Streuung von Röntgenstrahlung

  Ein großer Teil des Untergrundes in Röntgenfluoreszensspektren beruht auf der Streuung der Röntgenstrahlung an den Atomen in der Probe und im Probenhalter. Wird auf eine Messung im Vakuum verzichtet, kommt dazu noch die Streuung an den Atomen in der Luft. Im Energiebereich der Synchrotronstrahlung dominiert die kohärente und inkohärente Streuung an den in den Atomen gebundenen Elektronen. Bei kohärenter Streuung ändert sich weder die Energie noch die Phase des gestreuten Photons. Bei der inkohärenten Streuung ändert sich dagegen die Phase und üblicherweise auch die Energie.
Betrachtet man zunächst ein freies Elektron, so wird die kohärente Streuung durch den Thomson Streuquerschnitt beschrieben [Han86]:

Dabei ist der klassische Elektronenradius und der Winkel zwischen den Polarisationsrichtungen der einfallenden und der gestreuten Strahlung. Die Comptonstreuung, die inkohärente Streuung an freien Elektronen, wird durch die Klein-Nishina Formel beschrieben:

Die Energie der inkohärent gestreuten Photonen hängt vom Streuwinkel ab, welcher die Richtungsänderung der Strahlung beschreibt.

Die kohärente Streuung ergibt sich als Grenzfall der inkohärenten Streuung ohne Energieverlust, d.h. für .
Bei Streuung an gebundenen Elektronen kommt es zusätzlich zu Wechselwirkungen mit deren Bindungszuständen. Um dies zu berücksichtigen, kann ein Formfaktor f(q,Z) für die kohärente Streuung, bzw. ein Streufaktor S(q,Z) für die inkohärente eingeführt werden [Hub75] [Hub79]. Hierbei beschreibt Z die Ordnungszahl des streuenden Atoms und den Impulsübertrag eines Photons mit der Wellenlänge auf das streuende Elektron.
Im Falle polarisierter einfallender Strahlung kann der Winkel durch den Streuwinkel und den Winkel , der die Streurichtung bezüglich der Polarisationsrichtung der einfallenden Strahlung beschreibt, ausgedrückt werden. Die Polarisationsrichtung der gestreuten Strahlung kann im folgenden außer Acht gelassen werden. Bei der Messung von Fluoreszenzstrahlung ist deren Polarisation im Normalfall nicht von Belang.
Man erhält schließlich für die kohärente und inkohärente Streuung die folgenden Wirkungsquerschnitte [Han86]:

In beiden Fällen ist die Streuung für den Winkel minimal. Die Streuung in der Polarisationsebene der einfallenden Strahlung ist folglich unterdrückt. Daher ist bei Fluoreszenzmessungen in der Ebene des Synchrotrons nur mit geringem Streuuntergrund zu rechnen.
Senkrecht zur Ringebene ist die Streuung dagegen maximal. Im SYXRF Meßaufbau befindet sich daher neben dem eigentlichen Fluoreszenzdetektor ein zweiter Siliziumdetektor, der von oben auf ein Streutarget herabschaut. Im allgemeinen wird als Streutarget eine dünne Kaptonfolie verwendet (Dicke: ), die in zur Strahlrichtung montiert ist. Die Absorption in der Kaptonfolie ist nur gering, aber anhand des Streuspektrums lassen sich Aussagen über das anregende Spektrum machen. Die Streumessung dient zum einen dazu, die Intensität der anregenden Strahlung zu bestimmen, zum anderen bietet sich die Möglichkeit, die berechnete spektrale Verteilung zu überprüfen [Hei95]. Analog zur Röntgenfluoreszenz, wie in Gleichung beschrieben, läßt sich auch die Streuung an einem Target, das unter dem Winkel im Strahl steht, berechnen. So ergibt sich für die kohärente Streung am Element j:

Bei der inkohärenten Streuung muß noch die Energieänderung berücksichtigt werden.