Pyroelektrische Röntgenquellen zur Materialanalyse

Abstract

Die Nutzung des pyroelektrischen Effekts bietet die Möglichkeit zur Emission und gerichteten Beschleunigung von Elektronen. Dieser Vorgang kann wiederum zur Erzeugung von Röntgenstrahlung genutzt werden. Die vorliegende Arbeit beschreibt experimentelle Grundlagenuntersuchungen zur Auslegung solcher pyroelektrischer Röntgenquellen zur Anwendung im Bereich der Materialanalytik. Anhand von zwei Kristallsystemen (LiTaO3 und LiNbO3) wurde dabei eine systematische Betrachtung wesentlicher Einflussfaktoren auf die Intensität und die Energie der emittierten Röntgenstrahlung durchgeführt. Unter anderem wurden die Auswirkungen der Änderung von Arbeitsdruck, Kristallgeometrie, Targetmaterial und Targetanordnung betrachtet. Die Auswertung erfolgte unter Nutzung energiedispersiver Röntgenspektren sowie der Messungen des Elektronenstroms und der Äquivalenzdosisleistung. Nachfolgend wurden die Möglichkeiten und Grenzen der Nutzung im Bereich der Materialanalytik anhand integraler und lokaler Elementanalysen an verschiedenen metallischen und nichtmetallischen Probenmaterialien experimentell untersucht. Die so erarbeiteten Erkenntnisse zur anwendungsbezogenen Auslegung pyroelektrischer Röntgenquellen wurden für die Entwicklung eines Prototypen als Kombination aus Lichtmikroskop und Gerät zur Röntgenfluoreszenzanalyse genutzt.

The pyroelectric effect can be used for the emission and directional acceleration of electrons. Subsequently this process can be used to generate X-rays. The present work describes experimental investigations for the design of pyroelectric X-ray sources for possible applications in the field of materials analysis. A systematic examination of essential influencing factors on the intensity and energy of the emitted X-rays was carried out using LiTaO3 und LiNbO3 crystals. Working pressure, crystal geometry, target materials, target arrangement and additional factors were taken into account. The evaluation was carried out using energy-dispersive X-ray spectra as well as measurements of the electron current and the equivalent dose rate. In the following, the possibilities and limitations of an application in the field of materials analysis were experimentally investigated. Therefore area and local elemental analyses of various metallic and non-metallic samples were made. The knowledge gained on the application-related design of pyroelectric X-ray sources was used for the development of a prototype as a combination of optical microscopy and a device for X-ray fluorescence analysis.