DE1127613B - Vorrichtung zur roentgenspektro-chemischen Analyse durch Fluoreszenzstrahlung - Google Patents

Description

Zum Untersuchen der Zusammensetzung von Materialien mit Hilfe der röntgenspektro-chemischen Analyse durch Fluoreszenzstrahlung sind Geräte bekannt, die gleichzeitig den Vergleich des zu untersuchenden Gegenstandes mit einem Objekt bekannter Zusammensetzung ermöglichen. Zu diesem Zweck weist eine derartige Vorrichtung Auftreffflächen auf, die einem zu untersuchenden und einem bekannten Vergleichgegenstand zugehören, und es ist jeder Auftrefffläche eine Meßkammer zugeordnet. Aus dem Vergleich der Meßergebnisse wird die Materialzusammensetzung hergeleitet.

Es sind Röntgenspektrometer für Fluoreszenzanalyse bekannt, bei denen die Meßkammer eine gasgefüllte Zählröhre oder ein Szintillationszähler ist. Die Eigenschaften der beiden Meßkammern sind in dem Sinne voneinander verschieden, daß die gasgefüllte Zählröhre sich zum Registrieren der Fluoreszenzstrahlung einer bestimmten Reihe von Elementen besser als der Szintillationszähler eignet und letztgenannter für die Fluoreszenzstrahlung von Elementen von einer höheren Atomzahl zu bevorzugen ist.

Eine proportionale Geiger-Müller-Zählröhre wird für Stoffe verwendet, deren Atomzahl maximal etwa 47 beträgt. Die Absorption der Fluoreszenzstrahlung dieses Elementes im Gasvolumen einer solchen Zählröhre beträgt nur ungefähr 10%. Die Fluoreszenz-Strahlung schwererer Elemente wird noch weniger absorbiert, wodurch eine zufriedenstellende Registrierung nicht mehr möglich ist. Ein Mittel, um diese Elemente anzuzeigen, ist der Szintillationszähler. Dieser fängt alle Strahlung auf, aber ihm haftet der Nachteil an, daß die erforderliche Verstärkung der Photoemission mit Störerscheinungen einhergeht, die als Rauschen bezeichnet werden, wodurch die zu registrierende Strahlung eine bestimmte Minimalenergie haben muß, um eine beobachtbare Anzeige zu erhalten. Das Anzeigen der Fluoreszenzstrahlung von Stoffen von geringerem Atomgewicht als Silber (41) gelingt weniger gut in dem Maße, als die Stoffe leichter sind.

Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß man vorzugsweise nicht stets denselben Reflexionskristall, sondern Kristalle mit verschiedenen Gitterabständen für unterschiedliche Wellenlängenbereiche verwendet.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, um mit Röntgenstrahlen auf spektroskopischem Wege Stoffe zu analysieren, bei der in einem im Strahlenbündel der Röntgenröhre angeordneten Gegenstand erzeugte Fluoreszenzstrahlung durch monokristalline Oberflächen in reflektierte Strahlung zerlegt und von einer Meßstelle angezeigt wird. Gemäß der

Vorrichtung

zur röntgenspektro-chemischen Analyse
durch Fluoreszenzstrahlung

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 16. Juni 1958 (Nr. 228 755)

Sjoerd Wytzes, Eindhoven (Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

Erfindung besitzt die Vorrichtung, wie an sich bekannt, zwei Meßkammern, von denen eine zur Untersuchung der Fluoreszenzstrahlung größerer Wellenlänge ausgebildet ist und eine Gasfüllung mit einem von einem Vorratsgefäß aufrechterhaltenen Druck besitzt, während die andere einen Szintillationszähler enthält.

Durch diese Anordnung wird ermöglicht, zuverlässige Meßergebnisse für einen Meßbereich zu erhalten, der sich über einen beträchtlich größeren Wellenlängenbereich erstreckt als der, für den jede Meßkammer geeignet ist. Es kann entweder mit einem oder mit dem anderen Zähler gemessen werden, doch kann durch gleichzeitige Änderung des Reflexionswinkeis der zu messenden Strahlen für die beiden Meßkammern leicht von der einen Meßkammer auf die andere übergegangen werden, so daß man nicht gezwungen ist, nacheinander mehrere Vorrichtungen zur Untersuchung eines Objektes in Betrieb zu nehmen, um eine vollständige Prüfung durchführen zu können.

Die Erfindung ermöglicht es, durch Anwendung einer dauernd von einem Gasstrom durchflossenen Geiger-Müller-Zählröhre die Prüfung von Elementen vorzunehmen, deren Wellenlängen der Fluoreszenzstrahlung größer sind als 3 Ä, wobei vorzugsweise Mittel vorgesehen sind, um die Strahlenabsorption

20J 559/254

zwischen dem Gegenstand, und der Meßkammer herabzusetzen. Strahlung von größerer Wellenlänge als 3 Ä wird stark in Luft absorbiert, und man hat deshalb die Luft bereits entfernt, also die Strahlung durch einen evakuierten Raum hindurchgeführt oder die Luft durch ein die Fluoreszenzstrahlung wenig absorbierendes Gas ersetzt. Für diesen Zweck kommen Helium und Wasserstoff in Betracht. Bei einer derartigen Einrichtung sind nach der Erfindung die Einkristalle und die Geiger-Müller-Zählröhre in dem von einer Wand umgebenen Raum untergebracht; der Szintillationszähler befindet sich außerhalb dieses Raumes.

In der Zeichnung sind Ausführungsformen von Vorrichtungen nach der Erfindung beispielsweise dargestellt.

Fig. 1 zeigt die diametrale Anordnung der beiden Meßkammern;

Fig. 2 und 3 beziehen sich auf die Einrichtung mit einem von der Außenluft abgeschlossenen Raum.

Fig. 1 zeigt ein Röntgenspektrometer für Fluoreszenzstrahlung von einem Gegenstand I₁ der im Strahlenkegel 2 der Röntgenröhre 3 angeordnet ist. Die Röntgenröhre 3 besitzt eine Glühkathode 4 und eine Anode 5. Die Mittel zur Erhitzung der Kathode und zur Betätigung der Röntgenröhre sind weggelassen.

Von der Fluoreszenzstrahlung des Gegenstandes 1 wird ein schmales Strahlenbündel 6 mittels des Richtkörpers 7 abgetrennt. Letzterer kann aus einer Sammlung flacher, dünner Platten bestehen, die mit kleinen Zwischenräumen parallel zueinander angeordnet sind. Andere bekannte Richtkörper, z. B. zu einem Bündel vereinigte dünne Metallrohre, sind ebenfalls verwendbar. Der Richtkörper 7 ist an einem fest angeordneten Tisch 8 befestigt, der außerdem die anderen Teile des Spektrometers trägt.

Das Spektrometer besitzt zwei Kristallplatten 9 und 10, die aus Stoffen bestehen, deren Kristallstrakturen bekannt und deren Gitterkonstanten verschieden sind. Sie sind derart an von dem Tisch 8 gehalterten Trägern 11 und 12 befestigt, daß sie in entgegengesetztem Sinne in bezug auf den Tisch 8 drehbar sind. Der Träger 11 für die Kristallplatte 9 bewegt sich zugleich mit einem die Geiger-Müller-Zählröhre 14 tragenden Arm. Dieser Arm ist in bezug auf die Kristallplatte 9 derart eingestellt, daß die Fluoreszenzstrahlung des Bündels 6 nach Reflexion im Kristallgitter der Platte 9 in Richtung der Zählröhre 14 abgebogen wird. In der dargestellten Lage der Zählröhre erstreckt sich die Achse senkrecht zur Richtung des Strahlenbündels 6, und die Kristallplatte 9 ist unter einem Winkel von 45° in bezug auf diese beiden Richtungen eingestellt.

Am Umfang des Tisches 8 befindet sich ein Zahnhügel 15, mit dem die Schnecke 16 zusammenarbeitet. Mit dem Arm 13 ist ein die Schnecke 16 tragender Formteil 17 verbunden. Die Schnecke wird mittels einer biegsamen Welle 18 angetrieben, die durch Zahnräder 19 und 20 mit der Welle 21 gekuppelt ist. Über einen Verzögerungsmechanismus 22 wird die Welle 21 vom Motor 23 angetrieben. Der Antrieb des Armes 18 kann auch auf andere, bereits bekannte Weise erfolgen. Der Arm nimmt außerdem den Träger 11 der Kristallplatte 9 mit. Während sich der Arm 13 über 180° dreht, ist der Kristall über einen Winkel von 90° zu drehen. Der Unterschied in der Drehgeschwindigkeit des Armes 13 in bezug auf den Träger 11 der Kristallplatte 9 entsteht auf in der Zeichnung nicht näher angedeutete Weise durch einen Mechanismus, dessen Einzelheiten bekannt sind, weil er bereits bei anderen im Handel erhältliehen Geräten für Röntgenspektrometrie zur Verwendung kommt.

Der Träger 12 für die Kristallplatte 10 ist auf entsprechende Weise mit dem Dreharm 24 gekuppelt, der den Szintillationszähler 25 haltert. Als Bewegungsmechanismus für diesen Arm 24 dient der am Umfang des Tisches 8 befestigte Zahnhügel 26 mit der durch den Formteil 27 am Arm 24 befestigten Schnecke 28. Letztere wird mittels der biegsamen Welle 29 angetrieben, die durch das Zahnrad 30 mit dem Zahnrad 31 auf der Welle 21 gekuppelt ist. Die Geiger-Müller-Zählröhre 14 ist zur Untersuchung von Fluoreszenzstrahlung größerer Wellenlängen ausgebildet und weist deshalb eine Gasfüllung auf, die aufrechterhalten wird, wozu eine Verbindung mit einem Vorratsgefäß 50 vorgesehen ist. Die Verbindung besteht aus einem biegsamen Gummischlauch 48. Zum Konstanthalten des Drukkes ist es vorteilhaft, daß eine Durchströmung stattfindet, und dazu ist ein Regelventil 49 vorgesehen, und es besitzt die Röhrenwand ein dünnes Abfuhrrohr 60. Wenn sich der Arm 13 in Uhrzeigerrichtung bewegt, verstellt sich der Arm 24 gegenläufig. Die Kristallplatte 10 steht in der dargestellten Lage unter einem Winkel von 90° in bezug auf die Platte 9, so daß der Szintillationszähler 25 der gasgefüllten Zählröhre 14 diametral gegenübersteht.

Die beiden Kristallplatten 9 und 10 sind aus verschiedenen Stoffen hergestellt. Für den Kristall 9 wird z. B. tertiäres Ammoniumphosphat verwendet.

Zum Meßbereich von Wellenlängen, für welche die Empfindlichkeit des Geiger-Müller-Zählers ausreicht, ist ein solcher Kristall verwendbar, ohne daß sich die Schwächung der reflektierten Strahlung infolge der zunehmenden Winkeländerung in der Lage des Kristalls zu stark auswirkt. In Zusammenwirkung mit dem Szintillationszähler 25 wird ein Quarzkristall 10 verwendet; um hiermit entsprechende Wellenlängen zu trennen, ist eine geringere Drehung des Kristalls als im vorangehenden Fall erforderlich.

Auf diese Weise lassen sich zwei Messungen zugleich anstellen, so daß, nachdem sämtliche Ablenkwinkel durchlaufen worden sind, sowohl eine Registrierung der Meßergebnisse mit der Geiger-Müller-Zählröhre als auch derjenigen mit dem Szintillationszähler erhalten wird. Der gewiegte Fachmann vermag in den beiden Registrierungen die günstigsten Weisungen zu erkennen und diese zur Analyse des Strahlenspektrums benutzen.

Fig. 2 zeigt eine entsprechende Einrichtung, bei der die Reflexionskristalle in einem von der Wand 35 umgebenen Raum untergebracht sind. In der Wand 35 ist der Richtkörper 7 angeordnet, der an dem herausragenden Ende mit einem für die Lumineszenzstrahlung gut durchlässigen Stoff abgedeckt ist. Zum Abdecken ist eine aus einer geeigneten Plastik, z.B. den unter den Handelsnamen »Mylar« und »Formvar« bekannten Stoffen hergestellte Folie verwendbar. Der erstgenannte Stoff ist ein Polyester, und zwar ein Reaktionsprodukt von Äthylenglykol und Terephthalsäure; der zweite Stoff ist Polyvinylformal. Der Gegenstand 1 ist im Strahlenkegel 2 der Röntgenröhre 3 angeordnet, und die den Richtkörper 7 durchsetzende Fluoreszenzstrahlung trifft

eine der zwei Kristallplatten. 9 und 10, die auf einer Welle 36 angeordnet sind. Diese Welle 36 ist in einer Hohlwelle 37 drehbar. Gemeinsam sind diese Wellen durch den Boden 38 des Gehäuses hindurchgeführt, der mit der Wand 35 und einer flachen Platte 39 den Raum zum Unterbringen der Kristallplatten umschließt; der Raum steht durch eine Rohrleitung 40 mit einer Vakuumpumpe in Verbindung, um die Luft aus dem Gehäuse zu entfernen. Das Gehäuse kann auch mit Helium von Atmosphärendruck oder xo von einem etwas höheren Druck gefüllt sein, um sicherzustellen, daß alle Luft durch das verwendete Gas ersetzt ist. In diesem Fall ist die Rohrleitung 40 mit einem Behälter des benutzten Gases verbunden.

Die beiden konzentrischen Wellen 36 und 37 sind durch einen Zahnradmechanismus mit einem Übersetzungsverhältnis von 1: 2 miteinander gekuppelt, so daß die Hohlwelle 37 sich mit der zweifachen Winkelgeschwindigkeit der inneren Welle 36 dreht. Zum Antrieb der beiden Wellen ist ein in der Zeichnung nicht dargestellter elektrischer Motor verwendbar.

Die Welle 36 ist in Längsrichtung in der Hohlwelle 37 und im Zahnrad 41 des Übersetzungsmechanismus verschiebbar. Um die Welle verschiebbar zu machen und zugleich zu verhüten, daß sich das Zahnrad 41 um die Welle dreht, ist das Ende 42 der Welle 36 mit einem Vierkantteil 42 ausgestattet, der in ein Vierkantloch des Zahnrades 41 hineinpaßt. Am gleichen Ende besitzt die Welle 36 einen Knopf 43 zum Verschieben. Eine Verschiebung der Welle 36 nach links führt die Kristallplatte 10 in die Fluoreszenzstrahlung und die Kristallplatte 9 außerhalb dieser Strahlung. Die Welle 36 hat zwei Aussparungen 44 und 45, um sie mittels einer Schnappkugelklemme 46 zu fixieren. Das Gehäuse 47 für diese Klemmeinrichtung bildet das Ende einer Rohrleitung 48, die mit dem Regelventil 49 einer Gasflasche 50 verbunden ist. Durch diese Leitung 48 kann ein Gasstrom einem Kanal 51 zugeführt werden, der in der Hohlwelle 37 ausgespart ist und sich im Arm 52 fortsetzt, der ein Ganzes mit der Hohlwelle 37 bildet und als Träger der Geiger-Müller-Zählröhre 53 dient. Der Kanal 51 im Arm 52 steht durch eine Öffnung 54 in der Wand 55 der Zählröhre mit dem Inneren der Zählröhre in Verbindung. Die Wand 55 ist zylindrisch und kann aus Chromeisen hergestellt sein. Sie bildet die Kathode der Zählröhre, deren Anode ein dünner Wolframdraht 56 ist. Dieser wird in Isolatoren 57 und 58 in den metallenen Endwänden befestigt, welche die zylindrische Kathode 55 an den beiden Enden abschließen. Mit der Anode 56 ist ein Stromzuführungsdraht 59 verbunden, der durch einen aus biegsamem Isolierstoff hergestellten Schlauch 60 nach außen geführt ist. Die Verbindung des gasgefüllten Raumes in der Zählröhre mit der Außenluft durch den Schlauch 60 ermöglicht es, in der Zählröhre einen Gasstrom aufrechtzuerhalten.

Die Zählröhre ist mit einem Fenster 61 versehen, dessen Öffnung durch eine Platte aus einem Stoff abgeschlossen ist, der die reflektierte Strahlung wenig absorbiert. Zu diesem Zweck kann ein Häutchen aus den erwähnten Stoffen »Mylar« oder »Formvar« benutzt werden. Diese Stoffe sind nicht vollkommen luftdicht, so daß bei einem höheren Druck im Raum außerhalb der Zählröhre das Füllgas der Zählröhre verunreinigt werden könnte. Durch Anwendung der Durchströmung mit dem Füllgas wird dieser Nachteil beseitigt. Dem Fenster 61 gegenüber ist ein zweites Fenster 62 angeordnet, das auf die gleiche Weise abgeschlossen ist und im Füllgas nicht absorbierte Strahlung durchläßt, um zu verhüten, daß, falls diese benutzte Strahlung auf eine absorbierende Wand auftrifft, die Meßgenauigkeit der Zählröhre durch photoelektrische Wandwirkungen beinträchtigt wird.

Die Kristallplatte 10 ist unter einem Winkel mit der Kristallplatte 9 angeordnet. Wenn durch Verschiebung der Welle 36 diese Kristallplatte 10 in das Fluoreszenzstrahlungsbündel geführt wird, geht die reflektierte Strahlung an der Geiger-Müller-Zählröhre vorbei. In Richtung der von dieser Platte abgebogenen Strahlen ist der Szintillationszähler 63 angeordnet. Damit die Strahlung den Szintillationkristall 64 in jeder Lage des Zählers zu erreichen vermag, ist in der Wand 35 des Gehäuses ein Fenster angebracht, das sich über den halben Umfang des Gehäuses erstreckt. Der Szintillationszähler 63 wird von einem Arm 66 gehaltert, der einen Teil der Hohlwelle 37 bildet und deshalb zugleich mit dieser Welle gedreht wird. Der Zähler 63 verstellt sich am Umfang des Fensters 65 entlang mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit, mit der sich die Kristallplatte 10 dreht. Es können also wahlweise Messungen mit der Geiger-Müller-Zählröhre 53 oder mit dem Szintillationszähler 63 angestellt werden, wobei von der einen Meßkammer auf die andere durch Verschiebung der Welle 36 übergegangen wird. Der Szintillationszähler besteht aus der Kombination einer Kristallplatte mit einem photoelektrischen Sekundäremissionsverstärker, dessen Bauart an sich bekannt ist, so daß hierauf nicht näher eingegangen wird.

Um das Durchbiegen der dünnen Plastikfenster der Geiger-Müller-Zählröhre und der Gehäusewand unter auf beiden Seiten auftretenden verschiedenen Drücken zu verhüten, können als Halterung Nylondrähte angebracht werden, die längs den Rändern der Fenster mit der Wand verbunden sind. Zur Befestigung ist ein gummihaltiges Klebemittel verwendbar.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung, um mit Röntgenstrahlen auf spektroskopischem Wege Stoffe zu analysieren, bei der in einem im Strahlenbündel der Röntgenröhre angeordneten Gegenstand erzeugte Fluoreszenzstrahlung durch monokristalline Oberflächen in reflektierte Strahlung zerlegt und von einer Meßstelle angezeigt wird, dadurch gekennzeich net, daß sie, wie an sich bekannt, zwei Meßkammern besitzt, von denen eine zur Untersuchung der Fluoreszenzstrahlung größerer Wellenlänge ausgebildet ist und eine Gasfüllung mit einem von einem Vorratsgefäß aufrechterhaltenen Druck besitzt, während die andere einen Szintillationszähler enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasgefüllte Meßkammer in einem von Wänden umschlossenen Raum untergebracht ist und die Fluoreszenzstrahlung größerer Wellenlänge in diesem Raum weniger als in Luft absorbiert wird, wobei die zweite Meßkammer außerhalb des Raumes angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein für die Aufrecht-

erhaltung des Gasdruckes in der gasgefüllten Meßkammer dienender, die Meßkammer mit dem Vorratsgefäß verbindender Kanal in einem um eine durch die Wand des Raumes hindurchgeführte Welle drehbaren Tragarm vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

USA.-Patentschriften Nr. 2635 192, 2 602142; Br. J. Appl. Phys,, 6 (1955), S. 444 bis 449; 8- (1957), S. 442.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen