahlenbündel,
so dass der Öffnungswinkel
nicht gut definiert ist.
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Die
DE 3136971 A1 beschreibt
einen Schlitzkollimator für
einen Panorama-Röngtenstrahlgerät zur Kollimation
eines Röngtenstrahlbündels in
einem engen fächerartigen
Strahl. Ein Kollimatorschlitz ist in einem um seine Längsachse
drehbar gelagerten Drehzapfen angeordnet. Durch Drehung des Drehzapfens
wird die wirksame, die Strahlung durchlassende Größe des Schlitzes
geändert.
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Die
US 4,419,585 beschreibt
einen Kollimator, der einen Stapel von Kollimatorplatten enthält, die ein
Muster mit Öffnungen
aufweisen. Die Platten können
zueinander verschoben werden, wodurch sich eine Veränderung
des Strahlungspfades durch den Kollimator ergibt.
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Die
US 4,419,763 beschreibt
einen Kollimator, der einen Stapel von Platten aufweist, der geneigt wird,
um einen Blickwinkel des Zentilatorkristalls eines Strahlungsdetektors
in Bezug auf eine Strahlungsquelle zu verändern. Die Platten weisen hexagonale Öffnungen
auf, die zu den Öffnungen
von angrenzenden Platten ausgerichtet sind.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Strahlungsanalyse sowie
einen Kollimator anzugeben, in dem der Öffnungswinkel des Strahlungsbündels kontinuierlich
veränderbar
ist, und das in relativ einfacher Weise hergestellt werden kann.
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Die
Aufgabe wird durch ein Gerät
zur Strahlungsanalyse mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und
4 gellöst.
Die Aufgabe wird ferner durch einen Kollimator mit den Merkmalen
der Ansprüche
6 und 9 gelöst.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die gewünschte Änderung
des Öffnungswinkels durch
eine Bewegung erhalten werden kann, derart, dass die Abmessungsunterschiede,
wie sie häufig
in verschiedenen Anlagen von Natur aus vorhanden sind, diese Änderung
des Öffnungswinkels
bewirken. Es ist jedoch nicht notwendig, diese inhärenten Abmessungsunterschiede
zu verwenden; es ist auch möglich,
einfach herzustellende Abmessungsunterschiede zu nutzen.
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Bei
der Vorrichtung werden die inhärenten Abmessungsunterschiede
in einfacher Weise genutzt, wobei die kollimierenden Elemente die
Form von zueinander parallelen Platten aufweisen und die genannte
Bewegung eine Rotation um eine Welle senkrecht zu den Platten umfasst.
Infolge der genannten Rotation folgt das Strahlungsbündel im
Allgemeinen einem anderen Weg relativ zum Kollimator, so dass das
Bündel
auf unterschiedliche Abmessungen trifft.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Vorrichtung in der inhärente
Abmessungsunterschiede in einfacher Weise genutzt werden, haben
die Platten eine rechteckige Form. Dies verschafft ein hohes Maß an Einfachheit
beim Herstellungsprozess mit einer Form, die bei dieser Technik
bereits allgemein Verwendung findet.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Vorrichtung haben die Platten zumindest teilweise eine elliptische
Form. In einem stark divergenten Strahlungsbündel ermöglicht diese Maßnahme,
den Unterschied beim Öffnungswinkel
für verschiedene
Trajektorien in dem Strahlenbündel
zu verringern.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
der Vorrichtung haben die kollimierenden Elemente die Form von Kanälen mit
einem in sich geschlossenen Querschnitt, welche Kanäle untereinander
verschiedene Längen
haben, und umfasst die genannte Bewegung eine Verlagerung quer zur
Längsrichtung
der Kanäle.
Die Kanäle
können
als röntgenoptische
Fasern ausgebildet sein, z. B. Glasfasern. Röntgenoptische Fasern sind an
sich zur Beeinflussung des Strahlenganges in einem Strahlungsbündel bekannt. Solche
Fasern sind jedoch sehr dünn,
so dass ein aus Fasern hergestellter Kollimator eine sehr große Anzahl
Fasern umfasst und nicht einfach in beliebiger Form hergestellt
werden kann. Es ist jedoch sehr gut möglich, eine Packung aus Fasern
herzustellen, so dass diese Packung in Seitenansicht die Form beispielsweise
eines Dreiecks hat; indem der so gebildete Kollimator quer zu den
Längsachsen
der Fasern verlagert wird, werden in das Strahlenbündel Fasern von
unterschiedlicher Länge
eingebracht.
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Die
Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben,
wobei gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente bezeichnen. Es
zeigen:
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1 eine
globale Darstellung eines an sich bekannten Röntgenanalysegerätes, in
dem die Vorrichtung angewendet werden kann,
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2a eine
Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform eines variablen
Soller-Spalt-Kollimators gemäß der Erfindung,
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2b eine
Draufsicht einer Kollimatorplatte des Kollimators von 2a,
zusammen mit dem Strahlungsbündel;
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3 eine
Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform eines variablen
Soller-Spalt-Kollimators gemäß der Erfindung
und
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4 eine
Perspektivansicht einer Ausführungsform
eines variablen Soller-Spalt-Kollimators mit
röntgenoptischen
Fasern gemäß der Erfindung.
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Die
Erfindung soll anhand einer Ausführungsform
beschrieben werden, in der das Gerät zur Strahlungsanalyse von
einem Röntgenanalysegerät gebildet
wird, insbesondere einem Röntgendiffraktionsgerät. Darin
hat die analysierende ionisierende Strahlung die Form von Röntgenstrahlung.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch auf alle
weiteren Geräte
zur Strahlungsanalyse angewendet werden kann, in denen ein Kollimator
für das analysierende
Strahlungsbündel
verwendet wird.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines bekannten Röntgenanalysegerätes, hier
ein Röntgendiffraktionsgerät. In diesem
Gerät ist
auf einem Gestell 2 ein Goniometer 4 angebracht.
Dieses Goniometer 4 kann mit einem Winkelkodierer zum Messen
der Winkeldrehung der darauf montierten Röntgenquelle 7 und
der ebenfalls darauf montierten Detektoreinrichtung 9 versehen
sein. Das Goniometer ist außerdem
mit einem Probenträger 8 versehen, auf
dem eine Probe 10 angebracht ist. Für die Fälle, bei denen eine Messung
der Winkeldrehung der Probe wichtig ist, kann auf dem Probenträger ein
Winkelkodierer angebracht sein. Die Röntgenquelle 7 enthält einen
Halter 12 für
eine in dieser Figur nicht wiedergegebene Röntgenröhre, die mit einem Befestigungsring 20 in
dem Halter befestigt ist. Diese Röntgenröhre enthält einen Hochspannungsstecker 15, mit
dem die Hochspannung und der Heizstrom für die Röntgenröhre über das Hochspannungskabel 18 zugeführt werden.
An der gleichen Seite der Röntgenröhre sind
Zu- und Abfuhrleitungen 22 und 24 für das Kühlwasser
der Röntgenröhre angebracht.
Der Röhrenhalter 12 enthält weiterhin
ein Austrittsfenster 44 für Röntgenstrahlung und eine Einheit 16 zum
Parallellisieren des Röntgenstrahlenbündels (einen
Soller-Spalt-Kollimator). Die Platten des Soller-Spalt-Kollimators 16 stehen
parallel zur Zeichenebene, so dass das von der Röntgenquelle 7 erzeugte Röntgenstrahlenbündel die
Probe 10 mit einem divergenten Bündel belichtet. Die Detektoreinrichtung 9 umfasst
einen Halter 26 für
einen Soller-Spalt-Kollimator,
einen Halter 28 für
einen Monochromatorkristall und einen Detektor 30. Die Platten
des Soller-Spalt-Kollimators im Halter 26 stehen ebenfalls parallel
zur Zeichenebene. Wenn sowohl die Röntgenquelle als auch der Detektor
um die Probe drehbar sind, ist es nicht notwendig, dass die Probe
drehbar montiert ist. Es ist jedoch auch möglich, die Röntgenquelle
fest zu montieren, was für
umfangreiche und schwere Röntgenquellen
manchmal notwendig ist. In diesem Fall sollten sowohl der Probenträger als auch
der Detektor drehbar sein.
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Das
Röntgendiffraktionsgerät, wie es
in 1 wiedergegeben wird, enthält weiterhin eine Verarbeitungseinrichtung
zur Verarbeitung der verschiedenen gemessenen Daten. Diese Verarbeitungseinrichtung
umfasst eine Zentraleinheit 32 mit einer Speichereinheit 36 und
einem Monitor 34 zur Präsentation
der verschiedenen Daten und zur Wiedergabe des gemessenen und berechneten
Ergebnisses. Die auf dem Goniometer 4 montierte Röntgenquelle 7,
die Detektoreinrichtung 9 und der Probenträger 8 sind
alle mit einer (nicht abgebildeten) Einheit zum Bestimmen der Winkelstellung
des betreffenden Elementes in Bezug auf die Skaleneinteilung des
Goniometers versehen. Ein Signal, das diese Winkelstellung wiedergibt,
wird über
Verbindungsleitungen 38-1, 38-2 und 38-3 zur
Zentraleinheit 32 übertragen.
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In 1 wird
ein sogenannter Bragg-Brentano-Aufbau wiedergegeben, was bedeutet,
dass die von einem einzelnen Punkt ausgehenden Röntgenstrahlen nach der Reflexion
an der Probe 10 wieder in einem Punkt fokussiert werden,
vorausgesetzt, dass die Oberfläche
der Probe einen durch den Ausgangspunkt und den Brennpunkt verlaufenden
Kreis berührt.
Die Probe 10 wird mit aus der Röntgenquelle 7 stammender
Röntgenstrahlung
bestrahlt. In dieser Röntgenquelle
ist schematisch eine Anode 40 wiedergegeben, die Teil der
in dieser Figur nicht weiter wiedergegebenen Röntgenröhre ist. In der Anode 40 wird
die Röntgenstrahlung
auf übliche
Weise erzeugt, indem diese Anode hochenergetischen Elektronen ausgesetzt
wird. Dadurch wird in der Anode Röntgenstrahlung erzeugt, die
durch das Röntgenfenster 44 austritt.
In dem Aufbau nach 1 wird der genannte Ausgangspunkt
nicht von einem einzelnen Punkt gebildet, sondern von einer Brennlinie 41 auf
der Anode, die senkrecht zur Zeichenebene steht. Der genannte Brennpunkt
wird von dem Sammelpunkt 43 des die Probe verlassenden
Strahlenbündels 45 am Ort
des Eingangs des Detektors 30 gebildet. Dadurch hat dieser
Aufbau nur in der Zeichenebene eine fokussierende Wirkung.
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2 zeigt eine Perspektivansicht einer Ausführungsform
eines variablen Soller-Spalt-Kollimators, in dem die Platten des
Kollimators eine rechteckige Form haben. Der dargestellte Kollimator
umfasst einen Stapel aus Kollimatorplatten 46 mit Zwischenräumen 48.
Alle Platten in diesem Kollimator haben die gleichen Abmessungen.
Ein Strahlungsbündel 45,
dessen Öffnungswinkel
vom Kollimator begrenzt wird, fällt
parallel zur Ebene der Kollimatorplatten 46 ein. Der Öffnungswinkel α des Strahlungsbündels wird
durch das Zweifache des Verhältnisses des
Zwischenraums d zwischen den Platten 46 zu der dem Strahlungsbündel ausgesetzten
Länge L des
kollimierenden Elementes (siehe auch 2b) gegeben,
so dass α =
2d/L gilt.
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Der
Wert der Größe L kann
durch Drehen der Kollimatorplatten um eine Welle 50, die
senkrecht zur Ebene der Platten 46 steht, verändert werden.
Hierzu ist ein Bewegungsmechanismus vorgesehen, der in dieser Ausführungsform
von einer Welle 50 und einer Antriebseinheit 52 gebildet
wird, in der die Welle 50 gelagert ist und die fest mit
dem Analysegerät
verbunden ist, von dem der Kollimator ein Teil ist. Die Antriebseinheit
umfasst beispielsweise einen Motor zum Drehen der Welle, welcher
Motor von einer Steuereinheit 54 gesteuert wird, die Teil
eines zu dem Analysegerät
gehörenden
Computers sein kann.
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Wenn
die von dem Analysegerät
auszuführenden
Messungen es erfordern, werden die Kollimatorplatten 46 um
die Welle 50 gedreht, bis der richtige Öffnungswinkel erreicht worden
ist, d. h. dass die Beziehung α =
2d/L, wobei α ein
vorgeschriebener Wert ist, erfüllt
ist.
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3 zeigt
eine Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform eines variablen
erfindungsgemäßen Soller-Spalt-Kollimators.
Diese Ausführungsform
ist vor allem für
die Einrichtungen geeignet, in denen das Strahlungsbündel in
einer Ebene parallel zu den Kollimatorplatten stark divergierend
oder konvergierend ist. Diese Situation kann beispielsweise in einem
Spektrometer vom Bragg-Brentano-Typ eintreten. Bei einem so divergenten
Strahlenbündel
ist der Wert für
L (d. h. die dem Strahlungsbündel 45 ausgesetzte
Kollimatorplattenlänge
L) nicht für
alle Strahlen in dem Strahlungsbündel
derselbe. Dies kann für
Messungen, die ein hohes Maß an
Genauigkeit erfordern, ein Nachteil sein. Es kann gezeigt werden,
dass für
derartige Messungen ein Soller-Spalt-Kollimator mit elliptisch geformten
Platten diesen Nachteil vollständig
oder weitgehend beseitigt. Ebenso wie in dem Kollimator von 2 wird der Kollimator in 3 über die
Welle 50 angetrieben, in gleicher Weise, wie es bereits
anhand von 2 beschrieben worden ist.
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4 zeigt
eine Perspektivansicht einer Ausführungsform eines variablen
Soller-Spalt-Kollimators mit röntgenoptischen
Fasern gemäß der Erfindung.
Von solchen Fasern ist an sich bekannt, dass sie Strahlungsbündel aus
Röntgenstrahlen
beeinflussen. Mit solchen Fasern kann ein hohes Maß an Kollimation,
d. h. ein sehr kleiner Öffnungswinkel des
Strahlungsbündels
erhalten werden.
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Der
in dieser Figur gezeigte Kollimator umfasst eine zweidimensionale
Packung aus Röntgenfasern 60.
Die Röntgenfasern 60 haben
den gleichen Querschnitt, aber eine Länge, die von ihrer Höhe in der
Packung abhängt.
Parallel zur axialen Richtung der Röntgenfasern 60 fällt ein
Strahlungsbündel 45 ein,
dessen Öffnungswinkel
von der Packung aus Röntgenfasern
begrenzt wird. Der Öffnungswinkel des
Strahlungsbündels
wird durch das Verhältnis
des inneren Querschnitts zur Länge
der hohlen Faser bestimmt. Der Öffnungswinkel
kann somit durch Hin- und Herbewegen des Kollimators verändert werden. Hierzu
ist in dieser Ausführungsform
ein Bewegungsmechanismus vorgesehen, der von einem Halter zum Packen
von Röntgenfasern
versehen ist, wobei der Halter zwei Führungen 62 umfasst,
die von einem Antriebsstab 64 hin- und herbewegt werden
können, wobei
die Führungen 62 entlang
Teilen 56 der Aufstellung des Analysegerätes geführt werden.
Der Antrieb der genannten Bewegung wird von einer Antriebseinheit 52 ausgeführt, in
der der Antriebsstab 64 gelagert ist und die auch fest
mit dem Analysegerät
verbunden ist. Die Antriebseinheit umfasst beispielsweise einen
Motor zum Hin- und Herbewegen die Antriebsstabes, welcher Motor
von einer Steuereinheit 54 gesteuert wird, die Teil eines
zum Analysegerät
gehörenden
Computers ist. Wenn die mit dem Analysegerät auszuführenden Messungen es erfordern,
wird der Kollimator hin- und herbewegt, bis der korrekte Öffnungswinkel
erreicht ist.