Рентгендік сәулелену арқылы материалдарды сипаттау техникасы

Кіріспе

Рентген сәулесін қолдана отырып материалдарды сипаттау әдісі.

Рентген спектроскопиясы – материалдарды сипаттау үшін рентген сәулесін пайдаланатын бірнеше спектроскопиялық әдістердің жалпы атауы.

Характерлік рентгендік спектроскопия

Атомның ішкі қабығындағы электрон фотон энергиясының әсерінен қоздырылып, жоғары энергия деңгейіне өтеді. Ол төменгі энергия деңгейіне қайтқанда, қоздыру арқылы алған энергиясы элементке тән толқын ұзындығы бар фотон түрінде шығарылады (бір элементке бірнеше ерекше толқын ұзындығы тән болуы мүмкін). Рентген сәулесінің шығарылу спектрін талдау үлгінің элементтік құрамы туралы сапалық мәліметтер береді. Белгілі құрамы бар үлгілердің спектрлерімен үлгі спектрін салыстыру сіңіру, флуоресценция және атомдық санға қатысты математикалық түзетулер жасалғаннан кейін сандық нәтижелерді қамтамасыз етеді. Атомдарды зарядталған бөлшектердің жоғары энергиялы шоғымен, мысалы электрондармен (электрондық микроскоптағыдай), протондармен (PIXE қараңыз) немесе рентген сәулелерінің шоғымен (рентгендік флуоресценция, немесе XRF, сондай-ақ жақында трансмиссиялық XRT-де) қоздыруға болады. Бұл әдістер H, He және Li элементтерін қоспағанда, барлық периодтық жүйедегі элементтерді талдауға мүмкіндік береді. Электрондық микроскопияда электрондық шоқ рентген сәулелерін қоздырады; ерекше рентген сәулелерінің спектрін талдау үшін екі негізгі техника бар: энергиялық дисперсиялық рентген спектроскопиясы (EDS) және толқын ұзындығын дисперсиялық рентген спектроскопиясы (WDS). Рентген сәулелерін беру (XRT) кезінде эквивалентті атомдық құрам (Zeff) фотоэлектрлік және Комптон эффектілеріне негізделген түрде анықталады.

Энергияны дисперсиялайтын рентгендік спектроскопия

Энергияны шашыратушы рентген спектрометрінде, жартылай өткізгіш детектор кіріп келетін фотондардың энергиясын өлшейді. Детектордың қалыпты жұмыс істеуі мен ажыратымдылығын сақтау үшін оны сұйық азотпен немесе Пельтье салқындату арқылы салқындату қажет. EDS электронды микроскоптарда (информация алу мақсаты спектроскопия емес, бейнелеу болған жағдайда) және арзан және/немесе портативті XRF құрылғыларында кеңінен қолданылады.

Толқын ұзындығы дисперсиялық рентгендік спектроскопиясы

Толқын ұзындығы дисперсивті рентген спектрометрінде бір монокристалл фотондарды Брэгг заңы бойынша дифракциялайды, содан кейін оларды детектор жинайды. Дифракциялық кристалл мен детекторды бір-біріне қатысты жылжыту арқылы спектрдің кең ауқымын бақылауға болады. Кен спектрлік диапазонды бақылау үшін үш немесе төрт түрлі монокристалл қажет болуы мүмкін. EDS-тен айырмашылығы, WDS – спектрді сатылап жинау әдісі. WDS, EDS-тен баяу және спектрометрдегі сынаманың орналасуына сезімтал болғанымен, оның спектрлік ажыратымдылығы мен сезімталдығы жоғары. WDS микрозондтарда (рентгендік микроталдау негізгі міндет болатын жерде) және XRF-те кеңінен қолданылады; сондай-ақ, ол рентгендік дифракция саласында Брэгг заңы арқылы жазықтықтар арасындағы қашықтық және түсетін рентген сәулесінің толқын ұзындығы сияқты әртүрлі деректерді есептеу үшін де кеңінен қолданылады.

Рентгендік сәуле шығару спектроскопиясы

1915 жылы Нобель сыйлығын алған Уильям Лоуренс Брэгг пен Уильям Генри Брэггтің әке мен ұлы ғылыми тобы рентген сәулелену спектроскопиясын дамытудың алғашқы пионерлері болды. Уильям Генри Брэгг жасаған спектрометрдің мысалы, оны әке мен ұлы кристаллдардың құрылымын зерттеу үшін қолданды, ғылым мұражайында (Лондон) көруге болады. Олар жоғары энергиялы электрондарды қоздырғыш ретінде пайдаланып, көптеген элементтердің рентген толқындарының ұзындығын жоғары дәлдікпен өлшеді. Катодтық сәулелі түтік немесе рентгендік түтік – көптеген элементтердің кристаллы арқылы электрондарды өткізуге қолданылатын әдіс болды. Сондай-ақ, олар спектрометрлері үшін көптеген алмаздық дифракциялық шыны торларды мұқият жасады. Кристаллдың дифракция заңы олардың құрметіне Брэгг заңы деп аталды. Қазіргі кезде жоғары қарқынды және толқын ұзындығын реттеуге болатын рентген сәулелері әдетте синхротрондармен жасалады. Материалда рентген сәулелері кіріс сәулеге қарағанда энергия жоғалтуы мүмкін. Қайта шығарылатын сәуленің энергиясының жоғалтылуы атомдық жүйенің ішкі қоздырылуын көрсетеді, бұл оптикалық аймақта кеңінен қолданылатын белгілі Раман спектроскопиясының рентгендік аналогы. Рентгендік аймақта электрондық күйдегі өзгерістерді (орбитальдар арасындағы өтулерді) зерттеу үшін жеткілікті энергия бар; бұл оптикалық аймақпен салыстырғанда, энергия жоғалтуы көбінесе айналу немесе дірілдеу еркіндік дәрежесінің күйіндегі өзгерістерге байланысты. Мысалы, ультра жұмсақ рентгендік аймақта (шамамен 1 кэВ-тан төмен) кристаллдық өріс қоздырылуы энергия жоғалтуына әкеледі. Фотонның кіріп, шығу процесін шашырау құбылысы деп қарастыруға болады. Рентген сәулесінің энергиясы ядролық электронның байланысу энергиясына сәйкес келгенде, бұл шашырау процесі резонанстық түрде көп есеге артық күшейтіледі. Рентген сәулелену спектроскопиясының осы түрі жиі резонанстық инеластикалық рентген сәулесін шашырату (RIXS) деп аталады. Ядролық деңгейлердің орбитальдық энергиясының кеңінен бөлінуіне байланысты, нақты бір атомды таңдауға болады. Ядролық деңгейдегі орбитальдардың кішкентай кеңістіктік өлшемі RIXS процесін таңдалған атомның жақын маңындағы электрондық құрылымды көрсетуге мәжбүр етеді. Осылайша, RIXS эксперименттері күрделі жүйелердің жергілікті электрондық құрылымы туралы құнды ақпарат береді, ал теориялық есептеулерді жүргізу салыстырмалы түрде оңай.

The father and son scientific team of William Lawrence Bragg and William Henry Bragg, who were 1915 Nobel Prize Winners, were the original pioneers in developing X ray emission spectroscopy. An example of a spectrometer developed by William Henry Bragg, which was used by both father and son to investigate the structure of crystals, can be seen at the Science Museum, London. Jointly they measured the X ray wavelengths of many elements to high precision, using high energy electrons as excitation source. The cathode ray tube or an x ray tube was the method used to pass electrons through a crystal of numerous elements. They also painstakingly produced numerous diamond ruled glass diffraction gratings for their spectrometers. The law of diffraction of a crystal is called Bragg's law in their honor. Intense and wavelength tunable X rays are now typically generated with synchrotrons. In a material, the X rays may suffer an energy loss compared to the incoming beam. This energy loss of the re emerging beam reflects an internal excitation of the atomic system, an X ray analogue to the well known Raman spectroscopy that is widely used in the optical region. In the X ray region there is sufficient energy to probe changes in the electronic state (transitions between orbitals; this is in contrast with the optical region, where the energy loss is often due to changes in the state of the rotational or vibrational degrees of freedom). For instance, in the ultra soft X ray region (below about 1 keV), crystal field excitations give rise to the energy loss. The photon in photon out process may be thought of as a scattering event. When the x ray energy corresponds to the binding energy of a core level electron, this scattering process is resonantly enhanced by many orders of magnitude. This type of X ray emission spectroscopy is often referred to as resonant inelastic X ray scattering (RIXS). Due to the wide separation of orbital energies of the core levels, it is possible to select a certain atom of interest. The small spatial extent of core level orbitals forces the RIXS process to reflect the electronic structure in close vicinity of the chosen atom. Thus, RIXS experiments give valuable information about the local electronic structure of complex systems, and theoretical calculations are relatively simple to perform.

Аспаптар

Рентген сәулелерінің ультра жұмсақ аймағындағы рентген сәулелерінің эмиссиялық спектрін талдау үшін бірнеше тиімді конструкциялар бар. Мұндай құралдардың сапасы спектрлік өтімділікпен анықталады, яғни анықталған интенсивтілік пен спектрлік ажыратымдылықтың көбейтіндісі. Көбінесе, осы параметрлерді белгілі бір шекте өзгертуге болады, бірақ олардың көбейтіндісі тұрақты болып қалады.

Торлы спектрометрлер

Көбінесе рентгендік сәулелердің дифракциясы спектрометрлерде кристалдарда жүзеге асырылады, бірақ дифракциялық спектрометрлерде сынамадан шығатын рентген сәулелері алдымен жарық көзін анықтайтын саңылаудан өтеді, содан кейін оптикалық элементтер (көзбенілер және/немесе дифракциялық торлар) оларды толқын ұзындығына қарай дифракция арқылы таратып, соңында олардың фокустық нүктелеріне детектор орналастырылады.

Сфералық торлы тұғырлар

Генри Огастус Роуленд (1848–1901) дифракция мен фокусты біріктіретін бір ғана оптикалық элементті пайдалануға мүмкіндік беретін құралды ойлап тапты: сфералық тор. Рентген сәулелерінің шағылысу қабілеті қолданылған материалға қарамастан төмен болады, сондықтан торға тік бұрышпен түсіру қажет. Тегіс бетке бірнеше градус бұрышпен келіп түсетін рентген сәулелері сыртқы толық шағылысқа ұшырайды, бұл құралдың тиімділігін едәуір арттыруға мүмкіндік береді. R – сфералық тордың радиусымен белгіленеді. Радиусы R-дің жартысына тең шеңберді, тордың бетіне жанасатын етіп елестетіңіз. Бұл кішкентай шеңбер Роуленд шеңбері деп аталады. Егер кіретін жарық саңылауы осы шеңберде болса, онда саңылаудан өтіп, торға түсетін сәуле айнашалық шағылысқан сәулеге және дифракцияның барлық ретіндегі сәулелерге бөлінеді, олар осы шеңбердегі белгілі бір нүктелерде фокусқа жиналады.

Ұшақ торлары

Оптикалық спектрометрлерге ұқсас, жазық торлы спектрометрге алдымен рентген сәуле көзінен шығатын шашыраңқы сәулелерді параллель сәулеге айналдыратын оптикалық жүйе қажет. Бұл параболалық айна қолдану арқылы іске асырылуы мүмкін. Осы айнадан шығатын параллель сәулелер бір жақты торға (тұрақты арақашықтығы бар) бірдей бұрышта түсіп, толқын ұзындығына қарай дифракцияланады. Екінші параболалық айна дифракцияланған сәулелерді белгілі бір бұрышта жинап, детекторда бейне құрайды. Микроканалдық фотокөбейтуші пластина немесе рентген сәулелеріне сезімтал CCD чипі сияқты екі өлшемді позицияға сезімтал детекторды пайдалану арқылы белгілі бір толқын ұзындығы диапазонындағы спектр бір мезгілде тіркелуі мүмкін (пленкалық пластиналарды да қолдануға болады).

Интерферометрлер

Торлардың тудыратын көп сәулелі интерференция ұғымын пайдаланудың орнына, екі сәуле ғана интерференцияласуы мүмкін. Екі мұндай сәуленің интенсивтілігін белгілі бір тұрақты нүктеде тіркеп, олардың салыстырмалы фазасын өзгерту арқылы жол ұзындығы айырмашылығының функциясы ретінде интенсивтілік спектрін аламыз. Бұл, жиіліктің функциясы ретінде Фурье түрлендірілген спектрге балама екенін көрсетуге болады. Мұндай спектрдің тіркеуге болатын ең жоғары жиілігі сканирлеу кезінде таңдалған ең кішкентай қадам өлшемімен анықталады, ал жиілік ажыратымдылығы (яғни, белгілі бір толқынның жиілігі қаншалықты дәл анықталады) – қол жеткізілген жол ұзындығының ең үлкен айырмашылығымен байланысты. Соңғы мүмкіндік, рентген сәулелерінің ұзындығы қол жеткізілетін жол ұзындығы айырмашылығымен салыстырғанда шағын болғандықтан, торлы спектрометрге қарағанда жоғары ажыратымдылыққа қол жеткізу үшін әлдеқайда ықшам конструкция жасауға мүмкіндік береді.

АҚШ-тағы рентген спектроскопиясының алғашқы тарихы

Philips Gloeilampen Fabrieken компаниясы, штаб-пәтері Нидерландының Эйндховен қаласында орналасқан, бастапқыда шамдарын өндіруші ретінде жұмыс істеген, бірақ тез дамып, қазір электр құралдары, электроника және оған қатысты өнімдердің, соның ішінде рентген жабдықтарының жетекші өндірушілерінің біріне айналды. Әлемдегі ең ірі ҒЗЖ зертханаларының бірі де осы компанияда орналасқан. 1940 жылы Нидерланды Гитлер Германиясының шабуылына ұшырады. Компания Нью-Йорктегі Хадсон өзенінің жағасындағы Ирвингтон қаласындағы меншігінде орналасқан ҒЗЖ зертханасы ретінде құрылған компанияға үлкен қаржылай қаражат аударуға қол жеткізді. Голландиялық компания шамдарды дамыту барысында трансформаторлармен жұмыс істейтін медициналық қолданысқа арналған рентген түтікшелерін жасады. Бұл рентген түтікшелерін ғылыми рентгендік құралдарда да қолдануға болады, бірақ соңғысына коммерциялық сұраныс өте төмен болды. Осы себепті басшылық осы нарықты дамытуға тырысуға шешім қабылдады және Голландия мен АҚШ-тағы зертханаларында даму топтарын құрды. Олар инфрақызыл зерттеулер саласындағы әлемдік сарапшы, Мичиган университетінің профессоры доктор Айра Даффендакты зертхананы басқаруға және персоналды жұмысқа алуға шақырып алды. 1951 жылы ол доктор Дэвид Миллерді Зерттеу жөніндегі директордың орынбасары етіп тағайындады. Доктор Миллер Сент-Луистегі Вашингтон университетінде рентгендік құралдарды зерттеген. Доктор Даффендак рентгендік дифракция бойынша белгілі зерттеуші доктор Билл Пэришті рентгендік құралдарды дамыту бөлімін басқаруға шақырды. Рентгендік дифракциялық құрылғылар академиялық зерттеу бөлімдерінде кристалдарды талдау үшін кеңінен қолданылды. Дифракциялық құрылғының маңызды бөлігі – гониометр деп аталатын өте дәл бұрыш өлшейтін құрал болды. Мұндай құрылғылар коммерциялық түрде қол жетімді болмағандықтан, әр зерттеуші өздігінен жасауға тырысты. Доктор Пэрриш бұл құралдың құралдар нарығын құруға ыңғайлы екенін түсінді, сондықтан оның тобы гониометрді жобалап, өндіруді үйренді. Бұл нарық тез дамыды және қолжетімді түтікшелер мен қуат көздерінің арқасында толық дифракциялық құрылғы жасалып, сәтті сатылды. АҚШ басшылығы зертхананың өндірістік бөлімшеге айналуын қаламады, сондықтан рентгендік құралдар нарығын одан әрі дамыту үшін коммерциялық бөлімше құруға шешім қабылдады. 1953 жылы Нью-Йорк штатының Маунт-Вернон қаласында рентгендік құралдарды сату және қолдаумен айналысатын Norelco Electronics компаниясы құрылды. Оның құрамына сату қызметкерлері, өндіріс тобы, инженерлік бөлім және қолданбалар зертханасы кірді. Доктор Миллер зертханадан инженерлік бөлімге ауыстырылды. Сату қызметкерлері жылына үш курсты демеушілік етті: бірі Маунт-Вернон, бірі Денвер, және бірі Сан-Франциско қалаларында. Апталық курстар рентгендік құралдардың негіздерін және Norelco өнімдерінің нақты қолданылуын қарастырды. Курстарды инженерлік бөлімнің қызметкерлері мен академиялық кеңесшілер оқыды. Курстарға академиялық және өндірістік ҒЗЖ ғалымдары көп қатысты. Инженерлік бөлім жаңа өнімдерді әзірлеу тобы болды. Олар өнімдер тізіміне рентген спектрографы мен келесі 8 жыл ішінде басқа да ұқсас өнімдерді қосты. Қолданбалар зертханасы сатудың маңызды құралы болды. Спектрографты жылдам және дәл химиялық талдау құралы ретінде ұсынғанда, оған күмәнмен қарады. Барлық зерттеу мекемелерінде химия бөлімі болды және талдау «ылғалды химия» әдісімен жүргізілді. Бұл талдауды физикалық құралдар арқылы жасау идеясы күмәнді деп есептелді. Бұл көзқарасты жеңу үшін сатушы әлеуетті клиенттен «ылғалды әдістермен» орындаған тапсырмасын сұрайтын. Тапсырма қолданбалар зертханасына берілетін, және олар рентгендік құрылғыларды қолдану арқылы оны қаншалықты дәл және жылдам орындай алатынын көрсететін. Бұл өте тиімді сату құралы болды, әсіресе нәтижелер Norelco Reporter-де жарияланғанда, компанияның ай сайын шығаратын техникалық журналы коммерциялық және академиялық мекемелерге кең таралды. Рентген спектрографы жоғары кернеулі қуат көзінен (50 кВ немесе 100 кВ), кең жолақты рентген түтігінен (әдетте вольфрам аноды және бериллий терезесі бар), үлгі ұстағышынан, талдау кристалынан, гониометрден және рентген детектор құрылғысынан тұрады. Бұлар 1-суретте көрсетілгендей орналастырылған. Түтікшеден шығатын үздіксіз рентген спектрі үлгіге сәуле түсіреді және үлгідегі сипаттамалық рентген сәулелік сызықтарды қоздырады. 92 элементтің әрқайсысы өзіне тән спектр шығарады. Оптикалық спектрден айырмашылығы, рентгендік спектр өте қарапайым. Элементті анықтау үшін ең күшті сызық, әдетте Kalpha сызығы, бірақ кейде Lalpha сызығы жеткілікті. Белгілі бір сызықтың болуы элементтің бар екенін көрсетеді, ал қарқындылығы үлгідегі осы элементтің мөлшеріне пропорционалды. Сипаттамалық сызықтар кристалдан, анализатордан, Брэгг шартымен анықталатын бұрышта шағылысады. Кристал барлық дифракция бұрыштарын тетаны айналу арқылы үлгілейді, ал детектор сәйкес бұрыш 2 тета бойынша айналады. Сезімтал детектормен рентген фотондары жеке-жеке саналады. Детекторларды бұрыш бойынша жылжытып, белгілі бір уақытқа тоқтату арқылы әр бұрыштық позициядағы сандар саны сызық қарқындылығын көрсетеді. Бұл сандарды тиісті дисплей құрылғысымен қисық түрінде көрсетуге болады. Сипаттамалық рентген сәулелері белгілі бұрыштарда шығады, және әр рентген спектральді сызық үшін бұрыштық позиция белгілі және тіркелгендіктен, үлгінің құрамын анықтау оңай. Молибден үлгісінің сканирование графигі 2-суретте көрсетілген. Сол жақтағы биік шыңы – екі тета 12 градусқа тең сипаттамалық альфа сызығы. Екінші және үшінші ретті сызықтар да пайда болады. Альфа сызығы көбінесе көптеген өнеркәсіптік қолданыстарда қызығушылық тудыратын жалғыз сызық болғандықтан, Norelco рентген спектрографиялық құралдарының соңғы құрылғысы – Автометр болды. Бұл құрылғы кез келген уақыт аралығында кез келген қалаған екі тета бұрышында автоматты түрде оқуға бағдарламалана алатын. Автометр ұсынылғаннан кейін Philips АҚШ және Еуропада жасалған рентгендік құралдарды сатуды тоқтатып, Эйндховендегі құралдарды ұсынуға шешім қабылдады. 1961 жылы Автометрді әзірлеу кезінде Norelco Jet Propulsion Lab-тан субконтракт алды. Лаборатория Surveyor ғарыш кемесі үшін құралдар жиынтығымен жұмыс істеді. Айдың бетінің құрамына үлкен қызығушылық танылды және рентгендік анықтау құралын пайдалану мүмкін шешім ретінде қарастырылды. 30 ватт қуат шегімен жұмыс істеу өте қиын болды, және құрылғы жеткізілді, бірақ ол қолданылмады. Кейінірек NASA-ның әзірлеулері Айдың топырағын талдауға қабілетті рентген спектрографиялық құрылғыға әкелді. Norelco-ның күш-жігері әлсірегенімен, XRF құралдары ретінде белгілі рентген спектроскопиясының қолданылуы кеңейе берді. NASA-ның көмегімен құрылғылар ақыры қолға ұстауға қолайлы мөлшерге дейін кішірейтілді және кеңінен қолданылуда. Құрылғылар Bruker, Thermo Scientific, Elvatech Ltd. және SPECTRA компанияларынан қол жетімді.

Philips Gloeilampen Fabrieken, headquartered in Eindhoven in the Netherlands, got its start as a manufacturer of light bulbs, but quickly evolved until it is now one of the leading manufacturers of electrical apparatus, electronics, and related products including X ray equipment. It also has had one of the world's largest R&D labs. In 1940, the Netherlands was overrun by Hitler’s Germany. The company was able to transfer a substantial sum of money to a company that it set up as an R&D laboratory in an estate in Irvington on the Hudson in NY. As an extension to their work on light bulbs, the Dutch company had developed a line of X ray tubes for medical applications that were powered by transformers. These X ray tubes could also be used in scientific X ray instrumentations, but there was very little commercial demand for the latter. As a result, management decided to try to develop this market and they set up development groups in their research labs in both Holland and the United States. They hired Dr. Ira Duffendack, a professor at University of Michigan and a world expert on infrared research to head the lab and to hire a staff. In 1951 he hired Dr. David Miller as Assistant Director of Research. Dr. Miller had done research on X ray instrumentation at Washington University in St. Louis. Dr. Duffendack also hired Dr. Bill Parish, a well known researcher in X ray diffraction, to head up the section of the lab on X ray instrumental development. X ray diffraction units were widely used in academic research departments to do crystal analysis. An essential component of a diffraction unit was a very accurate angle measuring device known as a goniometer. Such units were not commercially available, so each investigator had do try to make their own. Dr Parrish decided this would be a good device to use to generate an instrumental market, so his group designed and learned how to manufacture a goniometer. This market developed quickly and, with the readily available tubes and power supplies, a complete diffraction unit was made available and was successfully marketed. The U. S. management did not want the laboratory to be converted to a manufacturing unit so it decided to set up a commercial unit to further develop the X ray instrumentation market. In 1953 Norelco Electronics was established in Mount Vernon, NY, dedicated to the sale and support of X ray instrumentation. It included a sales staff, a manufacturing group, an engineering department and an applications lab. Dr. Miller was transferred from the lab to head up the engineering department. The sales staff sponsored three schools a year, one in Mount Vernon, one in Denver, and one in San Francisco. The week long school curricula reviewed the basics of X ray instrumentation and the specific application of Norelco products. The faculty were members of the engineering department and academic consultants. The schools were well attended by academic and industrial R&D scientists. The engineering department was also a new product development group. It added an X ray spectrograph to the product line very quickly and contributed other related products for the next 8 years. The applications lab was an essential sales tool. When the spectrograph was introduced as a quick and accurate analytical chemistry device, it was met with widespread skepticism. All research facilities had a chemistry department and analytical analysis was done by “wet chemistry” methods. The idea of doing this analysis by physics instrumentation was considered suspect. To overcome this bias, the salesman would ask a prospective customer for a task the customer was doing by “wet methods”. The task would be given to the applications lab and they would demonstrate how accurately and quickly it could be done using the X ray units. This proved to be a very strong sales tool, particularly when the results were published in the Norelco Reporter, a technical journal issued monthly by the company with wide distribution to commercial and academic institutions. An X ray spectrograph consists of a high voltage power supply (50 kV or 100 kV), a broad band X ray tube, usually with a tungsten anode and a beryllium window, a specimen holder, an analyzing crystal, a goniometer, and an X ray detector device. These are arranged as shown in Fig. 1. The continuous X spectrum emitted from the tube irradiates the specimen and excites the characteristic spectral X ray lines in the specimen. Each of the 92 elements emits a characteristic spectrum. Unlike the optical spectrum, the X ray spectrum is quite simple. The strongest line, usually the Kalpha line, but sometimes the Lalpha line, suffices to identify the element. The existence of a particular line betrays the existence of an element, and the intensity is proportional to the amount of the particular element in the specimen. The characteristic lines are reflected from a crystal, the analyzer, under an angle that is given by the Bragg condition. The crystal samples all the diffraction angles theta by rotation, while the detector rotates over the corresponding angle 2 theta. With a sensitive detector, the X ray photons are counted individually. By stepping the detectors along the angle, and leaving it in position for a known time, the number of counts at each angular position gives the line intensity. These counts may be plotted on a curve by an appropriate display unit. The characteristic X rays come out at specific angles, and since the angular position for every X ray spectral line is known and recorded, it is easy to find the sample's composition. A chart for a scan of a Molybdenum specimen is shown in Fig. 2. The tall peak on the left side is the characteristic alpha line at a two theta of 12 degrees. Second and third order lines also appear. Since the alpha line is often the only line of interest in many industrial applications, the final device in the Norelco X ray spectrographic instrument line was the Autrometer. This device could be programmed to automatically read at any desired two theta angle for any desired time interval. Soon after the Autrometer was introduced, Philips decided to stop marketing X ray instruments developed in both the U. S. and Europe and settled on offering only the Eindhoven line of instruments. In 1961, during the development of the Autrometer, Norelco was given a sub contract from the Jet Propulsion Lab. The Lab was working on the instrument package for the Surveyor spaceship. The composition of the Moon’s surface was of major interest and the use of an X ray detection instrument was viewed as a possible solution. Working with a power limit of 30 watts was very challenging, and a device was delivered but it wasn’t used. Later NASA developments did lead to an X ray spectrographic unit that did make the desired moon soil analysis. The Norelco efforts faded but the use of X ray spectroscopy in units known as XRF instruments continued to grow. With a boost from NASA, units were finally reduced to handheld size and are seeing widespread use. Units are available from Bruker, Thermo Scientific, Elvatech Ltd. and SPECTRA.