Das Dioden-Array

Die Bestimmung der Breite und der Position der eff. vert. Elektronenverteilung wird vor Beginn der Röntgenfluoreszenzmessungen mittels der Abrasterung des vertikalen Strahlprofils bei verschiedenen Elektronenströmen durchgeführt. Diese Messungen können aber, da sie wichtige Komponenten der Meßapparatur beanspruchen, nicht parallel zu den eigentlichen Röntgenfluoreszenzanalysen durchgeführt werden. Deshalb wird die eff. vert. Elektronenverteilung während der Fluoreszenzmessungen durch die, an verschiedenen vertikalen Positionen erzeugten Ionisationsströme in den PIN-Dioden eines zu diesem Zweck konstruierten Dioden-Arrays überprüft. Das Array besteht aus vier identischen, vertikal angeordneten PIN-Photodioden [Abb. 17]. Unter den gegebenen geometrischen Bedingungen werden mit dem Dioden-Array Ionisationsströme an den vertikalen Positionen 1 -, 3 -, 7 - und 9 mm im Bereich des 10 mm hohen Eintrittskollimators gemessen. In der Mitte des Arrays, zwischen der zweiten und dritten Diode, wird die zur Fluoreszenzmessung benötigte Strahlung durch einen 2 mm breiten Spalt ungehindert hindurchgelassen. Zur Festlegung der natürlichen Strahlungsdivergenz der nachgewiesenen SR-Intensitäten dient ein 1.7 mm dicker Aluminiumabsorber vor den Dioden. Der Mittelwert der zum Ionisationsstrom in den Dioden beitragenden absorbierten Strahlung wird hierdurch auf 19 keV festgelegt. Die natürliche Strahlungsdivergenz bei dieser Energie beträgt 0.06 mrad (HWHM) [Abb. 7c]. Das gesamte System läßt sich durch eine schrittmotorgesteuerte Mikrometerschraube auf die vorher durch die Abrasterung des Strahls bestimmte Position maximaler Intensität des Blendensystems verfahren. Der produzierte Ionisationsstrom jeder Diode wird in ein Spannungssignal verwandelt und individuell über einen steuerbaren Multiplexer dem Analog-Digitalwandler des Steuerrechners zugeführt.

 
Abb. 17: schematische Zeichnung des Dioden-Arrays

Der im Dioden-Array verwendete PIN-Photodiodentyp wurde bezüglich seiner Eigenschaften zum Nachweis von Röntgenstrahlung genau vermessen. Besonders wichtig zur Bestimmung des Strahlprofils ist neben der ausreichenden Produktion von Ionisationsstrom mit möglichst hochenergetischen Röntgenquanten die Vergleichbarkeit der Intensitätsmessungen der vier Dioden. Der ausgewählte Diodentyp (BPW 34, Telefunken) zeigt einen linearen Anstieg des Ionisationsstromes mit der einfallenden Intensität [Abb. 18a]. Wegen des polychromatischen Spektrums der SR ist zum Vergleich verschiedener Messungen ein linearer Anstieg des in der Diode produzierten Ionisationsstromes mit der in dem Kristall deponierten Energie bei unterschiedlichen spektralen Verteilungen vorteilhaft [Abb. 18b].

Durch das Vorbeifahren des Dioden-Arrays hinter einer fest im weißen Strahl eingebauten Spaltblende kann die Empfindlichkeit der Dioden gegeneinander und die Abhängigkeit des gemessenen Ionisationsstromes von ihrer genauen Position festgestellt werden [Abb. 19]. Aufgrund von bauartlichen Toleranzen und unvermeidbaren Dejustagen der Dioden beim Einbau in das Array sind ihre Nachweiswahrscheinlichkeiten unterschiedlich. Die oben angesprochene Linerarität in der Produktion des Ionisationsstromes erlaubt aber eine intensitäts- und energieunabhängige Kalibrierung der Dioden gegeneinander. Störende Strahlung von den Kanten des Spaltes zum Durchlaß der SR in der Mitte des Arrays und von den Dioden selbst erzeugt zur Mitte des Arrays weisende Bereiche mit geringen Nachweiswahrscheinlichkeiten neben den Positionen der Dioden.

Die Bestimmung der Breite und Position des gaußkurvenförmig angenommenen vert. Strahlprofils aus den Meßwerten des Dioden-Arrays durch einen Gaußfit ist in Abb. 20 für zwei Verteilungen dargestellt. Der Offset der eff. vert. Elektronenverteilung ergibt sich sofort aus der Anpassung einer Gaußkurve an die Meßwerte, die Breite der Elektronenverteilung wird nach Gl. 3 unter Berücksichtigung der natürlichen Strahlungsdivergenz der im Dioden-Array nachgewiesenen SR berechnet.

Die Genauigkeit in der Bestimmung der zur Berechnung der eff. vert. Elektronenverteilung notwendigen Parameter durch das Dioden-Array ist wegen der lediglich vier vorhandenen Meßpunkte nicht besonders hoch. In Abb. 21 ist ein Vergleich der durch Abrasterung des Strahlquerschnittes bestimmten Breiten der Elektronenverteilung mit den Werten des Dioden-Arrays dargestellt. Dieser Vergleich setzt voraus, daß die Elektronenverteilungen der für die Messung ausgewählten, aufeinanderfolgenden Speicherzyklen von ELSA zu gleichen Elektronenströmen nur wenig unterschiedlich sind.

Die mit dem Dioden-Array bestimmte Breite erscheint systematisch um etwa 0.5 mm zu groß. Dies kann von der schlechten Unterdrückung der langen, zur Mitte des Dioden-Arrays weisenden Randbereiche in der Nachweiswahrscheinlichkeit der Dioden [Abb. 19] herrühren.

 
Abb. 18a (oben): Überprüfung der Linerarität des Ionisationsstromes der im Dioden-Array verwendeten PIN-Dioden bezüglich der Intensität, die für kleine vertikale Spaltbreiten proportional zur dieser ist. Aufgetragen ist die vertikale Blendenbreite gegen den in einer PIN-Diode gemessenen Ionisationsstrom.
Abb. 18b (unten): Überprüfung der Linerarität des Ionisationsstromes der im Dioden-Array verwendeten PIN-Dioden bezüglich der absorbierten Energie. Aufgetragen ist die in einer, der Schichtdicke der PIN-Dioden vergleichbaren, 200m dicken Siliziumschicht von der anregenden spektralen Verteilung theoretisch absorbierte Leistung gegen den gemessenen Diodenstrom. Die spektrale Verteilung, und damit die absorbierte Leistung, wird durch Aluminiumabsorber verschiedener Dicke verändert.

 
Abb. 19: Aufgetragen ist der Ionisationsstrom der PIN-Dioden des Dioden-Arrays in Abhängigkeit von ihrer Position relativ zu einer 300 m breiten vertikalen Spaltblende. Mit Hilfe der durch diese schmale Blende fallenden SR wird sowohl die genaue Position, als auch die Empfindlichkeit der PIN-Dioden festgelegt.

Die in Abb. 21 dargestellten Abrasterungen können der Kalibration des Dioden-Arrays dienen, wodurch in dem betrachteten Bereich der eine Genauigkeit von 0.2 mm erreicht wird. Da oberhalb von 5 mm Schwankungen der Breite oder des Offset der eff. vert. Elektronenverteilung die spektrale Verteilung der SR kaum noch verschieben [Kap. 3.2, Abb. 11], ist der höhere Fehler in den vom Dioden-Array stammenden Werten hier nicht störend.

 
Abb. 20: Für zwei verschiedene ELSA-Ströme sind die Ionisationsströme der verschiedenen Dioden des Dioden-Arrays gegen ihre Positionen aufgetragen. Die gestrichelte Linie zeigt einen Gaußfit zur Darstellung des aus den Ionisationsströmen folgenden vertikalen Strahlprofils.

 
Abb. 21: Die Bestimmung der der eff. vert. Elektronenverteilung durch Abrasterung des Strahlquerschnittes (Kap 2.2) und durch Messungen des Dioden-Arrays ist gegen den Elektronenstrom in ELSA aufgetragen.