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EDX-Spektrensimulation
Optimierung der Messbedingungen und Berechnung von Nachweisgrenzen in der ESMA F. Eggert, Röntgenanalytik Apparatebau GmbH, Berlin Einleitung Theorie der Simulation eines kompletten Spektrums Anwendungen der Spektrensimulation Berechnung der Nachweisgrenzen mit Spektrensimulation Zusammenfassung
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EDX - Spektrensimulation Einleitung
Die standardfreie Auswertung gemessener Spektren ist eine etablierte Methode in der Elektronenstrahlmikroanalyse mit dem EDX im Rasterelektronenmikroskop Neue Entwicklungen gestatten eine komplette Berechnung des zu erwartenden Messspektrums in Abhängigkeit der analytischen Bedingungen (Spektrensimulation). Grundlage dafür sind: - genaue Kenntnisse über alle Röntgenlinien der Elemente und über andere Atomdaten - Kenntnis der absoluten Wirkungsquerschnitte der charakteristischen Strahlung und auch der Bremsstrahlung - Berechnung von Anregung und Absorption der Röntgenstrahlung in der Probe (charakteristische Strahlung und Bremsstrahlung) - Berechnung der kompletten Bremsstrahlungsverteilung als Spektrenuntergrund und Simulation anderer Untergrundkomponenten - Simulation des Einflusses von Detektorauflösung und Impulsstatistik auf das Messspektrum Inhalt des Vortrags ist, den Nutzen der Spektrensimulation für die tägliche analytische Praxis am Elektronenmikroskop zu zeigen
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EDX - Spektrensimulation Prinzip
Theorie der Simulation Das Verhältnis der emittierten Zahl charakteristischer Röntgen-Quanten zur Zahl der emittierten Bremsstrahlungsquanten gleicher Energie (in einem Energieintervall) ist bekannt. Die Bremsstrahlungsverteilung muss für jeden Kanal unter Berücksichtigung der Selbst-Absorption Albr und Detektor-Absorption l in der Probe berechnet werden. Massenschwächungskoeffizienten (µ/) = f (Z , E) Absorptionssprünge - (µ/)- Diskontinuitäten bei EC X Lifshin empirisches 2.Glied Kramers l ist der Index des laufenden Kanals im Spektrum
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EDX - Spektrensimulation Prinzip
Theorie der Simulation + alle Linien- und Schalenenergien relative Emissionsraten innerhalb einer Schale Anregung der Unterschalen Fluoreszenzausbeuten Coster-Kronig-Übergänge Bremsstrahlung + Linien Escape + Artefacts (ICC) Stochastik (Noise) ____________________ = Simuliertes Spektrum (2000 cps, 3 Minuten)
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EDX - Spektrensimulation Prinzip
Atomdatenbibliothek (Datenbank) Um die Simulation praktikabel ausführen zu können, ist eine Atomdatenbiblio-thek mit relativ schnellem Zugriff auf alle Elementdaten notwendig: Die Richtigkeit der Atomdatensammlung ist entscheidend für die Qualität der Simulation!
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EDX - Spektrensimulation Anwendung
Experimentoptimierung vor der Messung: Eo 15 keV 20 keV 25 keV 30 keV
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EDX - Spektrensimulation Anwendung
Verifizierung: Anregung der Linien (Eo) Anregung der Au-L Linien (Unterschalen) bei verschiedenen Eo
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EDX - Spektrensimulation Anwendung
Experimentoptimierung / Verifizierung: Kippwinkel AuAg-Legierung Eo: 15 keV tilt: -30o...+30o Simulation Absorptionseffekte: - unregelm. Oberfl. - Probenrauhigkeit - Partikel
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EDX - Spektrensimulation Anwendung
Experimentoptimierung: Einfluss der Detektor-Auflösung AuAg-Legierung: 125 eV vs. 165 eV
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EDX - Spektrensimulation Anwendung
Verifizierung möglicher Überlagerungsprobleme 5% Pd in Pb mit/ohne Pd
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EDX - Spektrensimulation Anwendung
Element-Identifizierung (Verifizierung unbekannter Peaks) Si in der Probe ? ...mit Escape ... ohne Escape Nein !
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EDX - Spektrensimulation Anwendung
Elementidentifizierung (Vergleich mit Messspektrum) Spektrum mit Ba ...gemessenes Spektrum ...simuliertes Spektrum weitere Elemente ? Datenbasis verbessern ? Vergleich !
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EDX - Spektrensimulation Anwendung
Schulung (Simulation des Messprozesses) 15s Messzeit 2000 cps „Messung“ fertig ...
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EDX - Spektrensimulation Nachweisgrenzen
Berechnung von Nachweisgrenzen Immer wieder stellt sich die Frage, ob ein Element in der Probe mit einer erwarteten Konzentration überhaupt nachweisbar ist. Wenn das Element nachweisbar ist ... Wie muss man die Messbedingungen optimieren und wie lange sollte man messen? Basis der Berechnung ist das Signal über dem Untergrund ( P/U-Verhältnis) ... mit Spektrensimulation möglich ! Signifikanzgrenze NS Nachweisgrenze NDL
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EDX - Spektrensimulation Nachweisgrenzen
Nachweisgrenzen eines Elementes in verschiedenen Proben MDL für Pd in Te M L K MDL für Pd in Au
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EDX - Spektrensimulation Nachweisgrenzen
Nachweisgrenzen bei variierenden Bedingungen Al in Cu M L K
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EDX - Spektrensimulation Nachweisgrenzen
Simulation von Messungen bei der Nachweisgrenze MDL = 0.2 % Element signifikant vorhanden ! Konzentration aber unter der Nachweisgrenze ! Geht das ... ? Ja Glück gehabt ! Al: 0.15 % Al: 0.3 % #1 #3 #2 Al: 1 %
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EDX - Spektrensimulation Nachweisgrenzen
Simulation Messung / Nachweisgrenze = f (Messzeit) 5 s: MDL = 1.8% 10 s: MDL = 1.3% 20 s: MDL = 0.9 % nachweisbar ! 50 s: MDL = 0.6 % 100 s: MDL = 0.4 % 2000 cps 1% Zr in Sn ?
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EDX - Spektrensimulation Zusammenfassung
Mit einem standardfreien ESMA-Modellsystem ist es möglich, das von der Probe emittierte Röntgenspektrum vollständig zu berechnen. Die Spekrensimulation ist für ein besseres Verständnis der gemessenen Spektren und deren Interpretation sehr nützlich. Mit einer Spektrensimulation können die komplexen Effekte der Anregungs- und Absorptionsprozesse sehr anschaulich dargestellt werden (Schulung, Training, …) Es können verschiedene Experimentsituationen simuliert und damit vor den eigentlichen Messungen schon optimiert werden. Mit einer Spektrensimulation können die zu erwartenden Nachweisgrenzen abgeschätzt und Effekte der Impulsstatistik verifiziert werden. Ausblick: Einsatz der Spektrensimulation für die interaktive qualitative Analyse (Verdrängung der einfachen Linienmarken-Identifizierung) Berechnung des Vergleichsspektrums nach quantitativer Auswertung zur Kontrolle der Zuverlässigkeit des ermittelten Analysenergebnis
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