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Der Nutzeffekt der Rntgen-K-Fluoreszenzstrahlung bei leichten Elementen.

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M.Haas. Nutzeffeekt d. Rontgen-K-Flwreszenzstrahlungusw. 473
D e r Nzctwflvkt d e r Rontgen-X-Fluoresxenxstrahlzcng &e4 leichten Elementem 1)
Von B a r t 4 n H a a s
(Mit 4 Figuren)
Es ist bekannt, daB der Nutzeffekt der Rontgenfluoreszenzstrahlung (Verhaltnis der Zahl der angeregten Atome zur Zahl
der emittierenden Atome) kleiner als 1 it!. Bei primker Anregung etwa in der K-Schale wird beim Ubergang eines Elektrons BUS einer hoheren Bahn nur von einem Teil der Atome
die freiwerdende Energie in..Form von Strahlung emittiert;
bei den ubrigen findet der Ubergang strahlungslos statt und
die Energie wird zur Emission eines ,,Photoelektrons 2. Art"
ver w endet.
Eine experimentelle Bestimmung des Nutzeffekts ist prinzipicll von zwei verschiedenen Seiten aus moglich. Man kann,
bezogen auf die Gesamtzahl angeregter Atome, entweder die
Anzahl Photoelektronen 2. Art oder die Szlzahl emittierter
Quanten der Fluoreszenzstrahlung bestimmen. Eine direkte
Bestimmung der Elektronenausbeute hat A u g e r mit Hilfe
W i l s o n scher Nebelkammeraufnahmen ausgefuhrt; bei dem
statistischen Charakter der Methode ki5nnen die Ergebnisse
eben nicht Anspruch auf gr6Sere Genauigkeit machen.
Zuverlassiger ist eine indirekte Bestimmung der Elektronenzahl aus ihrer Ionisierungswirkung, wie dies S a d l e r 3), spater
B r a g g und Porter*), B a r k l a und Thomas5) sowie in letzter
Zeit St o c km eyers) ausgefuhrt haben.
Messungen nach der zweiten Methode -- Bestimmung der
lntensitat der emittierten Fluoreszenzstrahlung - sind zuerst
von Sadler3) ausgefuhrt worden. Seine Ergebnisse haben
jedoch infolge verschiedener Fehlerquellen (Elektronenemission
der Ionisationskammerwand, sowie Annahme der Absorptionskoeffizienten), auf die Gloc k e r 7 hingewiesen hat, geringere
1) Dissertation der Technischen Hochschule Miinchen.
2) P. Anger, Compt. rend. 1W. S. 65. 1925.
3) C. A. S s d l e r , Phil. Mag. 18. S. 107. 1909.
4) W. A. B r a g g n . H. L. P o r t e r , Proc. Roy. SOC.A.86. S. 349.1911.
5) C.B. B a r k l a , Phil. Trans. 211. S. 315. 1918.
6) W. S t o c k m e y e r , Ann. d. Pbys. [5] 12. S. 71. 1932.
7) R. G l o c k e r , Phys. Ztschr. 17. S. 488. 1916.
Annalen der Physik. 5. Folge. 16.
31
474
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 16. 1932
Bedeutung. Nach der gleichen Methode sind spater Untersuchungen durchgefiihrt worden von Martin'), Ha rms 2 ) ,B a l d e r s t o n 3 ) sowie in neuerer Zeit schlieBlich von Compton.")
Die Ergebnisse dieser Arbeiten sind, soweit sie zahlenmaBig zuverlassig erscheinen, weiter unten in Fig. 4 znsammengestellt. Wie daraus ersichtlich ist, erstrecken sie sich fast
ausschlieBlich auf Elemente mittlerer Ordnungszahlen und zeigen,
daB der Nutzeffekt gegen leichtere Elemente abnimmt. Eine,
wie oben erwahnt, allerdings nicht sehr genaue Messung von
Auge r 5) an Argon 151Bt vermuten, daB der Abfall in dem
bisher noch nicht nkiher untersuchten Gebiet steil und daB
bei den leichtesten Elementen der Nutzeffekt nur noch auberst
gering ist.
Es ist deshalb yon Interesse, weitere Messungen in diesem
Gebiet auszufuhren. Von den erwahnten beiden Methoden ist
die Messung der Elektronenausbeute hier ungeeignet, da sich
die husbeute a n Pluoreszenzstrahlung daraus nur dann mit
ausreichender Genauigkeit ergibt, wenn sie relativ grog ist.
E s ist also die direkte Bestimmung der Intensitat der Fluoreszenzstrahlung vorzuziehen.
I. Versuchsanordnung und Meamethode
1. A l l g e m e i n e s
Das Prinzip der Messung war folgendes: Man bestimmt
ionometrisch die Intensitat der Primarstrahlung; bringt dann
in deren Strahlengang den Fluoreszenzkorper und miBt in
geeigneter Richtung die Fluoreszenzstrahlungsintensitat, ebenfalls durch Ionisation. Beide Intensitaten werden dann unter
noch anzugebenden Bedingungen zueinander in Beziehung
gebracht.
Als Primarstrahlung wurde monochromatische Strahlung
verwendet, und zwar wurde aus Intensitatsgriinden mit geeigneten Spektrallinien verschiedener Antikathodenmaterialien
gearbeitet, die durch Kristallreflexion aus dem Spektrum ausgesondert wurden.
Hierfiir wurde ein im Institut vorhandenes Vakuumionisationsspektrometer verwendet, das bereits von K u l e n k a m p f f
und W o e r n l e s ) beschrieben ist. I n Fig. 1 ist dieses nur
1) L. H. Martin, Proe. Roy. Soc. A. 115. 6. 420. 1927.
2) M. J. Harms, Ann. d. Phys. 82. S. 111. 1927.
3) M. B a l d e r s t o n , Phys. Rev. 27. S. 696. 1926.
4) A. H. Compton, Phil. Mag. 8. S.961. 1929.
5) P. A u g e r , Compt. rend. 160. S.68. 1925.
6) H. K u l e n k a m p f f u. B. W o e r n l e , Phys. Ztschr. 30. S. 551. 1929.
M . Ham. Nutxeffekt d. Rorztgen K-Fluoresxenxstrahlurzgusw. 475
schematisch dargestellt. Die Rontgenrohre R ist im Innern
des Vakuumtopfes angeordnet. Sie wurde mit Wechselspannung
von 10 kVeff. ohne besondere Gleichrichtung betrieben. Die
Kathode K der Rohre ist geerdet, die von oben her isoliert
eingefiihrte Antikathode A K lag an Hochspannung, parallel
dazu die Wasserkuhlung, die infolge des grogen Widerstandes
(lange Glasrohren) die angegebenen Rohrenbelastungen wenig
beeinfluBte. Rohre und Vakuumtopf standen iiber einen bei
der eigentlichen Messung unbedeckten Spalt S , miteinander in
Verbindung und lagen an je einer Diffusionspumpe.
Das vom Rohrenspalt kommende Strahlenbundel fallt auf
den in Reflexionsstellung befindlichen Kristall (Gips) und von
dort in das im folgenden beschriebene lonisationskammersystem.
2. 10n i s a t i o n s kamme rn
An das Spektrometer schloB sich uber einen Metallschliff
ein groBer Messingzylinder M an, welcher zur Messung von
Primar- bzw. Sekundiirintensitit 3 Ionisationskammern
enthiilt. Die Bauart dieses
Zylinders ist aus Fig. 1 ersichtlich (Horizontalschnitt).
Das primare, vom Spektrometer kommende, strichformige
Strahlenbiindel (15 x 0,7 mm)
tritt durch einen mit Aluminiumfolie oder Cellophan bedeckten Spalt S, aus, durchlauft eine kurze Gasstrecke
und fallt dann entweder in
Kammer K , zur Messung der
Primarintensitat oder auf den
Fluoreszenzstrahler FZ. Die
Kammer K , besteht am einem
Messingrohr und hat eine nutzbare Lange von 61 mm. Die
von der Riickwand mit BernFig. 1. Versuchsanordnung
stein isoliert eingefuhrte Me6elektrode (0,6 mm Cu-Draht) ist etwa 5 mni exzentrisch in der
Kammer angebracht, um den Strahlengang nicht zu beinflussen.
Zur Messung der Intensitat der Fluoreszenzstrahlung sind
beiderseits von F1, also im rechten Winkel gegen die Primarrichtung, zwei kegelformige Ionisationskammern K 2 und K , angebracht. Bei dieser Konstruktion war urspriinglich beabsichtigt,
31*
476
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 16. 1932
den Elluoreszenzstrahler keilformig (mit schneidenartiger Kante
gegen den einfallenden Strahl hin) zu gestalten und die Fluoreszenzintensitat nach beiden Seiten zu messen. Es erwies
sich aber spater als zweckmafiiger, nur eine Fliche des Fluoreszenzstrahlers zu bestrahlen, also nur mit einer der beiden
Kammern zu messen und die zweite Kammer zur Kompensation
der unvermeidlichen Leerlauf-Ionisatiousstrome zu verwenden.
Dies lie8 sich weitgehend erreichen, da beide Kammern vollkommen gleich gebaut sind.
Sie bestehen aus Aluminium und sind an der Vorderseite
durch ein feines Drahtnetz (Cu-Draht von 30 ,LL Durchmesser,
Maschenweite 1 mm), an der Buckseite durch eine Kugelschale
begrenzt. Die MeBelektrode im Inneren der Kammer ist stabformig ausgebildet (0,5 mm Messing) und befindet sich genau
in der Kegelachse. Uas Ende dieser Elektrode hat vom Begrenzungsdrahtnetz einen Abstand von 10 mm, am anderen
Kammerende befindet sich eine Bernsteindurchfuhrung, durch
welche diese Elektrode leitend (elektrostatisch geschiitzt) mit
dem Elektrometer in Verbindung steht. Die Wandung der
Kammer ist (als zweite Elektrode) auf konstante Spannung
von 100 Volt aufgeladen. Das hierdurch auch im AuBenraum
gebildete Feld sorgt dafiir, da6 die in der Umgebung des
Fluoreszenzstrahlers gebildeten Ionen nicht zu den MeBelektroden gelangen konnen. Um die zwischen MeBelektrode und
der auf Spannung befindlichen Kammerwand auftretenden
Kriechstrome langs des Bernsteinisolators zu unterbinden, war
ein geerdetw Zwischenring angebracht.
Der Offnungswinkel der Kammern betragt 60° (Raumwinkel n), die Lange des Kegelmantels 80 mm. Diese ist so
groS gewahlt, da6 auch bei verhaltnismafiig niedrigen Drucken
der wesentlichste Teil der Strahlung in der Kammer absorbiert
wird. Ton der vom Fluoreszenzstrahler ausgehenden Strahlung
wfirde bei den gegebenen geometrischen Bedingungen der Bruchteil '1, vou einer Kammer aufgenommen werden, wenn der Ausgaugspunkt der Strahlung auf F1 punktformig ware. Tatsachlicli
w i d jedoch auf F
Z von der Primarstrahlung eine Flache von
etwa 15 x 2,5 mm2 GroBe beleuchtet; man kann sich aber
rechnerisch davon uberzeugen, daB trotzdem der wirksame
Raumwinkel mit ausreichender dnnaherung zu '1, angesetzt
werden kann.
Der Abstand des Drahtnetzes von FZ betragt 18 mm.
Er mu6 so groS sein, da8 die an F
Z ausgelosten Photoelektronen
nicht bis in die Kammer gelangen konnen; aus den bekannten
Werten fiir die Reichweite la& sich leicht berechnen, da8
M . Haas. Nutzeffekt d. Rontgen-K-Fluoreszenzstrahlulzgusw. 477
dies bei allen vorkommenden Wellenlangen und Drucken erfiillt war.
Der Fluoreszenzstrahler ist gehalten mit Hilfe zweier an
der Oberseite des Messingrohres befestigter ineinandergehender
Schliffe, deren Achsen einen kleinen Winkel bilden. Es ist auf
diese Weise moglich, ihn von auBen genau zu justieren sowie
ihn, zur Messung der Primarintensitat in der Kammer K,,
bequem und rasch aus dem Strahlengang zu entfernen.
Das Messingrohr M , in dem diese drei Ionisationskammern
eingebaut waren, stand mit der Vorvakuum- bzw. Diffusionspumpe in Verbindung. Zur Messung der Ionisationsstrome
xmrde in allen Fallen Luftfullung der Kammern verwendet.
Der Druck wurde jeweils so gewahlt, daB die Absorption der
charakteristischen Strahlung in der Fluoreszenzkammer gegenuber jener in der vorgelagerten Luftstrecke (zwischen Fluoreszenzkorper und Kammeranfang) ein Maximum war. Die so errechneten Kammerdrucke konnten mit einem Quecksilbermanometer in Verbindung mit einem Kathetometer genau singestellt
werden.
3. Justierung
Die Justierung des Primarstrahls muBte sehr genau durchgefuhrt werden, um maximale Intensitaten zu bekommen.
Das vom Rohrenspalt kommende Strahlenbundel wurde zunachst
mit Fluoreszenzschirm auf den Spektrometerkristall (Gips) orientiert. Kristall und Kammer wurden dann ionometrisch auf die
gewiinschte X7ellenlange eingestellt. AuSerdem war an der
Vorderflache der Kammer K , eine Haltevorrichtung angebracht
um ein Stuck Film an den Spalt anzudriicken, also den Primarstrahlengang auch photographisch kontrollieren zu konnen
Der justierte Primarstrahl girig infolge der mechanischen Anordnung in Richtung der Kammerachse und damit war auch
der Fluoreszenzkorper bei O-Stellung der Schliffe genau im
Strahlengang. Diese Tatsache konnte wiederum ionometrisch
insofern kontrolliert werden, als dann die eigentliche Primarstrahlenkammer keine Ionisation zeigen durfte.
4. Elektrometrische A n o r d n u n g
Zur Messung der teilweise augerst schwachen Ionisationsstrome wurde ein Dolezalek-Quadrantelektrometer verwendet,
dessen Empfindlichkeit durch besondere Kunstgriffe soweit wie
moglich gesteigert wurde. Die Nadel des Instruments, die an
einem 5 EL starken Wollastondraht hangt, wurde durch leichtes
Verbiegen in eine windschiefe Lage gebracht. Dadurch, sowie
478
Annulen der Physik. 5. Folge. Banad16. 1932
durch gewisse Formfehler der Nadel treten, worauf H o ffm a n n I)
aufmerksam gemacht hat, elektrostatische Richtkrafte auf und
man kann durch Labilisierung 2, augerst hohe Spannungsempfindlichkeit erreichen. Bei der groBen Empfindlichkeit
erwies es sich dann allerdings als notig, das Elektrometer
mit einem Stahlpanzer (6 mm Wandstarke) zu umgeben, der
evakuiert werden konnte. Damit wurde folgendes erreicht:
Verminderung der Luftreibung, Erhohung der Einstellungsgeschwindigkeit, Verhinderung der durch Temperaturdifferenzen
hervorgebrachten Luftstromungen sowie Verringerung der bei
hochster Empfindlichkeit (insbesondere bei Strommessungen)
sehr storenden, wegen der GroBe des Innenvolumens nicht
nnbetrachtlichen Stromleitung durch die Luft. E s geniigte,
den Druck im Elektrometergehause so weit zu verringern,
daB die aperiodische Einstellung erhalten blieb. Infolge der
iiufierst geringen Richtkraft des Fadens war dies noch bei
einem Druck von 3 mm der Fall.
Das Instrument wurde in Quadrantschaltung rnit hoher
Nadelspannung (etwa 150 Volt) verwendet. Die Spannungsernpfindlichkeit betrug:
35000 Skt. pro Volt, bei einem Skalenabstand von 4,5 m.
Die Ladungsempfindlichkeit der gesamten Anordnung (Elektrometer Apparatur) wurde mit der von H a r m s s ) angegebenen
Influenzierungsrnethode bestimmt zu:
0,045 Volt cm = 5,10.
Coulomb = 3,2. lo5 Elementarladungen. Der Quotient beider Empfindlichkeiten wiirde
die Gesamtkapazitat der Apparatur + Elektrometer ergeben.
Nur wenn die Elektrometerkapazitat konstant ist, was experimentell gepriift werden kann, hat es Sinn, diese sowie die
Spannungsempfindlichkeit zur Charakterisierung des Instruments
zu verwenden. Zumeist ist jedoch diese scheinbare KapaziCat
keine lionstante {speziell bei Quadrantschaltung) sondern enthalt ihrerseits wieder einen mit dem Quadrat der Hilfsspannung
wachsenden Anteil (insbesondere bei hohen Nadelpotentialen).
Die Bestimmung der Ladungsempfindlichkeit stellt die einwandfreieste Eichung bei Messung von Ionisierungsstromen dar.
Am Instrument konnte ein Ausschlag von
+
a
1 Skt.'(= 1 mm) pro Min.
noch einm-andfrei beobachtet werden.
Mit der angegebenen
1) G . H o f f m e n n , Phys. Ztschr. 25. S. 6. 1924.
2) C. M u l l y , Phys. Ztschr. 14. S. 237. 1913.
3) M. J. H a r m s , Phys. Ztschr. 5. S. 47. 1904.
1cI. Haas. Nutzeffekt d. Ron~~en-Ii-Fl~resze~zs~ru~Zung
usw. 479
Ladungsempfindlichkeit entspricht dies einer Stromempfindlichkeit von
8.
Amp.
Die Schaltung der elektrometrischen Anordnung ist in
Fig. 2 dargestellt. Cl ist der zur Bestimmung der Ladungsempfindlichkeit verwendete H a r m s sche Kondensator , P ein
Potentiometer zur Messung der Spannungsempfindlichkeit. Der
Ableitwiderstand von lo9 Ohm dient zur Messung groEer
Strahlungsintensitaten und wurde nur bei der Justierung des
Strahlengangs verwendet.
C, ist ein mit Bernstein isolierter Kondensator groBer
Kapazitat (etwa 20000 cm), der zur Verringeruug der Ladungsempfindlichkeit der Anordnung zugeschaltet werden konnte.
Dies war notig,
rim bei gleichbleibender Rohrenbelastung mit
gleicher Elektrometerempfindlichkeit Primar- und
FluoreszenzstrahFluoreszenzstrahlungsintensitat
lungsintensitat
- miteinander ver- - gleichen zu konFig. 3. Elektroinetrische Anordnung
nen.
Das Empfindlichkeitsverhaltnis war leicht dadurch zu bestimmen, daB
man mit Hilfe des Harmsschen Kondensators in Kombination mit einem Potentiometer Ladungsmengen auf das
Eondensatorsystem der gesamten Anordnung influenzierte.
Dies wurde unter Zuschaltung der Kapazitat C, wiederholt.
Bei gleichen Elektrometerausschlagen entsprach das Verhaltnis
der influenzierten Elektrizitatsmengen, also das Verhaltnis der
am Potentiometer abgenommenen Spannungen dem gesuchten
Empfindlichkeitsverhaltnis. Letzteres wurde in dem in Frage
kommenden NleBbereich unabhiiingig vom Ausschlag zu
P = 1:12
befunden. Samtliche Elektrometerleitungen waren mit Bernstein
isoliert. Die Isolationsverluste waren sehr gering und konnten
vernachlassigt werden. Die verschiedenen aus Fig. 2 ersichtlichen Umschalter konnten Tom Beobachtungsplatz aus elektromagnetisch betatigt werden, was zur Vermeidung von storenden
Beeinflussungen der empfindlichen Anordnung wesentlich war.
$+I
-".iy'". I
450
Anndm der Physik. 5. Folge. Band 16. 1932
5. D i e F l u o r e s z e n z s t r a h l e r
Die Auswahl der als Fluoreszenzstrahler zu verwendenden
Elemente ist dadurch ziemlich beschraukt, daB als Primarstrahlung nur intensive Linien solcher Elemente in Betracht
kommen, die als Antikathoden eine hohe Brennfleckbelastung
vertragen (bis zu 1,2 kW). AuBerdem sollen Primarmellenlange und K-Absorptionskante des Fluoreszenzstrahlers nicht zu
weit auseinanderliegen, da dann die Absorptionsverhaltnisse
Schwierigkeiten bereiten. Unter dief en Gesichtspunkten ergaben sich als geeignete Fluoreszenzstrahler Mg, Si, S, C1, Ca
und Cr, in Kombinationen, die aus Tab. 4 (vgl. S. 485) ersichtlich sind. Die an sich zur Kontrolle sehr wiinschenswerte
Messung der gleichen Fluoreszenzstrahlung mit mehreren Primarwellenlangen lie6 sich bei Si rnit 3, bei Mg mit 2 Wellenlangen ausfuhren. Die Messungen an S, C1, Ca und Cr konnten
nur mit je einer Wellenlange ausgefuhrt werden; da diese
bei den beiden benachbarten Elementen S und C1 die gleiche
ist, ist in diesem Falle die mangelnde Variation der Wellenlangen in gewissem Sinne durch die der Ordnungszahl ersetzt.
Die Messung mit Cr wurde ausgefiihrt, um den AnschluB
an friihere Messungen zu erreichen, obwohl die Apparatur fur
diese verhaltnismaBig kurzwellige Strahlung nicht mehr ganz
geeignet ist und das Ergebnis deshalb mit etwas gr6Berem
Fehler behaftet sein kann.
Beziiglich der Primarwellenlangen ist zu bemerkefi, daB
die Spaltbreite des Rontgenrohres sehr groB war (0,4mm), so
daB die q- und a,-Linien der K-Serie nicht mehr getrennt
werden konnten. Der angegebene Wert der Wellenlange ist
ein Mittelwert und im Verhaltnis der Intensitaten nach al
hin verschoben.
Die Herstellung der Fluoreszenzkorper war im allgemeinen
einfach, da nur eine Flache angeschliffen und poliert sein
muBte. Mg und S wurden als massives Material verwendet,
Cr in Form eines elektrolytischen Niederschlages auf Cu. Bei
Si wurde teilweise eine im Hochvakuum auf Glas aufgedampfte
Schicht (98 O/,, rein), teilweise die Spaltflache eines CarborundKristalls l) benutzt.
C1 und Ca wurden ebenfalls in chemischer Verbindung
untersucht, und zwar GI als NaC1, Ca als CaCO, (in beiden
Fallen gute Spaltflache eines lcristalls).
1) Hrn. Senator B. K l e i n s c h m i d t , Dusseldorf sei fur die kostenlose Uberlassung des Kristalls bestens gedankt.
M . Haas. Nutzclffeekt a. Rontgen-K-Fluoresxenxstrahlu.ngusw. 481
Wie oben bereits angegeben, waren die Fluoreszenzstrahler
so angeordnet, daB die Primarstrahlung streifend einfiel, die
Fluoreszenzstrahlung angenahert senkrecht austrat. Unter
diesen Umstanden ist die Absorption im Fluoreszenzkorper
nur gering, wie die folgende Betrachtung zeigt (Fig. 3).
8 sei der Winkel, den der Primarstrahl P mit der Oberflache des Fluoreszenzkorpers bildet, x seine Eindringtiefe.
Die Intensitat der senkrecht zu P auftretenden Fluoreszenzstrahlung F ist dann:
JF=
sm
0
Jpe-'px.pp*
91.
~ . e - ~ ~ ' x t a' gx B
Darin bedeuten p p und ,up die Absorptionskoeffizienten
der Primiir- bzw. der Fluoreszenzstrahlung, 7 den energetischen
Nutzeffekt (im folgenden noch beschrieben),
den erfaBten Raumwinkel und x eine von pp, ,LIP sowie
von 8 abhangigen Absorptionskwrektur. I n Wirklichkeit tritt bei der verwendeten Anordnung die Fluoreszenzstrahlung nicht nur senkrecht zus
Primarrichtung am, sondern gleichmagig verteilt iiber einen Winkelbereich von f 60°. Da die Absorption
gering und der Winkel 9. klein ist,
kann man mit guter Naherung linear
3. Absorptionsvorgang
iiber alle Richtungen mitteln ; man Fig.
im ~luoreszenzkijrper
findet dann durch eine einfache Rechnung, daB die GroBe x zu ersetzen ist durch
Bei den leichten Elementen ist, so lange die PrimarPF
wellenlange nahe der K-Absorptionskante liegt, von der
PY
GroBenordnung 0,l. Der Winkel 9 betrug bei den endgiiltigen
Messungen 20°, so da6 Cie Absorptionskorrektur x (aus Tab. 4
ersichtlich) nur geringe Anderungen des Wertes fur den Nutzeffekt bedingte.
482
Annalen deer Physik. 5 . Folge. Band 16. 1932
11. MeBergebnifme
1. G a n g der M e s s u n g e n
Die Messungen wurden in der Weise ausgefiihrt, daB die
Aufladung des Elektrometers in bestimmter Zeit beobachtet
wurde, und zwar durch Trennung des Elektrometers (bei Messung der Primarintensitat einschlieBlich Kapazitat C,) von der
Ionisationskammer. Das Elektrometer stellte sich dann bei
guter Isolation aperiodisch nach kurzer Zeit ein. Trotz der
durch die Kapazitat C, verringerten Empfindlichkeit waren
bei der Primarstrahlung die Aufladungen groBer als bei der
Fluoreszenzstrahlung. E s wurden deshalb die Aufladezeiten
verschieden gewahlt, und zwar so, daB in beiden Fallen annahernd gleiche Ausschlage erzielt wurden.
Auf die Messung der Primar- bzw. Sekundarintensitat erfolgte jedesrnal eine Priifung des Empfindlichkeitsverhaltnisses
mit Hilfe des zuschaltbaren Influenzierungskondensators C,.
Samtliche Schaltvorgange konnten mit Hilfe des elektromagnetischen Umschalters in kiirzester Zeit ausgefuhrt werden, so
daB die Intensitatsanderung der Primarstrahlung infolge absorbierenden Wolframbeschlags auf der Antikathode nur in
wenigen Fallen (bei extremer Rohrenbelastung) beriicksichtigt
werden muBte.
Von Einzelheiten sei hier nur erwahnt, daB die Intensitat
der von der AIKa-Linie angeregten Mg-Fluoreszenz nur sehr
gering ist (Nutzefiekt etwa 1 Ole), so daB eine brauchbare Messung nur bei auBerst hoher Belastung der Al-Antikathode moglich war. Ein An- bzw. Durchbrennen des Antikathodenbleches
war nur bei giinstigsten Warmeableitungsverhaltnissen auszuschlief3en. Ein in diesem Fall nicht zu vernachlassigender
Intensitatsgewinn konnte noch durch leichte Wolbung der Antikathodenflache und die dadurch bedingte geringere Absorption
der austretenden Rontgenstrahlen erreicht werden.
2. A u s w e r t u n g der Messungen
E s sei JI. die Intensitat der Primarstrahlung, Jrl die gesamte (d. h. in den ganzen Raumwinkel 4 n emittierte und hinsichtlich Absorption korrigierte) Intensitat der Fluoreszenzstrahlung. Dann ist der !,energetische Nutzeffekt" gegeben durch
JF
If3.. h 77=T=NP.h.vp7
wenn die Intensitaten durch die Anzahl einfallender (Np) bzw.
emittierter ( N F ) Quanten der Energien h v p bzw. hvB7 ausgedriickt werden.
M . Haas. Nutzeffekt d. Rontgen-K-Fluoreszenzstru~lungusw. 483
Der auf die Anzahl Quanten bezogene Nutzeffekt ist
.-.
,1
u s - -NF
- - - 7 -VP = 7] 1,
NP
VF
Es ist jedoch sinngemaB, diesen nicht auf die Gesamtzahl N P
einfallender Quanten zu beziehen, sondern auf die allein irn
K-Nheau absorbierten. Der so definierte Nutzeffekt ist:
SK ist der K-Absorptjonssprung und fur die hier behandelten Elemente aus Tabellen Ton J o n s s o n l) bzw. Messungen
von Woernle2) bekannt. Sie sind in Tab. 1 zusammengestellt.
Tabelle 1
K-Absorptionsspriiuge
I M g
d,
1
15
1
I
Si
12,5
1
1
S
11,O
1
1
C1
10,4
I
I
Ca
9,2
1
1
Cr
8,6
Die Intensitaten J P und J F sind aus den gemessenen
Ionisierungsstromen ip und iF zu berechnen. Es seien pFL1
bzw. pz die Absorptionskoeffizienten der Primar- bzw. Fluoreszenzstrahlung in Luft, a, bzw. u2 die Entfernungen vom
Fluoreszenzkorper bis zum Anfang der Kammer Kl bzw. I<,,
b, bzw. b, die Lange der Kammern. E s ist dann:
ip = C . J p . e - piai (1- e Primiirstrablung :
SI! x ,
Fluoreszenzstrahlung: iF = C J F . e - .+*an (1 - e - Paba) ((1%)
- .
4n
hierin ist a der erfaBte Raumwinkel, K die auf S. 481 besprochene KorrektionsgroBe, die der Absorption im Fluoreszenzkorper Rechnung tragt.
Die Werte der Absorptionskoeffizienten p1 und pz sind
fur die lingeren Wellen der Arbeit Ton Woernle3), fur kiirxere
einer Untersuchung von S t o ~ k m e y e r ~entnommen
)
bzw. aus
den gemessenen Werten interpoliert; sie sind in Tabelle 2 und 3
angegeben. Fur die Wellenlange der Fluoreszenzstrahlung ist
bier einfach die der Ka-Linie angesetzt; da bei den leichten
1) E. Jii n s s o n , Absorptionsmessungen im langwelligen Riintgengebiet und Gesetze der Absorption. Dissertation Upsala 1928.
2) B. W o e r n l e , Ann. d. Yhys. [5] 6. S. 475. 1930.
3) B. W o e r n l e , Ann. d. Phys. [5] 6. S. 475. 1930.
4) W . S t o c k r n e y e r , Ann. d. Phys. [5] 12. S.71. 1932.
Anmlen der Physik. 5. FoZge. Band 16. 1932
484
Elementen die 8-Linien zweifellos relativ nur sehr geringe
Intensitat haben, ist die hierin liegende Ungenauigkeit ohne
Bedeutung, Die ferner zur Auswertung notigen Daten sind
folgende:
b, = 6,l cm
a, = 1,9 cm;
b, = 8,0 cm;
uz = 1,s cm;
Bei Berechnung der Absorption auf dem Wege u2 ist zu beriicksichtigen, da8 die Strahlen diese Strecke unter xerschiedenen
Winkeln durchsetzen. Auf Grund der gleichen Uberlegungen,
wie sie oben (S. 481) bereits angedeutet wurden, ergibt sich,
dafi man mit geniigender Annaherung einfach mit dem 1,33fachen
der Entfernung, also 2,4 statt 1,8 cm rechnen kann.
Die Konstante C enthalt die Umrechnungsfaktoren von
wahrer Strahlungsintensitat auf Ionisation. Sie ist fiir Primarund Fluoreszenzstrahlung nur dann die gleiche, wenn der zur
Bildung eines Ionenpaares notige Energiebetrag E unabhangig
von der Wellenlange ist.
Tabelle 2
Absorptionskoeffizienten der PrimOrstrahlung in Luft
Linie
AIKa
1
in
WMa
1
Pt Ma p o L o 1
T---zFi
__-__--______-___
&. E.
6011
1200
TIP
1 PdLal 1
FeKa
'
1932
~,
1
I-
740
1
490
5394
356
1
~
4359
192
18,9
Bei kiirzeren Wellenlangen (A < 2 A) ist dies experimentell
festgestellt worden; im Wellenbereich der vorliegenden Untersuchung ist dies noch fraglich. Sollte sjch eine eventuelle
Wellenabhangigkeit ergeben, so miifiten die Werte entsprechend
korrigiert werden.
Tabelle 3
Absorptionskoeffizienten der Fluoreszenzstrahlung in Luft
Linie
____
1
in X. E
zie
1
i
MgKa
I
1
-__
Sixa
SICa
I
.~ _ _
__
____
9868
7111
1964
786
CIKa
1
CaKa
1
1 I I I
5361
4718
3352
350
240
118
CrKa
2287
31,8
Soweit als Fluoreszenzkorper chemische Verbindungen
benutzt wurden, sind die nach obiger Richtung ermittelten
M.Haas. Nutxeffeekt d. Rhtgen-K-FluoreszenxstrahZungW W .
Fluoreszenzausbeuten noch mit einem Faktor
405
5 zu korrigieren,
PAf
wenn mit ,uA der Absorptionskoeffizient des betrachteten Atoms
bezeichnet wird, mit p M der des Molekiils.
Diese Faktoren betragen bei:
Sic: . . . . . .
NaCl: . . . . .
CaCO,: . . . .
0,954
0,828
0,909
3. E r g e b n i s s e
I n Tab. 4 sind die gemessenen Intensitaten ip und iF angegeben, bereits umgerechnet auf gleiche Empfindlichkeit und
gleiche Aufladezeiten. Hieraus berechnen sich dann die in
den beiden letzten Spalten zusammengestellten Werte fur den
Nutzeffekt ug.
Tabelle 4
MeBergebnisse
Fluoreseenzstrahler1
KAb-
K a - sorp-
Linie
1
X. E.
..__
__
Primarstrahlung
;ionskante
I
Linie
1
X. E.
X. E.
9868
7111
5361
4718
3352
2287
PtlK,
6731{ MoL,
PdL,
5012 PdL,
4384 PdL,
3058 Fe&
2066 FeKm
6011
5395
4359
4359
4359
1932
1932
lonometrisch
gemessene &
Intensitaten
Wt.1
Primar
SekundSr
'b
mm
Hg _ _
10490 41
17280
58
4950
42
4180
40
8500
69
6340
91
13320 300
15120 320
7270 445
7b00
$
a, 2
740
I
Absorptionskorrektur
x'
Mittel
~
UK
I
in
01,
j in
01,
140{
385 1,06 8,3
570 l,05 10.8
720 1,28 15,O
720
I
*) Dieser Wert ist mit dem aufgedampften Si erhalten, die ubrigen
mit Si C.
Soweit Messungen mit mehreren Wellenlangen ausgefuhrt
werden konnten, fallt die verhaltnismiiEig groBe Streuung der
Einzelwerte auf. Die MeBgenauigkeit fur jede einzelne Wellenlange ist groaer; die angegebenen Intensitaten ip und iF sind
Mittelwerte aus einer groaen Zahl (20 -30) Einzelmessungen,
die nur um etwa 5O//, streuen.
486
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 16.
1932
Ein systematischer Gang mit der Wellenlange, der auf
iinerkannte Fehlerquellen hindeuten konnte, ist aber nicht zu
erkennen, wie speziell das Beispiel des Si zeigt. Man wird
vielmehr allgemein als Ursache die grofien Schwierigkeiten
bei der Messung der aufierst geringen Fluoreszenzintensitatell
snnehmen miissen. Es folgt daraus, daB man sich bei den
Fig. 4. Nutzeffekt in Abhangigkeit von der Ordnungszahl
leichtesten Elementen damit begniigen mufi, daB die Fehlergrenze des Endresultates 15-20
betragen kann; bei den
schwereren Elementen diirfte sie, entsprechend den steigenden
Intensitaten, geringer sein.
I n Fig. 4 sind die gemessenen Werte eingetragen, zusammen mit den von anderen Autoren gemessenen Werten fur
schwerere Elemente, soweit die Messungen zuverliissig erscheinen; zahlenmaBig diirften die von A u g e r angegebenen
Werte am wenigsten gesichert sein.
I n der gleichen Figur ist eine nach W e n t z e l l ) theoretisch
1) G. W e n t z e l , Ztschr. f. Phys. 43. S. 524. 1927.
M . Haas. Nutzeffekt d . Rontgen-~i-FluoreszenzstrahlzLngusw. 487
berechnete Eiurve eingetragen. W e n t z el bestimmt aus allgemeiner wellenmechanischer Betrachtung, daB
die Wahrscheinlichkeit der Emission E prop. Z4
9,
7,
,, inneren Absorption A = const. = a
ist. Es ist also
Diese Formel gilt nacEi W e n t z e l mit der gleichen Annaherung, mit der das Moseleysche Gesetz gilt. Es ist also
jedenfalls besser, 2 durch (2 - 1) zu ersetzen und demnach
zu schreiben :
E
l
- = -(z
A
a
- 1)4.
Damit wird der Nutzeffekt
Der Zahlenwert fur a wird von W e n t z e l der GroBenordnung nach zu 10" angegeben. E s erscheint fiir einen Vergleich zwischen experimentellen und theoretischen Werten
zweckmafiig, diese GroBe durch AnschluB an experimentelle
Werte genau festzulegen. Als solche wurden die im mittleren
Teil der Kurve (Fig. 4) gelegenen MeBp2nkte gewahlt. Der
Zahlenwert a ergibt sich dann in guter Ubereinstimmung mit
der Wen$.zelschen Abschatzung zu a = 0,s.lo6.
Die Ubereinstimmung dieser Iiurve mit dem gemessenen
Verlauf ist durchaus befriedigend, wenn man beriicksichtigt,
daB die theoretische Rechnung rnit vereinfachenden Annahmen
und Naherungen durchgefiihrt ist. Auffallend ist der systematisch abweichende Gang der gemessenen Werte bei den
Elementen Mg bis C1, der durch zufallige MeBfehler nicht
recht erklarlich scheint. Zweifellos reel1 ist auch das Abbiegen
von der theoretischen Kurve fur Elemente oberhalb etwa
Z = 30; besonders der experimentelle Wert fur Br (2 = 35)
diirfte zahlenmaBig gut gesichert sein. Man konnte in diesen
Abweichungen einen Gang mit dem Ausbau innerer Elektronengruppen im Atom vermuten, ahnlich wie er sich im Noseleydiagramm hoherer Energieniveaus zeigt ; die Messungen reichen
aber noch nicbt aus, um uber derartige Fragen weiteres
zu sagen.
488
Annabn der Physik. 5. Folge. Band! 16. 1932
Zueammenfasaun g
Durch Ionisationsmessungen wird der Nutzeffekt der
K-Fluoreszenzstrahlung sechs verschiedener leichter Elemente
bestimmt (Mg, Si, S, C1, Ca und Cr).
Die Messungen wurden soweit moglich (bei Mg und Si)
mit verschiedenen Primarwellenlangen ausgefiihrt, um zu sehen,
ob die sich ergebenden Werte keinen Gang mit der WellenIange zeigen.
Die schwachen Ionisierungsstrome von Fluoreszenz- bzw.
Primarstrahlung werden mit einem im Vakuum befindlichen
Quadrantelektrometer (Stromempfindlichkeit etwa 8 1 0-lo Amp.)
gernessen. Die Ergebnisse schlieBen sich gut an die Reihe
der bisher gemessenen Werte an, entsprechend einer' yon
W e n t z e l gegebenen Theorie, wonach der auf Quanten be= A2
?.y
zogene Nutzeffekt der E'luoreszenzstrahlung
a + (2- q4 *
-
UB
~
Die vorliegende Arbeit wurde auf Anregung von Hrn. Prof.
Dr. K u l e n kampff im Physikalischen Institut der Technischen
Hochschule, Miinchen ausgefiihrt. Ich benutze gerne die
Gelegenheit, Hm. Geheimrat J. Z e n n e c k fur seine stets bereitwillige Unterstiitzung meinen besten Dank auszusprechen.
Hr. Prof. K u l e n k a m p f f hat die Arbeit durch viele wertvolle
Ratschlage und *4nregnngen unterstiitzt, wofiir ich ihm herzlichst danke.
Miinchen, Physikalisches Institut der Technischen Hochschule, Hai 1932.
(Eingegangen am 31. Oktober 1932)
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