EDX-Spektrensimulation

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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 - SpektrensimulationEinleitung

• 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 Bremsstrahlungsverte
  ilung 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 - SpektrensimulationPrinzip

• 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 - SpektrensimulationPrinzip

• 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 - SpektrensimulationPrinzip

• 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 - SpektrensimulationAnwendung

• Experimentoptimierung vor der Messung Eo

15 keV
20 keV
25 keV
30 keV
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EDX - SpektrensimulationAnwendung

• Verifizierung Anregung der Linien (Eo)

Anregung der Au-L Linien (Unterschalen)
bei verschiedenen Eo
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EDX - SpektrensimulationAnwendung

• Experimentoptimierung / Verifizierung Kippwinkel

AuAg-Legierung Eo 15 keV tilt
-30o...30o
Simulation Absorptionseffekte - unregelm.
Oberfl. - Probenrauhigkeit - Partikel
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EDX - SpektrensimulationAnwendung

• Experimentoptimierung Einfluss der
  Detektor-Auflösung

AuAg-Legierung 125 eV vs. 165 eV
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EDX - SpektrensimulationAnwendung

• Verifizierung möglicher Überlagerungsprobleme

5 Pd in Pb
mit/ohne Pd
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EDX - SpektrensimulationAnwendung

• Element-Identifizierung (Verifizierung
  unbekannter Peaks)

Si in der Probe ?
...mit Escape
... ohne Escape
Nein !
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EDX - SpektrensimulationAnwendung

• Elementidentifizierung (Vergleich mit
  Messspektrum)

Spektrum mit Ba
...gemessenes Spektrum
...simuliertes Spektrum

• weitere Elemente ?
• Datenbasis verbessern ?

Vergleich !
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EDX - SpektrensimulationAnwendung

• Schulung (Simulation des Messprozesses)

15s Messzeit 2000 cps
Messung fertig ...
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EDX - SpektrensimulationNachweisgrenzen

• 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 !
Nachweisgrenze NDL
Signifikanzgrenze NS
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EDX - SpektrensimulationNachweisgrenzen

• Nachweisgrenzen eines Elementes in verschiedenen
  Proben

MDL für Pd in Te
M L K
MDL für Pd in Au
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EDX - SpektrensimulationNachweisgrenzen

• Nachweisgrenzen bei variierenden Bedingungen

Al in Cu
M L K
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EDX - SpektrensimulationNachweisgrenzen

• 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
2
3
Al 1
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EDX - SpektrensimulationNachweisgrenzen

• 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 - SpektrensimulationZusammenfassung

• 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-Identifizi
erung) ? Berechnung des Vergleichsspektrums nach
quantitativer Auswertung zur Kontrolle der
Zuverlässigkeit des ermittelten Analysenergebnis