Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ РЕНТЇШОФЛУОЕЕС-
ЦЕНТНОГО ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА 10
I. Сравнение различных способов возбуждения спектров
РФА. Применение и основные характеристики СИ .... 10 2. Фоновые условия при монохроматическом возбуждении 21 3. Характеристики и использование поляризованности
СИ 28
4. Монохроматизация СИ 40
5. Тонкие образцы и сканирование 46
ГЛАВА П. СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ "ШЕЙКА" ДІЯ ГЕНЕРАЦИИ СИ НА
НАКОПИТЕЛЕ ВЭПП-3 52
I. Выбор основных параметров "змейки" ..52
2. Общее описание "змейки" 57
3. Сверхпроводящие магниты 63
4. Спектрально-угловые характеристики излучения из
"змейки" 67
Общее рассмотрение .67
Излучение при слабых полях 72
Излучение при сильных полях 74
5. Результаты работы со "змейкой" 77
ГЛАВА Ш. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ НА НАКОПИ
ТЕЛЕ ВЭШ-4 80
I. Описание станции для РФА 80
2. Комбинаторные эффекты, обусловленные временной
структурой пучка СИ 86
3. Автоматизация процессов анализа и обработки
спектров 90
4. Экспериментальные результаты 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101
ЛИТЕРАТУРА 104
ПРИЛОЖЕНИЕ 109
Введение к работе
Синхротронное излучение (СИ) - электромагнитное излучение релятивистских заряженных частиц в магнитном поле. Источниками стабильных пучков СИ являются накопители электронов и позитронов. Уникальные свойства синхротронного излучения привлекают внимание специалистов из различных областей науки.
В Советском Союзе в настоящее время основным местом проведения исследований с синхротронним излучением является Институт ядерной физики СО АН СССР (г.Новосибирск), на базе лабораторий которого и имеющихся источников СИ - накопителей ВЭ1Ш-2М, ВЭПП-З и ВЭПП-4, - создан Сибирский центр синхротронного излучения.
СИ широко используется для исследований в физике, химии и катализе, биологии, материаловедении, для разработки новых технологий и решения прикладных задач в микроэлектронике, геологии, медицине. Одним из важных практических вопросов, успешно решаемых при использовании СИ, является определение элементного состава исследуемых объектов.
Актуальной задачей в области современной геологии, теоретической и прикладной геохимии, технологического контроля процессов редкометаллического и полупроводникового производства, изучения внеземного - лунного и метеоритного - вещества, контроля загрязнения среды и др., является возможность оперативного количественного определения практически всех стабильных элементов периодической системы. Однако, чувствительность современных инструментальных методов многоэлементного анализа, как правило, существенно зависит от конкретной комбинации элементов, содержащихся в исследуемом образце. Достаточно низкие пределы обнаружения достигаются при анализе на вполне определенные, "удобные" для данного метода элементы и в матрицах подходящего состава.
Метод рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) имеет ряд достоинств, выгодно отличающих его от других инструментальных методов элементного анализа. В рабочей области РФА (обычно от натрия-алюминия и до конца периодической таблицы) могут успешно измеряться концентрации всех без исключения элементов. Для РФА характерны: неразрушавдая процедура измерения, небольшой объем образца, экспрессность получения результата. Однако, при применении традиционных источников возбуждения (рентгеновских трубок, изотопов , электронных и протонных пучков), уровень фона и предельно достижимая интенсивность флуоресценции, как правило, ограничивают чувствительность метода РФА концентрациями на уровне ^ I0""6 г/г даже в легких матрицах.
Использование СИ для возбуждения флуоресценции позволяет радикально улучшить возможности РФА [l-Зу, . Оценки фоновых условий и результаты измерений для образцов с искусственно внесенными добавками указывают на возможность проведения бездисперсионного многоэлементного РФА с использованием СИ при содержании эле-ментов до 10 г/г. Практическое применение этой методики возможно при наличии источника достаточно жесткого СИ.
Большинство накопителей, используемых в настоящее время для экспериментов с СИ в рентгеновском диапазоне, разрабатывались, прежде всего, как установки со встречными электрон-позитронными пучками и заведомо не являются оптимальными генераторами синхротронного излучения. В частности, на построенном в 1970 году накопителе ВЭПП-3 при предельной энергии 2,2 ГэВ практическая верхняя граница спектрального диапазона СИ из поворотного магнита составляла ~ 15 кэВ, что недостаточно для проведения РФА и ряда других работ.
Эффективным способом улучшения характеристик пучков СИ уже существующего накопителя ВЭПП-3 явилась постановка на него
- ,6-
"змейки" из 20 сверхпроводящих диполей, создающей на участке орбиты длиной л/ і м знакопеременное периодическое магнитное поле, величина которого в три раза превышает максимальное значение поля в поворотном магните. Запуск "змейки" расширил диапазон энергий используемого СИ из накопителя ВЭШ-3 до 50 кэВ /~4т6» 8 ] .
К моменту начала работ по РФА на выведенном из "змейки" пучке СИ (1979 г.) материалы по подобным измерениям содержали лишь результаты единичных анализов, проделанных при фиксированных значениях энергии (37 кэВ на накопителе $PEA(L} США. [9J и до 15 кэВ на накопителе ВЭШ-3 [іОДі]). При этом практически не использовалось такое важное преимущество СИ, как возможность плавной перестройки энергии и реализации избирательного возбуждения отдельных элементов в образцах сложного состава.
На пучке СИ из "змейки" был впервые организован элементный анализ реальных геологических проб с перестраиваемым в широком диапазоне энергий (от 10 до 50 кэВ) монохроматическим возбуждением. В частности, были получены результаты по комплексному анализу рудных и технологических продуктов на легкие платиноиды и серебро с чувствительностью до 3-10Н*т/г и много элементному анализу руд Удоканского месторождения [l2] .
С началом работ на пучках СИ из накопителя ВЭШ-4 (1982 г.) появилась возможность создания постоянно действующей станции для массового РФА с монохроматическим возбуждением, перестраиваемым в диапазоне от 10 до 100 кэВ. Переход к массовому анализу потребовал разработки методики измерения и обработки спектров РІА. Для количественного анализа на пучках СИ необходим учет эффектов, обусловленных специфическими свойствами самого излучения: поля-ризованностью и наличием временной структуры пучка. Для оптимизации условий количественного FM на накопителе ВЭШ-4 был проведен ряд работ по измерению фоновых факторов в различных диапа-
зонах энергии возбуждения, контролю среднего коэффициента поляризации, определению оптимальной процедуры пробоподготовки, изучению однородности и представительности проб и стандартов.
Постоянство условий измерения позволило организовать на указанной станции в 1983-84 г.г. массовый количественный многоэлементный анализ для 12 исследовательских групп из организаций АН СССР. Министерства цветной металлургии СССР, Министерства геологии СССР, Министерства электронной промышленности СССР и АМН СССР. Среди работ, выполненных на станции РША ВЭПП-4, можно назвать: анализ частиц лунного грунта, доставленного автоматической станцией пДуна-16п и кораблем "Аполлон-Г?", определение микроэлементного состава горных пород, исследование динамики накопления и вывода рентгеноконтрастных препаратов в лимфатической системе, комплексное определение платиновых элементов в силикатных матрицах и другие измерения. Наряду с этим, часть времени работы станции отдается на усовершенствование методики количественного РФА с использованием СИ. На ВШЇЇ-4 проведены измерения долговременной нестабильности коэффициента поляризации монохроматизированно-го возбуждающего пучка СИ, величин отклонения от среднего микроэлементного состава в малых ( < I мм3) объемах эталонов для РША. Впервые экспериментально измерен эффект появления дополнительных (комбинаторных) линий в спектре РФА, обусловленный временной структурой СИ.
^р.свртацигя посвяшена теоретическому и экспериментальному изучению вопросов, связанных с решением следующих задач:
разработка методики бездисперсионного Р$А с использованием СИ, изучение фоновых факторов и оптимальных условий анализа в различных диапазонах энергии возбуждения;
разработка, изготовление и ввод в действие сверхпроводящей магнитной "змейки" с амплитудой магнитного поля до 34 кГс и
периодом 9 см для накопителя ВЭПП-3;
создание экспериментальных станций для рентгенофлуоресцен-тного анализа на накопителях ВЭПП-3 и ВЭПП-4;
автоматизация процесса РША. на пучках СИ и создание пакета программ для набора и обработки спектров;
организация массового количественного элементного анализа для геологических и других организаций на пучке СИ из накопителя ВЭПП-4.
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и имеет одно приложение.
В петэвой главе проведено теоретическое и экспериментальное исследование процесса бездисперсионного рентгенофлуоресцентного элементного анализа с использованием СИ. В первом параграфе сделано краткое сравнение различных способов возбуждения рентгеновской флуоресценции: рентгеновскими трубками и изотопами, электронными и протонными пучками, монохроматизированным пучком СИ. Показаны преимущества СИ, обусловленные такими его свойствами, как: малая угловая расходимость пучка,: высокая интенсивность и непрерывный спектр, естественная поляризованность. Приведены основные характеристики пучков СИ.
В параграфах втором-пятом, с привлечением результатов конкретных измерений, проведенных на накопителях ВЭПП-3 и ВЭПП-4, рассмотрены вопросы использования физических особенностей СИ для повышения качества многоэлементного РФА.
Анализ, проведенный в первой главе, показывает, что при использовании СИ возможно повышение относительной чувствительности метода РФА. в 10-100 раз и уменьшение массы анализируемой пробы на 2*4 порядка по сравнению со стандартной методикой РФА.
Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с проектированием и вводом в действие сверхпроводящей "змейки" на накопите-
де ВЭШ-3, а также спектрально-еловые характеристики полученного пучка СИ. Постановка сверхпроводящей "змейки" на накопитель ВЭПП-З была осуществлена впервые в мире. С установкой "змейки" яркость источника СИ-накопителя ВЭПП-З, - была повышена более, чем в 100 раз в области длин волн А ~ 1 /) .
Выл получен пучок СИ мощностью до I кВт с угловой расходимостью ~ 14 х 0,5 мрад2. Пучок был выведен из вакуумной камеры накопителя через бериллиевые фольги толщиной 0,2 мм, охлаждаемые по периметру проточной водой. На выведенном пучке было размещено 5 рабочих мест (станций) для Шк, ядерной спектроскопии, медицинской диагностики и др.
В третьей главе приведены: описание станции для Шк, созданной на накопителе ВЭПП-4; результаты некоторых практически проведенных на ней измерений; аппаратура, использованная для автоматизации процесса Шк на пучках СИ и структура программ набора и обработки спектров; результаты наблюдения комбинаторных линий в спектрах Шк, обусловленных наличием временной структуры СИ.
В заключении кратко изложены основные результаты диссертационной работы.
В приложении дана таблица значений Ю -функции СИ, используемой в основной части диссертации.
