XRF-Messprinzip von Helmut Fischer – so funktioniert´s:
Schnell, einfach und zerstörungsfrei – das zeichnet die RFA mit XRF-Messtechnik von Helmut Fischer aus! Der Röntgenstrahl ionisiert die Atome in der Messprobe, der Detektor erfasst die entstehende Fluoreszenzstrahlung und die inhouse-entwickelte Software verarbeitet die Signale.
Aufbau der XRF-Messgeräte von Helmut Fischer – so werden optimale Messergebnisse erzielt:
Auf die Details muss geachtet werden: Jedes einzelne Bauteil hat seinen Anteil an Ihrem Messerfolg!
Röntgenröhre und Anoden-Material:
Kleine Teile, große Wirkung! Das „Herz“ des XRF-Geräts, der Röntgengenerator, besteht bei uns aus einer Standard- oder Mikrofokusröhre mit Wolfram-, Rhodium-, Molybdän- oder Chrom-Anode. Diese Komponenten sind entscheidend, welche Messpräzision und welches Energiespektrum erreicht werden.
Filter:
Es kommt nur durch, was wichtig ist: Der Röntgenstrahl passiert einen Filter, um Hintergrundrauschen in relevanten Energiebereichen zu reduzieren und so eine höhere Empfindlichkeit für Signale von Materialien zu erreichen, die in nur geringer Konzentration vorliegen.
Blenden und Röntgenoptiken:
Focus made by Fischer! Als einer von weltweit nur 2 Herstellern von Polykapillaroptiken ermöglichen wir, dass ein Großteil der Primärstrahlung auf einen sehr kleinen Messfleck fokussiert werden kann.
Detektoren:
Einmalig auf dem Markt! Nur bei Helmut Fischer haben Sie die Wahl aus 3 verschiedenen Detektortypen zur optimalen Lösung Ihrer Messaufgabe: Proportionalzählrohr, Silizium-PIN-Diode und Silizium-Drift-Detektor.
Physikalische Grundlagen von XRF und die wichtigsten Geräteeigenschaften
Früher wurde die XRF Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) hauptsächlich in der Geologie verwendet. Heute ist XRF im Industriealltag und im Labor fest etabliert. Diese Analyse-Methode ist einzigartig vielseitig: Sie erfasst alle technisch relevanten chemischen Elemente von Natrium bis Uran.
XRF wird häufig für die quantitative Material-Analyse verwendet, also um die Menge eines Stoffes in der Probe zu bestimmen – zum Beispiel um den Goldgehalt in Schmuck zu messen oder um gesundheitsgefährdende Elemente wie Schwermetalle in Gebrauchsgegenständen zu detektieren. Außerdem lassen sich mit XRF die Dicken von Beschichtungen messen: schnell, sauber und zerstörungsfrei.
SO FUNKTIONIERT DIE XRF RÖNTGENFLUORESZENZANALYSE (RFA)
Wenn die Messung mit einem X-RAY XRF-Gerät gestartet wird, sendet eine Röntgenröhre energiereiche Röntgenstrahlung aus – die Primärstrahlung. Diese Röntgenstrahlen treffen auf Atome in der Probe und ionisieren diese. Das heißt, ein kernnahes Elektron wird aus dem Atom entfernt. Da dieser Zustand instabil ist, füllt ein Elektron aus einer höheren Schale die Lücke auf und sendet dabei Fluoreszenzstrahlung aus.
Das Energielevel dieser Strahlung ist wie ein Fingerabdruck – charakteristisch für das jeweilige Element. Ein Detektor erfasst die Fluoreszenz und digitalisiert das Signal. Nachdem das Signal verarbeitet wurde, entsteht ein Spektrum: Auf der x-Achse wird die Energie der detektierten Photonen aufgetragen, auf der y-Achse ihre Häufigkeit (sogenannte Count-Rate). Aus der Lage der Peaks im Spektrum lassen sich die in der Probe vorhandenen Elemente identifizieren. Die Höhe dieser Peaks gibt Aufschluss über ihre Konzentration.
DIE WICHTIGSTEN GERÄTEEIGENSCHAFTEN FÜR DAS BESTE MESSERGEBNIS MIT XRF
Viele Faktoren haben einen Einfluss darauf, wie gut das XRF-Gerät verschiedene Elemente unterscheiden kann und wie genau letztlich das Messergebnis der Röntgenfluoreszenzanalyse ausfällt. Bauteile wie Röntgenröhre, Röntgenoptik, Filter und Detektor spielen bei dieser Analyse-Methode eine große Rolle.
Röntgenröhre für die Röntgenstrahlung
Das Material der Röntgenröhre bestimmt das Energiespektrum der primären Röntgenstrahlung, mit der die Probe angeregt wird. Meistens wird eine Wolfram-Anode verwendet, weil sie ein besonders intensives und vielseitig nutzbares Spektrum erzeugt. Für manche Anwendungen aus der Halbleiter- oder der Elektronik-Branche setzt man bei der Röntgenfluoreszenzanalyse auch Molybdän-, Chrom- oder Rhodium-Anoden ein. Solche Röntgenröhren sind z. B. besonders für die Messung von leichteren Elementen oder für die universelle Analyse geeignet.
Filter für die quantitative Analyse
Auf dem Weg von der Anode zur Probe passieren die primären Röntgenstrahlen einen Filter. Für die Filter werden dünne Folien aus Elementen wie beispielsweise Nickel oder Aluminium verwendet. Filtermaterialien modifizieren die Charakteristik der Röntgenröhre, indem diese einen Teil der Röntgenstrahlung absorbieren. Dadurch kann das störende Hintergrundrauschen in relevanten Energiebereichen deutlich reduziert werden. So erreicht man eine höhere Empfindlichkeit für schwache Signale von Materialien, die in geringer Konzentration vorliegen. Zum Beispiel helfen Aluminium-Filter Blei in besonders niedriger Konzentration nachzuweisen.
Blenden und Röntgenoptiken
Die Blende (Kollimator) liegt zwischen der Röntgenröhre und der Probe. Sie begrenzt den Querschnitt des Primärstrahls und dient dazu, den Messfleck auf der Probe bei der RFA zu definieren.
Bei kleinen Blenden kommt nur wenig Primärstrahlung auf der Probe an. Entsprechend schwach ist auch das Fluoreszenz-Signal. Um trotzdem genug Fluoreszenzintensität für eine zuverlässige Auswertung zu erreichen, muss entsprechend länger gemessen werden.
Eine Lösung für dieses Problem ist, bei der Röntgenfluoreszenzanalyse Polykapillaroptiken anstelle von Blenden zu verwenden. Polykapillaren sind Bündel aus Glasfasern, die nahezu die gesamte Primärstrahlung wie eine Lupe auf einen kleinen Fleck fokussieren. Weltweit gibt es nur 2 Hersteller von solchen Optiken für die RFA – und Fischer ist einer davon!
Detektor zur quantitativen Bestimmung der Elemente
Das letzte entscheidende Bauteil für die Methode der XRF-Analyse ist der Detektor, der die Fluoreszenzstrahlung erfasst und mit höchster Genauigkeit misst. Die Information des Detektors wird an die Auswertungssoftware geleitet und entsprechend verarbeitet. Der Detektor-Typ bestimmt, welche Messaufgaben Sie mit dem XRF-Spektrometer (RFA-Gerät) lösen können.
Wir bieten das umfassendste Detektor-Portfolio am Markt. Das heißt, nur bei Helmut Fischer finden Sie den Detektor, der auf Ihre Messaufgabe zugeschnitten ist und diese optimal löst. Es gibt 3 Typen an Detektoren, die spezifische Vorteile bieten.
Das altbewährte Proportionalzählrohr (PZ) ist unentbehrlich im Portfolio eines Messtechnik-Spezialisten. Es bietet eine sehr große aktive Detektorfläche mit einem leicht gewölbten Fenster. So erzielt man eine hohe Zählrate, da eine große Menge Fluoreszenzstrahlung den Detektor erreicht. Dies macht Messungen von Prüfteilen möglich, bei denen ein Messabstand von 20 – 80 mm erforderlich ist. Das PZ ist prädestiniert für Schichtdickenmessungen im Bereich von 1 – 30 µm und kleinen Messflecken. Ein weiterer Vorteil: Das PZ ist deutlich weniger empfindlich in Bezug auf die Genauigkeit der Probenausrichtung zum Detektor sowie der Messdistanz-Einstellung. Das PZ verfügt standardmäßig über die von Helmut Fischer entwickelte Drift-Kompensation, welche ihm eine einzigartige Stabilität verleiht.
Für anspruchsvollere Schichtdickenmessungen ist eine höhere Energie-Auflösung gefordert. In diesem Fall bietet sich die Anwendung von XRF-Analysegeräten mit Silizium-PIN-Diode an. Auch für die einfache Materialanalyse lässt sich dieser Halbleiterdetektor erfolgreich einsetzen. Somit ist der Silizium-PIN-Detektor das perfekte Mittelglied in unserem Detektor-Portfolio.
Hochwertige XRF Röntgenfluoreszenz-Spektrometer verwenden den Silizium-Drift-Detektor (SDD). Dies ist der leistungsstärkste Detektor-Typ: Er hat eine besonders gute Energieauflösung und eine besonders hohe Nachweisempfindlichkeit. So bietet der SDD bei Untersuchung der elementaren Zusammensetzung von Materialien die beste Performance aller Detektoren. Die Fluoreszenzstrahlung von Elementen, die in nur sehr geringen Konzentrationen in der Probe vorhanden sind, wird problemlos detektiert. Darüber hinaus bestimmen die mit einem SDD ausgestatteten Geräte präzise die Dicke von Beschichtungen im Nanometer-Bereich und erlauben die zuverlässige Auswertung von komplexen Mehrschichtaufgaben.
Patentiert von Fischer: die DCM-Methode für die einfache und schnelle Anpassung der Messdistanz
- Entfernungsabhängige Messwertkorrektur
- Kein fester Abstand: Eine Anwendung für den gesamten Messbereich, nur eine Kalibrierung ist notwendig
- Schnelle und bequeme Einstellung der Messdistanz
- Die Messdistanz kann stufenlos eingestellt werden – für Messungen mit kleinstmöglichem Abstand und somit optimierter Zählrate
- Einfache Messung komplexer Geometrieformen und in Vertiefungen
- Nur mit Fischer DCM: keine Kollisionsgefahr mit dem Messkopf
Die von Fischer patentierte Methode der Distance Controlled Measurement (DCM) ermöglicht maximale Flexibilität bei Ihren Messungen. Dank DCM kann über den Video-Fokus der richtige Messabstand für Ihre Probe eingestellt und bei der Auswertung berücksichtigt werden. Dies erlaubt eine einfache und schnelle Messung ganz ohne vorheriges Kalibrieren. Komplizierte Geometrieformen und Vertiefungen sind nun kein Problem mehr.
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