Röntgen-Fluoreszenz

Grundsätzliches:
Wird ein Objekt mit Röntgenstrahlen "beleuchtet" gehen von diesem Objekt wiederum Röntgenstrahlen aus. Diese Fluoreszenzstrahlung besteht zu einem großen Teil aus der charakteristischen Strahlung (K,L,M u.s.w.) der chemischen Bestandteile des Objekts. Wird die Fluoreszenzstrahlung geeigneterweise analysiert kann somit qualitativ und quantitativ auf die Bestandteile des Objekts geschlossen werden.
In Industrie und Forschung wird diese Röntgenfluorezenzanalye vielfach angewandt. Die Spanne reicht von hochauflösenden Spektrometern für die Stahlindustrie mit denen während des Prozesses der entstehende Stahl mit Promille-Genauigkeit auf die Bestandteile analysiert wird, bis zum einfachen Gerät für Juweliere die damit ihre Goldeinkäufe überwachen können. Weit verbreitet sind auch Zusatzspektroskope für Rasterelektronenmikroskope. Damit kann die lokale Verteilung der Elemente einer Probe im Mikrometerbereich bestimmt werden.

Technik: Je nach der Methode der Analyse der Fluoreszenzstrahlung können die Spektrometer grob in zwei Gruppen unterschieden werden.	EDX-Geräte	>WDX-Geräte<
	die Energie der Röntgenphoton wird analysiert	die Wellenlänge der Röntgenstrahlung wird gemessen
	kurze Messzeit, einfacher Aufbau	hohe Auflösung, niedrige Schwelle
	niedrige Auflösung, hohe Schwelle	längere Messzeit, teurer Aufbau

Bei EDX-Geräten wird die Energie der Photonen bestimmt, zur Anwendung kommen somit Detektoren deren Ausgangssignal proportional zur Energie des detektierten Photons ist, in Frage kommen >Halbleiterdetektoren<, >Szintillationsdetektoren< und >Proportionalzähler<.

Hat man eine geeignete Röntgenröhre und den passenden Detektor ist der Aufbau des EDX-Spektrometers sehr einfach. Röntgenröhre und Zählrohr werden im rechtem Winkel zueinander angeordnet, die Probe befindet sich unter einem Winkel von 45° zwischen beiden. Die Primärstrahlung der Röntgenröhre beleuchet die Probe. Die in der Probe entstehende Fluoreszensstrahlung gelangt durch das Eintrittsfenster ins Zählrohr und wird dort detektiert. Nicht absorbierte Strahlung kann das Zählrohr durch das Austrittsfenster wieder verlassen. So wird verhindert das Fluoreszensstrahlung der Zählrohrwand das Messergebniss verfälscht. Mit der rechtwinkligen Anordnung von Röntgenröhre und Zählrohr wird erreicht dass möglichst wenig der Primärstrahlung das Zählrohr erreicht, ansonsten würde der Untergrund stark erhöht.

	Die Röntgenröhre OX/70-DC

Die Probe muss natürlich nicht zwingend als kompakter Körper vorliegen. Bei flüssigen Materialien (z.B. Brom) oder Pulverform kann sie auch in Flaschen oder Röhrchen in den Strahlengang gebracht werden.

Die Röntgenröhre wurde mit einem HV-Modul aus einem Röhrenmonitor betrieben. Das Modul liefert 25kV bei maximal 1mA Strom. Für die Messungen wurden aber nur deutlich kleinere Ströme von 5 bis 20 µA verwendet. Diese Emission reicht aus um Zählraten von 1000 bis 2000 c/s zu erreichen sodass mit einer Messzeit von 60 Sekunden ausreichend klare Ergebnisse erreicht wurden. Der Emisionstrom wurde über die Heizspannung (~ 1,5 V) der Kathode eingestellt.
Aufgrund der niedrigen Ströme, der kleinen Spannung und den kurzen Messzeiten wurde auf ein Abschirmung des Geräts verzichtet. Werden höhere Ströme und/oder höhere Spannungen verwendet muss das Gerät natürlich in einen Bleikasten eingebaut werden.
Zum Test und zur Kalibierung der Anordnung wurden Proben aus reinen Elementen vemessen.

Messungen mit >Eigenbau Proportionalzählrohr<

	Für die Darstellung wurden die einzelnen Spektren auf gleich Countrate normiert. Alle Messwerte bis auf den Ausreißer Brom liegen wie erwartet auf einer Linie

Elemente mit weicherer Fluoreszensstrahlung als die des Titans (z.B Calcium 3,7 keV) können nicht gemessen werden da diese Strahlung von der Luft stark absorbiert wird und auch das Fenster des Zählrohrs aus Alufolie die Strahlung merklich schwächt. Durch den Einbau des Geräts in einen Vakuumtopf und ein anderes Fenstermaterial könnte das umgangen werden.
Auch härtere Strahlung als die des Molybdäns ( Pd 21,0 keV, Ag 21,9 keV und Sn 25,0 keV) konnten nicht nachgewiesen werden. Zum Einen liegtdas an der niedrigen Energie der Primärstrahlung zum anderen an den Eigenschaften der Gasfüllung des Zählrohrs. Die härtere Strahlung wird von Argon nur noch wenig absorbiert weshalb auch kaum eine Ionisation des Zählgases stattfindet.

Messungen mit dem SI-6R Zählrohr

Das SI-6R ist ein russisches Zählrohr das hin- und wieder bei Ebay
> www.sovtube.com < angeboten wird. Leider ist das zugehörige Datenblatt ziemlich dürftig. Neben der Betriebsspannung werden nur die mechanischen Abmessungen, die Massenbelegung des Berylliumfensters und die Lebensdauer angegeben. Wichtige Daten wie Füllgas, Energieauflösung und Impulsgröße werden nicht genannt.

Das Zählrohr bringt ähnliche Ergenisse wie das Eigenbaurohr. Die Auflösung ist mit 33% (Mo 17,4 keV) sogar etwas schlechter, der Eigenbau bringt 28%. Die Empfindlichkeit ist jedoch deutlich größer. Für eine Messzeit von einer Minute sind nur 1 µA Kathodenstrom (Anodenspannung 40 kV) in der Röntgenröhre notwendig. Möglicherweise liegt die hohe Empfindlichkeit an dem Berylliumfenster, der Eigenbau verwendet Alufolie, die eine deutlich größere Absorption aufweist.

Messungen mit dem >Halbleiterzähler< die folgenden Messungen wurde mit dem gleichen Aufbau wie oben gemacht aber das Proportionalzählrohr durch den Halbleiterzähler ersetzt. Als Netzteil für die Röntgenröhre kam ein in der Zwischenzeit gebautes >HV-Netzteil (~ 50kV)< zum Einsatz.

Wegen des großen Rauschens kann der Fotodiodenzähler erst ab Energien > 9 keV zum Einsatz kommen und die Energieauflösung liegt mit einer Halbwertsbreite von 10 keV ( bei Ag 22 keV) bei etwas unter 50%. Trotzdem ergeben die aufgetragenen Messwerte eine schöne Gerade.

Messungen mit dem >Szintillationszähler< Von den verschiedenen eignet sich vor Allem mit Thallium aktiviertes Natriumjodid zur Röntgenspektroskopie

Der NaJ(Tl) Zähler wird erst ab höheren Energien( Yttrium, ~ 15 keV) wirksam, zeigt dort aber eine hohe Empfindlichkeit und gute Linerität, die Auflösung (Silber 22 keV) beträgt 7,4 keV entsprechend 34%.
Durch die Kombination eines, mit Argon gefülltem Proportionalzähler und einem NaJ - Szintillationszählers könnte ein weiter Bereich im Periodensystem gemessen werden.

Die hohe Empfindlichkeit des Szintillationszählers erlaubt auch ein Messverfahren das ohne Röntgenröhre auskommt. Dazu wird die Probe mit einer radioaktiven Quelle bestrahlt. Die Strahlung der Quelle regt die Probe zur Ausstrahlung der Fluoreszenzstrahlung an. Zur Verfügung stand eine Sr⁹⁰-Quelle mit etwa 40 kBeq Aktivität. Sr⁹⁰ emittiert eine Betastrahlung mit ca. 500 keV Energie, genug um die K-Strahlung aller Elemente anregen zu können. Natürlich ist der Strahlungsfluss einer 40 kBeq Quelle um viele Größenordnungen kleiner als der einer Röntgenröhre trotzdem konnte die Fluoreszenz einiger Elemente (Nd, Tb, Yb, Ta, Au, Pb) gemessen werden.