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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Analyse einer Probe aus einem Mehrstoffmaterial durch
Röntgenfluoreszenzanalyse,
wobei ein Strahlenbündel
aus mehrfarbigen primären
Röntgenstrahlen
in einer Röntgenröhre durch
Umwandlung von elektrischem Strom in Röntgenstrahlen hergestellt wird
und das Strahlenbündel
auf die Probe gelenkt wird, in der die primären Röntgenstrahlen in für ein chemisches
Element spezifische fluoreszierende Röntgenstrahlen umgewandelt werden,
und wobei die elementspezifischen fluoreszierenden Röntgenstrahlen
selektiv unter Verwendung von Ermittlungsmitteln ermittelt werden
und eine Intensität
der fluoreszierenden Röntgenstrahlen
bestimmt wird.
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In dieser Anmeldung ist ein Mehrstoffmaterial
ein Material, das eine Mischung aus verschiedenen chemischen Elementen
aufweist, wie z. B. eine Legierung, für den Fall, dass das Material
ein Metall ist.
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Ein Verfahren wie oben beschrieben
ist aus
US 2,711,480 bekannt.
In dem bekannten Verfahren wird eine Probe aus Metallblech, das
eine Unterlagenschicht bzw. eine Unterlage und eine dünne Schicht,
die die Unterlage abdeckt, aufweist unter Verwendung einer Röntgenfluoreszenzanalyse
analysiert. Während der
Bestrahlung des Metallblechs mit primären Röntgenstrahlen, wird ein Teil
der primären
Röntgenstrahlen
im Metallblech absorbiert und fluoreszierende Röntgenstrahlen werden von einem
chemischen Element, das sich im Metallblech befindet, zurückgestrahlt.
Einige dieser fluoreszierenden Röntgenstrahlen
werden selektiv ermittelt. Um die Dicke der dünnen Schicht zu ermitteln,
werden von einem chemischen Element in der Unterlage zurückgestrahlte
fluoreszierende Röntgenstrahlen
selektiv ermittelt, nachdem sie durch die dünne Schicht passiert sind.
Die fluoreszierenden Röntgenstrahlen
werden teilweise in der dünnen
Schicht absorbiert. Um die Dicke der dünnen Schicht zu bestimmen,
wird die gemessene Intensität
mit einer Referenzintensität
verglichen, die unter Verwendung einer Kontrollprobe für das Metallblech
gemessen wird, auf der die dünne
Schicht nicht vorhanden ist.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
ein Verfahren zur Röntgenfluoreszenzanalyse
bereitzustellen, um wenigstens die relative Häufigkeit (relative Abundanz)
des chemischen Elements in einer Probe aus einem Mehrstoffmaterial
zu bestimmen. In dieser Patentanmeldung wird der Begriff relative
Häufigkeit
(relative Abundanz) für
die Häufigkeit
eines chemischen Elements in einem Mehrstoffmaterial ausgedrückt in Gewichtsprozent
verwendet. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren zur Röntgenfluoreszenzanalyse
bereit zu stellen, das auf einfache Art und Weise mit dem bekannten
Verfahren zur Bestimmung der Dicke einer dünnen Schicht, die die Unterlage
bedeckt, kombiniert werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine oder mehrere dieser Aufgaben durch ein Verfahren gemäß dem ersten
Absatz dieser Beschreibung gelöst,
bei dem, nachdem der elektrische Strom auf die Röntgenröhre gegeben ist und die Intensität der ele mentspezifischen
fluoreszierenden Röntgenstrahlen
bestimmt ist, eine zweite Intensität der elementspezifischen,
fluoreszierenden Röntgenstrahlen
bestimmt wird, indem ein zweites Strahlenbündel von primären Röntgenstrahlen
unter Verwendung eines elektrischen Stroms mit einem anderen Wert
als der vorherige elektrische Strom generiert wird, und es wird
dann wenigstens die relative Häufigkeit
des in dem Mehrstoffmaterial vorhandenen chemischen Elements unter
Verwendung der Werte beider Intensitäten bestimmt.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis,
dass das Verhältnis
der Zählraten
im Falle von zwei verschiedenen Röhrenströmen, während deren Anwendung die Röntgenstrahlenfluoreszenz
ermittelt wird, mit der relativen Häufigkeit (d. h. in Gewichtsprozent)
des chemischen Elements im Mehrstoffmaterial variiert. Das Verhältnis der
bestimmten Intensitäten
ist deshalb ein Maß der
relativen Häufigkeit
des chemischen Elements in dem Mehrstoffmaterial. Da dieses Analyseverfahren
eine relative Messung von Intensitäten aufweist, kann die relative
Häufigkeit
des chemischen Elements auch dann noch bestimmt werden, wenn andere
Faktoren den absoluten Wert der Intensitäten beeinflussen, wie z. B.
das Vorhandensein einer absorbierenden Materialschicht zwischen
dem Blech und der Ermittlungsvorrichtung.
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Es wird davon ausgegangen, dass das
Verhältnis
der Intensitäten
von ermittelter Röntgenstrahlenfluoreszenz
im Falle von zwei verschiedenen Röhrenströmen variiert mit der relativen
Häufigkeit
des chemischen Elements in dem Mehrstoffmaterial als Folge einer Änderung
in den Absorbtionseigenschaften der ursprünglichen mehrfarbigen Röntgenstrahlen
oder der zurückgestrahlten
fluoreszierenden Röntgenstrahlen
oder beides. Die relative Häufigkeit
des chemischen Elements kann leicht aus der Messung der Intensitäten ermittelt werden
durch Vergleich mit einer Kalibrierung, die unter Verwendung von
Kontrollproben ermittelt wird, bei denen die relative Häufigkeit
des chemischen Elements durch ein unabhängiges Verfahren, wie z. B.
eine direkte chemischen Analyse ermittelt wurde.
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Das zweite Strahlenbündel von
Primärröntgenstrahlen
kann unter Verwendung einer zweiten Röntgenröhre erzeugt werden. Es wird
jedoch bevorzugt, dass das Zweite Strahlenbündel von primären Röntgenstrahlen
mit der gleichen Röntgenröhre generiert
wird wie das vorherige Strahlenbündel
von Primärröntgenstrahlen.
Das ist eine preiswerte Ausführungsform
des Verfahrens. Die eine Röntgenröhre kann
fest angebracht sein. Das ist relativ einfach im Vergleich zu Instrumenten,
bei denen der Winkel des Röntgenstrahlenbündels im
Vergleich zur Probe variiert werden kann, und es ist außerdem nicht
nötig,
den Einfluss von verschiedenen Winkeln zu berücksichtigen.
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Das erfindungsgemäße Analyseverfahren kann auf
einfache Art und Weise mit dem bekannten Verfahren zum Bestimmen
der Dicke einer ersten Schicht auf einer zweiten Materialschicht
verwendet werden. In diesem Fall wird vorzugsweise die ermittelte
relative Häufigkeit
des chemischen Elements verwendet, um eine Röntgenstrahlenfluoreszenz-Referenzintensität zu berechnen,
mit der wenigstens eine der bestimmten Intensitäten verglichen wird, um die
Dicke der ersten Schicht zu bestimmen. Damit wird erreicht, dass
die Dicke der ersten Schicht durch Röntgenfluoreszenzanalyse ermittelt
wird, ohne dass es nötig
ist, die Referenzintensität der
Kontrollprobe ohne die erste Schicht separat zu messen. Diese Kalbrierung
enthält
die Information, die nötig
ist, um für
jeden elektrischen Strom in der Röntgenröhre die Röntgenstrahlenfluoreszenz-Referenzintensität auszurechnen,
wenn die relative Häufigkeit
des in der Probe vorhandenen chemischen Elements bestimmt ist.
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Für
den Fall, dass die erste Schicht eine oder mehrere Unterschichten
aufweist, wird bevorzugt, dass für
jede Schicht oder Unterschicht, in der die Konzentration des chemischen
Elements bestimmt werden soll, eine zusätzliche Intensität von selektiv
ermittelten fluoreszierenden Röntgenstrahlen
bestimmt wird, wobei der elektrische Strom jedes Mal bei einem anderen
Wert angelegt wird. Von diesen so bestimmten Intensitäten ist es
möglich,
jede relative Häufigkeit
des chemischen Elements in jeder gewünschten Unterschicht herzuleiten.
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Vorzugsweise wird eine Metalllegierung
als Mehrschichtmaterial ausgewählt,
wobei die Metalllegierung vorzugsweise eine Aluminiumlegierung ist,
wobei die Aluminiumlegierung vorzugsweise ein chemisches Legierungselement
aus der Gruppe von Cu, Mn, Zn, Fe enthält. Hiermit kann die relative
Häufigkeit
eines Legierungselements, das oft in einer Aluminiumlegierung verwendet
wird, mit einem schnellen und preiswerten Verfahren ermittelt werden,
das in einer Metallblechproduktion verwendet werden kann. Cu wird
häufig
als Legierungselement in Aluminiumprodukten, wie z. B. Aluminiumblech,
verwendet. Cu ist ein schnell diffundierendes Element, dass sich
in verschiedenen Produktionsstufen im Produkt neu verteilen kann.
Deshalb ist ein Verfahren für
eine zerstörungsfreie
Analyse einer Cu-haltigen Probe sehr wichtig. Der Vorteil der Verwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Analyse von Cu in Aluminiumblech ist, dass Cu auch ein geeignetes
Element für
die Emission von Röntgenstrahlenfluoreszenz
ist. Innerhalb dieser Anmeldung wird davon ausgegangen, dass Aluminiumblech
Aluminiumlegierungsblech umfasst.
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Die Erfindung wird nun unter Verwendung
eines Beispiels für
das erfindungsgemäße Verfahren
zum Messen der Häufigkeit
eines Legierungselements in einer Aluminiumlegierung mit Bezug auf
die Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Beispiel für
eine experimentell ermittelte Sensitivitätskurve für Cu in Aluminium;
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2 ein
Beispiel für
das Verhältnis
von zwei Sensitivitätskurven
als eine Funktion des Gewichtsprozentgehalts von Cu in Aluminium;
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3 ein
Beispiel für
eine experimentell ermittelte Sensitivitätskurve für Mn in Aluminium;
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4 eine
schematische Querschnittsansicht einer Messanordnung gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung;
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5 eine
experimentelle Beziehung zwischen dem Intensitätsfaktor von Cu-Ka fluoreszierenden Röntgenstrahlen
und der Dicke einer ersten Schicht in Aluminiumblech;
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6 eine
experimentelle Beziehung zwischen dem Intensitätsfaktor von Mn-Kα fluoreszierenden Röntgenstrahlen
und der Dicke einer ersten Schicht in Aluminiumblech; Zunächst wird
eine Kalibrierung durchgerührt,
um das erfindungsgemäße Verfahren
auszuführen.
Für jeden
Materialtyp und jede Experimentanordnung einschließlich der
Röntgenröhre und
der Ermittlungseffizienz ist die Kalibrierung einmalig.
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1 zeigt
eine experimentell bestimmte Sensitivitätskurve für Cu in Aluminium als Funktion
von %Cu. Die Sensitivitätskurve
regiert die Beziehung zwischen der Ermittlungssensitivität von fluoreszierenden Röntgenstrahlen
und dem Gewichtsan teil des fraglichen fluoreszierenden Elements
oder der Zählrate
per Gewichtsprozent des Elements (Zählungen/s/%). Die Sensitivitätskurve
wurde unter Verwendung von Aluminiumkalbrierproben mit jeweils einem
bekannten Gewichtsanteil von Cu bestimmt. Ein Primärröntgenstrahlenbündel wurde
in einer Röntgenröhre, die
mit einem bestimmten Röhrenstrom
betrieben wurde erzeugt, und Cu-spezifische Kα-Röntgenstrahlen
wurden ermittelt und ihre Zählrate
wurde bestimmt. Wie aus 1 ersichtlich
ist, ist die Zählrate
pro Prozentsatz Cu in einer Aluminiumlegierung ungefähr konstant,
wenn die Konzentration von Cu ungefähr 0,2% übersteigt und noch konstanter
wenn die Cu-Konzentration 0,8% übersteigt.
Es beginnt jedoch ein nicht-linearer Bereich, wenn die Cu-Konzentration
geringer als ungefähr
0,8% ist. Die Zählrate
pro %Cu steigt unter 0,2% stark an. Die Linie in 1 entspricht folgender Gleichung: Sensitivität
= a + b/%,wobei a und b passende Parameter sind, und % die
Konzentration des fluoreszierenden Elements bezeichnet.
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Eine Sensitivitätskurve wie in 1 gezeigt kann direkt verwendet werden,
um den Gehalt von Cu in Aluminium zu bestimmen, um eine gemessene
Zählrate
von Cu-Kα Röntgenstrahlenfluoreszenz
in einen Prozentgehalt von Cu umzuwandeln. In vielen Fällen gibt
es jedoch eine unbekannte Menge von Röntgenstrahlenfluoreszenz-absorbierendem
Material, zwischen dem Material, von dem die elementspezifische
Röntgenstrahlenfluoreszenz
kommt, und dem Mittel zum Ermitteln der elementspezifischen Röntgenstrahlenfluoreszenz.
Da es in diesem Fall eine zusätzliche
Unbekannte gibt, ist eine weitere unabhängige Messung nötig.
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Eine solche unabhängige Messung wird durch Wiederholen
der obigen Vorgehensweise zur Verfügung gestellt, wobei die Röntgenröhre mit
einem anderen Röhrenstrom
betrieben wird. Es wurde herausgefunden, dass das Verhältnis der
Sensitivitäten,
die für
zwei verschiedene Röhrenströme ermittelt
wurde, mit dem Gewichtsprozentanteil von Cu in der Aluminiumschicht
variiert. Ein Beispiel dafür
wird in 2 dargestellt,
in der das Verhältnis
einer angepassten Sensitivitätskurve
(gemäß der Gleichung
Sensitivität
= a + b/%) zu Daten, die während
des Betriebs der Röntgenröhre bei
4,5 mA gemessen wurden, und einer angepassten Sensitivitätskurve
zu Daten, die während
des Betriebs der Röntgenröhre bei
3,5 mA gemessen wurden, dargestellt wird.
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Das in 2 dargestellte
Verhältnis
variiert mit der Häufigkeit
des in der Aluminiumlegierung vorhandenen Cu. Deshalb stellt eine Änderung
des Stroms, mit dem die Röntgenröhre betrieben
wird, die unabhängigen
Messungen bereit, die benötigt
werden, um die Menge des im Material vorhandenen fluoreszierenden Elements
zu bestimmen.
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Das oben beschriebene Verfahren zur
Analyse einer Probe kann auf eine große Vielzahl von verschiedenen
Materialien und Materialsystemen angewendet werden. Das Verfahren
ist jedoch bei der Metallblechherstellung besonders vorteilhaft.
Im Falle von Aluminiumproben sind auch Mn, Fe und Zn gute chemische
Elemente für
das oben beschriebenen Verfahren. 3 zeigt
eine für
Mn gewonnene Sensitivitätskurve
in Aluminium.
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Bei der Metallblechherstellung ist
quantitative Information über
den Gehalt der Legierungselemente in einem Metallblech, insbesondere
in einem Aluminiumlegierungsprodukt typischerweise nur in einer
Quantometeranalyse von geschmolzenem Me tall, insbesondere geschmolzener
Aluminiumlegierung, während
des Gießprozesses
erhältlich.
Die chemische Zusammensetzung, die man zu diesem Zeitpunkt erhält, kann
möglicherweise
für das
endgültige
Metallblechprodukt nicht gültig
sein, z. B. als Folge von Interdiffusion der Legierungselemente
zwischen verschiedenen Legierungsschichten, beispielsweise während dem
Heißwalzen
oder Glühen.
Außerdem
ist diese Analyse arbeitsintensiv und zieht inakzeptabel lange Durchlaufzeiten
von mindestens einigen Stunden nach sich.
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Derzeit ist Lötblech ein wichtiges Produkt,
das Aluminiumblechmaterial aufweist. Lötblech wird typischerweise
in Autoheizungen, Klimaanlagenverdampfern, Wärmetauschern u. ä. verwendet.
Lötblech
ist ein Mehrstoffmaterial, das einen Aluminiumlegierungskern aufweist,
mit einer ersten Schicht auf einer oder beiden Seiten, die eine
oder mehrere Unterschichten aus verschiedenen Legierungen, meistens
unterschiedlichen Aluminiumlegierungen aufweist. Der Zweck der Außenkaschierschicht
ist es, der Außenschicht
des Blechs bestimmte Eigenschaften zu verleihen, wie z. B. Lötbarkeit,
Korrosionsbeständigkeit,
Erosionsbeständigkeit,
Verschleißbeständigkeit,
während
die Kernlegierung andere nötige
Eigenschaften wie Festigkeit verleiht.
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Lötblechmehrstoffmaterial
kann durch Heißwalzen
hergestellt werden, bei dem eine Bramme aus Kaschiermaterial zu
einem Ingot des Kernmaterials plaziert wird. Der Heißwalzprozess
wird auf dieser Kombination ausgeführt. Im Endprodukt sind der
Kern und die Außenschicht
stark miteinander verbunden, aufgrund der Tatsache, dass sie primär aus dem
selben Metall mit unterschiedlichem Legierungselementegehalt sind.
Typischerweise bestehen sowohl der Kern als auch die Außenschicht
aus mehr als 80% Aluminium. Der Prozess ist äußerst schwierig und erfordert
genaues Einhalten der Berarbeitungsvorgaben, da die Anforde rungen
an das Endblech meist streng sind. Unter die Anforderungen, die
erfüllt
werden müssen,
fällt auch
die Außenschichtdicke
und die Gesamtdicke des Lötblechs.
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Im Stand der Technik gibt es im Allgemeinen
zwei Verfahren, die XRF-Strahlung verwenden, um die Dicke von Blechmaterial
oder die Dicke einer ersten Materialschicht auf einer zweiten Schicht
zu messen: (a) ein Verfahren, das in
US
2,926,257 offenbart wird, bei dem die Fluoreszenzintensität der zu
analysierenden Schicht selbst ungefähr proportional zur Dicke dieser
Schicht ist und (b) ein Verfahren, das in
US 2,711,480 offenbart wird, bei dem
die Dämpfung
der Fluoreszenz der Schicht oder Unterlage unter der untersuchten Schicht
in der untersuchten Schicht oder dem untersuchten Blech ein Maß für die Dicke
ist. Das Verfahren gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann beide verwenden, abhängig von der mathematischen
Methode mit der die gemessen Intensitäten verarbeitet und ausgewertet
werden.
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Es wird nun auf 4 Bezug genommen, die einen schematischen
Querschnitt der Messanordnung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt. 4 zeigt
eine externe Unterlage (1) für die Proben, Mittel (2)
zum Generieren und Lenken eines Strahlenbündels von primären Röntgenstrahlen
(3) auf eine Probe, die in diesem Fall ein Metallblech
(4) ist, und Mittel (51, 52) zum Ermitteln
und Bestimmen einer Intensität
von elementspezifischen fluoreszierenden Röntgenstrahlen (61, 62),
im Stand der Technik auch als XRF oder röntgenstrahleninduzierte Fluoreszenz
bekannt. Das Metallblech ist im Querschnitt darstellt und seine
Dicke ist in der Zeichnung stark vergrößert, um einige der Schichten
im Blech sichtbar zu machen.
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Das Mittel zum Lenken des Strahlenbündels von
primären
Röntgenstrahlen
kann eine bekannte Röntgenstrahlen-Quelle
aufweisen. Es wurde beispielsweise herausgefunden, dass eine 30
kV-Röntgenröhre, die ein
Wolframtarget hat, eine exzellente Quelle für polychrome Röntgenstrahlen
ist, die geeignet sind, fluoreszierende Röntgenstrahlen in den meisten
Legierungselementen von Aluminium anzuregen. Die Ermittlungselemente
werden so angeordnet, dass sie selektiv die charakteristische Fluoreszenz
von vorselektierten Elementen erhalten. Elementspezifische Fluoreszenz
von elementaren Kα Leveln ist für diesen
Zweck normalerweise recht geeignet.
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Die Mittel zum Ermitteln fluoreszierender
Röntgenstrahlen
und zum Messen ihrer Intensität
können aus
den im Stand der Technik bekannten ausgewählt werden. Sie können einen
Kollimator, ein Dispersionskristall (wie z. B. LiF) und eine proportionale
Zählvorrichtung
aufweisen. Ein Ermittlungskanal, der eine geschlossene proportionale
Zählröhre enthält, wird
als sehr geeignet erachtet. Die Mittel zum Lenken und Ermitteln
von Röntgenstrahlen
könnten
in einer (verschiebbare) integrierten Einheit (11), die
mit einem Röntgenstrahlenfenster
(8) ausgestattet ist, enthalten sein.
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Die Dämpfung von Röntgenstrahlen
wird durch veröffentlichte
Dämpfungs-
und Absorptionskoeffizienten für
spezifische Materialien und Röntgenstrahlenwellenlängen quantifiziert.
Im Allgemeinen wird die Dämpfung
von Röntgenstrahlen,
die sich über
eine bestimmte Distanz ausbreiten, durch das Lambert-Beersche Gesetz
beschrieben. Um einen richtigen Wert für die Schichtendicke aus einem
Intensitätsverhältnis von
XRF Strahlung vor und nach der Ausbreitung durch die Schicht zu
ermitteln, sind eine genaue chemische Analyse des Metallblechs und/oder
kor rekte Werte für
den Absorptionskoeffizienten und die Dichte des Metallblechs nötig.
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Für
die weiteren Erläuterungen
wird davon ausgegangen, dass die Vorrichtung Verfahren (b) anwendet.
Es wird nun auf 4 Bezug
genommen. Die Dicke der ersten Schicht oder Außenschicht(41), die
sich zwischen der zweiten Schicht oder der Kern (42) und
einer Röntgenröhre (2)
und dem Ermittlungsmittel (52) befindet, wird so von der
Dämpfung
der fluoreszierenden Röntgenstrahlung
(b2) von einem in der zweiten Schicht (42) enthaltenen
Element in der Außenschicht 41 hergeleitet.
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Labormessungen wurden durchgeführt, um
den Teil der Röntgenstrahlenfluoreszenz
festzulegen, der in der ersten Schicht einer Aluminiumlegierung über eine
bestimmte Dicke absorbiert wird, d. h. das Intensitätsverhältnis IF.
Cu-Kα Fluoreszenz-Messungen
wurden an einer Aluminiumlötblechserie
ausgeführt,
wobei eine zweiten Schicht (42) eine Cu-haltige Legierung
aufweist, und das Intensitätsverhältnis von
Mn-Kα wurde als
Funktion der Dicke der ersten Schicht 41 bestimmt. Die
Dicke der ersten Schicht wurde unabhängig unter Verwendung eines
metallographischen/optischen Verfahrens wie oben beschrieben gemessen
und reichte von 0,038 bis 0,13 mm. Dann wurde das Intensitätsverhältnis gemessen.
Für jeden
Test wurde die Dicke der ersten Schicht in den in 5 dargestellten Graph gegen das Intensitätsverhältnis eingetragen.
Wie ersichtlich ist, variierte das Intensitätsverhältnis für den untersuchten Dickebereich
von 2,5 bis 27 in einer stetig monotonen Funktion. Wie ersichtlich
entspricht eine Dicke 0,040 mm einem IF von 3,8, während eine
Dicke von 0,130 mm einem IF von 27 entspricht.
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6 zeigt
ein Beispiel für
Kalibrierdaten für
eine erste Schicht-(41)-Dicke, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
für eine
Serie von Aluminiumlötblechen
gemessen wurde. In diesem Fall wurde ein Lötblech mit einem Kern (42),
der eine Mn-enthaltende Legierung umfasst, verwendet, und das Intensitätsverhältnis von
Mn-Kα-Fluoreszenz
wurde als Funktion der Dicke der ersten Schicht (41) bestimmt.
Eine Dicke von 0,022 mm entspricht einem IF von 4,0, während 0.057
mm einem IF von 175 entsprechen, dazwischen wurde ein monoton variierendes
Verhalten beobachtet.
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Die Linien von 5 und 6 entsprechen
am besten folgender Gleichung: Dicke = a·exp (b/IF)
,wobei a und b experimentell ermittelte Parameter sind. Diese
Formel beschreibt die gemessen Daten zufriedenstellend, wie aus 5 und 6 ersichtlich ist. Es wird aber dennoch
nicht ausgeschlossen, dass andere Formeln nützlich sein können, um
die Beziehung zwischen Dicke und IF zu beschreiben. Es hat sich
beispielsweise herausgestellt, dass in vielen Fällen eine Gleichung in der
Form von Dicke = a + b·ln(IF)nützlich ist,
um die Kalibrierdaten zu parameterisieren.
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Für
den Fall, dass die erste Schicht keines der gewählten fluoreszierenden Elemente
enthält,
gibt es zwei unbekannte Parameter: die relative Häufigkeit
des fluoreszierenden Elements in der zweiten Schicht und die Dicke
der ersten Schicht. Die gemessene Intensität von fluoreszierenden Röntgenstrahlen
hängt von
der Menge der Fluoreszenz ab, die von der zweiten Schicht emittiert
wird, die offensichtlich von der relativen Häufigkeit des chemischen Elements
sowie vom Intensitätsfaktor
abhängt.
Diese Parameter können
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
aus zwei Messungen bei verschiedenen Röhrenströmen ermittelt werden, da dies unabhängige Messungen
sind, die zu zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten führen.
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Für
den Fall, dass das ausgewählte
elementspezifische fluoreszierende Element in mehr als einer Schicht
enthalten ist, würde
die Berechnung zur Analyse der gemessenen Fluoreszenzintensität drei unabhängige Gleichungen
aufweisen, die jeweils drei Unbekannte haben, d. h. die Dicke der
ersten Schicht, die Menge des fluoreszierenden Elements in der ersten
und in der zweiten Schicht. Das Verfahren würde in diesem Fall das Anlegen
von drei unterschiedlichen Stromwerten an die Röntgenröhre umfassen, 3,0, 3,5 und
4,0 mA, um drei unabhängige
Messungen der Fluoreszenzintensität eines fluoreszierenden Elements
in der Mehrstoffprobe zu erhalten. Es ist offensichtlich, dass andere
Werte verwendet werden können.
Mit den Ergebnissen dieser Messungen können die drei unabhängigen Gleichungen
gelöst
werden, um die Werte für
die Dicke der ersten Schicht und die Mengen des fluoreszierenden
Elements in der ersten und der zweiten Schicht zu erhalten. Aus jeder
unabhängigen
Messung kann ein Wert für
einen unbekannten Parameter ermittelt werden, z. B. die Dicke einer
Schicht oder die Häufigkeit
des fluoreszierenden Elements.
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Als Beispiel wurde eine Serie von
Proben wie in 4 dargestellt
im Labor getestet. Die zweite Schicht (42) jeder Probe
war eine Cu-enthaltende Aluminiumlegierung, und das Aluminium der
ersten Schicht enthielt ebenfalls eine geringe Menge Cu. Es ist
offensichtlich, dass das Cu in beiden Schichten Röntgenstrahlenfluoreszenz
emittiert. Es wird auf die nachfolgende Tabelle Bezug genommen.
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In der Tabelle bezeichnet Spalte
A eine Probenidentifikationsnummer; Spalte B die relative Häufigkeit von
Cu (in Gewichts%) in der zweiten Aluminiumschicht, unter Verwendung
einer Quantometeranalyse des geschmolzenen Materials während des
Gießprozesses
ermittelt; Spalte C bezeichnet die gemessenen Zählrate (Zählungen/s), wenn die Röntgenröhre bei
3,5 mA betrieben wird; Spalte D bezeichnet die gemessenen Zählrate (Zählungen/s),
wenn die Röntgenröhre bei
4,5 mA betrieben wird; Spalte E bezeichnet die Dicke (mm) der ersten
Schicht, mit optischer Querschnittsmikroskopie ermittelt, Spalte
F bezeichnet die Dicke (mm) der ersten Schicht, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ermittelt; Spalte G bezeichnet die relative Häufigkeit von Cu (Gewichts-%)
in der ersten Schicht, unter Verwendung einer Quantometeranalyse
des geschmolzenen Materials während
des Gießprozesses
ermittelt; und Spalte H bezeichnet die relative Häufigkeit
von Cu (Gewichts-%)in der ersten Aluminiumschicht, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ermittelt.
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In diesem Beispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren
verwendet, um darzustellen, wie die Dicke der ersten Schicht und
die relative Häufigkeit
des fluoreszierenden Elements in der ersten Schicht bestimmt werden.
Die Ergebnisse werden mit der relativen Häufigkeit von Cu in der ersten
Schicht verglichen, die unter Verwendung einer Quantometeranalyse
des geschmolzenen Materials während
des Gießprozesses
ermittelt wurde, und mit der Dicke der ersten Schicht, die durch
optische Querschnittsmikroskopie ermittelt wurde.
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Die Intensität der Röntgenstrahlenfluoreszenz der
Probe wurde im Labor unter Verwendung einer Versuchsanordnung, wie
in 4 dargestellt, ermittelt,
und Spalte C zeigt die entsprechende Zählrate, wenn die Röntgenröhre bei
3,5 mA betrieben wird, und Spalte D zeigt die entsprechende Zählrate,
wenn die Röntgenröhre bei
4,5 mA betrieben wird.
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Aus den Zählratenergebnissen und den
Kalibrierdaten erhält
man zwei unabhängige
Gleichung mit zwei Unbekannten für
jede Probe (die relative Häufigkeit
von Cu in der zweiten Schicht wurde als bekannt angenommen). Nach
dem Lösen
der Gleichungen erhält
man die in Spalten F und H dargestellten Parameter. Wie er sichtlich
ist, wird die Dicke bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahren
mit einer Genauigkeit von 0,005 mm ermittelt.
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Die relative Häufigkeit von Cu in der ersten
Schicht des gewalzten Metallblechs weicht ziemlich stark von der
Quantometermessung des geschmolzenen Metalls ab: in einigen Fällen bis
zum Faktor 2. Diese relativ starke Abweichung ist möglich, da
die Menge an Cu in der Schicht im Vergleich zur Cu-Menge in der
zweiten Schicht eher gering ist, möglicherweise kombiniert mit
der Tatsache, dass Cu sich während
des Walzprozesses zwischen den Schichten umverteilt hat. Dies zeigt
die Wichtigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur
Bestimmung der Zusammensetzung von mehreren Unterschichten verwendet
werden. Für
diesen Fall wählt
der Bediener ein geeignetes fluoreszierendes Element für jede Unterschicht
in der ersten Schicht, abhängig
beispielsweise von der relativen Häufigkeit der fluoreszierenden
Elemente in jeder Unterschicht. Nach dem Bestimmen der Fluoreszenzintensität aus jeder
Unterschicht kann die Dicke der Unterschicht über dieser Schicht unter Verwendung
der Kalibrierkurven ermittelt werden. Verschiedene Ströme können in
der Röntgenröhre angelegt
werden, um eine ausreichende Anzahl von Gleichungen für die Messung
der Zusammensetzung und der Dicke jeder Schicht zu erhalten.
