Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Современное состояние энергодисперсионного ренттенофлюоресцентного анализа состава вещества 14
1.1. Вводные замечания 14
1.2. Способы возбуждения рентгеновской флюоресценции 17
1.2.1. Возбуждение с помощью заряженных частиц 19
1.2.2. Фотонное возбуждение 21
1.3. Некоторые способы повышения чувствительности ЭДРФА 31
1.3.1. ЭДРФА в условиях полного внешнего отражения рентгеновских лучей 31
1.3.2. Схема совпадений 34
1.3.3. Предварительное обогащение 34
1.3.4. ЭДРФА с предварительной селекцией излучения по энергии 35
1.3.5. Применение мощных излучателей и тонких полимерных пленок 37
1.4. Полупроводниковые детекторы, используемые в ЭДРФА 38
Выводы 39
Глава 2. Теоретическое обосноварше методов повышения чувствительности эдрфа путем применения квазимоно-энергетического поляризованного излучения и сферической геометрии измерений 41
2.1. Вводные замечания
2.2. Теория рассеяния рентгеновского излучения 42
2.3. Поляризация тормозного излучения рентгеновской трубки 47
2.4. Теоретическая оценка возможности получения квазимоноэнергетичес-кого рентгеновского излучения в диапазоне средней энергии с помощью Barkla поляризаторов 50
2.5. Теоретическое исследование зависимости порога обнаружения элементов от геометрии измерений при ЭДРФА состава вещества 54
Выводы 59
Глава 3. Экспериментальные исследования аналитичес ких возможностей эдрфа при использовании возбуждающего кзазимоноэнергетического поляризованного излучения и сферической геометрии измерений 61
3.1. Вводные замечания 61
3.2. ЭДРФ установка с возбуждением рентгеновской флюоресценции квазимоноэнергетическим поляризованным излучением 61
3.2.1. Выбор материала поляризатора 67
3.2.2. Экспериментальное исследование эффективности применения поляризованного излучения вторичных мишеней 70
3.2.3. Сравнение значений порогов обнаружения элементов при различных способах возбуждения рентгеновской флюоресценции 73
3.3. Исследования возможностей применения ЭДРФА с возбуждением рентгеновской флюоресценции квазимоноэнергетическим поляризованным излучением для анализа геологических и экологических образцов 83
3.4. Экспериментальные исследования сферической геометрии измерений при ЭДРФА с радионуклидным возбуждением 86
Выводы 90
Глава 4. Аппаратура для проведения эдрфа состава вещества 92
4.1. Вводные замечания 92
4.2. ЭДРФ установка с высокой светосилой для проведения анализа объектов «крошечных» размеров 92
4.3. Анализатор состава вещества «РеСПЕКТ» 97
4.3.1. Si(Li) детектор, охлаждаемый жидким азотом 98
4.3.2. Источник рентгеновского излучения 103
4.3.3. Анализатор состава вещества «РеСПЕКТ». Вариант 1 108
4.3.4. Анализатор состава вещества «РеСПЕКТ». Вариант 2 113
4.4. Режим измерений с модуляцией излучения рентгеновской трубки 116
Выводы 117
Глава 5. Области применения эдрф анализатора состава вещества «респект» 118
5.1. Вводные замечания 118
5.2. Минералого-технологические исследования 118
5.3. Экология 124
5.3.1. Оценка порогов обнаружения элементов при анализе жидких образцов 125
5.3.2. Пример анализа питьевой воды 126
5.3.3. Анализ загрязнений атмосферного воздуха 129
Выводы 134
Заключение 135
- Возбуждение с помощью заряженных частиц
- Поляризация тормозного излучения рентгеновской трубки
- ЭДРФ установка с возбуждением рентгеновской флюоресценции квазимоноэнергетическим поляризованным излучением
- Анализатор состава вещества «РеСПЕКТ»
Введение к работе
Актуальность темы
Укрепление и расширение минерально-сырьевой базы страны невозможно без внедрения прогрессивных методов поисков и разведки полезных ископаемых. В этой связи придается большое значение дальнейшему развитию ядерно-физических методов элементного анализа состава вещества в направлении улучшения метрологических характеристик (чувствительность, экспрессность, точность, многоэлеменность, стоимость анализа и т.д.).
В связи с требованиями комплексной разработки месторождений особую актуальность приобретает задача совершенствования методов многоэлементного анализа. Одним из таких методов является энергодисперсионный рентгенофлюоресцентный анализ (ЭДРФА) состава вещества. С появлением полупроводниковых детекторов (ППД), обладающих высокой разрешающей способностью, энергодисперсионный рентгенофлюоресцентный метод получил широкое распространение. Метод основан на измерении интенсивности характеристического рентгеновского излучения (ХРИ) атомов определяемых элементов, содержащихся в анализируемом веществе, возникающего вследствие возвращения в равновесное состояние ионизированных атомов.
В последние несколько лет развитие метода осуществлялось как в направлении создания спектрометрической аппаратуры на базе ППД и перспективных способов возбуждения рентгеновской флюоресценции атомов анализируемых элементов, так и в направлении создания высокоэффективных методик многоэлементного анализа и способов математической обработки получаемых результатов. В России эти направления разрабатывались в таких организациях как ФГУП «ВНИИТФА», НПО «Буревестник», Радиевый институт им. Академика В.Г.Хлопина, МИФИ и др.
С целью повышения чувствительности метода, в последнее время интенсивно ведутся исследования по применению в ЭДРФА источников поляризованного излучения. В условиях аналитической лаборатории поляризованное широкополосное тормозное излучение рентгеновских трубок получают с помощью аморфных поляризаторов Barkla /1 - 3/, а моноэнергетическое - с помощью монокристаллических поляризаторов Брэгга /4/ и Borrmann 151. При этом, как отмечалось в работе 16/, качество анализа (соотношение сигнал/фон) при возбуждении рентгеновской флюоресценции моноэнергетическим источником лучше по сравнению с широкополосным возбуждением. В настоящее время, как показано в работе ПІ, в диапазоне средней энергии (КаСи - КаМо) проблема получения моноэнергетического поляризованного излучения не решена по двум причинам. Первая из них чисто техническая: в этом диапазоне отсутствуют монокристаллы с хорошей отражающей способностью, а вторая принципиальная: комптоновское рассеяние на самом монокристалле.
В данной работе предлагается и исследуется один из путей решения существующей проблемы, а именно: бескристальный способ (с помощью Barkla поляризаторов) получения квазимоноэнергетического линейно поляризованного излучения в диапазоне средней энергии. Эффект достигается как за счет формирования спектра излучения рентгеновской трубки, так и за счет применения поляризованного излучения вторичных мишеней.
В работе предлагается и исследуется также другой способ повышения чувствительности ЭДРФА, связанный с применением сферической геометрии измерений. Чувствительность метода повышается как за счет увеличения интенсивности ХРИ определяемого элемента, так и за счет уменьшения интенсивности рассеянного образцом возбуждающего излучения, вследствие эффекта однократной поляризации. Таким образом, этот метод является частным случаем метода, основанного на применении в ЭДРФА поляризованного излучения.
Цель работы
Теоретические и экспериментальные исследования методов повышения чувствительности многоэлементного энергодисперсионного рентгено-флюоресцентного анализа состава вещества и разработка аппаратуры для реализации этих методов.
Основные задачи исследований
Теоретическая оценка зависимости порога обнаружения (ПО) от геометрии измерений при ЭДРФА состава вещества.
Теоретическая оценка возможностей получения квазимоноэнергетиче-ского рентгеновского излучения в диапазоне средней энергии (К«Си -КаМо) с помощью аморфных (Barkla) поляризаторов.
Разработка и создание макета экспериментальной установки для проведения ЭДРФА с радионуклидным возбуждением в условиях сферической геометрии измерений.
Экспериментальные исследования зависимости ПО от геометрии измерений при ЭДРФА с радионуклидным возбуждением.
Разработка и создание макета экспериментальной установки для проведения ЭДРФА с возбуждением рентгеновской флюоресценции квазимоно-энергетическим поляризованным излучением.
Экспериментальные исследования эффективности применения поляризованного излучения вторичных мишеней,
Исследование зависимости ПО от способа возбуждения рентгеновской флюоресценции.
Исследование зависимости ПО обнаружения от атомного номера, фильтрации первичного излучения, высокого напряжения и т.п.
Разработка экспериментальной установки для проведения ЭДРФА жидких образцов в диапазоне концентраций мкг/л (ppb).
Разработка ЭДРФ анализатора состава вещества в двух вариантах. В одном используется детектор, охлаждаемый жидким азотом, в другом - детектор с электрохолодильником (ячейки Пельтье).
Научная новизна работы
Предложена, теоретически и экспериментально исследована сферическая геометрия измерений при ЭДРФА состава вещества, которая позволяет повысить чувствительность метода в несколько раз.
Предложен, теоретически и экспериментально исследован способ получения квазимоноэнергетического поляризованного рентгеновского излучения в диапазоне средней энергии, который позволил повысить чувствительность энергодисперсионного рентгенофлюоресцентного метода в указанном энергетическом диапазоне.
Предложены и исследованы две новые рентгенооптические схемы аналитической установки для проведения ЭДРФА с возбуждением рентгеновской флюоресценции квазимоноэнергетическими поляризованными характеристическими рентгеновскими излучениями (ХРИ) атомов материалов анода рентгеновской трубки и сменных мишеней.
В разработанном ЭДРФ анализаторе состава вещества «РеСПЕКТ» одновременно установлены две рентгеновские трубки с анодами из различных материалов. В настоящий момент для этого класса приборов достигнута рекордная мощность (120 Вт) источника рентгеновского излучения, способного работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.
Для жидких образцов порог обнаружения снижен на 2 - 3 порядка и достигает уровня мкг/л. При этом сохраняются все преимущества использования ЭДРФ спектрометра «РеСПЕКТ» для анализа твердых образцов.
В работе защищаются следующие научные положения
Способ получения квазимоноэнергетического поляризованного излучения в диапазоне средней энергии (8-17 кэВ), основанный на формировании спектра излучения рентгеновской трубки путем фильтрации низкоэнергетической составляющей спектрального распределения плотности потока тормозного излучения и трансформации высокоэнергетической составляющей за пределы области эффективного рассеяния материала поляризатора и применении поляризованного излучения вторичных мишеней, позволяет повысить чувствительность ЭДРФА.
Проведение ЭДРФА в условиях предложенной сферической геометрии измерений улучшает чувствительность анализа по сравнению с традиционной плоской геометрией более чем в 2 раза за счет повышения интенсивности ХРИ атомов определяемых элементов и снижения уровня фона.
Энергетическое разрешение (128 эВ) созданного детектора рентгеновского излучения близко к теоретическому пределу (~ 120 эВ), а созданный мощный (120 Вт) источник рентгеновского излучения способен работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.
Высокая чувствительность (10^6% - 10"7%) анализа жидких образцов достигается за счет: высокой светосилы созданного анализатора «РеС-ПЕКТ», применения «метода высушенной капли» и тонких прободержате-лей; при этом сохраняются все известные преимущества ЭДРФ спектрометров при анализе твердых, порошкообразных и т.п. проб.
Практическая значимость работы
Разработаны и созданы макеты ЭДРФ установок с применением возбуждающего поляризованного излучения и сферической геометрии измерения, а также основ методик анализа. Результаты проведенных исследований и предложения, сформулированные в работе, могут быть использова-
ны при создании опытных образцов лабораторных высокочувствительных ЭДРФ установок и рентгеновских трубок.
Разработан, сертифицирован в органах Госстандарта и изготавливается на заказ ЭДРФ анализатор состава вещества «РеСПЕКТ» в двух вариантах: первый - с детектором, охлаждаемым жидким азотом, второй - с детектором, охлаждаемым ячейками Пельтье.
Для спектрометра «РеСПЕКТ» разработаны и аттестованы в органах Госстандарта методики анализа на ряд токсичных элементов при анализе природных, питьевых и сточных вод (Са, Ті, V, Cr, Mn, Fe, Со, Ni, Си, Zn, As, Se, Br, Sr, Cd, Tl и Pb), а также почв и осадков сточных вод (Са, Ті, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Se, Br, Rb, Sr, Y, Zr, Cd, Hg, Tl и Pb).
Анализаторы «РеСПЕКТ» эксплуатировались и эксплуатируются в организациях: ФГУП «Всероссийский институт минерального сырья им. Н.М.Федоровского» (г.Москва), Горно-химический комбинат (г.Железно-горск), Институт минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов (г.Москва), Мосводоканал, Центр государственного санитарно-эпидемиологического надзора (г.Москва), Институт ядерной физики (г.Минск), Московский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе (г.Москва), Волжский автомобильный завод (г.Тольятти) и др.
Апробация работы
Основные результаты исследований были доложены и обсуждены:
на всесоюзном совещании "Ядерно-физические методы исследования минерального сырья при поисках и разведке полезных ископаемых" (Бата-гай, 1986 г.);
на конференциях профессорско-преподавательского состава МГРИ в 1984,1985 и 1987 годах;
на международной конференции по рентгеновским аналитическим методам в г.Гонолулу (США) в 1991 г.;
на семинаре в Лоуренсовской лаборатории в г.Ливерморе (США) в 1991 г.;
на семинаре в ГЕОХИ РАН в 2003 г..
Созданные макеты ЭДРФ установок отмечены дипломом ВДНХ.
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 15 работах, включая 4 авторских свидетельства на изобретение.
Объем и структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5-ти глав и заключения. Она содержит 148 страниц, включая 57 рисунков, 18 таблиц и библиографический список из 109 наименований.
В первой главе приводится краткий обзор современного состояния и перспектив развития энергодисперсионного рентгенофлюоресцентного анализа из которого следует, что одним из путей повышения чувствительности ЭДРФА является применение для возбуждения рентгеновской флюоресценции поляризованного излучения.
Во второй главе дается теоретическое обоснование методов повышения чувствительности ЭДРФА с применением квазимоноэнергетического поляризованного излучения и сферической геометрии измерений. Приводится вывод аналитических формул эффективности использования поляризованного излучения мишеней и зависимости потока ХРИ атомов анализируемого элемента от геометрии измерений.
В третьей главе приводятся данные экспериментальных исследований аналитических возможностей ЭДРФА при использовании возбуждающего
квазимоноэнергетического поляризованного излучения и сферической геометрии измерений. Представлены экспериментальные результаты зависимости ПО от материала поляризатора, степени коллимации блока возбуждения и способа возбуждения рентгеновской флюоресценции. Экспериментально доказывается, что проведение ЭДРФА в условиях сферической геометрии измерений приводит к снижению ПО по сравнению с традиционной плоской геометрией.
В четвертой главе описываются детали разработки ЭДРФ анализатора состава вещества «РеСПЕКТ». Приводятся характеристики анализатора.
В пятой главе представлены примеры использования анализатора «РеСПЕКТ» для решения различных аналитических задач.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, отмечены проблемы, которые нуждаются в более углубленной проработке, а также поставлены задачи, не нашедшие отражения в настоящей работе, но представляющие интерес для развития ее тематики.
Работа выполнена на кафедре ядерно-радиометрических методов и геофизической информатики МГГРУ. Автор выражает благодарность проф. АА.Никитину за поддержку, проф. В.М.Бондаренко за полезные дискуссии и всему коллективу кафедры за творческую, товарищескую атмосферу, царившую на протяжении всего периода исследований. Особая благодарность коллегам и соавторам работ: проф. Ю.Н.Бурмистенко, А.Б.Дорину, М.В.Петровскому, Л.П.Игнатьеву, М.В.Ермаку, А.К.Чуракову, В.И.Калюжному, Н.Е.Кирюшкину, Н.С.Вахонину, В.М.Мишачеву, В.Ф.Троицкому, А.А.Волоху, Т.В.Башлыковой, Г.А.Пахомовой и многим другим, кто так или иначе способствовал проведению данной работы.
Возбуждение с помощью заряженных частиц
В последнее время широкое применение для возбуждения рентгеновской флюоресценции при проведении элементного анализа находят заряженные ионы, полученные с помощью различных типов ускорителей заряженных частиц /16/. Наиболее перспективными для практических целей являются протоны с энергией в несколько МэВ (Proton-Induced X-Ray Emission - РГХЕ). Применение протонов для возбуждения ХРИ в последнее время интенсивно развивалось /17 - 19/. В ранних работах отмечалась превосходная концентрационная чувствительность. Первые работы были посвящены, в основном, техническим деталям установок для PIXE анализа, в частности, созданию протонных микрозондов с помощью которых возможно было бы облучать крошечные площади образцов. Термин "протонный микрозонд" надо понимать по аналогии с электронным микрозондом. Обзор последних разработок микрозондов для PIXE анализа можно найти в работах/20, 21/, в которых сравниваются различные конструкции и системы фокусировки, а также намечаются перспективы для будущих разработок. В работе /22/ проведено сравнение протонных и электронных микрозондов, а в работах /23, 24/ описаны сканирующие протонные микрозонды. Для идеальных случаев ПО составляет 10"3 - 10 , что является на 2 - 3 порядка лучше, чем при анализе с помощью электронного микрозонда. Последние же работы касались, в основном, результатов применения PIXE метода в различных областях: медицине и биологии /25 - 28/; анализ загрязнений окружающей среды /29/; в археологии /30/ и т.д. Это указывает на то, что PIXE метод вышел из стадии разработки и оформляется как стандартный аналитический метод. Так, например, протонные микрозонды успешно используются для определений следовых концентраций мышьяка в человеческом волосе /31/. PIXE метод применяется, как правило, для анализа тонких образцов, в которых существует простая связь между потоком ХРИ и концентрацией. Однако в работах /32, 33/ сообщалось о применении PIXE анализа к промежуточным и толстым образцам. В работе /34/ также описывается применение протонного зонда (1,5-2 МэВ) для изучения археологических артефактов, при этом исследовались индийские изделия из бронзы, глиняные черепки с о.Крит и т.д.
С помощью протонных микрозондов можно измерять следовые концентрации с пространственным разрешением 1 мкм. В этом отношении PIXE анализ эквивалентен анализу с помощью электронного микрозонда, а по ПО он превосходит его. К другим преимуществам PIXE метода стоит отнести возможность проведения многоэлементного анализа. При этом чувствительность для большинства интересуемых элементов имеет одно и тоже значение, в то время как некоторые другие аналитические методы, которые также являются многоэлементными, не обладают этим качеством, что, конечно, является их большим недостатком. Действительно, некоторые из наиболее распространенных аналитических методов целесообразно применять только для анализа довольно ограниченного числа элементов. И, наконец, PIXE является экспрессным анализом.
В последнее время появились работы, в которых возбуждение рентгеновской флюоресценции осуществлялось с помощью релятивистских электронов (Relativic Electros to Induce X-Ray Emission - REIXE). Так, например, в работе /35/ для возбуждения ХРИ применяли электронные пучки с энергией 20 Е0 70 МэВ. Пучки получали с помощью линейного ускорителя DALINAK (ФРГ). В работе обсуждаются области применения REIXE метода. Достигнутый ПО для тяжелых элементов оказался 10"2%. В настоящее время метод находится в стадии разработки и пока, по-видимому, рано говорить о том, какое место он займет в ряду существующих и широко применяемых аналитических методов. Ясно только одно, что если REIXE метод докажет свою жизнеспособность, то из-за своей дороговизны применяться он будет скорее всего для анализа каких-то уникальных, а не рядовых образцов.
Поляризация тормозного излучения рентгеновской трубки
В настоящее время ЭДРФА занимает одно из ведущих мест в ряду аналитических методов анализа состава вещества. В последние годы интенсивно велись работы по расширению способов возбуждения рентгеновской флюоресценции. Это обуславливалось как стремлением снизить порог обнаружения метода, недостаточным в ряде случаев, так и желанием анализировать образцы малой навески с высокой чувствительностью.
2. На основании изложенного материала можно заключить, что различные способы возбуждения рентгеновской флюоресценции (радионуклид-ные источники, заряженные частицы, рентгеновские трубки и др.) не конкурируют между собой, а дополняют друг друга.
3. Одним из перспективных путей повышения чувствительности ЭДРФА является применение для возбуждения рентгеновской флюоресценции линейно поляризованного излучения получаемого в лабораторных условиях с помощью мощных рентгеновских трубок и поляризаторов Barkla и Брэгга.
4. В настоящее время в диапазоне средней энергии проблема получения моноэнергетического поляризованного излучения не решена. Это является сдерживающим фактором для дальнейшего повышения чувствительности анализа в указанном энергетическом диапазоне.
В данной работе предлагается и исследуется один из путей преодоления существующей проблемы, а именно: бескристальный способ (с помощью аморфных поляризаторов) получения квазимоноэнергетического линейно поляризованного излучения в диапазоне средней энергии. Эффект достигается как за счет выбора режима работы рентгеновской трубки с фильтрацией низкоэнергетической составляющей тормозного излучения, так и за счет применения поляризованного излучения вторичных мишеней.
В работе предлагается и исследуется способ повышения чувствительности ЭДРФА, связанный с применением сферической геометрии измерений при радионуклидном возбуждении рентгеновской флюоресценции атомов элементов, содержащихся в анализируемом веществе. ПО элементов снижается как за счет увеличения интенсивности ХРИ, так и за счет уменьшения интенсивности рассеянного образцом возбуждающего излучения, вследствие эффекта однократной поляризации.
Как было отмечено выше, одной из причин существенно ограничивающей чувствительность ЭДРФА является рассеянное образцом излучение источника. Даже в случае моноэнергетического источника, в спектре образца существует значительный фон (за счет неполного сбора заряда, тормозного излучения фотоэлектронов и комптоновского рассеяния в материале детектора) при всех энергиях меньших энергии квантов первичного излучения источника. При анализе образцов с низким содержанием элементов, рассеянное излучение вносит основной вклад в суммарный поток излучения, регистрируемый детектором, в то время как интересуемое ХРИ атомов определяемых элементов составляет лишь незначительную часть этого излучения. Таким образом, являясь главной причиной загрузок спектрометрического тракта, рассеянное образцом излучение накладывает существенные ограничения на интенсивность применяемых источников первичного излучения. Чтобы преодолеть указанные проблемы предлагается для возбуждения рентгеновской флюоресценции использовать линейно поляризованное излучение. Но прежде чем ответить на вопрос: почему поляризованное излучение является перспективным источником возбуждения при ЭДРФА образцов со следовым содержанием определяемых элементов, коротко рассмотрим теорию рассеяния рентгеновского излучения.
Когерентное рассеяние рентгеновского излучения свободным электроном впервые обсуждено Дж.Дж.Томсоном. Рассмотрим рассеяние рентгеновского излучения свободным электроном. Положим, что неполяризо-ванное излучение распространяется вдоль оси Y прямоугольной системы координат, как показано на рис.8, причем электрон находится в начале координат (точка 0). Положим, что вектор электрического поля в точке 0 в момент времени / равен Е=Е0 expficot). Тогда электрон приобретает ускорение а=еЕ/те. В свою очередь, электрон, движущийся с ускорением, становится источником излучения с частотой падающего фотона
ЭДРФ установка с возбуждением рентгеновской флюоресценции квазимоноэнергетическим поляризованным излучением
В данной главе большое внимание уделяется выбору материала для рассеивающего блока. Приводятся зависимости ПО элементов диапазона средней энергии от материала поляризатора. Обсуждаются физические причины полученных зависимостей. Основное внимание уделяется описанию экспериментов по сравнению различных способов возбуждения рентгеновской флюоресценции. На примере образцов с легкой матрицей, показаны преимущества применения для возбуждения рентгеновской флюоресценции квазимоноэнергетического поляризованного излучения по сравнению с другими известными способами возбуждения. Дано описание макетов экспериментальных установок для проведения ЭДРФА состава вещества с применением как квазимоноэнергетического поляризованного возбуждающего излучения, так и сферической геометрии измерений. Приводятся данные по применению предлагаемого метода для анализа геологических и экологических образцов. Также приводятся экспериментальные данные по исследованию сферической геометрии измерений при ЭДРФА водных растворов. Обсуждаются области применения и направления дальнейших исследований по совершенствованию предложенных методов повышения чувствительности ЭДРФА.
ЭДРФ установка с возбуждением рентгеновской флюоресценции квазимоноэнергетическим поляризованным излучением Теоретический материал и литературные данные, приведенные выше, послужили основой создания макета установки для ЭДРФА с применением квазимоноэнергетического поляризованного излучения. Принципиальная схема установки в двух вариантах представлена на рис.10 и рис.14 соответственно /89, 90, 96 - 98/. Основные исследования выполнены на установке в первом варианте. Установка состоит из системы возбуждения, блока детектирования и регистрирующей аппаратуры. Система возбуждения включает рентгеновскую трубку, коллиматоры, фильтры низкоэнергетической составляющей спектрального распределения плотности потока тормозного излучения рентгеновской трубки, поляризаторы рентгеновского излучения, держатель образца и сменные мишени. При разработке макета установки особое внимание было уделено конструкции коллиматоров. Это обусловлено следующими причинами: во-первых, необходимостью ослабления мешающего влияния как ХРИ атомов материала, из которого были изготовлены коллиматоры, так и первичного излучения рассеиваемого внутренней поверхностью коллиматоров и, во-вторых, необходимостью быстрой замены материала коллиматоров и возможностью варьирования диаметром отверстия коллиматоров. Для удовлетворения перечисленных требований были разработаны коллиматоры /99/, схематическое устройство которых представлено на рис.15. В корпусах коллиматоров, изготовленных из молибдена, нарезалась резьба Ml 0x1, в которую могли ввинчиваться сменные коллимирующие вставки. Коллимирующие вставки были изготовлены из различных материалов, свинец, олово и молибден. Следует отметить, что из-за технических трудностей изготовления внутренней поверхности сменных коллимирующих вставок в виде "гофрированного" цилиндра (см. рис.15), в отверстиях коллимирующих вставок также нарезалась резьба. Общий вид экспериментальной установки и блока возбуждения представлены на рис.16 и 17.
Как показали расчеты (см. п.2.4), для получения квазимоноэнергетичес-кого поляризованного рентгеновского излучения в диапазоне средней энергии требуется рентгеновская трубка с молибденовым анодом и рабочим напряжением 130 кВ. Наиболее подходящим излучателем, удовлетворяющим указанным требованиям, могла служить рентгеновская трубка О.ЗБПВ6-150 с выносным анодом. Рабочее напряжение трубки можно плавно менять от нуля до 150 кВ, что давало широкие возможности для исследований. Выносной анод (диаметр 30 мм, а значит расстояние от активного пятна до окна рентгеновской трубки 15мм) позволил создать установку в сближенной геометрии, то есть с максимально возможной светосилой.
По нашему техническому заданию, на базе серийно выпускаемой трубки О.ЗБПВ6-150, ленинградским научно-производственным объединением "Светлана" был изготовлен ряд трубок с молибденовым анодом и двумя бериллиевыми (толщиной 1 мм) выходными окнами, причем оси окон (нормаль к плоскости окна) образовывали между собой угол 90. С помощью магнитной фокусирующей системы можно было регулировать размер фокусного пятна. Это давало возможность, ослабляя термическую нагрузку на зеркало анода за счет расфокусировки катодного пучка, получать большую мощность излучения рентгеновской трубки. Высокое напряжение подавалось на трубку от блока РАП-150/300. При минимальном размере фокусного пятна (0,3 х 0,5 мм) максимальная потребляемая мощность составляла 300 Вт. Были проведены исследования зависимости тока фокусирующей системы от рабочего напряжения подаваемого на рентгеновскую трубку, так как размер фокусного пятна зависит от тока фокусировки и высокого рабочего напряжения.
Анализатор состава вещества «РеСПЕКТ»
Задачей следующего этапа работы являлась разработка коммерческого ЭДРФ анализатора с чувствительностью анализа жидких объектов не хуже, чем в описанной выше установке, то есть ПО уровня ppb. Простая оценка показала, что достичь ПО такого уровня возможно и без использования мощных ( 2 кВт) рентгеновских трубок. Ту же светосилу устройства можно получить за счет использования трансмиссионных рентгеновских трубок ( 100 Вт), позволяющих реализовать сближенную геометрии измерений, то есть минимизировать расстояния (анод рентгеновской трубки) — (образец) — (детектор). С другой стороны, для реализации сближенной геометрии, необходимо, чтобы криостат Si(Li) детектора имел узкое «горло». На момент начала работы таких отечественных детекторов не производилось. Кроме того, характеристики производившихся детекторов не соответствовали мировому уровню. Поэтому, на первом этапе работы, была предпринята попытка разработать детектор с требуемыми геометрическими размерами и разрешением не хуже мирового уровня.
Создание детектора с заданными характеристиками являлось частью разработки всего комплекса энергодисперсионного рентгенофлюоресцент-ного спектрометра. Детектор состоит из нескольких частей: Si(Li) кристалл, «головка» детектора, азотный криостат с входным Be окном и пре-дусилитель (ПУ).
Схематично детектор представлен на рис.39 /105, 106/. В «головке» детектора устанавливаются Si(Li) кристалл и полевой транзистор (ПТ) первого каскада усиления. Основной медный хладопровод выполнен в виде шнека («червяк Архимеда»), лопасти которого обёрнуты металлической сеткой с размером ячеек 70 мкм х 70 мкм, чтобы с одной стороны зёрна циалита засыпаемые между лопастями шнека, не могли высыпаться, а с другой стороны, чтобы «доступ» к зернам циалита откачиваемого газа был свободным. При такой конструкции насоса циалит охлаждается заметно эффективнее по сравнению с «традиционным» вариантом. Каждая лопасть шнека является «радиационным» низкотемпературным экраном для теплового излучения, поступающего в нижнюю часть криостата со стороны «капки» (верхняя часть криостата). Основной хладопровод и хладопровод «головки» детектора соединены между собой с помощью медной поворотной детали и цилиндрической «косы». Такая конструкция «косы» позволяет, с одной стороны, вдвое эффективнее отводить тепло от Si(Li) кристалла и ПТ, с другой стороны, заметнее ослабляет отрицательное влияние микрофонного эффекта на энергетическое разрешение детектора.
На рис.40 представлена схема «головки» детектора. Пружина поджимает ПТ к Si(Li) кристаллу, который в свою очередь через контактное позолоченное медное кольцоВ качестве ПТ использован двухзатворный полевой транзистор МХ-20. Обратная связь в ПУ импульсная и осуществляется через второй затвор ПТ.
На рис.41 представлен спектр излучения радионуклидного источника 55Fe, полученный с помощью разработанного детектора.
Суммируя вышеизложенное можно заключить: разработан охлаждаемый жидким азотом Si(Li) полупроводниковый детектор рентгеновского излучения в диапазоне энергий до 30 кэВ. Достигнутое энергетическое разрешение составило 128 эВ (на линии 5.9 кэВ). Такое разрешение близко к теоретическому пределу (-120 эВ). Применение цилиндрической «косы», по сравнению с «традиционной» «косой» в виде жгута, позволило снизить отрицательное влияние микрофонного эффекта на разрешение детектора.
На рис.42 представлено схематическое изображение специально разработанного и входящего в комплект прибора устройства для заливки жидкого азота. На рис.43 представлена фотография этого устройства. Для соз дания в транспортном дьюаре избыточного давления, необходимого для переливания жидкого азота, вместо нагревателя используется масса латун-ной втулки (030 х 150). Скорость переливания такого устройства около 1 литра/минута. и кольцо из сапфира поджимается к крышке корпуса «головки».
Похожие диссертации на Методы повышения чувствительности энергодисперсионного рентгенофлюоресцентного анализа и их аппаратурная реализация
