РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТРОМЕТР Российский патент 2010 года по МПК G01N23/223 

Предлагаемое изобретение относится к энергодисперсионным поляризационным рентгеновским спектрометрам для рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) веществ.

Известен энергодисперсионный поляризационный рентгеновский спектрометр с трехмерной (3D) оптикой, который содержит источник излучения, вторичные и поляризационные мишени, размещенные на устройстве смены мишеней, держатель образца, детектор и расположенные между ними три коллиматора с взаимно перпендикулярными осями. (Брошюра Epsilon 5 EDXRF Spectrometer. Almedo, Netherlands, 2003. www.panalytical.ru).

Однако в спектрометре с ортогональными пучками размеры мишени и апертуры пучков малы. С увеличением расходимости ω любого из пучков уменьшается поляризация и увеличивается фон рассеянного от образца излучения, так как сечение рассеяния растет пропорционально sin²ω.

За прототип принят поляризационный рентгеновский спектрометр, содержащий источник гамма или рентгеновского излучения, держатель образца, детектор излучения с коллиматором, направленным на образец, регистрирующую аппаратуру, вход которой соединен с выходом детектора. Спектрометр содержит также рассеиватель-поляризатор в виде части сферы, в диаметрально противоположных точках которой размещены источник и детектор, перегородку со сквозной щелью, ось которой проходит через источник, причем перегородка размещена между рассеивателем и держателем образца с возможностью пропуска излучения рассеивателя на образец через ее щель. Держатель образца выполнен с возможностью установки образца на окружности сечения сферы плоскостью, проходящей через детектор перпендикулярно оси щели (Б.Ж.Жалсараев. Патент RU 2130604, G01N 23/223, 1999). Спектрометр размещен в защитной камере со шлюзом для загрузки образцов.

В спектрометре излучение рассеивается на прямые углы, опирающиеся на диаметры окружностей в сечениях сферы, и поляризуется при этом. Сечение рассеяния стремится к нулю вдоль электрического вектора излучения, и фон снижается на порядок по сравнению со спектрометрами без поляризации излучения. Светосила повышена по сравнению с аналогами за счет большой поверхности мишени и больших апертур пучков в плоскостях рассеяния и поперек оси щели. Анализируется одновременно более 30 элементов с порогами определения 0,5-2 г/т вплоть до бария.

В РФА регистрируемая интенсивность излучения элементов зависит не только от концентрации, но и от поглощающих свойства образцов. В случае проб широкопеременного состава необходимо определять коэффициенты поглощения излучения.

Однако возможности прямого измерения коэффициентов поглощения без применения дополнительного детектора или источника излучения на аналоге и прототипе ограничены, что сужает функциональные возможности спектрометра. Для облучения образцов «на просвет» потребуется перестройка с доступом вовнутрь защитного корпуса.

Технический результат настоящего изобретения заключается в расширении функциональных возможностей спектрометра. В частности, ставится цель обеспечить возможность прямого измерения коэффициентов поглощения материала образца, абсорбционного анализа и анализа с вторичной и поляризационной мишенью, с поглощающими, селективными и дифференциальными фильтрами, с оперативной сменой режимов работы и без использования дополнительного детектора или источника излучения.

Рассеиватели-поляризаторы и вторичные мишени можно обозначить общепринятым названием вторичные мишени.

Указанный технический результат достигается тем, что в рентгеновском спектрометре, размещенном в защитной камере и содержащем источник гамма или рентгеновского излучения, держатель образца, детектор излучения с коллиматором, направленным на образец, регистрирующую аппаратуру, вход которой соединен с выходом детектора, вторичные мишени в виде части сферы, в диаметрально противоположных точках которой размещены источник и детектор, перегородку со сквозной щелью, ось которой проходит через источник, причем перегородка размещена между вторичной мишенью и держателем образца с возможностью пропуска излучения вторичной мишени на образец через ее щель, держатель образца выполнен с возможностью установки образца на окружности сечения сферы плоскостью, проходящей через детектор перпендикулярно оси щели, согласно изобретению, введены основное и дополнительное устройства смены проб и устройство смены мишеней, причем на основном устройстве смены проб размешен набор держателей образцов, дополнительное устройство смены проб также снабжено держателями образцов и предназначено для просвечивания проб излучением мишени, установленной на основном устройстве смены проб, кроме того, введен дополнительный коллиматор между устройствами смены проб.

Кроме того, защитная камера снабжена общим шлюзом для загрузки образцов, мишеней и фильтров на устройства смены проб.

На фиг.1 приведена рентгенооптическая схема спектрометра, а на фиг.2 - вид спектрометра в разрезе перпендикулярно перегородке с щелью.

Рентгеновский спектрометр содержит источник 1 первичного излучения, вторичную мишень 2 в виде части сферы, перегородку 3 с щелью и детектор 4 (фиг.1 и 2). Источник 1 и детектор 4 расположены в диаметрально противоположных точках F₁ и F₂ сферы с радиусом R₁ на уровне центра сферы. Ось щели проходит через источник 1 и пересекает сферу в точке F₃. На фокальной окружности с радиусом R₂ (в вертикальном сечении сферы через детектор перпендикулярно оси щели) точка F₃ диаметрально противоположна детектору 4. В нижней зоне фокальной окружности расположен образец 5.

В любом сечении сферы, проходящем через ось щели (в плоскостях рассеяния), точки фокальной окружности диаметрально противоположны точке F₁ (источнику 1). Попавшие на фокальную окружность кванты поляризованы, а их электрические векторы, перпендикулярные плоскости первого рассеяния, сфокусированы к детектору 4.

У образцов с плоской поверхностью, например жидкости в кювете, с фокальной окружностью совпадает только центральная часть (фиг.1). Поэтому предпочтительно использовать образцы с вогнутой рабочей поверхностью. На фиг.2 показан образец 5, запрессованный в ободок.

Перед детектором расположен коллиматор 6. К выходу детектора присоединен вход регистрирующей аппаратуры 7. Экран 8 защищает детектор от прямого и рассеянного излучения.

Основное 9 и дополнительное 10 многопозиционные устройства смены проб (турели) выполнены в виде горизонтальных дисков с отдельными приводами. На основном нижнем устройстве 9 держатели образца 5 выполнены в виде отверстий. Держатели 11 на дополнительном верхнем устройстве 10 предназначены для установки поперек пучка фильтров, проб исследуемого вещества и образцов сравнения толщиной до миллиметра.

Защитная герметичная камера 12 снабжена общим шлюзом 13 в виде отверстия с крышкой для загрузки образцов, мишеней и фильтров на устройства 9 и 10. Защитная камера 12 выполнена с возможностью откачки воздуха и заполнения гелием.

Под позицией облучения образца 5 размещен поддон 14 с полостью. Размеры полости и выбраны так, чтобы с детектора не просматривались участки стенок, на которые может попасть прошедшее через образец излучение вторичной мишени.

При введении дополнительного устройства 10 коллиматор 6 укорочен, а для сохранения эффективности коллимации между устройствами 9 и 10 размещен дополнительный коллиматор 15.

На устройстве 16 (турели) смены мишеней с вертикальной осью вращения расположены узлы 17 вторичных мишеней, содержащие мишень 2 и перегородку 3. На устройстве 16 размещается 4 узла вторичных мишеней.

Включение перегородки в состав узла 17 дает возможность установить разную ширину щелей и фильтры вторичного излучения без введения отдельной турели для их смены.

В качестве поляризаторов можно использовать B₄C, Al₂O₃, в качестве вторичных мишеней - Y, Ag и другие. Предусматривается набор фильтров и образцов сравнения и набор мишеней для установки на основное устройство 9 смены проб.

Рентгеновский спектрометр работает следующим образом. При РФА образцы 5 облучают вторичным излучением мишени 2 и по интенсивности рассеянного и характеристического излучения судят о содержании элементов. Однако функциональные возможности спектрометра расширены, и обеспечена оперативность изменения режимов работы (не требуется перестройка с доступом в защитную камеру).

Режимы работы и функциональные возможности спектрометра:

1. Многоэлементный анализ на 40 и более элементов без откачки воздуха из камеры в образцах, установленных на устройстве 9 смены проб. Анализ можно провести в несколько приемов с поляризатором и с разными вторичными мишенями 2. При этом на дополнительное устройство 10 при необходимости можно установить фильтры.

2. Анализ легких элементов в сплавленных пробах на устройстве 9 в вакууме с поляризатором из B₄C или вторичной мишенью.

3. Косвенное определение коэффициентов поглощения в геометрии сражения. Образец на устройстве 9 облучается излучением вторичной мишени. Коэффициент поглощения образца определяют по графику зависимости этого коэффициента от интенсивности неупруго рассеянного излучения в фиксированных условиях.

4. Прямое определение коэффициентов поглощения. Пробы и образец сравнения заданной поверхностной плотности ставят на дополнительное устройство 10 и просвечивают излучением одно- или многоэлементной мишени, установленной на устройство 9, и определяют массовый коэффициент поглощения µ(Е). Энергию Е излучения можно менять путем смены вторичной мишени 2 или мишени на устройстве 9. Поляризация обеспечивает высокую контрастность.

5. Определение толщины проб или изделий, установленных на устройстве 10, по степени ослабления излучения.

6. Абсорбционный рентгеновский анализ. Образец на устройстве 10 просвечивают поочередно излучением мишеней с энергиями выше и ниже скачка поглощения определяемого элемента. Мишени установлены на устройстве 9. По ослаблению излучения трех разных энергии определяют концентрацию (Кохов Е.Д и Воронов Б.Ф. А.с. SU 393654 G01N 23/06, 1973).

7. Анализ с селективным фильтром. Например, определению золота по L_β-линии часто мешает К_β-линия мышьяка. Образец на устройстве 9 облучается излучением вторичной мишени из иттрия. На устройстве 10 установлен селективный фильтр из платины с L₃-краем между L_β-линией золота и К_β-линией мышьяка. Контрастность повышается за счет поглощения линии мышьяка селективным фильтром (Веригин А.А. Энергодисперсионный рентгеноспектральный анализ. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2005. с.51-90, с.165-173).

8. Анализ с дифференциальными фильтрами. На устройство 10 ставят два сбалансированных фильтра с краями поглощения выше и ниже энергии линии определяемого элемента. О концентрации элемента в образце на устройстве 9 судят по разнице интенсивностей аналитической линии в двух измерениях.

Приведенные режимы работы не требуют использования дополнительных источников излучения и детекторов. Смена образцов, мишеней и фильтров производится вращением устройств 9, 10 и 16.

Непрерывный спектр поляризованного вторичного излучения можно преобразовать в квазимонохроматический спектр с широким пиком при установке фильтра на щели перегородки в узле 17. Это позволяет повысить контрастность аналитических пиков в части спектра излучения образца.

Перегрузку детектора излучением легких элементов в пробах с большим содержанием этих элементов можно снизить установкой фильтра - поглотителя в держатель 11 на устройстве 10.

Измерения проводятся в фиксированных оптимальных условиях, которые можно найти опытным путем при отладке методик.

Устройства 9, 10 и 16 снабжены датчиками положения, фиксаторами и приводами. Предусмотрена работа в ручном и в автоматическом режиме под управлением компьютера.

Необходимость приготовления однородных образцов толщиной в десятки микрон усложняет и может ограничить прямое определение коэффициентов поглощения в диапазоне энергии ниже 2-3 кэВ. Подготовка проб толщиной порядка 1 мм и менее для определения коэффициента поглощения жесткого излучения не представляет особой сложности.

Просвечивание может дать ценную информацию в сложных случаях анализа проб широкопеременного состава.

Основную часть анализов можно выполнить без прямого или косвенного определения коэффициентов поглощения. При этом расчет концентраций производится известными способами, например по способу стандарта - фона, по способу фундаментальных параметров и т.д.

В спектрометре используется в качестве источника излучения рентгеновская трубка с анодом из вольфрама с боковым окном. Максимальное напряжение между анодом и катодом 75 кВ, мощность трубки 3 кВт. Можно использовать рентгеновскую трубку меньшей мощности.

Используется Si(Li)-детектор, охлаждаемый жидким азотом. Площадь детектора 30 мм², толщина 3 мм, энергетическое разрешение 130 эВ для энергии 5,9 кэВ. Фланец детектора наклонен вниз под углом 45°, что исключает просыпку частиц пробы на детектор. Окно из бериллия толщиной 8 мкм позволяет анализировать в вакууме элементы от натрия и выше.

Вторичные мишени изготовлены в виде части кольца по сфере радиуса R₁ 60 мм. Радиус фокальной окружности R₂ выбран равным 30 мм. Высота мишени без корпуса 40 мм, длина (вдоль щели) 65 мм. Диаметр полости поддона 60 мм, глубина 40 мм. Отверстие коллиматора 15 выполнено в виде эллипса размерами 14×5 мм.

Раствор первичного пучка достигает 40° в плоскостях рассеяния и 36° в поперечной плоскости. Отклонения углов рассеяния от 90° зависят от размеров отверстий коллиматоров и щели перегородки, от их соотношений с радиусами сферы и фокальной окружности и не превышают 10°.

На устройстве 9 в виде диска диаметром 240 мм размешается 12 образцов в кюветах диаметром 40 мм. Размер анализируемой зоны порядка 26×8 мм.

Рабочая поверхность насыпной, прессованной или сплавленной пробы формируется сферически выпуклым пуансоном. Тонкие образцы вогнуты по цилиндру с радиусом 30 мм. Устройство 10 с диаметром 140 мм вмещает 15 держателей для образцов диаметром 12 мм и толщиной до 1 мм. Образцы или фильтры фиксируются в держателях под углом 45°.

Предлагаемый спектрометр может быть использован в различных отраслях науки и промышленности. Пределы обнаружения на уровне г/т и менее по большому числу элементов позволяют исследовать большие массивы геологических и экологических проб. Возможность одновременного анализа большого числа элементов за минуты, оперативная смена режимов работы и образцов, автоматизация измерений и расчета концентрации обеспечивает производительность в десятки тысяч проб в год. РФА выполняется, в основном, без применения кислот, газов, дорогостоящих реагентов и является одним из самых оперативных и дешевых видов анализа.

Использование: для рентгенофлуоресцентного анализа веществ. Сущность: заключается в том, что рентгеновский спектрометр, размещенный в защитной камере, содержит источник гамма или рентгеновского излучения, держатель образца, детектор излучения с коллиматором, направленным на образец, регистрирующую аппаратуру, вход которой соединен с выходом детектора, вторичную мишень в виде части сферы, в диаметрально противоположных точках которой размещены источник и детектор, перегородку со сквозной щелью, ось которой проходит через источник, причем перегородка размещена между вторичной мишенью и держателем образца с возможностью пропуска излучения вторичной мишени на образец через ее щель, а держатель образца выполнен с возможностью установки образца на окружности сечения сферы плоскостью, проходящей через детектор перпендикулярно оси щели, при этом также введены основное и дополнительное устройства смены проб и устройство смены мишеней, причем на основном устройстве смены проб размещен набор держателей образцов, дополнительное устройство смены проб также снабжено держателями образцов и предназначено для просвечивания проб излучением мишени, установленной на основном устройстве смены проб, кроме того, введен дополнительный коллиматор между устройствами смены проб. Технический результат: расширение функциональных возможностей спектрометра. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Рентгеновский спектрометр, размещенный в защитной камере и содержащий источник гамма или рентгеновского излучения, держатель образца, детектор излучения с коллиматором, направленным на образец, регистрирующую аппаратуру, вход которой соединен с выходом детектора, вторичную мишень в виде части сферы, в диаметрально противоположных точках которой размещены источник и детектор, перегородку со сквозной щелью, ось которой проходит через источник, причем перегородка размещена между вторичной мишенью и держателем образца с возможностью пропуска излучения вторичной мишени на образец через ее щель, а держатель образца выполнен с возможностью установки образца на окружности сечения сферы плоскостью, проходящей через детектор перпендикулярно оси щели, отличающийся тем, что введены основное и дополнительное устройства смены проб и устройство смены мишеней, причем на основном устройстве смены проб размещен набор держателей образцов, дополнительное устройство смены проб также снабжено держателями образцов и предназначено для просвечивания проб излучением мишени, установленной на основном устройстве смены проб, кроме того, введен дополнительный коллиматор между устройствами смены проб.

2. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что защитная камера снабжена общим шлюзом для загрузки образцов, мишеней и фильтров на устройства смены проб.