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In this study, we address the question of the
provenance and origin of the Dead Sea Scrolls manuscripts.
A characteristic low ratio of chlorine to bromine, corresponding
to that of the Dead Sea water, may serve as an indicator for
local production. For this aim we developed a non-destructive
procedure to determine the Cl/Br ratio in the parchment of
these manuscripts. Micro-X-ray fluorescence (µ-XRF) measurements
of a large number of parchment and leather
fragments from the Dead Sea Scrolls were analyzed with a
routine we developed based on fundamental parameter
quantification. This routine takes into account the absorption
of the collagen matrix and the influence of the different sample
thicknesses. To calculate the representative Cl/Br ratio for each
fragment, we investigated the lateral homogeneity and
determined the total mass deposition using the intensity of
the inelastically scattered, characteristic tube radiation. The
distribution of the Cl/Br ratios thus obtained from the µ-XRF
measurements make it possible to distinguish fragments
whose origin lies within the Dead Sea region from those
produced in other locations.
Polycapillary halflenses are widely used to focus X-ray radiation onto a small spot. Additionally they can reduce the field of view of a semiconductor detector when placed in front of one. In 3D micro X-ray fluorescence spectroscopy (3D Micro-XRF) with synchrotron radiation, two polycapillary halflenses are used in a confocal geometry. Up until now, characterization measurements in the focal plane have only been performed in the case of the lens focusing parallel radiation. Assumptions have been made, that in the other case, when isotropic radiation from a spot source is transported to a detector, the acceptance distribution in the focal plane is also Gaussian. We performed measurements with an electron beam as well as a proton beam which confirm this assumption. In addition, a comparison between measurements in collecting and focusing mode show differences in spot size and transmission. These differences exemplify the fact that there is not one global spot size or transmission function of a polycapillary halflens. Illumination and divergence effects can alter both characteristic lens parameters.
A new fundamental parameter based calibration procedure for micro X-ray fluorescence spectrometers
(2011)
Fundamental parameter based quantification of X-ray fluorescence (XRF) measurement data requires an accurate knowledge of the spectrometer parameters, including the spectral distribution of the excitation radiation. In case of micro-XRF where a polycapillary optic is utilized in the excitation channel this distribution is changed due to the transmission properties of the lens. A new calibration procedure, based on fluorescence data of thin standard samples, was developed to determine the excitation spectrum, i.e., the product of the X-ray tube spectrum and the transmission of the used X-ray optic of a micro-XRF setup. The calibration result was validated by the quantitative analyses of certified multi-element reference standards and shows uncertainties in the order of 2% for main components, 10% for minor elements and 25% for trace elements. The influence of secondary order effects like Coster–Kronig transitions and cascade effects is analyzed and the accuracy of fundamental parameters in common databases is discussed.
Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) ist ein Standardverfahren in der zerstörungsfreien Elementanalyse. Die Entwicklung von Polykapillaroptiken und von SDD-Halbleiterdetektoren, die ohne Stickstoff-Kühlung auskommen, ermöglicht eine breite Anwendung dieses Verfahrens z. B. in der Kunst- und Kulturgutanalyse. Die dafür entwickelten Spektrometer sind mobil und bieten die Möglichkeit der Analyse von kleinen Strukturen, da Untersuchungs- flächen mit Durchmessern von 10-70 ¹m erzeugt werden. Für quantitative RFA-Ergebnisse werden in den meisten Anwendungsfällen referenzprobenbasierte Auswertungsverfahren eingesetzt. Aufgrund von Absorptionsprozessen in der Probenmatrix ist die Genauigkeit und Verlässlichkeit der ermittelten Konzentrationen dabei stark von der Ähnlichkeit von Referenz- und Untersuchungsprobe abhängig. Liegen keine geeigneten Referenzmaterialien vor, stellt die „Fundamental Parameter (FP) Methode“ eine Alternative dar. Dabei werden die bei der Erzeugung und Detektion auftretenden Wechselwirkungen mit Hilfe geeigneter Datenbanken mathematisch beschrieben. In einem Iterationsverfahren können auf diese Weise die Elementkonzentrationen ermittelt werden. Voraussetzung ist eine genaue Kenntnis der Spektrometerparameter, u. a. der spektralen Verteilung der Anregungsstrahlung. Da durch die Transmissionseigenschaften der Polykapillaroptiken die gut beschriebenen Röntgenröhrenspektren erheblich verändert werden, war eine Anwendung der FP-Methode für die Mikro-RFA bisher nicht möglich. Ziel dieser Arbeit ist es, die Transmission dieser Optik in einer Weise zu beschreiben, die eine routinemäßige Quantifizierung auf Basis der fundamentalen Parameter möglich ist. Die notwendigen Untersuchungen erfolgten an einem kommerziellen Mikro-RFA-Spektrometer, das für die Analyse im Kunst- und Kulturgutbereich entwickelt wurde. Zum einen wurden im Rahmen der Arbeit umfangreiche Charakterisierungsmessungen an der zum Spektrometer gehörenden Linse durchgeführt, um die grundsätzlichen Prozesse bei Strahlungstransport in Polykapillarlinsen besser zu verstehen. Dabei wurde besonders auf den Einfluss messungsbedingter Artefakte bei der Bestimmung der Linsenparameter geachtet. Zusätzlich wurden an Polykapillarhalblinsen Charakterisierungsuntersuchungen am Rasterelektronenmikroskop und mit Synchrotronstrahlung durchgeführt. Die Ergebnisse ergänzen die Erkenntnisse der Volllinsencharakterisierung, insbesondere den starken Einfluss der Messbedingungen auf die ermittelten Parameter. Zum anderen wurde ein neues Kalibrierungsverfahren entwickelt, welches die Beschreibung der Linsentransmission ohne vorherige Linsencharakterisierung ermöglicht. Das Verfahren wurde an zertifizierten Referenzmaterialien getestet. An verschiedenen Anwendungen aus dem Bereich der Archäometrie werden schließlich Quantifizierungsergebnisse präsentiert, so z. B. die Analyseergebnisse antiker römische Kupfermünzen, die im Rahmen eines Methodenvergleiches auch mit PIXE und Synchrotron- RFA untersucht wurden sowie Untersuchungsergebnisse historischer Pergamente und Schreibmaterialien.