Messung von Folien oder Bändern aus Materialien mit niedriger Ordnungszahl:
(Papier, Filze, Plastikfolien...) mithilfe von Compton Backscatter

Seit über 12 Jahren werden in der Zellstoff- und Papierindustrie Messeinheiten eingesetzt, die mit der Compton-Rückstreuung der Gammastrahlung einer Am-241-Quelle arbeiten (ca. 60 keV).

Hierbei befindet sich eine starke Am-241-Quelle in einer Abschirmung im Zentrum eines NaJ-Szintillationsdetektors, der die vom Objekt rückgestreuten Photonen zählt. Die Anzahl der Compton-Rückgestreuten Photonen ist in erster Näherung linear mit der Massenbelegung der Folien, Filze oder anderer Materialien.

Nachteile der Verwendung von Am-241:

• Um ausreichend hohe Zählraten zu bekommen, muß eine starke Quelle verwendet werden. Dadurch wird jedoch gleichzeitig der Durchmesser der Am-241-Quelle größer und somit ist das Auflösungsvermögen begrenzt (ca. 9 mm Durchmesser)
• Am-241 Strahler haben zwar eine sehr lange Halbwertszeit, aber aus sicherheitstechnischen Gründen (Dichtigkeit der Verkapselung) muß die Quelle nach 10 Jahren ausgetauscht werden und dies führt zu teuren Entsorgungskosten.
• Die Auflagen für die Lagerung und den Transport radioaktiver Strahler werden immer strenger. Es ist daher nicht ohne Probleme möglich, ein Meßsystem mit Am-241 zu transportieren.
• Gefahr einer radioaktiven Kontamination bei Zerstörung der Quelle.

Einsatz einer Miniröntgenröhre als Ersatz für Am-241 im Compton-Backscatter Verfahren zur Messung von dünnen Schichten und Folien:

Die erwähnten Nachteile einer Am-241-Quelle können durch die Verwendung einer Röntgenröhre vermieden werden. Bisher war jedoch der Einsatz von Röntgenröhren im Industriebereich durch den Aufbau der Röntgenröhre eingeschränkt:

• Die Lebensdauer der Röntgenröhren ist vor allem durch das Filament (Glühwendel als Kathode) begrenzt (Glühdraht hat begrenzte Lebensdauer, Ausgasen des Filaments verschlechtert das Vakuum - dies führt zu Überschlägen). Meist liegt die Lebensdauer bei 5000 bis 10000 Stunden.
• Hohe Wärmeentwicklung des Filaments führt zu Problemen bei der Kühlung. Zudem wird eine hohe Stromstärke benötigt.
• Das glühende Filament ist sehr erschütterungsempfindlich. Dies kann bei Vibrationen während der Messung zu Schwankungen der Zählrate und sogar zur Zerstörung der Röhre führen.
• Der hohe Stromverbrauch, sowie Gewicht und Abmessungen der Hochspannungeinheit, erschwert die Entwicklung eines transportablen Gerätes und den Austausch vorhandener Nuklideinheiten in traversierenden Anlagen.

Durch den Einsatz einer speziell entwickelten Kathode ist es nun möglich, diese Probleme zu weitgehend zu reduzieren.

Die von Oxford Instruments entwickelte Röhre hat aufgrund dieser Technik eine sehr lange Lebensdauer und sehr kleine Wärmeentwicklung. Die Hochspannungserzeugung (30 kV, 0,1 mA) ist zusammen mit der Röhre in einem Gehäuse mit den Abmessungen 6,6”x1,5” (16,8 x 3,8 cm) eingebaut.

Siehe hierzu das Datenblatt E3.PDF

Die in der Eclipse eingesetze Röntgenröhre wird bereits seit einigen Jahren erfolgreich in einem tragbaren Röntgenfluoreszenzgerät eingesetzt (Horizon600.pdf).
Langzeitversuche bringen hervorragende Ergebnisse für Langlebigkeit und Langzeitstabilität auch bei Dauereinsatz.

Die Vorteile des Messsystems mit Kaltkathodenröhre (Ag-Transmission-Röhre):

• Kleine Abmessungen, geringer Stromverbrauch und geringe Wärmeentwicklung ermöglichen eine kompakte Bauweise für Online-Messung oder Handgerät.
• Die Energie der Strahlung kann optimal auf die Messaufgabe durch Änderung der Hochspannung und der Filterung angepaßt werden. Durch einfache Regelung der Strahlintensität (Anodenstrom) kann die Zählrate bei verschiedenen Schichtdicken an den optimalen Arbeitspunkt der Detektoren, die gewünschte statistische Genauigkeit oder Messgeschwindigkeit angepaßt werden.
• Die Kollimation des Strahls ermöglicht hohe Ortsauflösung (punkt- oder strichförmig) oder eine gute Mittelung über eine größere Fläche bei sehr inhomogenen Materialien.
• Die - verglichen mit Am-241 - niedrigere Photonenenergie (ca. 22 keV) liefert einen höheren Rückstreuanteil und ermöglicht die Verwendung von Halbleiterdetektoren, wodurch der Messkopf sehr kompakt aufgebaut werden kann. Die niedrigere Energie ist zudem leichter abzuschirmen.