Рентгенофлуоресцентный датчик Советский патент 1981 года по МПК G01N23/223 

Изобретение относится к рентгено.флуоресцентноМу анализу элементов и мйжет бь1ть использовано для определения элементного состава аэрозолей, со бранных на фильтре в атмосфере Земли и других планет солнечной системы. Его п-рименение особенно эффективно при проведении автоматического анализа с борта межпланетных станций, когда время нахождения аппарата в исследуемой среде ограничено. Известны датчики для рентгенофлуоресцентного анализа атмосферных аэрозолей, кс(торые состоят, из герметичной измерительной камеры, заполненной газом или вакуумированной, аэрозольного фильтра детектора и источника гамма-излучения. Газопротяжное (фильт рующее) устройство не входит в состав таких датчиков и сбор аэрозолей на фильтр осуществляется до проведения анализа вещества . Однако для проведения измерений необходимо транспортировать пробу из фильтрующего устройства в аналитический объем. Это увеличивает время выполнения анализа и усложняет осуществление гштоматических измерений. В известных устройствах рентгенофлуоресцентного анализа невозможно одновременное определение аэрозольной и газовой фаз исследуемой атмосферы, и отсутствует контроль технического состояния устройства по регистрируемому спектру. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности являетсярентгенофлуоресцентшлй датчик для анализа элементного состава вещества, содержащий герметичную измерительную камеру с каналом для ввода анализируемого вещества, воздуходувку и размещенные внутри камеры аэрозсЬышй фильтр, расположенный над фильтром источник излучения, коллимирован{1ый на фильтр и детектор излучения 2. Однако по результатам измерений, выполненных подобным датчиком, навоз3можно установить в какой фазе находи ся анализируемое вещество, т.е. сосредоточено ли оно на фильтре или ра положено в объеме камеры в виде газа Цель изобретения - осуществление одновременного анализа аэрозольной и газовой фаз. Указанная цель достигается тем, что известный рентгенофлуоресцентный датчик, содержащ герметичную измерительную камеру с каналом для ввода анализируемого вещества, воздуходувку и размещенные внутри камеры аэрозольный фильтр, расположенный над Шильтром источник излучения, коллимированный на фильтр, и детектор, снабжен вторым детектором и, по край ней мере, еще одним источником излучения, коллимированным так, что его излучение не попадает на фильтр, аэрозольный фильтр расположен под углом 30-40 к направлению оси канал для ввода анализируемого вещества, при этом ось расположения детекторов отстоит от оси канала на расстоянии, большем -суммы радиусов канала и детек тора, а источники расположены вне потока анализируемого вещества. На г. I показано предлаг.аемое устройство, общий вид,в разрезе; на г. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг.3 -- спектры, зарегистрированные детекторами. Рентгенофлуоресцентный датчик имеет измерительную камеру 1, совмещенную с газопротяжным устройствбм, которое состоит из прямоточного входного канала 2 и воздуходувки. В камере под углом 30-40 к потоку газа раз мещен аэрозольный фильтр 3. При расположении фильтра перпендикулярно потоку может происходить осаж дение аэрозолей на конструктивных эле ментах прибора - источниках излучения детекторах, деталях фильтродержателя При параллельном расположении фильтра по отношению к -потоку газа наблюдаетс неизокинетичность осаждения аэрозолей по площади Фильтра, поскольку крупные частицы за счет инерционного двржения проходят в отдаленные участки при бора, а мелкие оседают ближе к входному отверстию. Исходя из 90-градусной геометрии измерений в системе источник-пробадетектор, при которой наблюдается наи выгоднейшее соотношение между сигнаjnoM и рассеянным фоном, а также из требований изокинетичности аэрозоль3ного потока, исключения потерь вещества и удобства конструктивного размещения узлов датчика, экспериментально был найден оптимальный угол накл.она фильтра к потоку газа, составивший 30-40°. Перед фильтром со стороны входного канала вне газового потока установлены детекторы 4 и 5. Причем детектор 4 расположен на расстоянии 3-5 мм от фильтра, а детектор 5 на расстоянии в 5-10 раз большем. Источники 6 (Ре- 55) и 7(Cd-109), рентгеновской флуоресценции ориентированы на фильтр. Использование двух типов источников позволяет проводить одноВременный анализ многих элементов. ИсФочник 8 (Fe-55) преимущественно облучает пространство между фильт- Ьом 3 и детектором 4. Излучение ис- . ггочников коллимировано в угле 0 . За фильтром 3 перед стенкой 9 камеры 1 установлена селективная рентгеновская решетка 10. Для обеспечения наибольшей чувствительности к аэрозолям первый датчик должен располагаться на минимальном расстоянии от фильтра, поскольку ха- . рактеристнческое излучение ослабляется в толще газовой среды. Однако очень близкое расположение детектора приводит к затенению фильтра, т.е. отсутствию осаждения аэрозолей : в поле зрения датчика. Экспериментально при продувке аэрозолей через макет прибора было получено, что затенение фильтра -не происходит, если детектор удален от поверхности фильтра не менее, чем на 3-5 мм. Возможность идентификации фазового состояния анализируемого вещества в процессеодного,измерения достигнуто введением второго детектора, расположенного на большом расстоянии от фильтра, и дополнительного источника Fe-55, облучающего преимущественно пространство между фильтром и вторым детектором. Экспериментально установлено, что второй детектор должен быть удален от фильтра на рассто.яние не менее, чем в 5 раз превышающее зазор между фильтром и первым детектором.При этом обеспечивается достаточная контрастность линий анализируемых элементов в диапазоне ожидаемых концентраций аэрозольной и газовой фаз. В то же время, исходя из коэффициентов поглощения анализируемых элементов, увеличение расстояния между вторым детектором и фильтром более чем в 10 раз, приводит к существенным погрешностям измерений, связанным с ослаблением характеристического излучения анализируемых элементов, находящихся на фильтре. Датчик функционирует следующим образом. После открытия входного и выходного клапанов включается воздуходувка и исследуемая газовая смесь прокачивается через фильтр 3, При этом, бла/ годаря прямоточности потока газа, исключаются потери и фракционирование аэрозоля и обеспечиваетсд равномерность осаждения его на фильтр. Одновременно с накоплением аэрозоля на фильтре 3 идет регистрация детекторами 4 и 5 флуоресцентного рентгеновско го излучения, возбуждаемого источниками 6-8. Фоновое излучение, возникающее при взаимодействии первичного излучения со стенкой 9, эффективно гасится рентгеновской решеткой 10. Ближайший к фильтру 3 детектор 4 регистрирует излучение легких элеменг тов, возбуждаемых преимущественно на фильтре источником 6, а детектор 5, расположенный на большем расстоянии от фильтра, регистрирует излучение легких и тяжелых элементов, возбуждаемых на фильтре 3 источником 7, и излучение элементов, находящихся в газовой фазе, возбуждаемых источником 8 На фиг. 3 приведены спектры, зарегистрированные обоими детекторами при нахождении на фильтре аэрозоля, содер жащего серу, и заполнении камеры воздухом, содержащем 1%.аргона. Благодаря различному расстоянию детекторов от фильтра ближайший детектор 4 бо. лее эффективно регистрирует аэрозольную компоненту, находящуюся на фильтре, а удаленный детектор 5 более эффективно регистрирует газовую фазу, распределенную между фильтром 3 и детектором 5. Поэтому отношение интенсивностей,регистрируемых этими детекторами от аэрозольной и газовой фаз, реЗко различно и может служить критерием при идентификации аэрозолей и газовой фазы анализируемой атмосферы. Для аэрозольной фазы это отношение всегда больше единицы, для газевой - меньше единицы. В рассматриваемом примере (фиг. 3) отношение интенсивности ближнего детектора к интенсивности дальнего, нормированных к величине реперного пика марганца, составляет для аэрозольной фазы 7, 6, для газовой фазы 0,6. Рентгенофлуоресцентный датчик был использован при анализе элементного состава облачного слоя планеты Венера и определении концентрации аргона в ее атмосфере на автоматической межпланетной станции Венера-12. В ре зультате выполнения эксперимента бы-:. ло определено содержание хлора в облаках Венеры, содержание аргона в . ее атцосфере и оценены верхние пределы . концентрации серы и ртути. Формула изобретения Рентгенофпуоресцентный датчик для . анализа элементного состава вещества, содержащий герметичную измерительную камеру с каналом для ввода анализируемого вещества, воздуходувку и размещенные внутри камеры аэрозольный фильтр, расположенный над фильтром источник излучения, коллимироваиный на фильтр, и детектор излучения, о тличающийся тем, что, с целью осуществления одновременного анализа аэрозольной и .газовой фаз, он снабжен вторым детектором и, по крайней мере, еще одним источником излуЛ1ения, коллимированным так, что его излучение не попадает на фильтр, аэро.зольный фшгьтр расположен под углом 30-40 к направлению оси канала для ввода анализируемого вещества, при этом ось расположения детекторов отстоит от оси канала на расстоянии, большие суммы радиусов канала и детектора, а источники расположены вне потока анализируемого вещества. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Birks L.S. Pinpointing airborn pollutants. Environment Research Technology V. 12, 1978, № 2, p. 150-153. 2.Gilfrich T.V., Burkhalter P.G., Birks L.S. X-ray spectrometry for Part.iculateair Pollution. Anal.Chem, V 45, 1973, № 12, p,2003 (прототип).

9

//jW/M ///y//y.

10 3

/ /

$ ЮО О ш 3 2 детентор 20 О ft Kff/fffffa affff/fffj f/rfff/ya