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Röntgenfluoreszenzanalyse in der Laborpraxis

1. Aufl.

von: Michael Haschke, Jörg Flock
75,99 €
Verlag:	Wiley-VCH
Format:	PDF
Veröffentl.:	17.02.2017
ISBN/EAN:	9783527808809
Sprache:	deutsch
Anzahl Seiten:	473

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Beschreibungen

Titelbeschreibung

Bereits seit vielen Jahren wird die Röntgenfluoreszenzenzanalyse eingesetzt für die Untersuchung kompakter, homogener Proben wie Metallen oder Gläsern, aber auch für die Analyse pulverförmiger Proben wie etwa geologische Proben, Zement und Eisenlegierungen. In den letzten Jahren haben sich viele neue Applikationsgebiete für diese Methode eröffnet. Im vorliegenden Buch erfolgt zunächst eine kurze Darstellung der physikalischen Zusammenhänge bei der Erzeugung und Wechselwirkung von Röntgenstrahlung in der zu untersuchenden Probe. Dann werden die verschiedenen Methoden der Probenpräparation in Abhängigkeit von der Qualität des Ausgangsmaterials sowie von der analytischen Zielstellung vorgestellt. Nach einer kurzen Beschreibung der verschiedenen Gerätetypen, die in der Röntgenanalytik existieren, und deren Leistungsfähigkeit wird auf die Auswahl optimaler Messbedingungen eingegangen sowie die Aufbereitung der Messdaten erläutert, angefangen von deren Korrektur über die Bestimmung der Intensitäten bis hin zum endgültigen Analysenergebnis, auch unter Berücksichtigung, Vermeidung und Korrektur möglicher auftretender Fehler. Nach einer kurzen Beschreibung der Gefahren einer Schädigung durch Röntgenstrahlung und der Anforderungen zu denen Verhinderung werden die verschiedenen Applikationen der Röntgenfluoreszenz beschrieben.

Inhaltsverzeichnis

Vorwort XIII 1 Einführung 1 2 Grundlagen der Röntgenspektroskopie 7 2.1 Analytische Leistungsfähigkeit 7 2.2 Röntgenstrahlung und derenWechselwirkung 12 2.2.1 Anteile eines Röntgenspektrums 12 2.2.2 Intensität der charakteristischen Strahlung 14 2.2.3 Nomenklatur der Röntgenlinien 16 2.2.4 Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit Materie 17 2.2.5 Erfassung der Röntgenspektren 20 2.3 Die Entwicklung der Röntgenspektroskopie 21 2.4 Durchführung einer Analyse 26 2.4.1 Analysenverfahren 26 2.4.2 Ablauf einer Analyse 27 3 Probenpräparation 31 3.1 Ziele der Probenpräparation 31 3.2 Präparationstechniken 33 3.2.1 Präparationstechniken für feste Proben 33 3.2.2 Ausdringtiefe 33 3.2.3 Kontaminationen 37 3.2.4 Homogenität 38 3.3 Präparation kompakter und homogenerMaterialien 38 3.3.1 Metalle 38 3.3.2 Gläser 40 3.4 Kleinteilige Materialien 41 3.4.1 Mahlen von kleinteiligen Materialien 41 3.4.2 Aufbereitung der Messprobe durch Schüttung 43 3.4.3 Aufbereitung der Messprobe durch Pressen 45 3.4.4 Aufbereitung der Messprobe durch Schmelzaufschluss 48 3.5 Flüssige Proben 54 3.5.1 Direkte Messung von Flüssigkeiten 54 3.5.2 Spezielle Aufbereitungsprozeduren für flüssige Proben 56 3.6 Biologische Materialien 56 3.7 Stäube und Aerosole 57 4 Gerätetypen für die Röntgenfluoreszenzanalyse 59 4.1 Genereller Aufbau eines Röntgenspektrometers 59 4.2 Vergleich von wellenlängen- und energiedispersiven Gerätesystemen 61 4.2.1 Spektrenerfassung 62 4.2.2 Auflösung 63 4.2.3 Zählratenverträglichkeit 68 4.2.4 Lichtstärke 73 4.2.5 Spektrenartefakte 74 4.2.6 Mechanischer Aufwand und Betriebskosten 77 4.3 Geräteklassen 77 4.3.1 Handheld-Geräte 78 4.3.2 Transportable Geräte 80 4.3.3 Energiedispersive Spektrometer 80 4.3.4 Wellenlängendispersive Spektrometer 82 4.3.5 Sonderformen von Röntgenspektrometern 84 4.4 Kommerziell verfügbare Gerätetypen 94 5 Messung und Auswertung von Röntgenspektren 97 5.1 Informationsgehalt der Spektren 97 5.2 Schritte bei der Durchführung der Messungen 100 5.3 Auswahl der Messbedingungen 101 5.3.1 Optimierungskriterien für die Messung 101 5.3.2 Röhrenparameter 101 5.3.3 Röntgenlinie 107 5.4 Bestimmung der Peakintensität 109 5.4.1 Intensitätsangaben 109 5.4.2 Berücksichtigung von Peaküberlagerungen 110 5.4.3 Spektraler Untergrund 112 5.5 Quantifizierungsmodelle 114 5.5.1 Generelle Bemerkungen 114 5.5.2 Konventionelle Kalibiermodelle 116 5.5.3 Fundamentalparametermodelle 119 5.5.4 Hochgenaue Quantifizierung durch Rekonstitution 121 5.5.5 Bewertung einer Analysemethode 122 5.5.6 Vergleich der Quantifizierungsmodelle 125 5.5.7 Verfügbare Referenzmaterialien 127 5.5.8 Erreichbare Genauigkeiten 128 5.6 Schichtcharakterisierungen 131 5.6.1 Generelle Form der Kalibrierkurven 131 5.6.2 Randbedingungen für die Schichtanalytik 133 5.6.3 Quantifizierungsmodelle der Schichtanalytik 135 5.7 Chemometrische Methoden zur Materialcharakterisierung 136 5.7.1 Positive Materialidentifikation durch Spektrenvergleich 137 5.7.2 Phasenanalyse 137 5.8 Erstellung einer Applikation 139 5.8.1 Analyse unbekannter Probenqualitäten 139 5.8.2 Wiederholte Analysen an bekannten Probenqualitäten 140 6 Analysefehler 143 6.1 Generelle Betrachtungen 143 6.1.1 Präzision einer Messung 145 6.1.2 Stabilität einer Messung 147 6.1.3 Präzision und Prozessfähigkeit 148 6.1.4 Richtigkeit des Ergebnisses 150 6.2 Fehlerarten 150 6.2.1 Zufällige Fehler 151 6.2.2 Systematische Fehler 152 6.3 Berücksichtigung systematischer Fehler 153 6.3.1 Konzept der Messunsicherheiten 153 6.3.2 Fehlerfortpflanzung 155 6.3.3 Bestimmung der Messunsicherheiten 155 6.4 Fehlerangaben 158 7 Weitere Elementanalysemethoden 161 7.1 Übersicht 161 7.2 Atomabsorptionsspektroskopie 162 7.3 Optische Emissionsspektroskopie 163 7.3.1 Anregung mit einer Funkenentladung 164 7.3.2 Anregung in einem induktiv gekoppelten Plasma 165 7.4 Massenspektroskopie 166 7.5 Röntgenspektroskopiemit Teilchenanregung 167 7.6 Vergleich der Methoden 168 8 Strahlenschutz 171 8.1 Physikalische Grundlagen 171 8.2 Wirkungen ionisierender Strahlung auf menschliches Gewebe 172 8.3 Natürliche Strahlenbelastungen 174 8.4 Strahlenschutztechnische Regelungen 175 8.4.1 Gesetzliche Regelungen 175 8.4.2 Instrumentelle Strahlenschutzmaßnahmen 176 8.4.3 Strukturelle Strahlenschutzmaßnahmen 178 9 Analyse homogener Festproben 181 9.1 Eisenlegierungen 182 9.1.1 Analytische Aufgabenstellung und Probenpräparation 182 9.1.2 Analyse von Roh- und Gusseisen 182 9.1.3 Analyse von niedriglegiertem Stahl 183 9.1.4 Analyse von hochlegierten Stählen 185 9.2 Nickel-Eisen-Cobalt-Legierungen 187 9.3 Kupferlegierungen 187 9.3.1 Analytische Aufgabenstellung 187 9.3.2 Analyse von kompakten Proben 187 9.3.3 Analyse von gelösten Proben 188 9.4 Aluminiumlegierungen 189 9.5 Sondermetalle 190 9.5.1 Refraktärmetalle 190 9.5.2 Lötlegierungen 192 9.6 Edelmetalle 194 9.6.1 Analyse von Edelmetallschmuck 194 9.6.2 Analyse von Reinstelementen 197 9.7 Gläser 199 9.7.1 Analytische Aufgabenstellung 199 9.7.2 Probenpräparation 200 9.7.3 Messtechnik 202 9.7.4 Erreichbare Genauigkeiten 202 9.8 Kunststoffe 203 9.8.1 Analytische Aufgabenstellung 203 9.8.2 Probenpräparation 204 9.8.3 Eingesetzte Messtechnik 205 9.8.4 Erreichbare Analysegenauigkeiten 205 9.9 Abriebanalyse 206 10 Analyse pulverförmiger Proben 209 10.1 Geologische Proben 209 10.1.1 Analytische Aufgabenstellung 209 10.1.2 Probenpräparation 210 10.1.3 Messtechnik 211 10.1.4 Nachweisgrenzen und Richtigkeit 211 10.2 Erze 212 10.2.1 Analytische Aufgabenstellung 212 10.2.2 Eisenerze 213 10.2.3 Mangan-, Cobalt-, Nickel-, Kupfer-, Zink- und Bleierze 214 10.2.4 Bauxit 215 10.2.5 Erze von Edelmetallen und seltenen Erden 216 10.3 Böden und Klärschlämme 217 10.3.1 Analytische Aufgabenstellung 217 10.3.2 Probenpräparation 218 10.3.3 Messtechnik und analytische Leistungsfähigkeit 219 10.4 Quarzsand 220 10.5 Zement 220 10.5.1 Analytische Aufgabenstellung 220 10.5.2 Probenpräparation 222 10.5.3 Messtechnik 222 10.5.4 Analytische Leistungsfähigkeit 223 10.5.5 Bestimmung von Freikalk in Klinker 224 10.6 Kohle und Koks 225 10.6.1 Analytische Aufgabenstellung 225 10.6.2 Probenpräparation 226 10.6.3 Messtechnik und analytische Leistungsfähigkeit 226 10.7 Ferrolegierungen 227 10.7.1 Analytische Aufgabenstellung 227 10.7.2 Probenpräparation 228 10.7.3 Analysetechnik 232 10.7.4 Analytische Leistungsfähigkeit 232 10.8 Schlacken 232 10.8.1 Analytische Aufgabenstellung 232 10.8.2 Probenpräparation 233 10.8.3 Messtechnik und Analysegenauigkeit 234 10.9 Keramik und Feuerfestmaterialien 235 10.9.1 Analytische Aufgabenstellung 235 10.9.2 Probenpräparation 236 10.9.3 Messtechnik und analytische Leistungsfähigkeit 236 10.10 Stäube 237 10.10.1 Analytische Aufgabenstellung und Staubsammlung 237 10.10.2 Messung 240 10.11 Nahrungsmittel 241 10.11.1 Analytische Aufgabenstellung 241 10.11.2 Überwachung von Tierfutter 242 10.11.3 Kontrolle von Kindernahrung 243 10.12 Pharmaka 243 10.12.1 Analytische Aufgabenstellung 243 10.12.2 Probenpräparation und Analysemethode 244 10.13 Sekundärbrennstoffe 245 10.13.1 Analytische Aufgabenstellung 245 10.13.2 Probenpräparation 246 10.13.3 Gerätetechnik undMessbedingungen 249 10.13.4 Messunsicherheiten bei der Analyse fester Sekundärrohstoffe 250 10.13.5 Messunsicherheiten bei der Analyse flüssiger Sekundärrohstoffe 252 11 Analyse von Flüssigkeiten 253 11.1 Multielementanalyse an Flüssigkeiten 254 11.1.1 Analytische Aufgabenstellung 254 11.1.2 Probenpräparation 254 11.1.3 Messtechnik 254 11.1.4 Quantifizierung 255 11.2 Kraftstoffe und Öle 255 11.2.1 Analyse von toxischen Elementen in Kraftstoffen 256 11.2.2 Bestimmung von Additiven in Schmierölen 259 11.2.3 Bestimmung von Abriebstoffen in gebrauchten Schmierstoffen 260 11.3 Spurenanalytik in Flüssigkeiten 262 11.3.1 Analytische Aufgabenstellung 262 11.3.2 Präparation durch Eintrocknen 262 11.3.3 Quantifizierung 264 11.4 Spezielle Präparation von Flüssigkeitsproben 265 11.4.1 Bestimmung leichter Elemente in Flüssigkeiten 265 11.4.2 Anreicherung durch Absorption und Komplexbildung 266 12 Spurenanalyse mit Totalreflexion 269 12.1 Besonderheiten der Totalreflexionsröntgenfluoreszenz 269 12.2 Probenpräparation für die Totalreflexionsröntgenfluoreszenz 271 12.3 Auswertung der Spektren 273 12.3.1 Spektrenaufbereitung und Quantifizierung 273 12.3.2 Bedingungen für die Vernachlässigung derMatrixwechselwirkung 275 12.3.3 Nachweisgrenzen 277 12.4 Typische Applikationen der TXRF 277 12.4.1 Analyse von wässrigen Lösungen 277 12.4.2 Analyse kleinster Probenmengen 281 12.4.3 Spurenelementanalyse an menschlichen Organen 284 12.4.4 Spurenanalyse von anorganischen und organischen Chemikalien 287 12.4.5 Analysen in der Halbleiterelektronik 288 13 Inhomogene Proben 291 13.1 Messmodi 291 13.2 Gerätetechnische Anforderungen 292 13.3 Datenaufbereitung 294 14 Schichtanalytik 297 14.1 Analytische Aufgabenstellung 297 14.2 Probenbehandlung 298 14.3 Messtechnik 299 14.4 Analysenbeispiele für Schichtsysteme 300 14.4.1 Monoschichten – Emissionsmodus 301 14.4.2 Monoschichten – Absorptionsmodus 304 14.4.3 Monoschichten – Relativmodus 305 14.4.4 Charakterisierung von ultradünnen Schichten 307 14.4.5 Mehrschichtsysteme 308 14.4.6 Proben mit unbekannten Schichtsystemen 310 15 Punktanalysen 317 15.1 Partikelanalyse 317 15.1.1 Analytische Aufgabenstellung 317 15.1.2 Probenpräparation 318 15.1.3 Analysetechnik 318 15.1.4 Applikationsbeispiel – Abriebteilchen in einem Altöl 319 15.2 Chemometrische Identifizierung von Glaspartikeln 320 15.3 Identifizierung von Einschlüssen 322 15.4 Materialidentifizierung mit Handheld-Geräten 323 15.4.1 Analytische Aufgabenstellungen 323 15.4.2 Analysetechnik 324 15.4.3 Probenpräparation 324 15.4.4 Messbedingungen 325 15.4.5 Analysegenauigkeit 325 15.4.6 Applikationsbeispiele 325 15.5 Bestimmung toxischer Elemente in Konsumgütern – Restriction-of-hazardous-substances-Überwachung 328 15.5.1 Analytische Aufgabenstellung 328 15.5.2 Analysetechnik 329 15.5.3 Analysegenauigkeit 332 15.6 Toxische Elemente in Spielzeugen – Spielzeugverordnung 332 15.6.1 Analytische Aufgabenstellung 332 15.6.2 Probenpräparation 333 15.6.3 Analysetechnik 334 16 Analyse von Elementverteilungen 335 16.1 Allgemeine Bemerkungen 335 16.2 Messbedingungen 336 16.3 Geologie 337 16.3.1 Probenqualitäten 337 16.3.2 Probenpräparation und -positionierung 337 16.3.3 Messungen an kompakten Gesteinsproben 338 16.3.4 Phasenanalysen an Gesteinsgemischen 345 16.3.5 Schliffe geologischer Proben 347 16.4 Elektronik 349 16.4.1 Probenpräparation 350 16.4.2 Analyse einer Leiterkarte 350 16.5 Archäometrische Untersuchungen 353 16.5.1 Analytische Fragestellungen 353 16.5.2 Geräteauswahl 355 16.5.3 Untersuchungen vonMünzen 356 16.5.4 Pigmentuntersuchungen von Gemälden 360 16.6 Homogenitätstests 364 16.6.1 Analytische Aufgabenstellung 364 16.6.2 Homogenitätsuntersuchungen durch Verteilungsanalysen 365 16.6.3 Homogenitätsuntersuchungen durch Mehrpunktmessungen 366 17 Spezielle Anwendungen der Röntgenfluoreszenzanalyse 369 17.1 Kombinatorik und High-throughput-Screening 369 17.1.1 High-throughput-Screening 369 17.1.2 Kombinatorik in derWirkstoffentwicklung 370 17.2 Chemometrische Spektrenauswertung 373 17.3 Speziationsanalysen 375 17.3.1 Analytische Aufgabenstellung 375 17.3.2 Gerätetechnik 376 17.3.3 Applikationsbeispiele 376 18 Prozesskontrolle und Automation 381 18.1 Generelle Zielstellungen 381 18.2 Offline- und Atline-Analytik 384 18.2.1 Analytik und Probenbereitstellung 384 18.2.2 Automatisierte Probenpräparation 386 18.3 Inline- und Online-Analytik 390 19 Qualitätsmanagement und Validierung 393 19.1 Motivation 393 19.2 Validierung 394 19.2.1 Kenngrößen 398 19.2.2 Messunsicherheit 398 Anhang A Tabellenwerk 403 Anhang B Koordinaten einiger Lieferanten von Geräten und Präparationsbedarf 429 Referenzen 433 Grundlegende Literatur 433 WichtigeWebseiten 434 Gesetze und Normen, die für die Röntgenfluoreszenz von Bedeutung sind 436 Literatur 442 Stichwortverzeichnis 453

Rezension

"Das Werk ist allen die an RFA- Geräten tätig sind nur zu empfehlen." Dr. Gunter Weißbach, Hochschule Magdeburg-Stendal

Autorenportrait

Dr. Michael Haschke hat sich uber einen Zeitraum von 35 Jahren in verschiedenen Firmen im Produktmanagement mit der Entwicklung und Markteinfuhrung neuer Techniken in der Rontgenfluoreszenz beschaftigt. Das betraf vorwiegend Geratetechnik auf dem Gebiet der energiedispersiven Spektroskopie. Im Rahmen der Markteinfuhrung war dabei immer die Auseinandersetzung mit anderen, mit dieser Methode im Wettbewerb stehenden Analysenmethoden erforderlich. Dr. Haschke ist daher sowohl mit der Methodik wie dem breiten Anwendungsspektrum der Rontgenfluoreszenz vertraut. Dr. Jorg Flock ist als langjahriger Leiter des Zentrallabors der ThyssenKrupp Stahl AG mit vielen verschiedenen Analysemethoden, insbesondere aber auch der Rontgenfluoreszenz vertraut. Er verfugt uber umfangreiche praktische Erfahrungen mit der Methode bei der Analyse einer Vielzahl unterschiedlicher Probenqualitaten.