MAXI - macro XRF scanning device with mm spot size for A4 area scans

Abstract

Die Bestimmung der elementaren Zusammensetzung größerer Oberflächen mittels makroskopischer ortssensitiver Analyse findet Anwendung in vielen verschiedenen Themenbereichen, wie die Bestimmung der elementaren Zusammensetzung von Legierungen, Scans elektronischer Platinen, Cultural Heritage bzw. auch biologische und medizinische Anwendungen wie das Scannen von Hautproben. Eine Möglichkeit diese Zusammensetzung zu vermessen beruht auf der Verwendung von makroskopischer Röngtenfluoreszenz, oder Ma-RFA, Spektrometer. Die Probe kann von dem Spektrometer in der X/Y Ebene abgerastert werden und die resultierende elementaren Intensitäten in eine Karte für Visualisierung umgewandelt werden. Ziel dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung eines makroskopischen Röntgenfluoreszenz (Ma-RFA) Spektrometers genannt MAXI. Die Arbeit kann in drei Segmente gegliedert werden: das mechanische Re-Design bzw. die Fertigung, die Implementierung von Sicherheitselementen und die Verbesserung der Genauigkeit von leicht gekrümmten Oberf lächen. Das Testsetup wurde um einen SDD Detektor von KETEK und eine mini-X Röntgenröhre von AMPTEK designed. Im neuen Aluminiumrahmen wurden Führungen integriert, welche einen einfachen Tausch des Detektors und der Röntgenröhre erlauben. Die Sicherheitselemente schützen sowohl die Messeinheit als auch die Probe indem mögliche Kollisionen erkannt und vermieden werden. Diese Optimierung wurde mittels Integration einer grafischen KI erreicht, welche die Z-Komponente des Systems optimiert. Der relative Abstand zwischen Probe und Messeinheit wurde mit zwei verschiedenfarbenen Laserpointern (rot und grün) realisiert. Die Motorsteuerung wurde ins Gesamtprogramm integriert und ermöglicht dem Nutzer, die X,Y und Z Koordinaten einzustellen. Es wurde ein neuer Detektorkollimator hergestellt, welcher es ermöglicht ein sauberes Blank Spektrum zu erhalten. Weiters ermöglicht das Setup den Wechsel des Detektorkollimators zwischen 1mm bis 3mm. Die Probebühne kann mittels zwei Schrittmotoren in horizontaler Ebene (X/Y Achse) bewegt werden und erlauben das Abrastern einer Probe bis zum Papierformat A4 (210mm x 297mm). Die Schrittweite kann durch die Eingabe des Anwenders/der Andwenderin angepasst werden um die Auf lösung einzustellen. Die Größe der Probenbühne ermöglicht es auch mehrere kleine Proben zu platzieren, daher kann man die Probenbühne als Probenwechsler verwenden. Das Spektrometer benötigt nur elektrische Spannung (240V) für den Betrieb. Dies ist ermöglicht durch die Verwendung von Spannungs- und Stromquelle, welche keine zusätzliche Versorgung, z.B. Wasserzufluss bzw. Kühlung von Flüssigstickstoff, benötigen. Dies trifft zu auf den Peltier-gekühlten Detektor, die luftgekühlte Röntgenröhre und die Motoren. Die Entwicklung des Spektrometers hat am Atominstitut der TU Wien gestartet und wurde am Röntgenzentrum der TU Wien abgeschlossen.

The determination of the elemental composition of larger surfaces for so-called macroscopic position sensitive imaging offers use-cases in various areas like characterization of alloys or imaging of electronic boards, cultural heritage or even biological and medical uses like measurements of skin samples. One approach to measure the composition relies on the usage of Macro X-ray fluorescence (Ma-XRF) spectrometers. The sample can be area-scanned in the x/y plane by the spectrometer and the resulting elemental intensity can be converted into a map for visualization. This thesis focuses on the further development of a macroscopic X-ray fluorescence (Ma-XRF) spectrometer named MAXI. The thesis can be segmented into three different categories: the mechanical design/construction, the implementation of safety features and improvements of the accuracy for slightly curved samples. The setup was designed around an SDD detector by KETEK and a mini-X X-ray tube by AMPTEK. The mechanical design includes an aluminium frame with guide rails, that allow the detector and the X-ray tube to be exchanged easily. The safety features protect both the measuring head and the sample by preventing possible collisions. The improvement for slightly curved samples is achieved by integrating a visual AI that automatically optimizes the z position of the system. This is realized by checking the position of two differently coloured (red and green) laser pointers. The motion control is integrated in the software which allows the user to change the x,y and z position. A new detector collimator has been designed and manufactured that results in a clean blank spectrum. The setup also allows the exchange of the detector collimator between 1mm to 3mm. The sample stage is moved by two stepper motors, that allow for movements in the x/y plane and offers enough space to fit samples up to the paper format A4 (210mm x 297mm) into the spectrometer. The stepsize can be varied to adjust the resolution according to the inputs of the user. The size of the sample stage makes it possible to mount multiple smaller samples in the spectrometer, thus serving as a sample changer. The device only requires electrical power for operation. This is achieved by using main components that do not require an external supply, like the motors, the peltier cooled detector and the air-cooled X-ray tube. The development of the spectrometer started at the Institute of Atomic and Subatomic Physics of the TU Vienna and was concluded at the X-ray Center of the TU Vienna.