4  Charakteristische Röntgenstrahlung als analytisches Werkzeug [3:20:39]

Mit dem zuvor gewonnen Rüstzeug lernen wir nun, wie wir die Zusammensetzung von Proben bestimmen können. In einem zunächst kurzen Kapitel wird das Energie-Dispersive Spektrometer (EDS) vorgestellt. Anschließend lernen wir die wichtigste und zentrale Grundlage der Winkel-Dispersiven Spektrometerie: die Selektion der Röntgenstrahlung eines Elements mit Hilfe der Bragg-Bedingung, sowie der Rowland-Kreis Geometrie.

Diese Einheit beschäftigt sich mit dem Röntgendetektor. Diese Gaszähler erlauben es Röntgenstrahlung höherer Ordnung auszuschließen, was sehr praktisch ist, um damit Interferenzen zu unterdrücken. Das Thema ist nicht ganz unkomplex, daher ist die Gesamtzeit der Videos zwar etwas kürzer, jedoch müssen besonders die beiden Kapitel/Videos 4.2.4 & 4.2.6 sehr gut studiert werden, um das Thema wirklich zu verstehen. Es wäre nicht erstaunlich, wenn es diesmal im Besondern nötig wäre, zwischendurch anzuhalten, und sich die Dinge durch z.B. eigene Skizzen selbst noch einmal klar zu machen.

Ein zentrales Element um Proben zu messen, ist die Standardisierung, welche wir in dieser Einheit kennen lernen. Wir lernen außerdem erste, konkrete Parameter und Bedingungen kennen, mit denen eine Probe gemessen werden kann, und einige Dinge wie Matrix-Korrektur, Nachweisgrenze, etc. die für eine erfolgreiche Messung beachtet werden müssen.

Im letzten Teil von Kapitel 4 schauen wir uns noch Interferenzen und den Chemical Peak Shift, welche die Messung beeinflussen können. Dann wollen wir jedoch wissen, was und wie wir mit der Mikrosonde oder dem Rasterelektronen-Mikroskop messen können. Schließlich gibt es ein wichtiges Video dazu, was man überlegen sollte oder muss, bevor man am Messtag im Labor steht. Wichtig ist das Video, da es Dir hilft eine erfolgreiche Mess-Kampagne durchführen.

4.1 Energie-Dispersive Analytik (EDS/EDX) [14:15]

Die EDS ist sehr geeignet für eine schnelle, qualitative Analyse, da das gesamte Spektrum abgebildet wird und erste Peaks in Sekunden auftauchen. Die Auflösung ist jedoch vergleichsweise schlecht. Es ist auch eine semi-quantitative Standardisierung möglich, die häufig bei SEMs eingesetzt wird. Eine vollständige Standardisierung ist nur in Ausnahmefällen sinnvoll, z.B. wenn nur ein SEM mit EDS zur Verfügung steht. Es sind weiter z.B. Element-Maps möglich.

Zeichne das ungefähre EDS-Spektrum eines Olivin.

19. Video

Können mit EDS Elementkonzentrationen quantifiziert werden?

Ja, semi-quantitativ, indem ein Element (z.B. Cu kalibriert wird), es ist auch eine vollständige Standardisierung möglich.

Wie viele Elemente können mit EDS gleichzeitig gemessen werden?

✗Maximal 5

✗Diese werden in einem Periodensystem ausgewählt

✓Alle gleichzeitig

✗Die zehn häufigsten Elemente

Bei EDS-Messungen ist der Bremsberg sichtbar.

✓wahr

✗falsch

EDS-Detektoren müssen immer gekühlt werden.

✓wahr

✗falsch

4.2 Selektion einer Wellenlänge mit Hilfe der Bragg-Bedingungen (Bragg-Gleichung) [17:13]

Bei WDS-Analysen wollen wir nur die Wellenlänge des Röntgenquants eines Elements messen. Diese können wir mit Hilfe von Analysator-Kristallen und der Bragg-Bedingung selektieren und in den Detektor lenken. Es müssen womöglich Röntgenlinien höherer Ordnung beachtet werden.

Weshalb muss eine Wellenlänge selektiert werden, um eine Elementkonzentration zu quantifizieren?

Man möchte nur die Röntgenquanten eines Elements zählen, weshalb man die Wellenlänge dieses Elements selektiert, bzw. alle anderen versucht auszublenden.

Schreibe die Bragg-Gleichung aus dem Kopf auf – noch besser: leite sie geometrisch her.

n * λ = 2d * sin θ – & s. Video

Eine konstruktiv interferierende Wellenlänge muss eine um ____ längere Strecke zurück legen.

✗1/2 λ

✓1 λ

✓2 λ

Die Wellenlänge eines Elements kann von einem anderen Element mit der doppelten Energie überlagert werden.

✓wahr

✗falsch

Bei destruktiver Interferenz trifft Wellental auf Wellenberg.

✓wahr

✗falsch

4.3 Erfüllung der Bragg-Bedingung mit Hilfe des Rowland-Kreises [14:53]

Die Bragg-Bedingung ist nur in einem Punkt erfüllt. Das würde zu sehr geringen Zählraten führen. Mit gebogenen Kristallen und etwas Geometrie wird es möglich die gesamte Fläche eines Analysator-Kristalls für die Bragg-Beugung, bzw. die Selektion einer gewünschten Röntgenlinie auszunutzen.

Wozu dient der Rowland-Kreis, bzw. diese Rowland-Geometrie?

In letzter Konsequenz um die gesamte Fläche des Analysator-Kristalls für die Röntgenbeugung auszunutzen.

Wie ist das Verhältnis der Radien des kleinen und des großen Kreises?

2:1

Eine Reflexion an der Tangente auf dem großen Kreis führt immer zu Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel einer Röntgenstrahlung zwischen Probe und Detektor.

✓wahr

✗falsch

Der gebogene Analysator-Kristall …

✗… selektiert die gewünschte Element-Röntgenlinie

✓… nutzt den gesamten Kristall für die Röntgenbeugung

✗… fokussiert die Röntgenstrahlen auf die Mitte des Kristall

Der Analysator-Kristall ist mit demselben Radius gebogen wie der kleine Kreis.

✗wahr

✓falsch

4.4 Wahl des Analysator-Kristalls [4:09]

Die Bragg-Bedingung wird erfüllt wenn der Einfallswinkel θ sowie der Gitterebenenabstand d stimmen. Tatsächlich reicht nicht ein Kristall mit einem Gitterebenenabstand d aus, um alle gewünschten Wellenlängen zur Beugung zu bringen – oder die Rowlandkreise müssten größer werden, was einen Verlust an Intensität bedeuten würde. Daher werden verschiedene Kristalle mit unterschiedlichen d-Abständen verwendet.

Welche Parameter beeinflussen die Bragg-Bedingung?

Gitterebenenabstand d und Einfall-/Ausfallswinkel θ – s. Bragg-Gleichung

Welcher d-Abstand ist für welche Elemente geeignet?

Kleine Wellenlänge, kleiner d-Abstand.

Weshalb wählt man eventuell einen anderen Analysator-Kristall?

✓Er hat einen anderen d-Abstand

✗Er hat eine andere Biegung

✗Er hat eine bessere Energie-Aufnahme

Wie viele Analysator-Kristalle kann ein einzelnes Spektrometer in unserer Mikrosonde haben?

✗1

✓2

✗3

✓4

Der d-Abstand von Analysator-Kristallen liegt im Bereich von …

✗pm

✓nm

✗µm

✗mm

4.5 Zählung der Röntgenquanten mit Gas(durchfluss)zählern [7:49]

Nachdem die gewünschte Wellenlänge des zu analysierenden Elements selektiert wurde, können die Röntgenquanten nun gezählt werden. In der Regel kommt dafür ein Gasdurchflusszähler mit einem Gemisch aus 90% Ar und 10% Methan, oder eine geschlossener Xe-Gaszähler zum Einsatz.

Was ist der Unterschied zwischen einem ArCH4- und einem Xe-Zähler?

ArCH4: offen (Durchflusszähler); Xe: geschlossen

Wozu wird das Löschgas verwendet?

Zur Entladung/Neutralisierung des Ar.

Welche ungefähre Spannung liegt am Zähldraht an?

✗1700 eV

✗1700 keV

✓1700 V

✗1700 kV

Die Atome im Gasszähler werden durch die ankommende Röntgenstrahlung _____ ionisiert?

✓positiv

✗negativ

Was ändert sich, wenn die Elektronen aus dem ionisierten Ar auf den Zähldraht treffen?

✓Die Spannung

✗Die Verstärkung

✗Der Strom

✗Der Widerstand

4.6 Peaks, Peaks, Peaks: Satelliten-, höhere Ordnung, Escape-, & Summen-Peaks [18:28]

Der Zähler des Detektors zählt noch insgesamt die Energie von 4 weiteren Prozessen. (i) Die Satelliten-Linien sind den charakteristischen Röntgenstrahlen sehr verwandt, und hängen mit der Probe selbst zusammen. (ii) Peaks höherer Ordnung entstehen, da Röntgenquanten mit der 1/n-Wellenlänge (n: 1, 2, 3 , …) ebenfalls die Bragg-Bedingung erfüllen, wie die gewünschte, zu selektierende Wellenlänge. Diese hängt also mit dem Analysator-Kristall zusammen. (iii) Im Zähler selbst kann Argon angeregt werden, und Röntgenstrahlung aussenden. Entweicht diese aus dem Detektor, fehlt etwas Energie vom zu zählenden Röntgenquant, und es entsteht im Zähler ein zusätzlicher, so genannter Escape-Peak, der diesen geringeren Energie-Impuls abbildet. (iv) Schließlich können zwei gleichzeitig ankommende Peaks als eine Peak mit der dann doppelten Energie gezählt werden. Diese heißen Summen- oder Pile-up Peaks. Die Peaks (iii) und (iv) hängen also mit dem Detektor selbst zusammen.

Nenne die zusätzlichen Peak, bzw. Impulse, welche neben der selektieren Röntgenwellenlänge gezählt werden, und in welchem Zusammenhang, bzw. an welcher Stelle diese ursächlich auftreten.

19. oben und Video

Nenne das grundlegende Prinzipe, wodurch Satelliten-Linien entstehen.

Eine Veränderung der Elektronenbindungsenergien/-niveaus durch Leerstellen, Molekül-Orbital-Aufteilungen oder charge-transfer.

Die Differenz zwischen Escape Peak und dem eigentlichen Element-Peak entspricht der Differenz zwischen Ar- (oder Xe)-Anregungsenergie und der Anregungsenergie des eigentlichen Element-Peak.

✗wahr

✓falsch

Du willst Si Kα1 analysieren, dessen Wellenlänge 7.126 Å beträgt. Die Nd Lα1 Wellenlänge beträgt 2.37 Å? Du überlegst, ob sich die beiden Wellenlängen überlagern, und antwortest:

✓ja

✗ja: die 1. Ordnung Si mit der 2. Ordnung Nd

✓ja: die 1. Ordnung Si mit der 3. Ordnung Nd

✗ja: die 1. Ordnung Nd mit der 2. Ordnung Si

✗ja: die 1. Ordnung Nd mit der 3. Ordnung Si

✗nein

In/an welcher Komponente der Mikrosonde werden die zusätzlichen Peaks registriert?

✗Probe

✗Analysator-Kristall

✓Detektor

✗Zähl-Elektronik

4.7 Zählung der richtigen Impulse (HV, PHA, PHD & SCA) [20:49]

Dem Zählrohr ist eine Zählelektronik nachgeschaltet. Deren wichtigste Funktion ist es, die zusätzlich entstehenden und an sich unerwünschten Röntgenquanten herauszufiltern. Das Konzept hinter dieser Pulshöhen-Analyse (PHA) ist zunächst ein wenig trickreich, jedoch äußerst hilfreich. Die PHA erlaubt zwei Mess-Modi: (i) integral – dabei wird nichts gefiltert, und (ii) differential – nun wird mit Hilfe eines single channel analysers (SCA) gefiltert. Außerdem kann mit der Zählelektronik die Zählrate (Counts per second – cps) optimiert werden,. Dafür wird die Hochspannung (HV) über einen verstellbaren Verstärker (Gain) auf 1700±20 V justiert.

Nenne und erkläre die wichtigste Aufgabe der Impulshöhen-Analyse.

Herausfiltern Peaks höherer Ordnung und/oder Summen-Peaks. (In aller Kürze, ausführlicher wäre besser.)

Zeichne das Diagramm der Impulshöhenverteilung, inkl. Achsenbeschriftung.

19. oben & Video

Der Detektor registriert Impulse, die in einer nachgeschalteten Zählelektronik weiter verarbeitet werden. Wie heißt die Einheit, mit der die Impulse analysiert werden?

✗PHD

✓PHA

✗HV

✗SCA

In etwa wie groß darf die Abweichung von der idealen Zähldrahtspannung sein?

✗±0,2 V

✗±2 V

✓±20 V

✗±200 V

Mit der PHA kann der Escape-Peak heraus gefiltert werden.

✗wahr

✓falsch

4.8 Elektronen-Kanone (Electron Gun) & Elektronen-Optik (EOS) [9:17]

Nachdem wir nun fast die gesamte Mikrosonde (und damit auch das SEM) und deren Funktionsweise kennen gelernt haben, schauen wir uns zum Abschluss noch prinzipiell an, wie die Elektronen überhaupt auf die Proben beschleunigt, fokussiert und bei Bedarf darüber gerastert werden.

Nenne zwei Filament-Typen, welche in der Elektronen-Kanonen zum Einsatz kommen, und deren Unterschiede.

Sehr knapp: W-Filament und FEG. Unterschiede in Betrieb, Aufbau und schließlich in der Auflösung.

Zeichne den prinzipiellen Aufbau der Elektronen-Säule mit deren wichtigsten Elementen.

19. Video

Mit der Objektiv-Linse wird der Elektronen-Strahl über die Probe gescannt.

✗wahr

✓falsch

Auf der Probe wird ___ abgebildet.

✗die Filamentspitze

✗die Aperturblende

✓der 1. crossover

✗der 2. crossover

Elektronen können in einem Feld mit einer Spannung zwischen ___ beschleunigt werden.

✓5 - 30 kV

✗15 - 30 kV

✗5 - 30 V

✗15 - 30 V

4.9 Messbedingungen: Beschleunigungsspannung (kV), Strahlstrom (nA – µA) & Spot-Size (µm) [6:02]

Nun wollen wir etwas messen. Dazu müssen wir zunächst geeignete Messbedingungen auswählen. Dabei achten wir vor allem auf Beschleunigungsspannung, Strahlstrom und Sp0t-Size, und deren Effekt auf die Probe, bzw. eine Messung.

Zeichne was in der Probe geschieht, wenn die Beschleunigungsspannung geändert wird.

-> Veränderung der Anregungsbirne

Was muss bei der Analyse von eingebettet Proben in Mounts beachtet werden?

Dass man nicht aus dem umgebenden Harz zu viel Dreck in das Gerät sputtert.

Welches sind typische Spot Sizes?

✗15 - 20 µm

✗5 - 15 µm

✓1 - 5 µm

✗1 - 2 µm

Welches sind typische Ströme?

✓2 - 4 x 10-8 A

✗20 - 40 µA

✓20 - 40 nA

Welches sind typische Beschleunigungsspannungen?

✓15 und 20 kV

✗15 und 20 keV

✗15 und 20 V

4.10 Standardisierung & k-ratio [7:23]

Um Element-Konzentrationen in einer unbekannten Probe zum messen, vergleichen wir die gemessenen counts per second (cps) eines Elements in der Probe mit den gemessenen cps in einem Standard. Das Prinzip lässt sich sehr leicht über ein Diagramm verstehen. Daraus lässt sich die Standardisierung formalisieren. Die Konzentrationen eines Elements in Probe und Standard sind proportional zu deren gemessenen cps:

\(\frac{c_{i,Probe}}{c_{i,Standard}} \propto \frac{cps_{i,Probe}}{cps_{i,Standard}}\)

c: Element-Konzentration
i: element
cps: counts per second

Die cps werden meist als Intensität ausgedrückt. Das Verhältnis der Intensitäten in Probe und Standard wird als ›k-ratio‹ bezeichnet:

\(\frac{cps_{i,Probe}}{cps_{i,Standard}} = \frac{I_{i,Probe}}{I_{i,Standard}} = k-ratio_{i}\)

Die Proportionalität zwischen Elementkonzentrationen und k-ratio lässt sich über den Korrekturfaktor ZAF nun als Gleichung schreiben:

\(\frac{c_{i,Probe}}{c_{i,Standard}} = k_i \times ZAF_i\)

Die k-ratio wird gemessen, die ZAF-Korrektur lässt sich berechnen, und die Element-Konzentration im Standard ist bekannt, sodass die Konzentration im Element wie folgt berechnet wird:

\(c_{i,Probe} = c_{i,Standard} \times k_i \times ZAF_i\)

Zeichne und beschreibe das Diagramm zur Standardisierung, bzw. um die Elementkonzentration in einer Probe zu bestimmen.

19. Video

Schreibe die Formel zur Berechnung einer unbekannten Element-Konzentration auf.

19. oben

Die Standardisierung muss mit folgender Matrix-Korrektur korrigiert werden:

✗PHA

✓ZAF

✗cps

Was ist die k-ratio?

✗I(std) / I(probe)

✓I(probe) / I(std)

✗cps(std) / cps(probe)

✓cps(probe) / cps(std)

✓Die Steigung der Kalibrationsgeraden im Standard-Diagramm

Die Konzentration eines Elements in der Probe ist proportional zur Konzentration des Elements im Standard.

✓wahr

✗falsch

4.11 Matrix-Korrektur: ZAF, PAP & φ(ρz) [10:17]

Wird ein Element gemessen, interagiert der ankommende Elektronenstrahl, sowie die entstehende Röntgenstrahlung mit den umgebenden Elementen. Dadurch schwächt und verstärkt sich das Signal des zu messenden Elements. Diese Veränderung durch die umgebende, so genannte Matrix muss korrigiert werden. Das geschieht entweder rein theoretisch, indem die drei Einflussparamter (i) Z: mittlere Atomzahl, (ii) A: Absorption und (iii) F: Sekundäre Fluoreszenz berechnet werden (= ZAF-Korrektur). Alternativ wird eine parametrisierte Funktion verwendet (= φ(ρz)-Funktion), welche experimentell bestimmt wurde (z.B. PAP-Korrektur). Tatsächlich messen wir also k-ratios, welche wir dann über eine Matrix-Korrektur in Konzentrationen umrechnen.

Beschreibe den Einfluss der 3 Faktoren der ZAF Korrektur.

19. oben & Video

Worin unterscheidet die φ(ρz)- von der ZAF-Korrektur?

sehr knapp: ZAF – theoretische, φ(ρz) – experimentell parametrisiert

Matrix bedeutet:

✗Die umgebenden Minerale

✓Die umgebenden Elemente

✗Die umgebenden Komponenten

✗Den Einfluss der Spektrometer-Komponenten

Absorption meint die Absorption von ____ durch die Matrix-Elemente.

✓Röntgenstrahlung

✗Elektronen

✓Fluoreszenz

Röntgensignale können durch Matrix-Effekte sogar verstärkt werden.

✓wahr

✗falsch

4.12 Zählstatistischer Fehler [7:01]

Wenn wir zählen, machen wir meist Fehler. Dieser zählstatistische Fehler wird angegeben mit \(\sqrt{n}\), wobei n die Zahl der gezählten Ereignisse darstellt. Daraus ergibt sich für die Messung von counts ein zählstatistischer Fehler von \(\sqrt{counts}\), bzw. als relativer Fehler \(1/\sqrt{counts}\). Die counts meinen hier alle counts, also cps \(counts imes sec Messzeit\).

Wie lautete die Formel des zählstatistischen Fehlers?

19. oben & Video

Wie verändert sich der relative zählstatische Fehler mit zunehmenden counts?

Er wird immer kleiner, irgendwann ist die Abnahme aber nur noch äußerst gering.

Der relative zählstatische Fehler berechnet sich zu:

✗\(\sqrt{counts}\)

✗\(\sqrt{counts}/1\)

✓\(1/\sqrt{counts}\)

Wie hängen cps und Gesamt-Counts zusammen?

✓\(counts_{ges}=cps imes sec\)

✗\(counts_{ges}=cps / time\)

✓\(counts_{ges}=sec \times cps\)

✗\(counts_{ges}=sec / cps\)

Ab ca. welchen Gesamt-Counts macht es keinen Sinn noch länger zu messen?

✗1 kcts

✗10 kcts

✓100 kcts

✗1000 kcts

4.13 Untergrund (Background) [3:44]

Bei einer Messung wird nicht nur die charakteristische Röntgenstrahlung, sondern auch ein Teil Bremsberg gemessen. Möglicherweise kommt noch etwas Detektor-Rauschen dazu. Diesen Untergrunde – also primär Bremsberg plus evtl. noch Detektor-Rauschen – wird als Untergrund bezeichnet, und muss vom eigentlich Peak der zu messenden Röntgenlinie abgezogen werden. D.h.: \(cps_{peak} = cps_{gemessen} - cps_{background}\)

Was ist der Untergrund?

v

Wie wird der Untergrund bestimmt?

Bg-Bestimmung links und rechts des Peaks und Korrelation dazwischen.

Wie berechnen sich die Counts des Elements, an denen man eigentlich nur interessiert ist?

✗\(counts_{ges}=counts_{peak} - counts_{bg}\)

✓\(counts_{peak}=counts_{ges} - counts_{bg}\)

✗\(cps_{ges}=cps_{peak} - cps_{bg}\)

✓\(cps_{peak}=cps_{ges} - cps_{bg}\)

Für WDS spielt der Untergrund keine große Rolle, da ein Bremsberg nur beim schlecht Aufgelösten EDS auftritt.

✗wahr

✓falsch

Für die Untergrund-Korrektur muss immer ein Untergrund links und rechts des Peaks gewesen werden.

✗wahr

✓falsch

4.14 Nachweisgrenze (detection limit – d.l.) [8:12]

Der Untergrund wie auch der Peak sind vom Detektor-Rauschen überlagert. Ein Peak kann nur als solcher erkannt und gemessen werden, wenn dieser größer ist als das Detektor-Rauschen. Wir definieren einen Peak als messbar, wenn er größer als das Detektor- und größer als das Peak-Rauschen ist. Daraus ergibt sich für die Nachweisgrenze die prinzipielle Formel:

\(d.l. (Gew\%) = c_{i,Std} \times \frac{3 \times \sqrt{2 \times counts}}{I_{i,Std}} \times ZAF\)

Das Detection-Limit wird direkt auf dem Standard mit gemessen, d.h. \(I_{i,Std}\) wird gemessen, \(c_{i,Std}\) ist bekannt, und \(3 \times \sqrt{2 \times counts}\) sind 3 mal der zählstatistische Fehler des Untergrunds sowie des Peaks. Die statistisch etwas ausgefuchstere Formel für die Nachweisgrenze gibt es im Video.

Mit welcher Formel lässt sich die Nachweisgrenze bestimmen?

Dieselbe wie auch zur Bestimmung eines unbekannten Elements. Nur dass statt einer Intensität des unbekannten Elements die Intensität für eine theoretischen Nachweisgrenze eingesetzt wird.

Erkläre mit einem Diagramm, wie die Nachweisgrenze definiert ist.

19. Video

Die Einheit der Nachweisgrenze ist:

✗cps

✓Gew%

✓Gew-ppm

✗Gesamt-Counts

Die Nachweisgrenze ergibt sich aus …

✗… der Zählstatistik

✓… des Rauschens des Peaks

✗… der Höhe des Backgrounds

✓… des Rauschens des Backgrounds

Die Nachweisgrenze kann unabhängig von der Messung z.B. eines Standards bestimmt werden.

✗wahr

✓falsch

4.15 Linienüberlagerungen/Interferenzen [6:46]

Die Energien der Röntgenlinien zweier Elemente können sehr ähnlich sein, da sie entweder nahe beieinander liegen, oder weil die K-Linie des einen Elements eine sehr ähnliche Energie hat wie die L- oder M-Linie eines anderen Elements. Wie auch immer müssen solche Interferenzen genau beachtet werden, um keine falschen Element-Konzentration zu bestimmen.

Wann interferiert die M-Linie eines Elements mit der K-Linie eines zweiten Elements?

Wenn sie dieselben/sehr ähnliche Elektronen-Übergangsenergien haben.

Zeichne ein Diagramm, das die Problematik der Linienüberlagerung zeigt.

19. Video

Interferenzen entstehen durch:

✓Ähnliche Elektronen-Übergangsenergien

✓L- und M-Linien mit ähnlichen keV

✓Eine Überlagerung der Peaks zweier Elemente

✓Unzureichende spektrale Auflösung des Spektrometers

Linienüberlagerungen sind ein Problem für …

✓… die korrekte Bestimmung der Peak-Lage eines Elements

✓… die korrekte Bestimmung der Element-Konzentration

✓… die korrekte Bestimmung des Untergrunds

✓… die korrekte Bestimmung der cps eine Elements

Tauchen Interferenzen auf, müssen andere Linien ausgewählt werden, da dafür nicht korrigiert werden kann.

✗wahr

✓falsch

4.16 Energie-Auflösung & Vergleich der Linienbreiten von EDS & WDS [3:59]

Der wohl mit größte Vorteil von WDS gegenüber EDS ist die um Größenordnungen bessere Auflösung von WDS. Während EDS Röntgenlinien im Bereich von 100er eV auflöst, löst WDS im 10er eV Bereich auf. Allerdings hängt die WDS-Auflösung auch vom verwendeten Kristall, sowie dem Durchmesser des Rowlandkreises ab.

Wovon hängt die Energie-Auflösung beim WDS ab?

Von der Reinheit und Strukturdefekten im Kristall. Ein idealer Kristall könnte die Energie-Auflösung nahe Null bringen, das wäre aber gar nicht wünschenswert, da dann die Einstellung des Peaks schwierig würde.

Zeichne ein Diagramm, das die spektrale Auflösung von EDS mit der spektralen Auflösung von WDS vergleicht.

Die spektrale Auflösung von WDS liegt im Bereich von:

✗10er keV

✓10er eV

✗100er keV

✗100er eV

Die spektrale Auflösung von EDS liegt im Bereich von:

✗10er keV

✗10er eV

✓100er eV

✗100er keV

Um die Interferenz zweier Elemente aufzulösen verwendet man besser:

✗EDS

✓WDS

4.17 Chemical Peak Shift [6:52]

Die Elektronen-Bindungsenergien eines Elements können teils sehr unterschiedlich sein, je nachdem in welchem Mineral sie eingebaut sind. D.h., die, Elektronen-Bindungsenergie eines Elements hängt von der Kristallstruktur, sowie den weiteren Elementen im Kristall ab. Die möglicherweise unterschiedlichen Elektronen-Bindungsenergien verschieben den Peak eines Elements mitunter so dramatisch, sodass möglicherweise auf der Flanke des Peaks, statt auf dem Peak selbst gemessen wird. Dann bestimmt man falsche Element-Konzentrationen.

Erkläre mit Hilfe eines Diagramms die Auswirkung des ›Chemical Peak Shift‹.

19. Video – Diagramm keV vs. Intensität

Erkläre die Ursache für den ›Chemical Peak Shift‹ mit einem Diagramm.

19. Video – Elektronen-Übergangsdiagramm

Der Chemical Peak Shift …

✗… ändert die cps eines Elements

✓… kann zu Linienüberlagerungen führen

✓… ändert die peak-Lage eines Elements

✗… kann zu einer Erhöhung des Backgrounds führen

Wie stark kann sich der Chemical Peak Shift auf die Peak-Lage auswirken (⇾ L-Value einer JEOL-EPMA)?

✗bis zu 0.1 µm

✓bis zu 0.1 mm

✗bis zu 1 µm

✗bis zu 1 mm

Die Elektronen-Übergangsenergien eines Elements sind unabhängig vom Mineral.

✗wahr

✓falsch

4.18 Punkt-Analysen [8:03]

Mit Punkt-Analysen bestimmen wir die Zusammensetzung unserer Probe. Mit EDS schnell und qualitativ, mit WDS etwas langsamer, dafür quantitativ, bzw. mit hoher Genauigkeit. Es gibt bei Punkt-Analysen ein Reihe von Dingen zu beachten, wie z.B. Nachbar-Minerale, Größe der Probe, Spot-Größe, Genauigkeit der Stage, sekundäre Fluoreszenz oder die EOS-Bedingungen. Als Ergebnis erhalten wir Oxid- oder Element-Konzentrationen. Es ist möglich Punkte zu programmieren und z.B. über Nacht laufen zu lassen.

Nenne 3 Parameter, die man bei einer Punkt-Analyse einstellt.

zB: kV, nA, Spot-Size

Wie sollte eine Probe aussehen, um darauf Punkte für über-Nacht Messungen programmieren zu können.

Nicht zu klein, da sonst ein Mess-Punkt evtl. nicht sauber angefahren wird.

Für kleine Minerale braucht man größere Anregungsspannungen.

✗wahr

✓falsch

Wie lange dauert ein typisches WDS-Messprogramm?

✗5 min

✗bis zu 15 min

✓2-3 min

✗dauert nur Sekunden

Wie groß sind typische Spot-Sizes für Punktmessungen?

✗100-200 nm

✓1-2 µm

✗4-5 µm

✗1-2 mm

4.19 Linien-Analysen [4:41]

Mit Linien-Analysen bestimmen wir Konzentrations-Profile über Minerale, Gläser – oder ganz allgemein Phasen. Hier müssen wir ebenfalls eine Reihe von Dingen beachten, zunächst oftmals dieselben wie bei Punkt-Analysen, hinzu müssen wir überlegen welche Schrittweite wir brauchen und wie lange so eine Line dann wohl braucht. Lines können natürlich ebenso wie Punkte vorprogrammiert werden.

Zeichne ein typisches Anwendungsbeispiel für eine Linien-Analyse.

19. Video

Spurenelement können nicht mit Linien-Analysen untersucht werden.

✗wahr

✓falsch

Wie lange dauert eine Linien-Analyse mit EDS?

✗5 min

✗bis zu 15 min

✗2-3 min

✓dauert nur Sekunden

Der Abstand einzelner Punkte einer Linienmessung sollte mindestens …

✗… etwa gleich groß sein wie ein einzelne Punkt-Messung

✓… mind. doppelt so groß sein wie ein einzelne Punkt-Messung

✗… etwa 4x so groß sein wie ein einzelne Punkt-Messung

✓… kommt auf die Anzahl der Messpunkte entlang der Linie an

4.20 Element-Maps [3:09]

Element-Maps sind bei EDS wie auch bei WDS in der Regel qualitativ. Nur sehr selten werden quantitative Grids erstellt. Bei EDS wird für eine Map der Strahl, bei WDS für eine höher Genauigkeit die Probebühne bewegt. Element-Maps können sehr aussagekräftige Übersichten der Elementverteilung in einer Probe geben. Element-Maps brauchen jedoch schnell viele Stunden und sind daher teuer. Werden sei benötigt, lässt man sie gerne z.B. vorprogrammiert über ein Wochenende laufen.

Das Ergebnis von Element maps lässt sich auch als mehrere Text-Dateien exportieren. Würde man diese mit Excel öffnen, erhielte man mehrere große Tabellen, und in jeder Zelle stünde eine Zahl: was bedeuten diese Zahlen?

Jeder Wert repräsentiert die Häufigkeit eines Elements an einer gemessenen x-/y-Koordiante.

Quantitative Element-Maps sind leider grundsätzlich nicht möglich.

✗wahr

✓falsch

Element maps eignen sich als bildgebendes Verfahren um …

✓Mineralphasen darzustellen

✓Zonierungen zu erkennen

✗eine schnelle Phasenanalyse zu machen

✓kleine Phasen zu entdecken

Element Maps werden erstellt indem …

✓… der Elektronen-Strahl über die Probe rastert

✗… die Probe sich unter einem ortsfesten Elektronen-Strahl bewegt

4.21 Proben- und Mess-Vorbereitung [18:24]

Wenn man an ein Gerät geht ist es sehr hilfreich im Vorfeld gut zu überlegen was man messen will, bzw. welche Ergebnisse man möchte, und – die Probe entsprechend vorzubereiten. Diese Sachen können oder sollten am Besten auch mit mir im Vorfeld einmal durchgesprochen werden, bzw. gibt es bei mir eine Checkliste, worauf man achten sollte – hier einmal die Checkliste erklärt in einem Video.

Welche 2 Proben-Arten können standardmäßig in die Mikrosonde eingebaut werden?

Mounts, Dünnschliffe

Notiere mindestens 5 Dinge welche Du beachten solltest, bevor Du an einem Gerät etwas messen willst.

19. oben & Video

Man darf Dominik im Vorfeld bzgl. einer sinnvollen Messstrategie kontaktieren

✓wahr

✗falsch

Wie viele Elemente können an der Mikrosonde gleichzeitig mit WDS gemessen werden?

✗1

✗3

✓5

Um einen Messtermin sollte man sich frühzeitig kümmern.

✓wahr

✗falsch