СПОСОБ РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО АТОМНОГО НОМЕРА МАТЕРИАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО АТОМНОГО НОМЕРА МАТЕРИАЛА Российский патент 2011 года по МПК G01N23/22 

Изобретение относится к области аналитической химии и технической физики, а также к различным областям науки и техники для идентификации материалов (объектов), состоящих из элементов начала периодической системы, таких, например, как горные породы, органические соединения, полимеры и изделия из них, для количественного анализа 2-х-3-х компонентных систем на основе этих элементов (например, для определения соотношения C:H в углеводородах) и для сепарации материалов (объектов), состоящих из легких элементов (например, в качестве датчика сепараторов угля и руд на ленте транспортера).

Предлагаемые способ и устройство, основанные на измерении интенсивности рассеянного рентгеновского излучения, могут быть использованы в разведочной геофизике для опробования кернов и геофизических скважин, при поиске, разведке и разработке рудных месторождений, в горнодобывающей и горно-перерабатывающей промышленности, при опробовании скважин, стенок горных выработок, качества руд, угля и других полезных ископаемых в вагонетках и на ленте транспортера.

Кроме того, определение эффективного атомного номера (Z_эфф) приобрело широкое применение для корректировки результатов рентгеноспектрального анализа, в особенности проводимого в полевых условиях (в частности, в условиях естественного залегания), а также для экспрессного распознавания материалов при таможенном досмотре, при покусковой и порционной сепарации разнообразных материалов и т.д.

Эффективный атомный номер исследуемого объекта или материала Z_эфф, определяемый входящими в его состав химическими элементами и их концентрациями, является обобщенным показателем, характеризующим материал. Он выражается как

где Z_i - атомные номера элементов, входящих в состав материала, C_i - их концентрации и n - показатель степени, обычно принимаемый равным 3.

Известны способы определения эффективного атомного номера разнообразных объектов, основанные на измерении интенсивности обратно рассеянного исследуемым объектом рентгеновского или гамма-излучения [1, 2], или способы, основанные на облучении объекта излучением различных энергий и регистрации рассеянного излучения в двух диапазонах энергий [3-6].

К недостаткам этих способов относятся, в первую очередь, малая чувствительность к изменению эффективного атомного номера объекта Z_эфф, в особенности при исследовании сред с малым эффективным атомным номером (органические соединения) и необходимость жестко фиксировать геометрические условия измерений. Это исключает их применение для неповреждающего контроля состава образцов произвольного размера и неправильной формы.

Аналогом предлагаемого изобретения можно считать лабораторный рентгеновский спектрометр с волновой или энергетической дисперсией, спектральное разрешение которого в среднем диапазоне энергий рентгеновского спектра достаточно для разделения когерентно и некогерентно рассеянных на образце линий характеристического спектра анода рентгеновской трубки. Такой спектрометр состоит из рентгеновской трубки с интенсивными характеристическими линиями материала анода и диспергирующего устройства, выделяющего из облучаемого объекта когерентно и некогерентно рассеянные характеристические линии. Интенсивность этих линий определяется отношением массовых коэффициентов когерентно и некогерентно рассеянного излучения к массовому коэффициенту ослабления. Поскольку массовый коэффициент когерентного рассеяния возрастает с увеличением Z_эфф образца, а массовый коэффициент некогерентного рассеяния практически не зависит от Z_эфф, отношение интенсивностей когерентно и некогерентно рассеянной линии будет увеличиваться с увеличением Z_эфф, и по величине этого отношения можно найти эффективный атомный номер исследуемого объекта.

Принципиальная возможность такого подхода на спектрометре с волновой дисперсией была впервые показана в работе [7] при определении отношения C:H в нефти, непосредственно связанного с ее Z_эфф, по отношению интенсивности когерентно и некогерентно рассеянной Lα линии вольфрамового анода.

Основными недостатками аналога является сложность и высокая стоимость необходимого оборудования, а также невозможность его использования в производственных условиях (при опробовании геофизических скважин, анализе на ленте транспортера или покусковой сепарации).

Прототипом предлагаемого изобретения является способ и устройство для анализа (сортировки) руд тяжелых элементов, основанные на определении Z_эфф объекта по отношению интенсивностей рассеянного средой излучения двух различных энергий [8]. Устройство, являющееся прототипом, состоит из двух источников излучения с разной энергией, детектора (сцинтилляционного счетчика) и схемы регистрации рассеянного излучения. При рассеянии излучения с большей энергией преобладает некогерентное рассеяние, а для излучения с меньшей энергией преобладает фотоэлектрическое поглощение, возрастающее с увеличением эффективного атомного номера. Реализующее этот способ устройство включает два источника (радиоизотопа или рентгеновской трубки), детектор и схему регистрации. Отношение интенсивностей рассеянного излучения в области большей энергии к интенсивности излучения с меньшей энергией будет возрастать с увеличением Z_эфф среды, что и позволяет оценить его величину.

Недостатком прототипа является его малая чувствительность к изменению Z_эфф и, следовательно, низкая точность измерений, а также необходимость наличия двух источников излучения, что усложняет устройство и удорожает его стоимость.

Технический результат для заявленной группы изобретений (способа рентгеноспектрального определения эффективного атомного номера материала и устройства для его реализации) является единым и состоит в упрощении, удешевлении и повышении точности за счет достижения более высокого разделения когерентно и некогерентно рассеянного излучения, осуществляемого без использования, как в известных аналогах, сложных и дорогих приборов с высоким спектральным разрешением.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе рентгеноспектрального определения эффективного атомного номера материала, включающего облучение исследуемого материала характеристическим или смешанным рентгеновским излучением и регистрацию вторичного спектра рассеянного излучения, в соответствии с предлагаемым изобретением при регистрации вторичного спектра рассеянного излучения измеряют интенсивности основного пика и пика вылета амплитудного распределения, и по отношению измеренных интенсивностей и стандартной градуировочной зависимости, полученной на материалах известного состава, определяют эффективный атомный номер исследуемого материала.

При этом рабочее тело детектора, характеристическую линию и угол рассеяния выбирают такими, чтобы энергия края поглощения детектора была расположена между энергиями когерентно и некогерентно рассеянной линии, и измеряют интенсивности основного пика и пика вылета амплитудного распределения детектора (по их отношению определяют эффективный атомный номер исследуемого материала).

Кроме этого, указанный технический результат достигается также тем, что устанавливают рентгеновскую трубку с иттриевым анодом, проводят монохроматизацию первичного излучения селективным фильтром из соединений рубидия или стронция толщиной 1 мм, устанавливают пропорциональный счетчик с криптоновым наполнением, измеряют интенсивности основного пика и пика вылета амплитудного распределения детектора и по отношению измеренных интенсивностей определяют эффективный атомный номер исследуемого материала.

Указанный технический результат достигается также тем, что в устройстве, содержащем источник рентгеновского излучения с характеристическим или смешанным спектром, селективный фильтр первичного излучения, держатель образца, и детектор с системой регистрации рассеянного излучения, в соответствии с заявленным изобретением источником первичного излучения служит рентгеновская трубка с иттриевым анодом, селективный фильтр первичного излучения выполнен из соединений рубидия или стронция, детектором служит пропорциональный счетчик с криптоновым наполнением и угол рассеяния превышает 150°.

Принцип действия заявленного изобретения поясняется Фиг.1-4.

На Фиг.1 приведен спектр исходного (а) и спектр, преобразованный фильтром из соединения рубидия (б) излучения рентгеновской трубки с иттриевым анодом.

На Фиг.2 приведена схема расположения выделяемых участков спектров, краев поглощения и Kα линии иттрия в спектре рассеянного излучения, зарегистрированного счетчиком.

На Фиг.3 приведена зависимость аналитического сигнала {F(Z)} от Z_эфф.

На Фиг.4 приведена схема одного из вариантов предлагаемого устройства.

Как следует из Фиг.1, излучение с энергией выше края поглощения рубидия (15.20 кэВ) эффективно ослабляется рубидиевым фильтром и в амплитудном спектре практически отсутствует. Фильтр первичного излучения подавляет также длинноволновую часть спектра с энергией менее 6-8 кэВ.

Амплитудный спектр импульсов на выходе счетчика состоит из двух участков - основного пика и пика вылета. Положение пика вылета (Е_пв) соответствует разности энергий регистрируемого излучения (Е_ри) и флуоресцентного излучения материала детектора (Е_фмд), т.е. Е_пв=Е_ри-Е_фмд.

Некогерентная компонента спектра, возникающая в объекте при комптоновском рассеянии первичного излучения на свободных или слабосвязанных электронах, характеризуется энергией, определяемой выражением

где Е₀ - энергия, эквивалентная массе покоя электрона (511 кэВ) и θ - угол рассеяния. Для энергии 15.20 кэВ и угле θ 150° комптоновский сдвиг Е_кг-Е_нк составит 0.80 кэВ, т.е. коротковолновая граница некогерентного спектра будет сдвинута от края поглощения рубидия до 14.40 кэВ.

Для подтверждения указанного технического результата были рассмотрены и проанализированы возможности достижения более высокого разрешения с использованием процедуры разделения когерентного и некогерентного рассеянного излучения.

Участок когерентно рассеянного излучения, выделяемый краями поглощения криптона (14.32 кэВ) и рубидия (15.20 кэВ) на фиг.2, включает Kα линию иттриевого анода рентгеновской трубки и образует, кроме пика полного поглощения с соответствующей энергией, пик вылета с границами 15.20-12.64=2.56 кэВ и 14.32-12.64=1.68 кэВ (12.64 кэВ - Е_фмд - энергия фотона Kα линии криптона, не поглощенного в детекторе). В этот интервал попадает также пик вылета Kα линии иттрия с энергией 14.95-12.64=2.31 кэВ.

В пик полного поглощения попадает как когерентно, так и некогерентно рассеянное излучение, в то время как пик вылета образуется в основном когерентно рассеянным излучением.

Соотношения пика вылета и основного пика определяются выходом флуоресценции рабочего тела детектора и ее самопоглощением в детекторе. Для криптона и других рабочих тел, которые целесообразно использовать в детекторе датчика (Xe, NaJ·Tl), оба пика одного порядка.

В случае криптонового счетчика в пик вылета попадает участок некогерентного спектра шириной 14.40-14.32=0.08 кэВ, что на порядок меньше ширины участка когерентного спектра (0.80 кэВ).

Как когерентно, так и некогерентно рассеянное излучение с энергией менее энергии К-края криптона (14.32 кэВ) остается в пике полного поглощения и не попадает в пик вылета.

Расположение когерентно и некогерентно рассеянных участков спектра и краев поглощения приведено на Фиг.2, где

(1) - энергия края поглощения рубидия - верхняя граница основного пика когерентно рассеянного излучения (15,20 кэВ);

(2) - энергия когерентно рассеянной Kα линии иттрия (14,95 кэВ);

(3) - энергия края поглощения криптона (14,32 кэВ);

(4) - энергия некогерентно рассеянной Kα линию иттрия (14,18 кэВ);

(5)-(7) - пик вылета когерентно рассеянного участка спектра с границами 1.68 кэВ и 2.56 кэВ;

(6) - энергия когерентно рассеянной Kα линии иттрия в пике вылета (2.31 кэВ).

Как следует из Фиг.2, в пик вылета попадает, в основном, когерентно рассеянная компонента вторичного спектра, а пик полного поглощения включает как когерентную, так и некогерентную компоненту.

Приняв в первом приближении, что пик вылета включает только когерентную компоненту, а пик полного поглощения содержит всю некогерентную компоненту и половину когерентной, и учитывая, что интенсивности компонент пропорциональны соответствующим дифференциальным сечениям рассеяния σ_кг и σ_нк, находим аналитический сигнал - отношение интенсивностей основного пика и пика вылета

Эффективность предложенного способа иллюстрирована на Фиг.3, на которой приведена зависимость аналитического сигнала F(Z) от эффективного атомного номера объекта Z_эфф при монохроматическом возбуждении Е=14 кэВ и угле рассеяния θ=150°.

Как следует из Фиг.3, зависимость аналитического сигнала от Z_эфф наиболее ярко выражена в диапазонах Z_эфф 6-9 и 14-22, что свидетельствует о целесообразности применения предлагаемого датчика при опробовании и сепарации углей (Z_эфф≈6) и железных и полиметаллических руд (Z_эфф>15-20).

В случае сепарации углей - при переходе от угля (Z=6) к породе (Z_эфф≥12) значение F(Z) падает от 11 до 7 и менее, что обеспечивает высокую надежность разделения. Также эффективно отделение руд черных металлов (Z_эфф≥18-20) от пустой породы, связанное с изменением аналитического сигнала в 2-3 раза.

В качестве примера на Фиг.4 приведена схема описанного варианта устройства на основе фильтра первичного излучения из соединения рубидия и пропорционального счетчика с криптоновым наполнением.

Устройство для определения эффективного атомного номера материала, приведенное на Фиг.4, включает рентгеновскую трубку (1) с иттриевым анодом (2) и окном (3), селективный фильтр первичного излучения из соединения рубидия (4), держатель образца (5), криптоновый пропорциональный счетчик (6) и регистрирующее устройство (7).

Датчик для измерения и контроля эффективного атомного номера материала функционирует следующим образом.

Рентгеновское излучение анода рентгеновской трубки (2) проходит селективный фильтр (4) и падает на объект, который находится в держателе образца (5).

Селективный фильтр (4), подавляющий коротковолновую и длинноволновую компоненту первичного спектра, служит для выделения эффективного участка спектра первичного излучения.

Рассеянное излучение на объекте, который находится в держателе образца (5), содержащее когерентную и некогерентную компоненты, регистрируется криптоновым счетчиком (6) и поступает в регистрирующее устройство (7), образуя амплитудный спектр.

Кроме рассмотренного устройства на основе криптонового пропорционального счетчика, в заявленном устройстве могут быть использованы пропорциональный счетчик с ксеноновым наполнением и сцинтилляционный счетчик с кристаллом NaJ·Tl в сочетании с соответствующими фильтрами первичного излучения.

Источником первичного излучения может служить характеристическое излучение мишени из чистого элемента, возбуждаемого рентгеновской трубкой или радиоизотопным источником.

Заявленное устройство по сравнению с прототипом позволяет повысить точность измерений за счет большей контрастности аналитического сигнала. При применении такого устройства не требуется жестко фиксировать геометрические условия измерений и возможно его применение для неповреждающего контроля состава образцов произвольного размера и неправильной формы.

Технико-экономическая эффективность заявленной группы изобретений (способа рентгеноспектрального определения эффективного атомного номера материала и устройства для его реализации) состоит в определении с высокой точностью и чувствительностью эффективного атомного номера исследуемого материала, что позволит решать прикладные задачи, связанные с решением сложных проблем (в частности, опробовании стенок выработок рудных месторождений) в разведочной геофизике и при обогащении рудных продуктов на горно-обогатительных комбинатах. Реализация этого способа осуществляется на заявленном устройстве, технико-экономическая эффективность которого состоит в существенном упрощении и удешевлении конструкции.

Помимо этого, привлекательность заявленного изобретения состоит в возможности использования изобретения для решения таких задач в рентгенофлуоресцентном анализе, когда требуется разрешение близколежащих спектральных линий для устранения погрешностей, связанных со спектральным наложением.

Источники информации.

1. Плотников Р.И., Пшеничный Г.А. Флюоресцентный рентгенорадиометрический анализ. // М.: Атомиздат, 1973 г., стр.42-46, 50-54.

2. Патент Великобритании G01N_23_22_GB_№2083618_82_Способ и устройство для анализа содержания тяжелого элемента в руде_OUTOCUMPU OY. Великобритания, Заявка №2083618. Публикация 1982 г., 24 марта, №4856.

3. Szegedi S., Tun K.M., Ibrahim S.M. Определение золы в углях методом отражения гамма-лучей. // J. Radioanal. Nucl. Chem., 1996, 213 (6), 403-409.

4. Magahaes S.D. et al. Определение материалов с высоким Z в среде с малым Z по рассеянию рентгеновского излучения. Определение золы в углях. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., 1995, 95 (1), 87-90.

5. Намазбаев Т.С., Савелов В.Д., Полевой А.П. и др. Радиоизотопный измерительно-вычислительный комплекс для контроля зольности и плотности твердого топлива на потоке по рассеянному излучению Am-241. Сталь, 2002, №9.

6. Lin W.Z., Kong L., Qu Т., Cheng J.J. Оценка погрешности определения золы в углях в потоке по рассеянию гамма-излучения. // Appl. Rad. Isot, 2002, 57 (3), 353-358.

7. C.W.DWIGGINS, Jr. Quantitative Determination of Low Atomic Number Elements Using Intensity Ratio of Coherent to Incoherent Scattering of X-Rays Determination of Hydrogen and Carbon // Petroleum Research Center, Bureau of Mines, U.S. Department of the Interior, Bartlesville, O/c/a. // Analyt. Chemistry. 1961. V.33, P.67.

8. G01N_23_22_GB_№2083618_82_Способ и устройство для анализа содержания тяжелого элемента в руде_OUTOCUMPU OY. Великобритания, Заявка №2083618. Публикация 1982 г., 24 марта, №4856 (прототип).

Использование: для рентгеноспектрального определения эффективного атомного номера материала. Сущность заключается в том, что осуществляют облучение исследуемого материала характеристическим или смешанным рентгеновским излучением и регистрацию вторичного спектра рассеянного излучения, при этом при регистрации вторичного спектра рассеянного излучения измеряют интенсивности основного пика и пика вылета амплитудного распределения, и по отношению измеренных интенсивностей и стандартной градуировочной зависимости, полученной на материалах известного состава, определяют эффективный атомный номер исследуемого материала. Технический результат: упрощение и повышение точности определения эффективного атомного номера материала. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ рентгеноспектрального определения эффективного атомного номера материала, включающий облучение исследуемого материала характеристическим или смешанным рентгеновским излучением и регистрацию вторичного спектра рассеянного излучения, отличающийся тем, что при регистрации вторичного спектра рассеянного излучения измеряют интенсивности основного пика и пика вылета амплитудного распределения, и по отношению измеренных интенсивностей и стандартной градуировочной зависимости, полученной на материалах известного состава, определяют эффективный атомный номер исследуемого материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что устанавливают рентгеновскую трубку с иттриевым анодом, проводят монохроматизацию первичного излучения селективным фильтром из соединений рубидия или стронция толщиной 1 мм, устанавливают пропорциональный счетчик с криптоновым наполнением, измеряют интенсивности основного пика и пика вылета амплитудного распределения детектора и по отношению измеренных интенсивностей определяют эффективный атомный номер исследуемого материала.

3. Устройство для рентгеноспектрального определения эффективного атомного номера материала, содержащее источник рентгеновского излучения с характеристическим или смешанным спектром, селективный фильтр первичного излучения, держатель образца, и детектор с системой регистрации рассеянного излучения, отличающееся тем, что источником первичного излучения служит рентгеновская трубка с иттриевым анодом, селективный фильтр первичного излучения выполнен из соединений рубидия или стронция, детектором служит пропорциональный счетчик с криптоновым наполнением и угол рассеяния превышает 150°.