DE2642637A1

DE2642637A1 - Roentgenfluoreszenzspektrometer

Info

Publication number: DE2642637A1
Application number: DE19762642637
Authority: DE
Inventors: Kliment Vladislavo Anisovitsch; Nikolai Ivanovitsch Komyak
Original assignee: LE N PROIZV OB BUREVESTNIK
Current assignee: LE N PROIZV OB BUREVESTNIK
Priority date: 1975-09-26
Filing date: 1976-09-22
Publication date: 1977-04-07
Also published as: SU614367A1; NL172594B; NL7610384A; FR2325926B1; NL172594C; US4091282A; FR2325926A1; DE2642637C2; GB1564534A

Description

Röntgenfluoreszenzspektrometer

Die Erfindung betrifft ein Röntgenfluoreszenzspektrometer insbesondere zur quantitativen chemischen Analyse, z. B. in der Eisenhütten- und Buntmetallindustrie, Geologie, chemischen Industrie usw.

Bekannt sind nach Soller Röntgenfluoreszenzspektrometer mit planparalleler Kristallplatte. Bei diesen Spektrometern ist die Empfindlichkeit durch den Primärstrahlstrom (erg/s) auf den Prüfling, d. h. durch die Leistung der Röntgenröhre, bestimmt. Eine Empfindlichkeitssteigerung dieser Spektrometer kann nur durch Leistungs-

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erhöhung der Röntgenröhre erreicht werden, was auf konstruktive und technologische Schwierigkeiten stößt.

Eine Verminderung des Abstandes zwischen dem Brennpunkt der Röntgenröhre und der bestrahlten Fläche des Prüflings führt nicht zur Empfindlichkeitserhöhung, weil der die Empfindlichkeit bestimmende Primärstrahlstrom konstant bleibt.

Bekannt sind außerdem nach Johann, Johansson Pokussierungskristallbeugungs-Röntgenfluoreszenzspektrometer mit gekrümmtem Kristall. Bei diesen Spektrometern ist die Empfindlichkeit durch die Bestrahlungsstärke im Arbeitsbereich des Prüflings mit der Primärstrahlung

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der Röntgenröhre (erg/s · cm ) bestimmt. Das erforderliche bestrahlte Feld des Prüflings ist bei diesen Spektrometern groß infolge großen Abstands der Prüflingsfläche vom Brennkreis. Zur Schaffung der notwendigen Bestrahlungsstärke im Arbeitsbereich vom Prüfling sind daher Hochleistungs-Röntgenröhren erforderlich. In diesem Fall kann eine Empfindlichkeitssteigerung durch noch stärkere Leistungserhöhung der Röntgenröhre erreicht werden, was die genannten Schwierigkeiten verursacht. Eine Verminderung des Abstandes zwischen dem Brennpunkt der Röntgenröhre und der Prüflingsfläche führt nicht zur erwünschten Empfindlichkeitserhöhung, weil die Bestrahlungsstärke nur im mittigen Teil des Prüflings zunimmt und an dessen Umfang gleichzeitig abfällt, so daß die durchschnittliche Bestrahlungsstärke praktisch unveränderlich bleibt.

Bekannt sind auch Röntgenfluoreszenzspektrometer mit einer Röntgenstrahlungsquelle, mit einem im Wege des Strahlbündels der Röntgenstrahlungsquelle angeordneten Prüflingshalter, mit einem Analysenkristall, der die

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Fluoreszenzstrahlung des im Prüflingshalter untergebrachten Prüflings fokussiert und durch die Krümmung (Knick) seiner Ebenen den Brennkreis bestimmt, und mit einem Detektor, der die vom Analysenkristall· reflektierte Strahlung empfängt (vgl. z. B. Toshio Shiraiwa und Nobukastu Fujino, "Microfluorescent x-ray analyzer", Advances in X-ray Analysis, volume II, Plenum Press, New York, I968).

Bei diesen Spektrometern befindet sich die Prüflingsfläche auf dem Brennkreis, wodurch eine kleine Fläche des Arbeitsbereiches des Prüflings gewährleistet wird. Die Empfindlichkeit dieser Spektrometer ist jedoch nicht hoch, weil die Röntgenstrahlungsquelle weit von der Prüflingsfläche entfernt ist, was eine geringe Bestrahlungsstärke auf ihr bedingt.

Bei diesen Spektrometern kann eine Empfindlichkeitssteigerung durch Leistungserhöhung der Röntgenröhre erreicht werden, was aber aus den genannten Gründen unerwünscht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem derartigen Röntgegfluoreszenzspektrometer durch Wahl der Stellung der Röntgenstrahlungsquelle und des Prüflingshalters zueinander wesentlich die Empfindlichkeit zu steigern, ohne die Leistung der Röntgenstrahlungsquelle erhöhen zu müssen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem Röntgenfluoreszenzspektrometer, mit einer Röntgenstrahlungsquelle, mit einem im Wege des Strahlbündels von ihr angeordneten Prüflingshalter, mit einem Analysenkristall, der die Fluoreszenzstrahlung des Prüflings fokussiert und durch die Krümmung seiner Ebenen den Brennkreis bestimmt und mit einem Detektor, der die vom Analysenkristall reflek-

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tierte Strahlung empfängt, erfindungsgemäß dadurch, daß daß die Röntgenstrahlungsquelle In einem solchen Abstand vcm Prüflingshalter liegt, daß bei einer Röntgenstrahlungsquellen-Spannung von 50 kV die spezifische Bestrahlungsstärke auf dem mittigen Abschnitt der Oberfläche des Prüf-

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lings von mindestens ca. 1,5 · 10 erg/s · cm · W beträgt, und daß der Prüflingshalter derart relativ zum Brennkreis angeordnet ist, daß der Abstand zwischen dem Brennkreis und der bestrahlten Fläche des Prüflings höchstens gleich dem Produkt der Größe des Abstandes zwischen dem Brennpunkt der Röntgenstrahlungsquelle und der bestrahlten Fläche des Prüflings mit dem Verhältnis Durchmesser des Brennkreises zu Länge des Analysenkristalls ist.

Es iüt zweckmäßig, daß der Abstand zwischen dem Brennpunkt der Röntgenstrahlungsquelle und der bestrahlten Fläche des Prüflings höchstens gleich einem Viertel der Höhe des Analysenkristalls und daß der Abstand zwischen der bestrahlten Fläche des Prüflings und dem Brennkreis höchstens gleich einem Viertel des Produkts des Durchmessers des Brennkreises mit dem Verhältnis der Höhe des Analysenkristalls zu dessen Länge ist.

Optimale Ergebnisse ergeben sich dadurch, daß die Röntgenstrahlungsquelle relativ zum Prüflingshalter entsprechend dem Mindestabstand zwischen dem Brennpunkt der Röntgenstrahlungsquelle und der bestrahlten Fläche des Prüflings liegt.

Beim erfindungsgemäßen Röntgenfluoreszenzspektrometer ermöglicht die Erhöhung der Strahlungsstärke, die Empfindlichkeit bei gleicher Leistung der Röntgenröhre um das Zehn- bis Dreißigfache zu steigern bzw. die Leistung der

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Röntgenröhre bei gleicher Empfindlichkeit um zwei bis drei Größenordnungen herabzusetzen. Bei Verwendung einer Niederleistungs-Röntgenröhre mit stirnseitigem Strahlungsaustritt, die einen kleinen Abstand zwischen dem Brennfleck und der Austrittsöffnung aufweist, sinken die Außenabmessungen und die Fertigungskosten des Spektrometers sehr.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Optik eines erfindungsgemäßen Röntgenfluoreszenzspektrometers in isometrischer Darstellung, und

Fig. 2 die Kennlinie der Fluoreszenzintensität der zu bestrahlenden Abschnitte des Prüflings in Abhängigkeit von deren Abstand von der Mitte der bestrahlten Zone.

Das in Fig. 1 dargestellte Röntgenfluoreszenzspektrometer enthält eine Röntgenstrahlungsquelle, hier eine einen stirnseitigen Strahlungsaustritt aufweisende Röntgenröhre 1 mit einem Brennfleck 2 sowie einen Prüflingshalter 3> der im Wege des Strahlbündels von der Röntgenröhre 1 angeordnet ist. Fig. 1 zeigt das Spektrometer mit einem Prüfling 4, der als eine im Prüflingshalter 3 untergebrachte Tablette ausgeführt ist. Das Spektrometer enthält auch einen fokussierenden Analysenkristall 5, dessen Ebenenkrümmung die Lage eines Brennkreises 6 bestimmt. Der Analysenkristall 5 hat eine Höhe H und eine Länge L. Auf dem Brennkreis 6 sind ein Eintrittsspalt 7 gegenüber dem Prüflingshalter 3 und ein Austrittsspalt 9 gegenüber einem Detektor 8, der vom

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Anälysenkristall 5 reflektierte Strahlung empfängt, angeordnet. Als Detektor 8 kann beispielsweise ein Gas-Proportionalzähler Verwendung finden. Eine zu untersuchende Zone 10 der bestrahlten Fläche des Prüflings 4 hat eine Höhe a und eine Breite b.

Die Höhe a der zu untersuchenden Zone 10 des Prüflings ist durch die Höhe des Analysenkristalls 5 beschränkt und gleich H. Die Breite b der zu untersuchenden Zone 10 ist durch den Abstand r zwischen der Fläche der Zone 10 des Prüflings und dem Brennkreis 6 bedingt und beträgt:

, _ rL sinO _ rL

^D ~ R " D '

mit R = Abstand zwischen Eintrittsspalt 7 und Analysenkristall 5,

D = —i Q = Durchmesser des Brennkreises 6,

Q = Glanzwinkel (Bragg'scher Winkel).

Der Abstand h zwischen dem Brennfleck 2 der Röntgenröhre 1 und der bestrahlten Fläche des Prüflings 4 ist durch die Lage der Röntgenröhre 1 relativ zum Prüflingshalter 3 gegeben, die entsprechend einer spezifischen Bestrahlungsstärke auf dem mittigen Abschnitt des PrUf-

4 2 lings 4 von nicht weniger als 1,5 * 10 erg/s · cm · W bei einer Spannung von 50 kV an der Röntgenröhre 1 gewählt wird.

Dabei wird der Abstand r höchstens gleich h γ-gewählt.

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r 3

Da die meisten zur Zeit verwendeten fokussierenden Analysenkristalle auf eine Höhe von 1 bis 4 cm beschränkt sind, kann der Abstand h höchstens gleich einem Viertel der Höhe H des Analysenkristalls 5 gewählt werden. In diesem Fall ist der Prüflingshalter j5 derart angeordnet, daß der Abstand r zwischen der bestrahlten Fläche des

DH Prüflings 4 und dem Brennkreis 6 nicht -jr=- überschreitet.

Die höchste Bestrahlungsstärke des mittigen Abschnitts des Prüflings 4 liegt vor, wenn der Abstand h zwischen dem Brennfleck 2 der Röntgenröhre 1 und der bestrahlten Fläche des Prüflings 4 möglichst klein gewählt ist.

In Fig. 2 ist die Abhängigkeit der Fluoreszenzintensität der zu bestrahlenden Abschnitte des Prüflings von deren Abstand von der Mitte des bestrahlten Gebiets dargestellt. Auf der x-Achse ist der Abstand zwischen dem Abschnitt des Prüflings und dessen Mittelpunkt und auf der y-Achse

die Fluoreszenzintensität in - - aufgetragen.

s «cm

Das Röntgenfluoreszenzspektrometer arbeitet wie folgt:

Die vom Brennfleck 2 ausgehende Primärstrahlung der Röntgenröhre 1 (Fig. 1) bestrahlt den Prüfling 4, in dem Sekundärröntgen-Fluoreszenzstrahlung angeregt wird. Die Fluoreszenzstrahlung des Prüflings 4 passiert den Eintrittsspalt 7i wird vom Analysenkristall 5 reflektiert, indem sie sich am Austrittsspalt 9 konzentriert, und von dem Röntgenstrahlen-Detektor 8 empfangen.

Die Empfindlichkeit dieses Röntgenspektrometers ist durch die Bestrahlungsstärke der zu untersuchenden Zone der Fläche des Prüflings 4 bestimmt. Eine Flächenverminderung der Zone 10 führt zur Verminderung des erforderlichen Strahlstromes der Röntgenröhre 1 und somit zur Erhöhung

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40 *

der Strahlungsstärke des Spektrometer.

Unter der Bedingung r "^=- h^ , wobei h mit Rücksicht

auf eine spezifische Bestrahlungsstärke auf der Prüflings-

4 P fläche von mindestens 1,5 · 10 erg/s · cm · W bei einer Röntgenstrahlungsquellen-Spannung von 50 kV gewählt ist, gilt b = -sr ^= h. In diesem Fall ist die Bestrahlungsstärke der Zone 10 des Prüflings 4 über deren Breite a gleichförmig verteilt.Über die Länge b der Zone 10 liegt

h. ο

die Bestrahlungsstärke von 1,5 . 10 erg/s · cm · W nur für den mittigen Abschnitt der Zone 10 mit Abnahme zu deren Rand hin vor. Obwohl die erwähnte Bestrahlungsstärke nur im mittigen Abschnitt vorliegt, ist die durchschnittliche Bestrahlungsstärke der Zone 10, die die Strahlungsstärke des Spektrometers bestimmt, wegen der kleinen Fläche a χ b der Zone 10 des Prüflings 4 groß, was die Möglichkeit bietet, eine hohe Empfindlichkeit des Spektrometers bei geringerem Energieaufwand zu erreichen.

Bei Erfüllung der Forderung r — ^ (h — |) ist die Breite b der bestrahlten Zone 10 des Prüflings 4 — ^ = h. In diesem Fall ist die Bestrahlungsstärke der Zone 10 des Prüflings 4 über deren Breite gleichmäßig. Über die Länge der Zone 10 liegt die maximale Bestrahlungsstärke ebenfalls nur für den mittigen Teil des Abschnitts mit Abnahme zum Rand hin vor. Dabei sind die In VertiJcÄiriehtulg äußersten Punkte der zu untersuchenden Zone 10 der Fläche des Prüflings 4 um | = | = 2h von der Mitte der Fläche versetzt. Dieser Abstand zwischen dem Brennfleck 2 und der Fläche des Prüflings 4 bietet die Möglichkeit, den zu untersuchenden Flächenabschnitt praktisch mit dem gesamten Strahlungsstrom von der Röntgenröhre 1 in senkrechter Ebene zu bestrahlen (s. Fig. 2). In diesem Fall ist die Bestrahlungsstärke ebenfalls hinreichend groß, während die Fläche des zu untersuchenden Abschnitts klein ist, wodurch eine hohe Strahlungsstärke des Spektrometers gewährleistet wird.

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Bei möglichst kleinem Abstand h und r ^ her- liegen

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die besten Ergebnisse vor, weil die Zone 10 die Mindestfläche und größtmögliche durchschnittliche Bestrahlungsstärke aufweist, wodurch die maximale Empfindlichkeit des Spektrometers gewährleistet wird.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel des Spektrometers ist der zu untersuchende Abschnitt der Prüflingsfläche klein. Es ist daher zweckmäßig, zum Mitteln der Analysenergebnisse den Prüfling während der Messung zu verschieben.

In der Beschreibung wurde bisher als Dispersions-Element der Analysenkristall ausgewiesen, obwohl sein Ersatz durch ein (technisches) Äquivalent, z. B. ein Fokussierungsbeugungsgitter, offensichtlich ist.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Spektrometers mit außerhalb des Brennkreises 6 angeordnetem Prüflingshalter 5· Es sind aber auch Ausführungsbeispiele mit einem innerhalb des Brennkreises 6 angeordneten Prüflingshalter möglich; die in Fig. 1 .dargestellte Anordnung zeitigt jedoch die besten Ergebnisse.

Entsprechend der Optik von Fig. 1 wurde ein Röntgenfluoreszenzspektrometer hergestellt, bei dem eine Mikrofokus-Röntgenröhre mit stirnseitigem Strahlungsaustritt und 5 W Leistung als Röntgenstrahlungsquelle Verwendung fand; es wurden h = 5 mm, r = 3 mm, D = 300 mm gewählt. Es wurde ein Lithiumfluorid-Analysenkristall nach Johansson mit H = 20 mm, L = 60 mm verwendet. Als Detektor 8 diente ein angezapfter Xenon-Proportionalzähler. Mit den angegebenen Abmessungen wurde eine spezifische Bestrahlungsstärke des mittigen Abschnitts der bestrahlten Prüflingsfläche von 1,2 · 10-³ erg/s «cm · W erreicht.

Beim Empfang der Fluoreszenz von reinem Kobalt wurde

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- yg U

eine Zählgeschwindigkeit von 150 OOO Imp/s ermittelt, die einer spezifischen Zählgesehwindlgkeit von J>0 000 Imp/s · W entsprach, was die spezifische Zählgeschwindigkeit für die bekannten Spektrometer um zwei Größenordnungen überschritt.

Bei einer Röhrenleistung von 5 W betrug die Empfindlichkeit des Spektrometers η · IC" %, was der Empfindlichkeit der bekannten Spektrometer mit über 1 W Röhrenleistung entsprach. Das Spektrometer hatte kleine Außenabmessungen von ¹^ 500 · 500 · 200 mm und eine geringe Masse von & JO kg.

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Claims

Ansprüche

1. Röntgenfluoreszenzspektrometer,

mit einer Röntgenstrahlungsquelle, mit einem im Wege des Strahlbündels von ihr angeordneten Prüflingshalter, mit einem Analysenkristall, der die Fluoreszenzstrahlung des Prüflings fokussiert und durch die Krümmung seiner Ebenen den Brennkreis bestimmt, und mit einem Detektor, der die vom Analysenkristall reflektierte Strahlung empfängt,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Röntgenstrahlungsquelle (1) in einem solchen Abstand (h) vom Prüflingshalter (j5) liegt, daß bei einer Röntgenstrahlungsquellen-Spannung von 50 kV die spezifische Bestrahlungsstärke auf dem mittigen Abschnitt der Oberfläche des Prüflings (.4) von mindestens ca. 1,5 * 10 erg/s

ρ
cm · W beträgt,

und daß der Prüflingshalter (3) derart relativ zum Brennkreis (6) angeordnet ist, daß der Abstand (r) zwischen dem Brennkreis (6) und der bestrahlten Fläche des PrSflings (4) höchstens gleich dem Produkt (h D/L) der Größe des Abstandes (h) zwischen dem Brennpunkt (2) der Röntgenstrahlungsquelle und der bestrahlten Fläche des Prüflings (J>) mit dem Verhältnis Durchmesser (D) des Brennkreises (6) zu Länge (L) des Analysenkristalls (5) ist.

2. Röntgenfluoreszenzspektrometer nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Abstand (h) zwischen dem Brennpunkt (2) der Röntgenstrahlungsquelle (l) und der bestrahlten Fläche des Prüflings (4) höchstens gleich einem Viertelder Höhe (H) des Analysenkristalls (5) und

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daß der Abstand (r) zwischen der bestrahlten Fläche des Prüflings (4) und dem Brennkreis (6) höchstens gleich einem Viertel des Produkts (DH/L) des Durchmessers (D) des Brennkreises (6) mit dem Verhältnis der Höhe (H) des Analysenkristalls (5) zu dessen Länge (L) ist.

3. Röntgenfluoreszenzspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenstrahlungsquelle (1) relativ zum Prüflingshalter (j5) entsprechend dem Mindestabstand (h) zwischen dem Brennpunkt (2) der Röntgenstrahlungsquelle (l) und der bestrahlten Fläche des Prüflings (4) liegt.

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