Entwicklung und Validierung von Ansätzen zur Quantifizierung der 3D Mikro-Röntgenfluoreszenzspektroskopie für Synchrotron- und Röntgenstrahlung
Final Report Abstract
Ausgangslage für das Projekt war der Beweis, dass eine dreidimensionale Mikro-Röntgenfluoreszenzspektroskopie sowohl am Synchrotron als auch im Labor mit einer Röntgenröhre durchführbar ist. Die Arbeitsgruppe war eine der Ersten, die beide Aufbauten realisiert hat. Demnach waren keinerlei vorherige Arbeiten dazu vorhanden. In dem Projekt entstand eine quantitative Auswertung für tiefensensitive Messungen mittels 3D Mikro-Röntgenfluoreszenzspektroskopie (3D Mikro-RFA) mit monochromatischer Anregung an Schichtmaterialien. Dafür wurden eine experimentelle Kalibrierungsprozedur und ein Rekonstruktionsalgorithmus entwickelt und anhand von Referenzmaterialien validiert. Sie ermöglichen die zerstörungsfreie Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und der Dicke von Schichten in Schichtstrukturen im Mikrometerbereich. Die Unsicherheiten der berechneten Konzentrationen liegen im gleichen Bereich von 20-30 %. Höhere Unsicherheiten bis zu 75 % treten für Spurenelemente auf oder in Fällen bei denen die Selbstabsorption der Fluoreszenzstrahlung sehr stark ist. Die bestimmten Schichtdicken stimmen im Rahmen der Streuung von ca. ± 10 % mit der Charakterisierung durch Lichtmikroskopie überein. Damit steht nun eine analytische Methode zur Verfügung, mit der im Mikrometerbereich Schichtmaterialien untersucht werden können, die eine zerstörungsfreie Analytik unbedingt erfordern, wie zum Beispiel Malschichten, biologische Proben oder auch funktionale Schichten. Diese Methode ermöglicht darüber hinaus gezielte Bestimmungen von Elementkonzentrationen in einer vorgegebenen Tiefe vorzunehmen. Ihre Leistungsfähigkeit wurde schon an Glaskorrosionsschichten und Autolacken gezeigt. Die entwickelte Quantifizierung gilt zurzeit für eine monochromatische Anregung mit Röntgenstrahlung. Sie soll auf den Fall einer polychromatischen Anregung übertragen werden, damit auch mit Laborspektrometern tiefensensitive, quantitative Untersuchungen möglich werden. Grundlegende experimentelle Charakterisierungen der Energieabhängigkeit des Untersuchungsvolumens wurden in dem Projekt bereits durchgeführt. Der Aufbau eines verbesserten Laborspektrometers, mit dem Tiefenauflösungen von 10-30 μm erzielt werden sollten, konnte nicht realisiert werden. Die gelieferte Mikrofokusröhre entsprach nicht ihren Spezifikationen. Stattdessen wurde der konfokale Aufbau auf Protonenanregung übertragen und konnte erfolgreich für erste, tiefensensitive Messungen an archäometrischen Proben eingesetzt werden. Damit ist ein Weg aufgezeigt worden eine 3D Mikro-PIXE zu schaffen. Für die Validierung der Quantifizierung wurde in Kooperation mit Prof. Carla Vogt (Institut für Anorganische Chemie, Universität Hannover) ein adäquates, geschichtetes Referenzmaterial entwickelt, das in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Carla Vogt hergestellt und charakterisiert worden ist. Ein solches Referenzmaterial war weder bei staatlichen Institutionen, die für zertifizierte Referenzmaterialien zuständig sind, noch bei Firmen, die Referenzmaterialien vertreiben, erhältlich. Dieses Schicht-Referenzmaterial wird nicht nur für die weiteren Arbeiten zur röhrengestützten 3D-Mikro RFA in meiner, sowie in weiteren sich mit diesem Thema befassenden Forschungsgruppen von großem Nutzen sein, sondern auch für die Entwicklung der Quantifizierung für die 3D Mikro-PIXE.
