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Depth-resolved PIXE analysis with a polycapillary X-ray lens
Lea Reichhart
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Betreuer*in
Robin Golser
DOI
10.25365/thesis.3043
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30269.60019.910863-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Protonen-induzierte Röntgenemissions-Spektroskopie (PIXE) ist eine etablierte Methode zur zerstörungsfreien Elementanalyse. Der PIXE-ART Aufbau bei VERA (Vienna Environmental Research Accelerator) wurde mit Hilfe von Polykapillarlinsen um die Möglichkeit zur Durchführung tiefenaufgelöster Messungen erweitert. Polykapillaren besitzen auf Grund externe Totalreflexion, die bei Röntgenstrahlung beim Übergang von Luft in Materie auftritt, fokussierende Eigenschaften. Es entsteht ein zylinderförmiger Fokusbereich (~100 µm im Durchmesser). Die Taille dieses Nachweisbereiches der Polykapillare, die koaxial mit dem Detektor positioniert wird, schneidet sich mit dem ebenso zylinderförmigen Anregungsvolumen des einfallenden Protonenstrahls (~150 µm im Durchmesser). Dieses Schnittvolumen definiert einen Raumbereich aus dem Röntgenstrahlung detektiert werden kann. Wird nun manuell eine Probe durch diesen Bereich bewegt, erhält man Informationen über die Elementverteilung als Funktion der Tiefe. Im Rahmen der Diplomarbeit wurden drei verschiedene Typen von Polykapillaren verwendet und ihre Eigenschaften charakterisiert. Im speziellen handelte es sich um eine Halblinse, eine Linse und eine Poly-CCC (Polycapillary conic collimator). Das Fokussierverhalten einer Polykapillare und die damit im Zusammenhang stehende Änderung des Detektionsvolumen in Abhängigkeit von der Energie der Röntgenstrahlung, kann durch eine sogenannte Sensitivitätskurve beschrieben werden. Die Kurven resultieren aus gemessenen Tiefenprofilen unterschiedlicher, künstlich hergestellter Foliensandwiches. Diese sind aus µm-dünnen, nur aus einem Element bestehenden Metallfolien aufgebaut. Die aufgenommenen Tiefenprofile folgen beinahe perfekt der Form einer Gaußverteilung (FWHM ~200 µm, ~500 µm, und ~250 µm für Halblinse, Linse und Poly-CCC). Dies erlaubt eine Schwerpunktsbestimmung (und damit Ortsangabe) mit einer Auflösung von nur wenigen µm. Durch die gemessenen Intensitäten in den Tiefenprofilen konnte eine Transmissionskurve für die jeweilige Polykapillare ermittelt werden (maximale Transmission ~4%, ~30%, und ~40% für Halblinse, Linse und Poly-CCC). Diese Werte wurden relativ zu einem zweiten Röntgendetektor bestimmt und sind wie auch alle anderen gemessenen Eigenschaften der Polykapillaren charakteristisch für das bei VERA gegebene Protonenstrahlprofil und Detektorsetup. Bei praktischen Messungen können durch die Positionierung des Detektionsvolumen genau vor der zu untersuchenden Probe die Signale aus der Oberfläche bevorzugt, die aus dem Untergrund stark unterdrückt werden. Im Falle der Poly-CCC, die sehr gute Transmission aufweist, ist das ein großer Gewinn für die Untersuchung wertvoller Zeichnungen. Zusätzlich wurde die externe PIXE-ART Anlage bei VERA auf ihre Genauigkeit überprüft. Dies wurde durch den Vergleich mit der XRF-Anlage an der Akademie der Bildenden Künste in Wien und der PIXE-Anlage am Louvremuseum in Paris erreicht. Gegenstand der Messungen waren kunsthistorische Proben, zum Beispiel Denare aus der Zeit des römischen Kaisers Traian und Münzen aus dem osmanischen Reich. Die ermittelten Elementkonzentrationen stimmen auf 2% oder besser überein.
Abstract
(Englisch)
Proton induced X-ray emission spectroscopy (PIXE) is a well-known non-destructive method for elemental analysis. By extending the established external PIXE-setup at the Vienna Environmental Research Accelerator (VERA) with polycapillary optics, depth resolved measurements could be performed. By means of external total reflection, polycapillaries show focusing abilities for X-rays, most suited for the energy range of some keV. Various capillary-setups were mounted in front of one X-ray detector at VERA. The intersection between the proton beam (about 150 µm in diam.) and the "tube-shaped" detection channel (of the order of 100 µm in diam.) defines a small volume, where X-rays can be detected from. By mechanically moving a target through this intersection, depth-dependent information of elemental composition was evaluated. In the course of the experimental work three different types of polycapillaries have been used. In particular a half-lens, a lens and a Poly-CCC (Polycapillary conic collimator) have been characterized with respect to focusing behavior and other spatial properties as well as transmission features as function of X-ray energy. All these qualities are lumped together in the so called sensitivity curve for each polycapillary in the VERA setup. These curves are the results of depth scans performed with an artificial foil-sandwich, which consists of single element foils. The foil-sandwich is ideally suited to measure the size of the detection volume for each polycapillary as a function of X-ray energy. By analyzing the intensity during the depth scans the transmission of X-rays through the polycapillaries relative to a second detector was determined. The maximum transmission is ~4% for the half-lens, ~30% for the lens and ~40% for the Poly-CCC, respectively. Moreover, the near Gaussian shape of depth scans (FWHM ~200 µm, ~500 µm, and ~250 µm for half-lens, lens and Poly-CCC, respectively) allows centroid analysis with a resolution of a few µm. For real-world samples, an enhancement of the signals from the surface relative to the bulk can be realized by locating the sample surface at the margin of the detection volume. Thus, polycapillaries with high transmission, in particular Poly-CCC are perfectly suited for PIXE analysis of drawings. In addition, the accuracy of the PIXE-ART facility at VERA was verified by comparing results from XRF-measurements at the Academy of Fine Art in Vienna and from PIXE-measurements at the Louvre in Paris. Objects of interest were art historical samples, e.g. coins from the time of the Roman Caesar Traian and from the Ottoman empire. All assessed absolute values of elemental concentrations agree within 2% or better.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
PIXE material analysis X-ray spectroscopy polycapillary
Schlagwörter
(Deutsch)
PIXE Materialanalyse Röntgenspektroskopie Polykapillare
Autor*innen
Lea Reichhart
Haupttitel (Englisch)
Depth-resolved PIXE analysis with a polycapillary X-ray lens
Paralleltitel (Deutsch)
Tiefenaufgelöste PIXE-Analyse mit polykapillaren Röntgenlinsen
Publikationsjahr
2008
Umfangsangabe
VI, 110 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Robin Golser
Klassifikation
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik
AC Nummer
AC07661271
Utheses ID
2651
Studienkennzahl
UA | 411 | | |