Die Auswertung der SyXRF-Messungen

Die Auswertung der mit Hilfe des SyXRF-Aufbaus durchgeführten Messungen basiert auf der Methode der fundamentalen Parameter (FPM). Hierbei werden die elementaren Flächenbelegungen der analysierten Probe aus den Röntgenfluoreszenzspektren nicht über den Vergleich mit speziell präparierten, bekannten Standardproben, sondern durch Berechnung der anregenden spektralen Verteilung [Kap. 3] und der angeregten Röntgenfluoreszenzstrahlung nach der Sparks Gl. [Kap. 4] unter Berücksichtigung der experimentellen Umstände bestimmt. Die während der Messung auf die Probe gefallene Intensität wird hierbei wegen der in Kap. 2 genannten Probleme an ELSA nicht berechnet,sondern aus dem Vergleich der Streumessung mit der Fundamentalparameter (FP)-Streurechnung gewonnen [Kap. 5].

Die Kenntnis der elementaren Flächenbelegungen einer Probe erlaubt die direkte Angabe von Elementkonzentrationen. Zusätzlich kann für dünne Materialschichten aus der Definition der Flächenbelegung als Produkt von Dicke und Dichte () unter der Annahme einer Größe die jeweils andere berechnet werden. Da die Information über die mechanische Flächenbelegung im exponentiellen Absorptionsterm der Sparks Gl. steckt, der sich schnell kleinen Werten nähert und damit für die Rechnung unwichtig wird, ist die Dicken- oder Dichtenbestimmung auf die in dieser Hinsicht dünnen Proben beschränkt. Die Möglichkeit der Angabe von Elementkonzentrationen, die normalerweise das Ergebnis der SyXRF-Analysen darstellen, wird hierdurch nicht beeinflußt.

Zur Angabe der analysierten elementaren Flächenbelegung einer untersuchten Probe werden folgende Auswertungsschritte durchgeführt :

• Die Meßwerte des Dioden-Arrays zur Elektronenstrahlqualität liefern die mittlere Elektronenstrahlposition und -breite während der Spektrenaufnahme. Zusammen mit den Angaben des Abstandes vom Quellpunkt zur Blende am SyXRF-Aufbau, der verwendeten Blendengröße und der eingestellten Elektronenenergie wird für die Streurechnung die parallel polarisierte Komponente der SR und für die Röntgenfluoreszenzrechnung die gesamte SR berechnet [Gl. 2]. Die anregenden spektralen Verteilungen für die Streurechnung und die Röntgenfluoreszenzrechnung ergeben sich nach der Aufhärtung durch die verwendeten Strahlabsorber [Gl. 5].

• Aus der Anpassung der Streurechnung an das gemessene Streuspektrum folgt, unter Berücksichtigung von Abstand und Detektoreigenschaften des Streudetektors, der zur Erzeugung des Streuspektrums benötigte Skalierungsfaktor bezüglich der vorher berechneten parallelen Komponente der SR und der vorgegebenen Nachweiswahrscheinlichkeit des Detektors. Dieser Skalierungsfaktor enthält alle experimentellen Intensitätsfaktoren, wie Meßzeit, ELSA-Strom, horizontale Blendenbreite und Abschattungseffekte.
  

• Die Linienintensitäten des Fluoreszenzspektrums werden zusammen mit der verwendeten Geometrie und der Nachweiswahrscheinlichkeit des Probendetektors, bezogen auf den Streudetektor, in die Sparks-Gl. eingesetzt. Die Veränderung der anregenden SR durch die Strahlabsorber berücksichtigt im Vergleich zur Streurechnung das Streutarget und die längere Luftstrecke als zusätzliche Absorber. Zur Anpassung der Rechnung an die experimentell vorhandene Intensität wird das anregende SR-Spektrum mit dem aus der Streurechnung stammenden Intensitätsfaktor skaliert. Die elementaren Flächenbelegungen der Probe ergeben sich durch eine iterative Suche nach einem zur gesamten Flächenbelegung gehörenden Konzentrationsmuster, das in die Integration der Sparks Gl. über das anregende SR-Spektrum eingesetzt, zu den gemessenen Fluoreszenzintensitäten passende berechnete Intensitäten liefert [Kap.4].

Die auswertbaren Linien der analysierten Elemente werden zu nierdrigen Energien (ab 3 keV) durch die Absorption der aus der Probe austretenden Röntgenstrahlung in der Luftstrecke bis zum Probendetektor und durch dessen stark abfallende Nachweiswahrscheinlichkeit eingegrenzt. Für hohe Energien der Röntgenlinien (ab 35 keV) nimmt die Anregung der zugehörigen Übergänge wegen der stark abfallenden SR (bei 2.3 GeV Elektronenenergie in ELSA) und die Nachweiswahrscheinlichkeit des Detektors schnell ab. Mit dem verwendeten Probendetektor können in den Röntgenfluoreszenzspektren die Elemente von Argon (Z=18) bis Barium (Z=56) durch ihre K-Strahlung, die Elemente ab Silber (Z=47) durch ihre L-Strahlung analysiert werden.

Wegen der Einschränkung der mit der Methode beobachtbaren Elemente mit der Ordnungszahl größer als Argon (Z=18) muß die Auswertung der Analysen in zwei Gruppen unterteilt werden.

1. Alle in der Probe vorhandenen Elemente erzeugen im Röntgenfluoreszenzspektrum auswertbare K- oder L-Linien.

   In diesem Fall ergibt sich die gesamte analysierte Flächenbelegung der Probe aus der Summe der mit der Sparks-Gl. bestimmten elementaren Flächenbelegungen . Die einzelnen Elementkonzentrationen errechnen sich als Quotient aus elementarer Flächenbelegung zu gesamter Flächenbelegung.
   

   

2. In der Probe sind leichte Elemente mit Z < 18 enthalten, die keine auswertbaren Linien im Spektrum zeigen.

   Zur Durchführung der FP-Rechnungen müssen die nicht analysierbaren elementaren Flächenbelegungen zum einen wegen der Absorptionskorrektur der gesamten Probenmatrix in der Sparks-Gl., zum anderen zur Festlegung der vorhandenen totalen Flächenbelegung vorgegeben werden.
   

   

Einen wichtigen Spezialfall der Auswertung bilden Proben, deren mechanisch vorhandene Flächenbelegung bekannt ist und deren Elemente im Fluoreszenzspektrum durch K- oder L-Linien erkennbar sind. Hierzu gehören z.B. metallische Legierungen, die in der FP-Rechnung als unendlich dick angenommen werden können. Für diese Objekte ist das auf der Sparks-Gl. aufgebaute Gleichungssystem schon bei Angabe von nur einer Linie pro Element um einen Parameter überbestimmt, da die Summe aller Einzelkonzentrationen 100% ergibt und hierdurch eine Gleichung ersetzt wird. Die elementaren Flächenbelegungen lassen sich dann allein aus den Verhältnissen der im Fluoreszenzspektrum auftretenden Linienintensitäten berechnen. Damit entfällt die Abhängigkeit der FP-Rechnung von der SR-Intensitätsbestimmung durch den Streumonitor und der Einfluß von Fehlern im Abstand zwischen Probendetektor und Probe wird stark reduziert. Hierdurch können die der FP-Rechnung zugrunde liegenden Annahmen zur Meß- und Probengeometrie oder der homogenen Elementverteilung in der Probe ebenso überprüft werden wie die Qualität der vom Streumonitor gelieferten SR-Intensität.