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Verfahren und Vorrichtung zur Röntgenfluoreszenzmessung eines gewählten
Elementes höherer Atomzahl in einem Überzug auf einer Unterlage Diese Erfindung
betrifft die Röntgenfluoreszenzmessung und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum wahlweisen Messen der Fluoreszenzstrahlungsintensität.
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Diese Erfindung ist brauchbar beim Messen der Masse je Flächeneinheit
eines überzuges auf einer Unterlage mit Hilfe der Röntgenfluoreszenz.
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Im Meßwesen wurde die Röntgenfluoreszenz verwendet zur Messung der
Dicke eines überzuges auf einem Substrat oder einer Unterlage. Der in der Dicke
gemessene ueberzug kann ein Überzugselement enthalten, welches in der Atomzahl um
einige Zahlen niedriger als das in der Unterlage enthaltene Element ist. Dann wird
ein Röntgenstrahl verwendet, um das Überzugselement zur Fluoreszenz zu erregen,
damit es eine
für das Überzugselement charakteristische Strahlung
aussendet. Der Röntgenstrahl kann jedoch auch einige Elemente der Unterlage zur
Fluoreszenz erregen, um für die Elemente der Unterlage charakteristische Strahlung
auszusenden.
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Ein Detektor, der ein Proportionalzähler oder ein Szintillationszähler
sein kann, wandelt die Fluoreszenzstrahlung in elektrische Impulse um, woraufhin
ein Impulsamplitudendiskriminator als Ausgangssignal nur eleXtrische Impulse übertragt,
die von der Fluoreszenzstrahlung der Überzugselement es abgeleitet sind, während
die ankotmenden elektrischen Impulse, die von denjenigen Elementen der Unterlage
abgeleitet sind, die zur Fluoreszenz erregt sind, zurückgewiesen werden Die Intensität
der Fluoreszenzstrahlung des tbersugsele « entes oder die Rate der als Ausgang des
Impulsamplitudendiskriminators erzeugten elektrischen Impulse steht mit der Überzugsdicke
in Beziehung.
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Wenn andererseits Röntgenfluoresenz verwendet wurde zur Dickenmessung
eines Überzuges, welcher ein Überzugselement enthält, das um mehrere btomcahlen
höher liegt als das in der Unterlage enthaltene Element, dann wird die Röntgenstrahlerregung
des Überzugselementes zur Fluoreszenz unbedingt auch alle Elemente der Unterlage
zur Fluoreszenz erregen. Ein Detektor und ein Impulsamplitudendiskriminator wurden
verwendet, um die Pluoreezenzetrahlung vom tberzugselement in dieaem Fall in elektrische
Impulse zu verwandeln,
die mit der Überzugsdicke in Beziehung stehen.
Soweit es bekannt ist, war dieses System das einzige nicht streuende System zur
kontinuierlichen Prozeßanalyse einer Überzugsdicke, bei der die Atomzahl des Überzugselementes
höher ist als die irgendeines Elementes in der Unterlage. Dieses System ist in der
Arbeitsweise jedoch verhältnismäßig langsam im Vergleich zu den Lehren dieser Erfindung,
und es ist nicht besonders geeignet, wenn die Atomzahl des Überzugselementes dicht
bei der Atom zahl der Unterlagenelemente liegt.
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Wenn das Überzugs element um eine, zwei oder wenige Atomzahlen niedriger
liegt als irgendein anderes Element in der Unterlage, dann wird die Überzugsdicke
gemessen mit einem Röntgenfluoreszenzsystem, welches ein Filter verwendet. Dabei
wird ein Röntgenstrahl verwendet, der sowohl das Überzugs element als auch das Unterlagenelement
zur luoreszenz von der Type erregt, bei der die Überzugselement-Fluoreszenzstrahlung
vor dem Hintergrund der Fluoreszenzstrahlung der Unterlagenelemente ist. Das Filter,
welches vor dem Detektor angeordnet ist, filtert die Pluoreszenzstrahlung der Unterlagenelemente
aus oder dampft sie und überträgt verhältnismäßig mehr von der Fluoreszenzstrahlung
des Überzugselementes zum Detektor.
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Die Intensität der Fluoreszenzstrahlung des Überzugselementes oder
der Ratte der elektrischen Impulse am Ausgang des
Detektors steht
mit der Überzugedicke in Beziehung. Die Filterwahl war in dieser Situation auf ein
Filterelement beschränkt, dessen Atomzahl gleich oder größer als die des Überzugselementes
und kleiner als die des Unterlagenelementes ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Röntgenfluoreszenzmessung
zur Messung von Menge oder Masse je Flächeneinheit eines Überzuges auf einer Unterlage,
bei der der Überzug ein Element aufweist, welches um mindestens eine Atomzahl höher
ist als irgendein anderes Element in dem Überzug und der Unterlage. In gewissen
Anwendungen kann die Masse je Flächeneinheit des Überzugselementes in Beziehung
stehen zur Dicke eines Überzuges auf einer Unterlage. Die bekannten Röntgenfluoressenz4Keßtechniken
schlagen kein schnell wirkendes und zuverlässiges nicht streuendes Meßsystem vor,
welches kenzeichnenderweise ein Filter aufweist, um selektiv die Fluoreszenzstrahlungsintensität
eines Überzuges auf einer Unterlage zu messen, wobei das Überzugs element nur um
wenige, sogar um eine oder zwei Atomzahlen höher liegt als irgendein anderes Element
in der Unterlage und dem Rberzug. Das neue System dieser Erfindung besitzt ein verbessertes
Signal-Rausch-Yerhältnis gegenüber jeglichem erprobten bekannten System im gesamten
Bereich der Atomzahlunterschiede.
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Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren und eine Vorrichtung,
welche immer selektiv die Fluoreszentstrahlung
vom Überzugselement
messen kann, wobei dieses Überzugs element das Element mit der höchsten Atomzahl
im Verhältnis zu anderen Elementen oder Materialien in dem Überzug und der Unterlage
ist. Dies wird erreicht durch Verwendung eines Filters aus einem vorgewählten Element,
welches eine bestimmte Dicke und eine Röntgenabsorptions Kantenwellenlänge aufweist,
welche ein wenig kürzer als mindestens eine der charakteristischen Welenlängen der
Fluoreszenzstrahlung des Überzugselementes ist, Das gewählte Filter mit vorbestlmmter
Dicke überträgt immer die Fluoreszenzstrahlung des Überzugselementes nur mit einem
bekannten Prozentsatz von Absorttion. Gleichzeitig wird die Hintergrundsfluoreszenzstrahlung
von allen anderen berzugs- und Unterlagenelementen aufgrund der Erregung durch den
primären Röntgenstrahl und die rückgestreute primäre Röntgenstrahlung von dem gewählten
Filter mit einem größeren Absorptionsprozentsatz absorbiert, als die Strahlung vom
Überzugselement. Ein Filter gewählter Dicke und mit gewählten Absorptionskoeffizienten
wird dazu verwendet, ein praktisch optimales Verhältnis zwischen der übertragenen
Fluoreszenzstrahlung und der übertragenen Hintergrunds- und rückgestreuten Strahlung
bei dem Erregungspotential oder der Spannung des Röntgenstrahis herzustellen, so
daß sich die übertragene Fluoreszenzstrahlung auf einem vorbestimmten höheren Pegel
befindet als die Kombination aus übertragener Hintergrunda- und rUckgestreuter Strahlung.
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Ein bekanntes Röntgenfluoreszenzsystem, welches einen mit einem Impulsamplitudendiskriminator
gekoppelten Detektor aufweist, wird unempfindlich, wenn die Differenz zwischen dem
Uberzugselement und den Elementen der Unterlage kleiner ist als wenige Atomzahlen
(z.B. kleiner als 3, 4 oder 5 Atomzahlen). Zusätzlich besitzt die Kombination aus
einem Detektor und einem Impulsamplitudendiskriminator viele Begrenzungen, wobei
die hersorstechendsten die folgenden sind: (1) eine verhältnismäßig langsame Ansprechzeit
bei Empfang einer bestimmten anzahl von Strahlungszählungen, um ein Ausgangssignal
mit einer Auflösung zu liefern, die für Messungen statistisch annehmbar ist; und
(2) eine prozentual niedrige Betriebswirksamkeit, da der Detektor direkt die Fluoreszenzstrahlung
des tberzugselementes ermitteln soll, die nur ein kleiner Teil der Gesamtstrahlung
ist. Die innewohnenden Begrenzungen eines solchen Röntgenfluoreszenzsystems begrenzen
seine Verwendung und machen es ungeeignet zur Steuerung eines kontinuierlichen Prozesses
mit hoher Geschwindigkeit zur Messung entweder der Dicke oder der Masse Je Flächeneinheit
eines Überzug es auf einer Unterlage, insbesondere wo der Bbersug unter Verwendung
eines Materials gebildet wird, in welchem praktisch gleichförmig ein Element verteilt
ist, welches nur um eine, zwei oder wenige Atomzahlen höher liegt als irgendein
anderes Element im ÜbereuQ: und der Unterlage.
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In bekannten Röntgerfluoreszenzsystemen wurde ein Filter
nr
verwendet, wenn das Überzugselement ein Element ist, das um eine, zwei oder wenige
Atomzahlen niedriger liegt als das Unterlagenelement. Bei solchen Anwendungen liefert
das Filter eine zufriedenstellende Arbeitsweise, da die charakteristische Wellenlänge
der Fluoreszenzstrahlung des Unterlagenelemente£ immer kürzer ist als diejenige
der Fluoreszenzstrahlurg des Überzugselementes.
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Wenn jedoch der Unterschied zwischen den Überzugs- und den unterlagenelementen
größer ist als wenige Atomzahlen (in etwa der Zustand, bei dem eine Kombination
aus Detektor und Xmpulsamplitudendiskriminator verwendet werden würde), dann wird
das Filter unwirksam und filtert die gewünschte Fluoreszenzstrahlung des Überzugselementes
heraus, während es selektiv die ungewünschte Flucreszenzstrahlung des Unterlagenelementes
überträgt.
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Ein solches Filterelement, wie es in bekannten Systemen verwendet
wird, muß eine Absorptionskantenwellenlänge aufweisen, die kürzer ist als die charakteristischen
Wellenlängen der gewünschten Fluoreszenzstrahlung des tberzugselementes jedoch länger
als die charakteristischen Wellenlängen der unerwünschten Fluoreszenzstrahlung des
Unterlagenelementes, Ein Filter rait Eigenschaften, die diese Anforderungen erfüllen,
ist nur dann erreichbar, wenn das Überzugselement die hiedrigste A@omzahl aufweist.
Wenn die Differenz der Atomzahl zwischen dem Überzugs und dem
Unterlagenelement
oder den Elementen größer ist als wenige Atomzahlen, dann ist das oben beschriebene
Filter vollständig unwirksam, da die Fluoreszenzstrahlung des Überzugselementes
mit einem größeren Absorptionsprozentsatz übertragen wird als die Fluoreszenzstrahlung
des Unterlagenelementes.
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Keines der bekannten nicht streuenden Röntgenfluoreszenzsysteme wurde
verwendet zur Messung von Fluoreszenzstrahlung von einem Überzugselement, welches
um eine, zwei oder wenige Atomzahlen höher liegt als das Unterlagenelement. Die
vorliegende Erfindung kann eine solche Messung durchführen. Die Wirksamkeit der
Röntgenfluoreszenzmessung der vorliegenden Erfindung steigt als Punktion der Differenz
in der Atomzahl zwischen dem Überzugs element und dem nächst höheren, aber niedriger
bezifferten Element in dem Überzug und der Unterlage.
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Zusätzlich zu den oben angegebenen Vorteilen erlaubt die vorliegende
Erfindung die Wahl eines gewünschten Verhältnisses von Fluoreszenzstrahlung zu Hintergrund-und
rückgestreuter Strahlung und erlaubt die Wahl optimaler Kombinationen von Filterdicke
und Röntgenstrahl-Erregungspotentialen, um das gewünschte Verhältnis zu erzeugen.
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Die obigen und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
vollständig deutlich werden in Verbindung mit der folgenden Beachreibung, in der
auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird.
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Fig. 1 der Zeichnungen ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung
zur Durchführung der Röntgenfluoreszenzmessung.
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Fig. 2 ist eine graphische Darstellung einer Kurve, die die Beziehung
der Röntgenabsorption eines Filterelementes zeigt einschließlich der typischen charakteristischen
Strahlung der K-Serie des gleichen Elementes bei seiner charakteristischen Wellenlänge,
undf Fig. 3 ist eine graphische Darstellung einer Kurve im doppelt logarithmischen
Maßstab, die die Röntgenabsorption eines Filters darstellt, welches eines der Elemente
Zink, Nickel oder Eisen enthält, mit der charakteristischen Wellenlänge der charakteristischen
Sa-Strahlung jedes Elementes.
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In Bezug auf Fig. 1 werden jetzt die allgemeinen Prinzipien der Erfindung
beschrieben. Eine nicht streuende Röntgenfluoreszenzmeßeinrichtung 2 wird verwendet
zur Messung der Masse je Flächeneinheit eines Überzugs 4 auf einem Substrat oder
einer Unterlage 6.
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Die Masse je Flächeneinheit eines Überzuges auf einer Unterlage kann,
muß aber nicht, proportional sein der Überzugsdicke in Abhängigkeit von der Aufbringung.
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Der Überzug kann gebildet werden durch Verwendung eines Überzugsmaterials,
in welchem praktisch gleichförmig ein Element mit einer Atomzahl verteilt ist, die
höher ist als
diejenige irgendeines anderen Elementes in dem Überzugsmaterial
und der Unterlage.
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Wenn nach einer anderen Möglichkeit die Masse je Flächeneinheit des
Überzugselementes im Überzugsmaterial kritisch ist, dann kann sich die Dicke des
Bindemittels oder des anderen Überzugsmaterials verändern (aufgrund einer unabhängigen
Variablen, wie der Menge des organischen Bindemittels), während die Nasse je Flächeneinheit
des Überzugs elementes konstant gehalten wird.
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Weiterhin kann das Überzugematerial eine bekannte Menge eines Elementes,
wie eines Spurenelementes, enthalten, wobei die Masse je Flächeneinheit des Spurenelement
es proportional der Überzugsdicke ist. In einigen Anwendungen kann das Überzugsmaterial
ein einziges, direkt auf die Unterlage aufgebrachtes Element sein. In solchen Fällen
wäre die Masse je Flächeneinheit des Überzugselementes direkt der Überzugsdicke
proportional. In der vorliegenden Erfindung besitzt der Überzug ein Element (das
ist das Uberzugselement) mit einer Atomzahl, die um mindestens eine Atomzahl höher
liegt als irgendein anderes Element in dem Überzug und der Unterlage.
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Das Überzugsmaterial kann ein Überzugselement, wie Zink, Nickel oder
Eisen, und einrs bekanntes organisches Bindemittel enthalten. Das Überzugsmaterial
wird auf eine Unterlage aufgebracht, die entweder aus einem einzigen Element
mit
einer Atomzahl, die um mindestens eine Atomzahl niedriger als die des Überzugselementes
ist, besteht oder aus einem Unterlagenmaterial, welches alle Elemente enthält, die
um mindestens eine Atomzahl unter der des Üb erzugs elementes liegen, Die Röntgenfluoreszenzmeßeinrichtung
2 enthält einen Röntgenstrahl 8 von einer Röntgenquelle 10, Der Röntgenstrahl 8
bestrahlt eine begrenzte Fläche 12 des Überzuges 4 auf der Unterlage 6. Zum Zwecke
des Beispiels kann die Probe ein Überzugsmaterial, in welchem Zink praktisch gleichmäßig
verteilt ist, auf einer nicht metallischen Unterlage aufweisen. Nach einer anderen
Möglichkeit kann die Unterlage entweder ein metallisches Element oder eine Kombination
nicht metallischer und metallischer Elemente sein, wobei die einzige Forderung lautet,
daß die Atomzahl des schwersten Elementes um mindestens eine Atomzahl niedriger
sein muß als die des Überzugselementes, oder Zink in diesem Beispiel.
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Der Röntgenstrahl 8 besitzt ein Erregungspotential, welches zur Erregung
des Überzugselementes ausreicht (d.h. des Elementes des Überzuges mit der höchsten
Atomzahl), um Fluoreszenz des Überzugselementes bei seiner charakteristischen Wellenlänge
auszusenden. Die Intensität der Fluoreszenzstrahlung ist proportional der Masse
Se Flächeneinheitsdes Überzugs elements in der begrenzten Fläche Sdes
Überzugs
4. Der Röntgenstrahl 8 erregt gleichzeitig alle anderen Elemente im Überzug und
in der Unterlage und erzeugt eine Hintergrundfluoreszenzstrahlung von diesen anderen
Elementen. Gleichzeitig wird vom Überzug 4 und der Unterlage 6 rückgestreute Röntgenstrahlung
vom primären Röntgenstrahl 8 erzeugt. Die Fluoreszenzstrahlung vom Überzugselement,
die Hintergrundfluoreszenzstrahlung von den anderen Elementen in Überzug und Unterlage
und die rückgestreute Röntgenstrahlung werden allgemein bei 14 gezeigt.
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Ein einziges passives Filter t6 besteht aus einem vorgewählten Element,
welches nicht streuend den größten Teil der Strahlung 14 ausfiltert. Nicht streuende
Filterung bedeutet, daß die durch das Filter hindurchgehende Strahlung bei ihren
verschiedenen Wellenlängen durchgelassen oder übertragen wird, ohne die Fortpflanzungsrichtung
der Strahlung als Funktion ihrer Wellenlänge zu ändern.
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Das Filter 16 ist eo gewählt, daß es eine bestimmte Dicke und eine
Röntgenabsorptionskantenwellenlänge aufweist, welche ein wenig kürzer ist als die
charakteristische Wellenlänge der vom Überzugselement ausgesandten Fluoreszenzstrahlung.
Die vorbestimmte Dicke des Filters wird so gewählt, daß das Filter 16 selektiv Fluoreszenzstrahlung
vom Überzugs element bei seiner charakteristischen Wellenlänge überträgt mit einem
bekannten Prozentsatz an Absorption, und die Hintergrunds-und die rUckgestreute
Strahlung mit
einem größeren Absorptionsprozentsatz überträgt,
um das gewünschte Verhältnis dazwischen für das bestimmte Erregungspotential des
Röntgenstrahls 8 herzustellen. Das Filter 16 ist in einer Winkelverschiebung relativ
zum Röntgenstrahl 8 angeordnet, die nicht kritisch ist, und ist so angebracht, daß
es den Weg der Pluoreszenzstrahlung von der bestrahlten begrenzten Fläche t2 des
Überzugs 4 zum Detektor 18 unterbricht.
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Der Detektor 18 ist relativ zum Filter 16 angeordnet, um die übertragene
Pluoreszenzstrahlung zu empfangen, wobei er insbesondere die stärkste Fluoreszenz
aufnimmt, die von dem Überzugselement stammt. Der Detektor 18 erzeugt ein Ausgangssignal,
welches praktisch proportional der Fluoreszenzstrahlungsintensität vom Überzugselement
ist. Das Ausgangssignal vom Detektor 18 ist repräsentativ für das Überzugs element
je Flächeneinheit im Überzug 4 auf der Unterlage 6, die von der Meßeinrichtung 2
gemessen wurde.
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Der Ausgang des Detektors wird auf einen Anzeiger 20 zur Ablesung
zum Vergleich und dergl. gegeben.
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Der Anzeiger 20 wird in typischer Weise verwendet zum Vergleich des
Ausgangssignals vom Detektor 18 mit einem von einer überzogenen Bezugsunterlage
mit bekannter enge des Überzugselementes je Flächeneinheit erzeugten Bezugssignal.
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Das Bezugssignal kann z. B. ein standardisiertes Signal sein, welches
von einer überzogenen Bezugsunterlage abgelei@et ist und in dem Anzeiger 20 eingestellt
ist. Der Anselger 20
bestimmt dann die Abweichung der Masse je
Flächeneinheit des Überzugs element es in Bezug auf das Bezugssignal.
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Wahlweise kann ein Schirm 22 zwischen dem Röntgenstrahl 8 und dem
Filter 16 angeordnet werden, um zu verhindern, daß die von der Luftsäule nahe der
Röntgenquelle 10 gestreute primäre Strahlung den Detektor 18 erreicht, wodurch sichergestellt.
wird, daß nur die Fluoreszenzstrahlung des Uberzugselementes und nur Hintergrunds-
und rückgestreute Strahlung auf den Detektor auftreffen.
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In Fig. 2 wird eine typische Röntgenabsorptionskurve 30 für ein typisches
Element dargestellt. Die Abszisse ist die Wellenlänge, die von einem Wert vom Nullpunkt
entlang der Achse der Abszisse ansteigt, und die Ordinate ist die relative Absorption
in Prozent (% A), die entlang ihrer Achse vom Nullpunkt ansteigt. Da die Atomzahl
eines Elementes umgekehrt proportional zur Wellenlänge ihrer charakteristischen
Strahlung ist, ist die charakteristische Wellenlänge umso kürzer, je größer die
Atomzahl des Elementes ist. Die Absorptionskurve 30 hat eine Röntgenabsorptionskantenwellenlänge,
die bei einer Absorptionskantenwellenlänge auftritt, welche eine bestimmte bekannte
Wellenlänge 32 hat. Bei der Absorptfonßkantenwellenlänge 32 fällt die relative Absorption
des Elements von einem :;pitzenpunkt 34 zu einem Taupunkt 36. Die relative Absorption
des Elements steigt danach allgemein als Funktion der Wellenlänge an, wie es durch
die Absorptionskurve 30 angezeigt
wird.
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Wenn z.B. die Absorptionskurve 30 die Röntgenabsorption von Zink
mit der Atomzahl 30 darstellt, dann tritt die zink-Röntgenabsorptionskantenwellenlänge
bei einer Wellenlänge von 1,283 AngströmÇwie beim Punkt 32) auf. Jedes Erregungspotential
über 9,658 keV kann Zink zur Fluoreszenz erregen und die Emission seiner fluoreszenzstrahlung
bewirken. Wenn Zink von einem Röntgenstrahl mit einem zur Erregung der Pluoreszenz
ausreichenden Erregungspotential erregt wird, werden seine Fluoreszenzstrahlungsspektren
der K-Serie erzeugt mit einer Ka1-, einer Ka2, einer KB1-und einer Kß2-Fluoreszenzstrahlung,
die jeweils bei ihren charakteristischen Wellenlängen auftreten und größere Wellenlängen
sind als die Zinkabsorptionskantenwellenlänge. Z.B. tritt die Zink-Ka1-Fluoreszenzstrahlung
bei einer Wellenlänge von 1,435 , die Ka2 bei einer Wellenlänge von 1,439 i, die
Kß1 bei einer Wellenlänge von 1,295 2 und und die Kß2 bei einer Wellenlänge von
1,284 2 auf.
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Typische Fluoreszenzstrahlungsspektren der K-Serie des Elementes
(z.B. Zink), welches durch die Absorptionskurve 30 dargestellt ist, werden in der
graphischen Darstellung der Fig. 2 in Kombination mit der Absorptionskurve 30 dargestellt.
Die Linien 38, 40, 42 bzw. 44 entsprechen den Ka1-, Ea2-, Kß1- bzw. Kß2-Fluoreszenzstrahlungslinien
des Elementes. Die Linie 38 zeigt, daß die
Kα1-Fluoreszenzstrahlung
die stärkste Intensität aufweist.
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Die verbleibenden fluoreszenzstrahlungslinien der K-Serie haben niedrigere
Intensitätspegel und treten bei kürzeren charakteristischen Wellenlängen auf.
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Die gestrichelte Linie 46 in Fig. 2 zeigt eine typische charakteristische
Linie von einer Quelle mit einem Erregungspotential, welches ausreichend hoch ist
zur Erregung des dargestellten Elementes und Jeglichen anderen Elementes mit einer
niedrigeren Atomzahl zur Fluoreszenz.
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Die fluoreszenzstrahlung von den anderen Elementen en mit niedrigerer
atomzahl würde bei einer längeren charakteristischen Wellenlänge auftreten. Z.B.
tritt die Linie 48, die repräsentativ ist für eine solche Fluoreszenzstrahlung im
Vergleich zu den beiden Linien 38 und 44 der K-Serie und der Absorptionskantenwellenlänge
32, ihrer bei einer längeren Wellenlänge auf. Beim Vergleich der relativen Absorption,
die für die Linien 38 bis 44 der K-Serie eintreten würde, der Absorptionskante bei
der Wellenlänge 32 und der Linie K 48 bei ihrer charakteristischen Wellenlänge würde
das durch die Absorptionskurve 30 dargestellte Element selektiv seine Fluoreszenzstrahlung
bei seiner charakteristischen Wellenlänge mit einem bekannten Prozentsatz an Absorption
übertragen und die Fluoreszenzstrahlung eines leichteren Elementes (niedrigerer
Atomzahl) bei seiner langeren charakteristischen Wellenlänge, dargestellt durch
die Linie 48, mit einem größeren Prozentsatz an Absorption.
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Wi'e es in Verbindung mit der Absorptionskurve 30 der Fig. 2 erklärt
wurde, ist, wenn die Fluoreszenzstrahlung des Überzugselementes bei einer Wellenlänge
auftritt, die kürzer ist als diejenige des nächst höheren Elementes in dem Überzugsmaterial
oder der Unterlage, die Differenz in der relativen prozentualen Absorption zwischen
den beiden selektiv übertragenen Fluoreszenzstrahlungen so, daß ein Verhältnis der
übertragenen Fluoreszenzstrahlung des Überzugsmaterialselementes zu der übertragenen
Strahlung von den anderen Elementen des Überzuges und der Unterlage hergestellt
wird, und das Verhältnis würde als Funktion der Differenz ansteigen, da die Differenz
in der Atomzahl größer wird zwischen dem Überzugselement und den Elementen mit niedrigerer
Atomzahl in dem Überzug und der Unterlage.
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Bei der Röntgenfluoreszenzmeßeinrichtung 2 der Fig.1 muß das Filter
16 so gewählt werden, daß ein optimales Verhältnis, welches gewöhnlich nicht ein
maximales Verhältnis ist, zwischen der übertragenen Pluoressenzstrahlung des Überzugselementes
und der übertragenen Hintergrund-und rückgestreuten Strahlung bei dem Erregungspotential
des Röntgenstrahis für die Dicke und die absorptionskoeffizienten des Filters besteht.
Demnach müssen gewisse Variable bei der Auswahl des Filters 16 in Betracht gezogen
werden.
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Diese Variablen umfassen die Intensität des Großsignals, welches die
Fluoreßzenzetrahlung von d.i Überzugselement, die Hintergrundfluorezenzstrahlung
von den anderen Überzugs
- und Unterlagenelementen und die rückgestreute
Röntgenstrahlung enthält. Zusätlich muß der Detektor rauschpegel in Betracht gezogen
werden, und die Intensität der Fluoreszenzstrahlung vom Überzugselement muß zusreichend
groß sein, ul über dem Rauschpegel des Detektors ru liegen, damit sie ermittelt
werden kann. Andererseits muß der Intensitätspegel der Fluoreszenzstrahlung unter
dem Sättigungspegel des Detektors liegen. Auch das Erregungspotantial des Röntgenstrahls
muß betrachtet werden. Zusätzlich ist die Filterdicke wichtig, da die Menge der
absorbierten Strahlung eine Exponentialfunktion des Filterabsorptionskoeffizienten
für Jede Strahlung und der Filterdicke ist.
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Individuelle Kurven des Verhältnissem des von der Fluoreszenzstrahlung
von Überzugselement erzeugten Nettosignals zum Detektorrauschpegel können als Funktion
des Erregungspotentials der Röntgenquelle und der Filterdicke aufgezeichnet werden.
Zusätzlich kann eine Kurvensohar gezeichnet werden für das Verhältnis der Fluoreszenzstrahlung
des Überzugselementes zur Hintergrunds- und rüokgestreuten Strahlung als Funktion
des Erregungspotentials der Röntgenquelle und der Filterdicke. Aus diesen Kurven
ist eine Fläche der optischen Betriebsverhältnisem bestimmbar.
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Die Intensität (Io) der fluoreszenzstrahlung von dem Überzugselement,
die von dem Filterelement übertragen wird, iet eine Funktion der Intensität (Ioo)
der Fluoresonzstrahlung von dem Überzugselement, die an der Filteroberfläche
vorhanden
ist, des Absorptionskoeffizienten (uc) des Filters für diese Pluoressensatrahlung
bei ihrer charakteristischen Wellenlänge und der Filterdicke (tf).
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Diese Beziehung wird durch die Gleichung (A) ausgedrückt:
In ähnlicher Weise ist die Intensität der Hintergrundfluoreszenz und der rückgestreuten
Strahlung (Ib), die vom Filter übertragen wird, eine Funktion der Intensität der
an der Oberfläche des Filters vorhandenen Hintergrundsstrahlung (Iob), des wirksamen
Absorptionskoeffizienten (ub) des Filters für die Hintergrundstrahlung und der Dicke
(tf) des Filters. Der wirksame Abeorptionskoeffizient (ub) ist als Summe der Produkte
des Absorptionskoeffizienten für Jede Wellenlänge, die in der Hintergrundstrahlung
vorhanden ist, mal der relativen Energie, die bei Jeder entsprechenden Wellenlänge
vorhanden ist, definiert. Diese Beziehung wird in Gleichung (B) beschrieben:
Sowohl IoC als auch Iob sind Punktionen der Intensität des Primärstrahls (Ip). Demnach
werden die zwischen IoC und p ob sowie Ip bestehenden Beziehungen (C) angegeben:
(C) Ioc = K1Ip Iob = K2Ip
wobei K1 und K2 Konstanten eind, die
aus dem bestimmten, sowohl in dem Überzug als auch in der UnterLage der Probe vorhandenen
Element bestimmbar sind.
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Das Signal-Hintergmund-Verhältnis des Signale K3 kann gemäß Gleichung
(D) beschrieben werden: (D) K3 = ## Durch Einsetzen entsprechender Variabler der
Gleichungen (A), (B) und (C) in die Gleichung (D) kann das Signalhintergrund-Verhältnis
t3 weiter definiert werden gemäß Gleichung (E)
Wie oben besprochen wurde, muß die übertragene Fluoreszenzstrahlung Ioc auf einen
lAel sein, welcher größer ist als der Rauschpeg.l (§D) des Detektors, um feststellbar
zu sein.
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Die Beziehung zwischen den Pegeln kann als Faktor K4 bezeichnet werden
und wird in Gleichung (F) dargestellt:
Das gewählte Kriterium für das Filter in Bezug auf die Hintergrundstrahlung ist
K3 gemäß Gleichung (E), und das Fiiterkriterium in Bezug auf das Detektorrauschen
ist K4 gemäß Gleichung (F).
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Ih Jeder Anwendung können Werte gewählt werden für E3 und K4. Die
Werte für K1 und K2 können empirisch abgeleitet werden, wobei die Wahl von (a) der
notwendigen Filterdicke tf und (b) der erforderlichen primären Strahlintensität
Ip erlaubt ist. Für ein gegebenes System mit einem festen Maximalwert von Ip erlauben
andererseits diese Gleichungen die Brforschung der Effekte der Filterdicke auf das
Signal-Hintergrund-Verhiltnia K3 und das Signal-Rausch-Verhältnis E4.
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In der Graphik der Fig. 3 wird eine Reihe von Absorptionskurven für
Zink, Nickel und Eisen dargestellt.
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Zusätzlich wird die Kα-Fluoreszenzstrahlung Jedes Elements bei
seiner charakteristischen Wellenlänge dargestellt.
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Zum Zweck der Illustration der Filterarbeitsweise wird die Ka1-Fluoreszenzstrahlung
bei der entsprechenden charakteristischen Wellenlänge für die Elemente Kupfer und
Nickel gezeigt. In Fig. 3 werden die Zink-, Nickel- und Eisen Absorptionskurven
als Kurven 60, 62 bzw. 64 dargestellt.
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Die entsprechenden Fluoreszenzstrahlungslinien für Zink, Wickel und
Eisen werden als Linien 66, 68 bzw. 70 gezeigt.
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Die Kα-Fluoreszenzstrahlungslinien für Kupfer werden als Linie
72 gezeigt.
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Die folgende Tabelle zeigt die Atomzahl, die charakteristische Wellenlänge
der Kα-Fluoreszenzstrahlung und die Absorptionskantenwellenlänge für Jedes
oben beschriebene Element, und diese Daten sind in dem Buch "X-Ray Absorption
and
Emission in Analytical Chaistry" von H.A.Liebhafsky, Verlag John Wiley & Sons
Inc., 19609 veröffentlicht.
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Atom- Kα1- Absorptionskanten-Element zahl wellenlänge Wellenlänge
Eisen (Fe) 26 1,936 1,743 Nickel (Ni) 28 1,658 t,488 Kupfer (Ou) 29 1,541 1,380
Zink (Zn) 30 1,435 1,283 Jede der Absorptionskanten und die Fluoreszenzstrahlungen
werden bei ihren entsprechenden Wellenlängen dargestellt. Der nicht streuende Filterungsschritt
kann dadurch beachrieben werden, daß man annint, daß das Filter eine bestimmte Dicke
t hat und daß das Erregungspotential des Röntgenstrahle dazu ausreicht, das gewählte
Überzugselement zur Fluoreszenz anzuregen, wobei Fluorezzenzstrahlung des Überzugselements
bei der charakteristischen Wellenlänge abgegeben wird. Die Intensität der Fluoreszenzstrahlen
ist proportional der Masse des Überzugselements in der begrenzten Fläche des Überzugs,
die von dem Röntgenstrahl bestrahlt wird. als Beispiel wird angenommen, daß das
Überzugselement, welches sur fluoreszenz erregt werden eofl, Zink ist und daß das
Unterlagenmaterial, auf welches der Überzug aufgebracht ist, das Element Kupfer
ist. Zink hat die Atomzahl 30 und Kupfer die Atomzahl 29, so daß das Überzugselement
um
eine Atomzahl höher liegt als die Unterlage. Als Filter würde vorzugsweise Zink
gewählt werden. Das Filter könnte Jedoch ein Element sein, welches eine Röntgenabsorptionskantenwellenlänge
aufweist, die ein wenig kürzer ist als die charakteristische Wellenlänge des Überzugselementes.
Die Zink-Absorptionskurve 60 zeigt, daß die Zinkabsorptionskantenwellenlänge ein
wenig kürzer ist als die charakteristische Wellenlänge der Fluoreszenzstrahlung,
welche durch die Linie 66 dargestellt wird. Die Kupfer-Fluoreszenzstrahlung, welche
aufgrund des Erregungepotentials des Röntgenstrahls angeregt wurde, würde bei einer
als Linie 72 dargestellten Wellenlänge auftreten. Das Filter würde sowohl die Zink-Ka-Fluoressentstrahlung
als auch die Kupfer-Hintergrundfluoreszenzstrahlung und die rückgestreute Röntgenstrahlung
empfangen. Die rückgestreute Strahlung des Röntgenstrahl~ hat eine Wellenlänge,
die ein wenig kürzer ist als die Absorptionskantenwellenlänge von Zink. Das Zinkfilter
wird selektiv die Pluoressensstrahlung bei der charakteristischen Wellenlänge mit
einem bekannten Absorptionsprozentsatz übertragen, wobei der relative Absorptionsprozentsatz
als Pegel 80 in der Grsphik der Fig. 3 dargestellt ist. Gleichzeitig wird das Filter
selektiv einen Teil der Hintergrundfluoreszenzstrahlung von Kupfer mit einem größeren
Absorptionsprozentsatz und bei einer 'prozentualen Absorption gemäß dem Pegel 82
übertragene Gleichzeitig wird das Filter selektiv die rückgestreut-e
Röntgenstrahlung
mit einer größeren prozentualen Absorption gemäß dem Pegel 84 übertragen. Demnach
wird für ein Filter bestimmter Dicke und für ein gegebenes Erregungspotential, welches
in diesem Beispiel ein zum erregen des Zinke zur Fluoreszenz ausreichendes Erregungspotential
war, ein optimales Verhältnis herg,stellt zwischen der übertragenen Fluoreszenzstrahlung
und der übertragenen Rintergrunds- und rückgestreuten Strahlung bei dem Erregungspotential
des Röntgenstrahls für die Filterdicke und die Absorptionskoeffizienten des Filters,
so daß die übertragene Flureszenz-etz Strahlung sich auf eine vorbestimmten höheren
Pegel beiindet als die Kombination aus übertragener Hintergrunds- und rückgestreuter
Strahlung.
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Die Gleichung (E) zeigt, daß das Signal-Hintergrunde-Verhältnis abhängig
ist ton der Differenz der Absorptionskoeffizienten ( /ub und uc) für das gewählte
Filtern der Fluoreszenzstrahlung und deer Hintergrunds- sowie rückgestreuten Strahlung.
Aus der Graphik der Fig. 3 geht hervor, daß die Differenz zwischen den Absorptionskoeffizienten
( jub und uc) für das gewählte Filter immer positiv ist für Strahlung von Elementen
mit niedrigerer Atomzahl in dem Überzug und der Unterlage relativ zur Strahlung
vom gewählten Überzugs element. Weiterhin steigt die Differenz mit ansteigender
Differenz der Atomzahlen an. Deshalb kann das hierin beschriebene Filter immer in
Bezug auf sowohl das Filterelementmaterial als auch die Filterdicke so gewählt
werden,
daß das Filter die Hintergrund- und rUckgestreute Strahlung vom Überzug und von
der Unterlage mit einem vorbestimmt niedrigeren Pegel überträgt als die Fluoreszenzstrahlung
vom gewählten Uberzugaelement, wodurch die Bestimmung des Verhältnisses der Übertragungen
oder Absorption durch dis das gewählte Filterelement für die verschiedenen Strahlungen
ermöglicht wird.
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Wenn demnach die Differenz in der Atomzahl zwischen dem Überzugs-
und dem Unterlagenslement steigt, wird das Filter wirksamer bei der Förderung des
Verhältnisses von Fluoreszenzstrahlung zu Hintergrunde- und rückgestreuter Strahlung.
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Die Wahl eines Filters aufgrund der obigen Kriterien ist nützlich
bei der Überwachung der Masse Je Flächeneinheit eines dünnen Überzugs auf Papier.
In einer Anwendung wird eine Silber enthaltende Verbindung in Dispersion ia einer
Matrix organischer Bindemittel, die alle eine wesentlich niedrigere Atomzahl als
Silber aufweisen, auf eine Papierunterlage aufgebracht. Zusätzlich zu Silber wird
ein Titandio:yd-Weißmacher zur Verbindung hinzugefügt. Ein Spurenelement, wie Zinkoxyd,
wird der Verbindung im Verhältnis zur Silbermenge hinzugefügt, z.B. ein Verhältnis
von 10% Zinkoxyd zu Silber, so daß eine Änderung der Masse Je Flächeneinheit des
Zinkoxyds einer änderung der Masse Je Flächeneinheit des Silbers proportional ist.
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Das Zink mit der Atomzahl 30 wird durch einen angemessenen
Röntgenstrahl
zur Fluoreszenz gebracht, welcher eine Erregungswellenlänge hat, die ein w wenig
kürzer als die charakteristische Wellenlänge von Zink ist. Der Röntgenstrahl erregt
auch das Titan mit der Atomzahl 22 zur Fluoreszenz, das Kα1 von Titan tritt
bei einer Wellenlänge von 2,748 Åauf und wird als Linie 90 in Fig. 3 dargestellt.
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Durch Wahl eines Zinkfilters entsprechend der Absorptionskurve 62
in Fig. 3, wird der Absorptionskoeffizient für die Zink-Fluoreszenzstrahlung als
Pagel 80 dargestellt, während der Absorptionskoeffizient füdie Titan-Fluoreszenzstrahlung
als Pegel 92 dargestellt wird. Demnach überträgt das Zinkfilter die Zink-Fluoreszenzstrahlung
mit einem hohen Signal-Hintergrund-Verhältnis gemäß Gleichung (E).
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Im obigen Beispiel wird ein Selbstfilter, d.h. ein Zinkfilter zur
Übertragung von zink-Fluoreszenzstrahlung beschrieben. Bei gewissen Anwendungen
kann es jedoch vorteilhait sein ein Filter su wählen, welches um eine, zwei oder
wenige Atomzahlen höher oder niedriger liegt, vorausgesetzt, daß das Filter eine
Absorptionskantanwellenlänge hat, die ein wenig kürzer ist als die charakteristische
Wellenlänge des Überzugselementes, insbesondere die Kat die zu übertragen ist.
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Bei gewissen Anwendungen ist die Wahl eines Filters begrenzt durch
praktische erwägungen auf ein Element mit einer Atomzahl, die um eine, zwei oder
wenige Atcmzahlen
niedriger liegt als das Selbstfilter, wodurch
die Übertragung der charakteristischen Kα1-Strahlung bei einem annehmbaren
Signal-Hintergrund-Yerhältnis auf Kosten der Absorption der charakteristischen Kß1-
und Kß2-Strahlung ermöglicht wird. Nach einer anderen Möglichkeit kann das Filter
so gewählt werden, daß es aus einem Element besteht, welches eine Atomzahl aufweist,
die um eine, zwei oder wenige Atomzahlen höher liegt, wenn die physikalischchemischen
Eigenschaften oder die Kosten die Verwendung des gewünschten Elements als Selbstfilter
verbieten.
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Zusammenfassend ist zu sagen, daß das einzige passive Filter aus
einem Element gewählt wird, welches eine bestimmte Dicke und eine Röntgenabsorptionskantenwellenlänge
aufweist, die ein wenig kürzer ist als mindestens eine der charakteristischen Wellenlängen
des Uberzugselexents, die bei Pluoressenz ausgesandt werden.
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Die vorbestimmte Dicke des Filters ist so gewählt, daß das Filter
selektiv die Fluoreszenzstrahlung des Überzugselementes bei seiner charakteristischen
Wellenlänge mit einem bekannten Prozentsatz an Absorption überträgt und die Hintergrundsfliioreszenzstrahlwig
von sllen anderen Elementen im Überzugematerial und der Unterlage mit einem größeren
Prozentsatz an Absorption überträgt, ul ein praktisch optimales Verhältnis zwischen
der übertragenen Fluoreszenzstrahlung und der übertragenen Hintergrunds und
rückgestreuten
Strahlung bei dem Erregungspotential des Röntgenstrahls für die Filterdicke und
die Absorptionskoeffizienten des Filters herzustellen, so daß sich die übertragene
Fluoreszenzstrahlung auf einem vorbestimmten höheren Pegel befindet als die Kombination
aus übertragener Hintergrunds- und rückgestreuter Strahlung. nachdem jetzt die vorliegende
Erfindung beschrieben wurde ist selbstverständlich, daß zahlreiche Abänderungen
für den Fachmann möglich sind, und alle solche Änderungen sollen im Bereich der
folgenden Ansprüche liegen.
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Patentansprüche t