Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF) – Grundlagen

Die energiedispersive Röntgenfluoreszenzanalyse (ED-RFA, engl. ED-XRF) ist eine Messmethode zur Schichtdickenmessung und Materialanalyse. Sie lässt sich zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der elementaren Zusammensetzung einer Materialprobe und zur Messung von Schichten und Schichtsystemen einsetzen. Im industriellen Alltag und im Labor ist dieses Verfahren heute längst etabliert und mit modernen Geräten optimal nutzbar. FISCHERSCOPE®-X-RAY-Messgeräte bieten folgende Vorteile:

  • Zerstörungsfrei: Die Röntgenstrahlung hat keinerlei bleibenden Einfluss auf das Material, es bleibt in seiner Qualität vollständig erhalten.
  • Schnell: Die Röntgenfluoreszenz-Methode (XRF) benötigt keine aufwändige Probenvorbereitung, einfach auflegen und messen. Die Messzeiten liegen bei einigen Sekunden. Nur in seltenen Fällen sind Messzeiten über eine Minute notwendig.
  • Sauber: Keine Chemikalien erforderlich.
  • Sicher: Methode ohne umweltschädliche Chemikalien, von der Röntgenstrahlung geht keinerlei Gefährdung für den Bediener aus.
  • Universell einsetzbar: Die Röntgenfluoreszenz-Methode (XRF) ist einsetzbar zur Materialanalyse und Schichtdickenmessung in einer Vielzahl von Anwendungen.

Das Prinzip der Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF)

Das Prinzip der Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF)

Das Prinzip der Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF)

Die Materialprobe wird mit der primären Röntgenstrahlung angeregt. Dadurch werden kernnahe Elektronen von den inneren Schalen des Atoms herausgelöst. Die entstehenden Lücken werden durch Elektronen von weiter außen liegenden Atomschalen aufgefüllt. Dabei entsteht eine für jedes Element charakteristische Fluoreszenzstrahlung. Diese Fluoreszenzstrahlung wird vom Detektor ausgewertet.
Die Entstehung der Röntgenfluoreszenzstrahlung ist vereinfacht in der Abbildung oben dargestellt. Es wird  ein Elektron aus der K-Schale herausgelöst. Die entstandene Lücke wird entweder mit einem Elektron aus der L-Schale oder mit einem Elektron aus der M-Schale aufgefüllt. Dabei entsteht die für das Element charakteristische Kα– und Kβ-Strahlung.

Funktionsprinzip eines FISCHERSCOPE® Röntgenfluoreszenz-Messgerätes (XRF)

Funktionsprinzip eines FISCHERSCOPE® Röntgenfluoreszenz-Messgerätes (XRF)

Funktionsprinzip eines FISCHERSCOPE® Röntgenfluoreszenz-Messgerätes (XRF)

  1. Die Röntgenröhre erzeugt die primäre Röntgenstrahlung. Die elektrisch beheizte Kathode sendet Elektronen aus. Von der anliegenden Hochspannung auf sehr hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dringen die Elektronen in das Anodenmaterial ein. Dabei wird die primäre Röntgenstrahlung erzeugt.
  2. Der Shutter dient als Sicherheitseinrichtung und verschließt im Bedarfsfall den Zugang der primären Röntgenstrahlung in die Messkammer vollständig.
  3. Die Messstelle wird mit einer Lichtquelle (in der Abbildung nicht dargestellt) beleuchtet. Das Bild der Messstelle wird mit Hilfe des Lochspiegels und der Linse auf eine Videokamera gelenkt. Der Spiegel besitzt in der Mitte ein Loch, damit die primäre Röntgenstrahlung hindurch gelangen kann.
  4. Die Blende (Kollimator) begrenzt den Querschnitt des Primärstrahls, damit ein Messfleck von definierter Größe angeregt wird.
  5. Die primäre Röntgenstrahlung trifft auf Atome in der Probenoberfläche (Schichtmaterial und Grundwerkstoff) und löst dabei Elektronen der inneren Atomschalen heraus. Die entstehenden Lücken werden durch Elektronen von weiter außen liegenden Atomschalen aufgefüllt, wobei eine für jedes Element hinsichtlich ihrer Energieverteilung charakteristische Fluoreszenzstrahlung entsteht.
  6. Der energiedispersive Detektor misst die Energieverteilung der Fluoreszenzstrahlung. Von einer mehrstufigen Elektronik werden die Messsignale verarbeitet.
  7. Das Spektrum zeigt Linien oder Peaks, die charakteristisch für die chemischen Elemente in der Probe sind.
  8. Die Software WinFTM berechnet die Dicke der Schicht(en) und/oder das Analyseergebnis. Das Videobild der Probe ist im WinFTM-Hauptfenster eingeblendet. Die exakt senkrechte Draufsicht auf Messstelle und Messfleck ist möglich dank der speziellen Konstruktion des optischen Systems und der Röntgenstrahlführung.

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