Устройство для рентгеноспектрального флуоресцентного анализа Советский патент 1992 года по МПК G01N23/223 

Изобретение относится к рентгеноспек- тральным методам анализа веществ, предназначено для многокомпонентного анализа проб различных материалов и может быть использовано при определении их элементного состава.

Известны устройства для рентгеноспек- трального флуоресцентного анализа вещества, включающие в себя установленные в вакуумированном объеме источник первичного излучения, излучение которого нормально падает на плоскую поверхность

пробы, помещенной в держатель, и один или несколько расположенных вокруг пробы кристаллдифракционных спектрометрических каналов, с помощью которых выделяют в спектре вторичного излучения пробы аналитическую линию определяемого элемента.

Такие устройства характеризуются недостаточным для многих практических приложений порогом обнаружения. Этот недостаток обусловлен тем, что в указанной рентгено-оптической схеме отношение величины аналитического сигнала к величине

VJ СО О СЛ

XI

фона под аналитической линией сравнительно мало из-за значительной интенсивности рассеянного пробой излучения.

Более совершенны рентгеновские аппараты, основанные на применении явления полного внешнего отражения.

В известном устройстве проба в виде тонкого слоя, нанесенного на центральную часть, выполненного из кварца плоскополированной подложки, облучается узким слаборасходящимся пучком первичного рентгеновского излучения, отраженным под углом полного внешнего отражения от горизонтально расположенной и обращенной в сторону пробы плоскополированной поверхности пластины-рефлектора. При этом возбуждающее флуоресценцию излучение практически не проникает в подложку и в ней не рассеивается. Поскольку рассеяние в тонком слое пробы мало, интенсивность фона под линией намного меньше, а отношение сигнал/фон намного больше, чем в спектрометрах с нормальным падением возбуждающего излучения на поверхность пробы.

Недостаток этого устройства заключается в сравнительно большой расходимости пучка рентгеновского излучения, возбуждающего флоуресценцию пробы, и, соответственно, в относительно большой доле лучей, падающих на подложку под углом больше критического и рассеивающихся в ней, что ухудшает соотношение между сигналом и фоном.

Известно также устраняющее этот недостаток устройства, в котором приспособление для формирования возбуждающего излучения содержит две одинаковые кварцевые пластины-рефлектора, расположенные друг против друга на небольшом расстоянии и обращенные друг к другу своими плоскополированными сторонами. Пластины установлены между рентгеновской трубкой и держателем с пробой. Между пластинами и трубкой, а также между пластинами и держателем с пробой установлены входная и выходная щелевые диафрагмы, ограничивающие вертикальную расходимость пучка рентгеновского излучения. Рентгеновская трубка и каждая из пла- стин-рефлекторовснабжены

индивидуальными и независимыми друг от друга средствами для регулирования их высоты и углового положения относительно пробы, с помощью которых прибор юстируют таким образом, чтобы пучок рентгеновского излучения трубки, падая на отражающую плоскость нижней пластины под углом, близким к критическому, полностью отражался бы от нее в направлении к

верхней пластине, от которой в свою очередь также практически без потерь направлялся бы под углом полного внешнего отражения на держатель с пробой,

5Его недостатком можно считать сравнительно невысокие метрологические характеристики, в частности, воспроизводимость результатов измерения и светосилу. Эти недостатки обусловлены сложностью конст10 рукции устройства, содержащего большое количество механически регулируемых элементов, подверженных температурным и временным уходам, а также низким коэффициентом использования излучения рентге15 новской трубки из-за несогласованности размеров входной щели, приспособления для формирования пучка возбуждающего получения и высоты видимого фокуса рентгеновской трубки, и неоптимальности раз0 меров пластин-рефлекторов и расстояния между ними. Кроме того, юстировка этого устройства представляет собой весьма сложную задачу из-за большого количества юстирующих элементов с самостоятельной

5 регулировкой.

Цель изобретения - повышение точности анализа за счет повышения точности юстировки устройства.

На фиг. 1 приведена схема устройства;

0 на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - ход лучей в устройстве и иллюстрируется выбор оптимальных размеров его элементов.

5 Устройство включает в себя приспособление для формирования из потока первичного излучения установленной в кожухе рентгеновской трубки 1 слабо расходящегося пучка излучения, возбуждающего флуо0 ресценцию пробы 2, нанесенной тонким слоем на держатель-подложку 3, Приспособление представляет собой канал прямоугольного сечения (фиг. 2) с двумя зеркально отражающими плоскополированными па5 раллельными стенками, образованными пластинами 4 и 5. Верхнюю стенку образует плоскополированная поверхность пластины 4 с расположенным против пробы 2 отверстием 6, в которое входит оконечная

0 часть спектрометрического детектора 7. Противоположная стенка канала образована плоскополированными поверхностями подложки 3 и пластины 5, примыкающими друг к другу с небольшим зазором. Отража5 ющие стенки канала разделены двумя образующими боковые стенки канала плоскими прокладками 8, закрепленными на пластине 4 симметрично относительно отверстия 6. В пластине 5 на ее зеркально отражающей поверхности вышлифована неполирован- ная полоса 9, расположенная перпендикулярно направлению распространения рентгеновских лучей ria таком расстоянии от ее края, которое обеспечивает поглощение в материале пластины той части излучения, которая рассеивается на шероховатой поверхности полосы под углами, превышающими угол полного внешнего отражения. Отражающие пластины 4 и 5 плотно сжаты в обойме, представляющей собой две металлические пластины 10 и 11, стянутые болтами 12. Отражающие пластины и подложка пробы изготовлены из одного материала, например, кварца, Нижняя пластина 10 имеет отверстие 13 для прохода подложки с пробой при подъеме ее из транспортного положения в рабочее, верхняя - отверстие для ввода оконечной части спектрометрического детектора 7, которое расположено со- осно отверстию 6 в отражательной пластине 4. К обойме со стороны, обращенной к рентгеновской трубке 1, присоединены с возможностью смещения в процессе юстировки в небольших пределах в вертикальном направлении две шторки 14 и 15, которые образуют горизонтальную входную щель регулируемой ширины, ограничивающую вертикальную расходимость пучка пер- вичного рентгеновского излучения. Элементы крепления и юстирования положения шторок 14 и 15 на фиг. 1 не показаны.

С противоположной стороны обойма снабжена стенкой 16, поглощающей неиспользованное рентгеновское излучение. Стенка 16 присоединена двумя винтами к верхней пластине 11 обоймы. Обойма с отражающими пластинами присоединена к основанию с помощью направляющих и снабжена микрометрическими винтами для регулирования в процессе юстировки ее высотного положения относительно рентгеновской трубки. С основанием также связана заключенная в защитный кожух острофокусная рентгеновская трубка 1 с линейным фокусом, с анодом 17, которая снабжена средствами прецизионно регулируемого перемещения относительно входной щели приспособления для формирования возбуждающего излучения. С целью увеличения интенсивности возбуждающего излучения анод 17 рентгеновской трубки 1 приближен к входной щели на минимально возможное расстояние. Кроме того, на основании закреплены также механизм смены образцов карусельного типа с дистанционно управляемым приводом (на фиг 1 показан только транспортный диск 18 этого механизма, в ячейках 19 которого располагают держатели с пробами) и привод для перемещения подложки с пробой из

танспортного положения на диске в рабочее положение, в котором подложка плотно прижата к прокладкам 8. Привод включает в себя перемещаемую в направляющих 20

зубчатую рейку 21, связанную с насаженным на вал дистанционно включаемого электродвигателя зубчатым колесом. Диск 18 снабжен кодовыми датчиками положения, а рейка 21 - концевыми выключателями, позволяющими осуществлять позиционирование диска и рейки. Перечисленные выше элементы конструкции устройства установлены в герметичном корпусе 22, фрагмент которого показан на

фиг. 1, и соединены с его основанием. Корпус снабжен герметичным люком для смены образцов. К верхней части корпуса с помощью вакуумного уплотнения крепится детектор 7. На фиг. 1 буквами обозначены: X продольная ось рентгеновской трубки, вокруг которой она в процессе юстировки может поворачиваться в пределах угла в ; угол у, в пределах которого ось X может быть повернута в плоскости, перпендикулярной

плоскости чертежа; угол Д в пределах которого ось трубки может быть повернута в плоскости чертежа.

На фиг. 2 показано направление распространения центрального луча 23, двух

граничных лучей 24 и 25 формируемого потока и сопутствующих лучей 26 и 27, выходящих за пределы граничных лучей 24 и 25. Буквами обозначены: диаметр пробы d, диаметр подложки D, длина верхней пластины

Li и нижней - , критический угол падения erf. высота прокладок (расстояние между отражающими стенками канала) Н, а также длина участка подложки I, освещаемого сформированным пучком рентгеновского

излучения.

Устройство работает следующим образом.

Пробу 2 наносят на центральную часть плоскополированной поверхности подложки 3 тонким круговым слоем. Для нанесения материала пробы на подложку с равномерной поверхностной плотностью используют, например, выпаривание из раствора. Подложки с пробами устанавливают в ячейки 19 диска 18. Внутренний объем корпуса 22 вакуумируется. По команде от ЭВМ включается двигатель механизма установки образцов и нужная ячейка диска с очередной исследуемой пробой устанавливается под

приводом образца в рабочее положение, электродвигатель которого по команде от ЭВМ приводит в движение рейку 21. которая поднимает подложку 3 с пробой 2 через отверстие 13 в нижней пластине обоймы в

зону облучения, в которой подложка плотно прижата к прокладкам 8. При этом проба располагается под отверстием 6 в пластине 4 соосно с ним и с прокладками 8 не соприкасается, так как ширина канала не превышает диаметр пробы. Рентгеновское излучение от анода 17 трубки 1, направленное через щель между шторками 14 и 15, образующими входную щелевую диафрагму, на нижнюю пластину 5, отражается от нее под углом полного внешнего отражения на верхнюю пластину 4, которой оно направляется под углом полного внешнего отражения на подложку 3, вызывая флуоресценцию пробы 2. Неиспользованное рентгеновское излучение отражается под углом полного внешнего отражения от подложки 3 и поглощается в стенке 16. Вторичное излучение пробы 2 исследуется с помощью рентгеновского спектрометра и по интенсивности аналитических линий отдельных химических элементов определяют их содержание в пробе.

Излучение, условно показанное лучами 26 и 27, выходящими за границы формируемого пучка, значительно ослабляется, поскольку часть его, отражаясь от выступающего конца пластины 5 под углами больше а , как, например, луч 26, не попадает в канал и поглощается в материале пластины или обоймы, другая же его часть, падающая на пластину 5 под углами меньше критического, как, например, луч 27, попадает на шероховатую полосу 9 и отражается от нее диффузно. При этом большая доля этого изучения поглощается в материале пластин 4 и 5.

Описанная картина распространения рентгеновского излучения в канале, как видно из фиг.2, имеет место для выполнения следующих соотношений:

I KD

0)

где К - коэффициент запаса, учитывающий вариацию толщины пробы на подложке и неточности юстировки (К 0,7...0,9).

Исходя из тех же соображений, диаметр пробы должен составлять не более половины диаметра подложки:

d 0,5D

(2)

для того, чтобы при малой, но конечной толщине пробы, обеспечить облучение всей площади пробы сформированным в канале пучком излучения. При этом увеличение высоты пробы в определенных пределах не приведет к выходу ее крайней части из области , ограниченной лучами 24 и 25, и тем

самым повысится стабильность условий возбуждения флуоресценции пробы, а следовательно, и воспроизводимость результатов измерений.

Поскольку расстояние между отражающими пластинами 4 и 5 жестко задано прокладками 8, их высота Н и длина U и L.2 должна удовлетворять следующим приближенным соотношениям:

Н KD tg a(3)

Li 0,5D + 1.5I(4)

2,51 -0,50 .(5)

При этом облучаемая область подложки располагается в ее центральной части, обеспечивается преимущественное падение возбуждающего излучения на подложку под углом, не превышающем угол полного внешнего обращения, а также эффективное поглощение тех лучей, которые аналогично лучам 26 и 27 выходят за границы формируемого пучка, задаваемые лучами 24 и 25. При заданных выражениями (4) и (5) геометрических размерах пластин 4 и 5 нижняя пластина 5 при ее расположении, показанном на фиг. 1 и 2, выступает за обрез пластин 4 в направлении к рентгеновской трубке на величину не менее 0,5 KD, для

того, чтобы исключить экранирование пучка краем пластины 4.

При юстировке устройства приспособление для формирования возбуждающего излучения перемещают в направляющих с

помощью соответствующих микрометрических винтов по вертикали, а рентгеновскую трубку-вдоль оси Xи.одновременно поворачивают ее в пределах углов в-,у и Д добиваясь того, чтобы реальная картина хода

рентгеновский лучей в канале наилучшим образом соответствовала бы фиг. 2. Критерием оптимальной настройки является максимум интенсивности аналитической линии некоторого химического элемента пробы

при максимальном значении отношения величины сигнала к фону, измеренному на пробе, не содержащей данного элемента.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества. Возбуждение флуоресценции пробы происходит в сформированном как указано выше пучке рентгеновского излучения, в котором существенно большая доля падает на подложку 3 под углами, не превышающими критического угла полного внешнего отражения. В связи с этим интенсивность рассеянного подложкой излучения, на фоне которого регистрируется флуоресцентное излучение определяемых

химических элементов, существенно ниже, чем в прототипе. Благодаря тому, что приспособление для формирования возбуждающего излучения содержит меньше гибких связей и регулирующих элементов, юстировка устройства существенно упрощается, а его температурная и временная стабильность улучшается. Все это приводит к улучшению метрологических характеристик устройства и в первую очередь точности анализа.

Формула изобретения

1. Устройство для рентгеноспектраль- ного флуоресцентного анализа, содержащее энергодисперсионный детектор рентгеновского излучения, герметичный корпус, установленные во внутреннем объеме корпуса рентгеновскую трубку и распо- ложенные по ходу рентгеновского излучения щелевую диафрагму, приспособление для формирования спектра первичного излучения и формы пучка, выполненные в виде двух плоскопараллельных пластин , обращенных друг к другу полированными плоскостями и установленных на заданном расстоянии друг от друга, снабженное средствами для юстировки пластин, и держатель пробы, а также средства для регулировки взаимного расположения рентгеновской трубки, приспособления и держателя, и угла наклона рентгеновской трубки к плоскости пластин, отличающееся тем, что, с целью повышения точности анализа путем повышения точности юстировки устройства, оно дополнительно снабжено средствами углового перемещения рентгеновской трубки вокруг оси, совпадающей с направлением распространения излучения рентгеи

0

5

невской трубки, и средствами перемещения пучка первичного излучения вдоль направления, совпадающего с щелью диафрагмы, средства для юстировки пластин выполнены в виде прокладок, размещенных между пластинами, и обоймы, снабженной механизмом для ее сжатия и установленной в герметичном корпусе между щелевой диафрагмой и держателем пробы, причем приспособление размещено в обойме, а нижняя пластина смещена относительно верхней в сторону щелевой диафрагмы, при этом имеют место следующие соотношения:

Н KD tg a U , 0,50 + 1,51; L2 , 2,51 - 0.5D; S 0,5KD.

20

где D - диаметр держателя образца;

а - критический угол полного внешнего отражения рентгеновского излучения от подложки;

К - коэффициент, учитывающий вариа- 25 цию толщины пробы и неточности юстировки (обычно равен 0,7-0,9);

Li, -длины верхней и нижней пластш соответственно;

S - размер смещения нижней пластины; 30 I - длина участка держателя образца, облучаемого сформированным пучком рентгеновского излучения;

Н - толщина прокладок. 2. Устройство по п. 1,-отл ича ю щее- 35 с я тем, что нижняя пластина снабжена поперечной неполированной полосой, расположенной от края, ближнего к щелевой диафрагме, на расстоянии I.

40

с 6

;T .. , -

Г , -LJ ,о- - ,,Ч-l-r л- --г-г VVVx x ч

/ /« й

Ј Ј/

-jrK

у .j,-i,-,. ч ь- з-:-J-I-i-rJ ™-.----..fc...ti-..

i U W

Фиг.1

к

m

/

±

/

Изобретение относится к рентгеноспек- тральным методам анализа веществ. Цель кл кл кл изобретения - повышение точности анализа за счет повышения точности юстировки устройства. Устройство включает рентгеновскую трубку, детектор рентгеновского излучения, приспособление для формирования спектра первичного излучения и формы пучка, выполненное в виде двух плоскопараллельных пластин, обращенных друг к другу полированными плоскостями и установленных на заданном расстоянии друг от друга. Средства для юстировки пластин выполнены в виде прокладок, размещенных между пластинами, и обоймы, снабженной механизмом для ее сжатия. Устройство снабжено средствами для угловых перемещений рентгеновской трубки. Нижняя пластине смещена относительно верхней в сторону щелевой диафрагмы, размещенной между приспособлением и рентгеновской трубкой . Геометрические размеры узлов устройства связаны между собой определенными соотношениями. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. сл С