Logo PTB
Symbolbild "Zeitschriften"

Scofields Theorie bestätigt

Messung partieller Photoionisationsquerschnitte macht röntgenanalytische Laboruntersuchungen zuverlässiger

PTB-News 3.2015
01.10.2015
Besonders interessant für

zerstörungsfreie Materialanalytik

Prozesskontrolle

Hersteller von röntgenanalytischen Laborgeräten

Validierung atomphysikalischer Modelle

Durch verbesserte Messverfahren ist es PTB-Mitarbeitern aus dem Bereich Spektrometrie mit Synchrotronstrahlung in Kooperation mit Industriepartnern gelungen, die bisher lediglich durch theoretische Berechnungen vorhergesagte unterschiedliche Energieabhängigkeit von partiellen Photoionisationsquerschnitten experimentell zu bestätigen. Damit ist der insbesondere bei der Röntgenfluoreszenzanalyse oft verwendete Quantifizierungsansatz eines energieunabhängigen Verhältnisses der partiellen Querschnitte widerlegt. 

Vergleich verschiedener Daten für die partiellen Photoionisationsquerschnitte der Pd-Unterschale. Der Ansatz eines energieunabhängigen Verhältnisses (rot) weist Abweichungen bis zu einem Faktor 4 auf.

Bei Materialanalysen im Labor wird oft Röntgenfluoreszenanalyse (RFA) eingesetzt, um zerstörungsfrei den Gesamtgehalt an bestimmten Elementen oder die Massenbelegungen zu messen. Dabei wird aus der Intensität elementspezifischer Röntgenfluoreszenzlinien auf den Gehalt an Elementen geschlossen. Um diesen Gehalt quantitativ anzugeben, wird der 1955 aufgestellte Fundamentalparameteransatz von Sherman verwendet. Darin beschreiben atomare Fundamentalparameter wie Photoionisationsquerschnitte und Fluoreszenzausbeuten die Wahrscheinlichkeiten für die Röntgenanregung und den Röntgenfluoreszenzerfall bei der Wechselwirkung mit Materie.

Der partielle Photoionisationsquerschnitt gibt die Wahrscheinlichkeit für die Anregung eines Elektrons aus einer bestimmten Unterschale an. Um zu beschreiben, wie die Querschnitte für verschiedene Unterschalen von der Energie der anregenden Röntgenphotonen abhängen, gibt es zwei unterschiedliche Ansätze. Zur Vereinfachung wird häufig der Ansatz gewählt, das Verhältnis der Querschnitte für verschiedene Unterschalen als konstant anzunehmen. Atomphysikalische Modellberechnungen von Scofield hatten allerdings bereits in den 1970er Jahren vorhergesagt, dass dies bei Unterschalen mit Orbitalen unterschiedlicher Symmetrie nicht stimmt, sondern dass sich hier das Verhältnis mit der anregenden Photonenenergie ändert.

Im PTB-Laboratorium am Elektronenspeicherring BESSY II ist es durch den Einsatz radiometrisch kalibrierter RFA-Instrumentierung erstmals gelungen, diese vorhergesagte Energieabhängigkeit auch experimentell nachzuweisen. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass für eine zuverlässige Elementanalyse mit geringen Unsicherheiten die unterschiedlichen Energieabhängigkeiten berücksichtigt werden müssen.

Ansprechpartner

Philipp Hönicke
Fachbereich 7.2 Kryophysik und Spektrometrie
Telefon: (030) 3481-7174
E-Mail: philipp.hoenicke(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

P. Hönicke, M. Kolbe, M. Müller, M. Mantler, M. Krämer, B. Beckhoff: Experimental verification of the individual energy dependencies of the partial L-shell photoionization cross sections of Pd and Mo. Physical Review Letters 113, 163001 (2014)