Techniklexikon

Protonen-induzierte Röntgenspektroskopie

Atom- und MolekülphysikOberflächen- und Grenzflächenphysik, PIXE, Proton Induced X-Ray Emission, spezielle Methode der Fluoreszenz-Röntgenspektroskopie. Dabei werden zur Erzeugung charakteristischer Röntgenstrahlung schwere Teilchen wie Protonen als Projektile an Stelle der sonst üblichen Elektronen verwendet. Es wird die damit erzeugte, für das jeweils untersuchte Element charakteristische Röntgenstrahlung analysiert. Der Wirkungsquerschnitt für die Erzeugung von Löchern in inneren Schalen der Atome ist für Protonen sehr viel grösser als für Elektronen. Deshalb ist die Methode sehr sensitiv zur Elementanalyse einzusetzen. Für die meisten Elemente (ausser sehr leichten Elementen mit Z < 14) können Konzentrationen bis in den Bereich von 10^-9 nachgewiesen werden. Die Energie der verwendeten Protonen liegt im keV-Bereich und ist damit mit relativ kleinen Beschleunigern zugänglich.

Die Nachweisgrenze der Analysemethode ist stark elementabhängig und kann zwischen 100 ppm und 10 ppb schwanken. Im Experiment tritt zudem unterhalb von 10  keV Bremsstrahlung mit einem hochenergetischen »Schwanz« auf. Die Berechnung der Elementkonzentration erfolgt unter Berücksichtigung der Fläche unter einem Peak mittels eines Standards.

Wesentliche Merkmale der Analysemethode sind die einfache Handhabbarkeit der Proben (keine Probenpräparation, es werden nur einige Milligram Probenmaterial benötigt), der zerstörungsfreie Nachweis (Proben stehen nach der Analyse weiterhin zur Verfügung), der simultane Elementnachweis etwa ab dem Element Natrium (mit Scannen des Ionenstrahls können auch Elementmappings angefertigt werden), die hohe Nachweisempfindlichkeit, das »geradlinige« Eindringen des Protonenstrahls in die Probe (keine starke Aufweitung des Strahls in der Probe wie bei Elektronen) und die kurze Analysenzeit (oft weniger als 10 Minuten). In der Analyse ist zu berücksichtigen, dass mit PIXE keine Tiefenverteilungen von Elementen gemessen werden (typische Tiefeninformation 20 mm). Die Abbildung zeigt ein typisches PIXE-Spektrum der keramischen Verbindung SiAlON, die aus natürlichen Produkten hergestellt wurde, die Yttrium (Y) enthalten.

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Protonen-induzierte Röntgenspektroskopie: Typisches PIXE-Spektrum einer keramischen Verbindung aus SiAlON.