ЭНЕРГОДИСПЕРСИОННЫЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТРОМЕТР
ENERGY-DISPERSIVE POLARISATION X-RAY SPECTROMETER

Предлагаемое изобретение относится к поляризационным спектрометрам для рентгенофлуоресцентного анализа состава вещества и может быть использовано в науке и промышленности.
Известны энергодисперсионные поляризационные рентгеновские спектрометры (ЭДПРС) с узкими пучками, содержащие источник излучения, мишень - поляризатор или вторичную мишень, держатель образца, детектор и расположенные между ними три коллиматора с взаимно перпендикулярными осями (Heckel J., Ryon R.W. Polarized beam X-ray analysis // in Greiken R., Markowicz A. "Handbook of X-Ray Spectrometry", 2002, p.603-630).
Недостатком известных энергодисперсионных поляризационных спектрометров с узкими пучками является малая светосила.
Известен также энергодисперсионный поляризационный рентгеновский спектрометр, содержащий источник рентгеновского или гамма-излучения, вогнутую по цилиндру мишень, защитный экран, держатель образца, детектор с коллиматором, и регистрирующую аппаратуру, вход которой соединен с выходом детектора, причем источник и держатель образца установлены в диаметрально противоположных точках цилиндра, а коллиматор детектора направлен на образец вдоль образующей цилиндра перпендикулярно плоскости окружности мишени (SU №1045094, G01N 23/223, 1982).
Недостатком данного спектрометра является малая площадь и масса образца в зоне, диаметрально противоположной источнику.
За прототип принят энергодисперсионный поляризационный рентгеновский спектрометр, содержащий источник рентгеновского или гамма-излучения, вогнутую мишень в виде части сферы, на которой расположен фокус источника, диафрагму с отверстием, расположенным на сфере диаметрально противоположно фокусу источника, держатель образца, защитный экран, детектор излучения с коллиматором, направленным на образец, и регистрирующую аппаратуру, вход которой соединен с выходом детектора, причем держатель образца размещен за диафрагмой и выполнен с возможностью установки вогнутого образца на цилиндре, образующая которого совмещена с осью сферы, проходящей через фокус источника, при этом коллиматор детектора выполнен с плоскопараллельными каналами, перпендикулярными оси цилиндра, и снабжен выходной диафрагмой с щелью, расположенной на указанном цилиндре диаметрально противоположно ее образующей, совмещенной с осью сферы (Авт.св. SU №1327673, G01N 23/223, 1986).
Недостатком этого спектрометра является то, что повышенная светосила и представительность анализа достигаются при больших размерах (порядка 5 см) детектора. Вогнутый по цилиндру образец невозможно вращать в процессе облучения без нарушения ортогональности траектории квантов для получения усредненной информации со всей поверхности образца и увеличения представительности анализа.
Кроме того, размер фокуса источника в прототипе ограничен (увеличение размера фокуса приводит к большим отклонениям углов рассеяния от 90° и снижает поляризацию). Мощность источника с малым размером фокусного пятна ограничена. Для анализа тяжелых элементов по излучению К-серии с энергией 40-50 кэВ и выше необходимо использовать фильтр и получить жесткое, квазимонохроматическое и поляризованное излучение, но при фильтрации поток излучения и скорость счета резко падает.
Коллиматор с плоскопараллельными каналами расположен непосредственно перед детектором имеет большие размеры и «загрязняет» спектр.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении возможности поляризации излучения источника с линейным фокусом повышенной мощности и анализа представительной массы образца с использованием детектора ограниченных размеров, упрощении коллиматора детектора, уменьшении его размеров, увеличении скорости счета полезного излучения, снижении порогов обнаружения и сокращении времени измерения.
Для достижения указанного технического результата в энергодисперсионном поляризационном рентгеновском спектрометре, содержащем источник рентгеновского или гамма-излучения, вогнутую мишень, диафрагму с отверстием, держатель образца, детектор с коллиматором, направленным на образец, и регистрирующую аппаратуру, вход которой соединен с выходом детектора, согласно изобретению, использован источник излучения с линейным фокусом, мишень вогнута по цилиндру, фокус источника расположен на образующей цилиндра, детектор и отверстие диафрагмы расположены, во-первых, на образующей цилиндра, диаметрально противоположной источнику, во вторых, в диаметрально противоположных точках сферы, при этом сфера смещена в сторону детектора от мишени, а держатель образца выполнен с возможностью установки образца на этой сфере под вторичное излучение, прошедшее через отверстие диафрагмы, кроме того, введен коллиматор первичного пучка с плоскопараллельными каналами, перпендикулярными оси цилиндра.
Держатель образца выполнен с возможностью установки образца с вогнутой по сегменту сферы рабочей поверхностью симметрично относительно отверстия диафрагмы и детектора.
Коллиматор детектора выполнен с эллиптическим отверстием. Предлагаемый спектрометр представлен схематически на фиг.1. Спектрометр построен по обратной прототипу схеме с заменой местами входа и выхода (источника и детектора, мишени и образца).
В спектрометре используется источник 1 рентгеновского или гамма-излучения с линейным фокусом. Мишень 2 вогнута по цилиндру с радиусом Re. При использовании источника 1 с ограниченной апертурой пучка мишень 2 размещена на половинке цилиндра. Ось цилиндра установлена горизонтально.
1
1
2
3
s
Линия фокуса источника 1 совмещена с образующей FF цилиндра. Детектор 3 и отверстие диафрагмы 4 расположены, во-первых, на образующей цилиндра, диаметрально противоположной источнику 1, во вторых, в диаметрально противоположных точках F и F сферы с радиусом R.
2
3
3
2
3
1
1
Сфера смещена в сторону детектора 3 от мишени 2 вдоль оси FF. Смещение точки F от центральной плоскости по разрезу А-А мишени примерно равно расстоянию от оси FF до горизонтали, проходящей через ось FF.
2
3
Держатель 5 образца выполнен с возможностью установки образца 6 с вогнутой по сегменту сферы рабочей поверхностью на сфере горизонтально и симметрично относительно точек F и F под вторичный пучок, прошедший через отверстие диафрагмы 4.
1
1
2
3
Цилиндр и фокус FF повернуты вокруг оси FF на угол около 45° так, что вторичное излучение мишени 2 облучает центральную часть образца 6.
Коллиматор 7 детектора направлен на образец 6 и выполнен в виде диска с эллиптическим отверстием. Облучается практически весь образец и его поверхность просматривается в виде эллипса со стороны детектора 3.
К выходу детектора 3 присоединен вход регистрирующей аппаратуры 8.
Между источником 1 и мишенью 2 введен коллиматор 9 первичного пучка с плоскопараллельными каналами, перпендикулярным оси цилиндра.
Ширина мишени 2 и коллиматора 9 выбраны больше длины линейного фокуса источника 1.
Образец 6 формируют с вогнутой по сфере поверхностью. Образцы малого размера могут быть плоскими.
При необходимости можно ввести фильтры (на схемах не показаны). Защитную камеру, узлы мишеней, образцов, коллиматоров и фильтров можно выполнить с использованием известных технических решений.
2
3
В качестве поляризаторов можно использовать пирографит, В4С, AlO, Al, в качестве вторичных мишеней - Ti, Co, Y, Mo, Sn и другие.
Спектрометр работает следующим образом.
Образцы 6 облучают вторичным излучением мишени 2, прошедшим через отверстие диафрагмы 4, и по спектру зарегистрированного детектором 3 излучения судят о содержании элементов в образце.
На схеме часть лучей показана со стрелками. Траектории квантов в трех пучках перпендикулярны. Следовательно, условия поляризации и подавления рассеянного излучения выполняются. Спектрометр управляется компьютером, расчет концентраций производится известными методами.
В спектрометре можно использовать источник с линейным фокусом большой площади и повышенной мощностью. Например, при использовании рентгеновской трубки типа 5БХВ-6 с линейным фокусом с длиной фокуса 3,5-4 см можно установить мишень 2 в виде части цилиндра с радиусом изгиба 5-6 см и такой же ширины. Радиус сферы около 3-4 см.
2
Можно использовать детектор с площадью до 20-50 мм.
При радиусе сферы 4 см и диаметре основания сегмента 6 см можно использовать образец с диаметром 6,6 см. В этом случае площадь анализируемой зоны образца достигает 33 см. Для анализа элементов с атомными номерами 45-62 можно готовить образцы толщиной 5-7 мм или массой 15-20 г.
Для анализа более тяжелых элементов можно увеличить размеры спектрометра в целом и массу образца до 50 г и более.
Сравним максимально достижимые полезные загрузки в спектрометре ЭДПРС и в обычном ЭДС спектрометре прямого возбуждения.
d
Предположим, что подобраны режимы, обеспечивающие оптимальную скорость счета n, определяемую загрузочными параметрами используемого детектора, т.е. выполняется условие
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo>+</mo><mi>b</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>n</mi><mi>p</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>b</mi><mi>p</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>n</mi><mi>d</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где n, b - суммарные скорости счета флуоресцентных линий и фонового излучения в спектрометре ЭДС, имп./сек,
p
p
n, b - суммарные скорости счета в ЭДПРС, имп./сек (индекс p относится к случаю поляризации).
Интегральный коэффициент подавления фона, нормированного на суммарную скорость счета флуоресцентного излучения, запишем в виде:
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>b</mi><mo>/</mo><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>b</mi><mi>p</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>n</mi><mi>p</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mi>p</mi></msub><mo>/</mo><mi>V</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
p
p
p
где V=n/b и V=n/b - отношения полезных загрузок к фоновым загрузкам, зависящие от состава пробы и режима работы спектрометров.
p
p
Коэффициенты V, V и К можно определить по результатам измерения флуоресценции одного и того же образца в экспериментах с поляризацией излучения и без поляризации. Из (2) следует соотношение V=KV.
С учетом этих обозначении
p
p
b/b=(1+V)/(1+V)-(1+V)/(1+KV).
Интегральный коэффициент увеличения полезной загрузки в ЭДПРС по сравнению с ЭДС:
p
p
F=n/n=К(b/b)
или
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mi>K</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>V</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>K</mi><mi>V</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Предельно достижимый коэффициент подавления фона:
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>P</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>R</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где Р - результирующая степень поляризации,
p
p
R=(b/n)/(b/n)=1-Р=1/К - фактор или доля рассеяния.
Для снижения фона, например, в К=20 раз необходимо обеспечить поляризацию Р на уровне 0,95 или фактор рассеяния R на уровне 0,05.
Результирующую степень поляризации можно оценить по полученным в эксперименте значениям коэффициентов R или К:
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>R</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>K</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mi>K</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
В пробах с легкой матрицей при малой концентрации анализируемых элементов n<<b и V=n/b≈0. В этом частном случае максимальные значения параметров F и К:
max
max
F=K1/(1-P).
При разработке поляризационных спектрометров необходимо оценить степень поляризации Р и параметры К или R с учетом множества влияющих на них факторов. Значения этих параметров ограничены в основном из-за отклонений углов рассеяния от 90°, и могут быть оценены с учетом апертур пучков и других факторов (конечных размеров фокуса источника, детектора, размеров поляризатора и системы в целом, многократного рассеяния излучения в поляризаторе и образце, релятивистского фактора).
max
Для схем ЭДПРС с тремя узкими перпендикулярными пучками и одинаковыми апертурами в пределах угла 2δ геометрический фактор рассеяния оценивают по формуле
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>g</mi></msub><mo>≈</mo><mn>2</mn><mi>δ</mi><msup><mrow><mi>max</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
max
g
Так, при δ=10°=0,1745 радиан R≈0,0609 и без учета других деполя-ризующих факторов получаем Р≈0.939 и К≈16.4.
В ранних экспериментах с поляризаторами Баркла достигнута поляризация Р порядка 0,9-0,94 и значения параметра К в пределах 10-16.
С увеличением энергии кванта сечение комптоновского рассеяния под углом 90° все больше отличается от нуля, и в области энергии выше 80-100 кэВ ограничение поляризации обусловлено в основном релятивистским фактором Kg. При энергии 100 кэВ достигнуты значения К порядка 5,4.
Порог обнаружения пропорционален корню квадратному от фона под пиком и обратно пропорционален числу импульсов в этом пике.
i
ip
Коэффициент снижения порогов обнаружения m определим как отношение порога обнаружения С; в ЭДС к порогу обнаружения C ЭДПРС:
<mrow><msub><mi>m</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mi>i</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>i</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>B</mi><mi>i</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>B</mi><mrow><mi>i</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>N</mi><mrow><mi>i</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>N</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
i
ip
где N, N - число импульсов или площади аналитических пиков,
i
ip
B, B - число фоновых импульсов под пиками.
Коэффициент повышения контрастности аналитического пика элемента i
i
ip
i
K=V/V,
ip
ip
ip
где V=N/B - контрастность пика в ЭДПРС,
i
i
i
V=N/B - контрастность пика в спектрометре ЭДС без поляризации пучка.
Формула (7) приводится к виду
<mrow><msub><mi>m</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>K</mi><mi>i</mi></msub><mi>F</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
ip
p
i
i
Если не учитывать изменение спектра при поляризации, то V≈V, V≈V, и коэффициент повышения контрастности равен интегральному коэффициенту подавления фона, т.е. K≈K.
i
В эксперименте коэффициент K может заметно превысить величину К. Так, в одном из опытов с ЭДПРС контрастность пика брома повышена в 16 раз, а интегральный коэффициент К равен 10. С удалением энергии возбуждения от пика К-серии анода величина К; становится меньше К.
i
Заменим в (8) K коэффициентом К и оценим усредненный коэффициент снижения порогов обнаружения
<mrow><mi>m</mi><mo>≈</mo><mi>K</mi><mo stretchy="false">[</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>V</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>K</mi><mi>V</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
В таблице 1 приведены результаты расчета по формулам (3) и (9) в зависимости от фактора V при значениях К, равных 5, 10 и 20.
Таблица 1
К
5
10
20
V
F
m
F
m
F
m
0
5
5
10
10
20
20
0.01
4.81
4.90
9.18
9.58
16.8
18.3
0.03
4.48
4.73
7.92
8.90
12.9
16.0
0.1
3.67
4.28
5.50
7.42
7.33
12.1
0.3
2.60
3.61
3.25
5.70
3.71
8.62
1
1.67
2.89
1.82
4.26
1.90
6.17
3
1.25
2.50
1.29
3.59
1.31
5.12
10
1.08
2.32
1.09
3.30
1.09
4.68
30
1.01
2.27
1.03
3.21
1.03
4.54
p
p
В этой таблице К=(b/n)/(b/n) - коэффициент подавления фона за счет поляризации;
V=n/b - отношение полезной загрузки к фоновой загрузке, полученное на спектрометре с прямым возбуждением;
p
F=n/n - максимально возможный без перегрузки детектора коэффициент повышения полезной загрузки за счет поляризации (без учета фильтрации);
min
p min
m=C/C - усредненный коэффициент снижения порогов обнаружения.
Значения V больше 30 встречаются редко или маловероятны.
Значения К больше 20 возможны на пучке синхротронного излучения. Фильтрация излучения рентгеновской трубки увеличивает контрастности пиков и величины К, F и m, но при этом диапазон одновременно определяемых элементов сужается.
1/2
При малой концентрации примесных элементов в пробах с легкой матрицей излучение легких элементов можно подавить за счет фильтрации пучков. При этом V≈0, и порог обнаружения и время измерения снижается настолько, насколько подавляется фон и увеличивается скорость счета аналитических пиков, т.е. m=К=F. В другом предельном случае больших содержаний определяемых и мешающих элементов V>>1, и загрузка практически не увеличивается (F=1), но пороги обнаружения снижаются в m≈К раз.
1/2
Итак, при изменении V от нуля до V>>1 пороги обнаружения снижаются от К до К, коэффициент F повышения полезной загрузки изменяется в пределах от F≈К до F=1.
Время измерения уменьшается пропорционально величине F.
d
Реально достижимый коэффициент увеличения полезной загрузки F зависит от соотношения светосил спектрометров и мощностей источников и оптимальной загрузки n детектора.
Размеры мишени и образца (цилиндра и сферы) жестко не связаны, источник и мишень удалены по высоте от плоскости держателя образца. Это облегчает компоновку узлов при использовании мощных рентгеновских трубок с большими габаритами анодной части, корпуса и защиты от излучения.
Горизонтальное расположение образца и малые размеры коллиматора детектора позволяет свободно разместить держатель с образцом большого размера и организовать смену образцов.
Вогнутые по сфере образцы можно вращать без нарушения ортогональности траектории квантов для улучшения воспроизводимости и повышения представительности анализов.
Чем больше радиусы цилиндра и сферы по сравнению с размерами отверстия диафрагмы и детектора, тем больше поляризация и меньше светосила.
Повышенная мощность источника с линейным фокусом позволяет использовать фильтр и облучать образец квазимонохроматическим поляризованным излучением высокой энергии. Подавление тормозного излучения малой энергии за счет дополнительной фильтрации позволяет использовать источник излучения большой мощности без перегрузки детектора. При большом запасе мощности источника можно повысить поляризацию, обеспечив более жесткую коллимацию и фильтрацию пучков, увеличить за счет этого параметры F и К, и в конечном счете уменьшить пороги обнаружения и время измерения.
Преимущества ЭДПРС наиболее заметны в случае анализа малых концентраций примесных элементов в пробах с легкой матрицей (при V<<1). К таким пробам относятся растения, почвы, золы, шлаки, нефтепродукты, водные растворы, пластмассы, легкие сплавы и значительная часть горных пород и руд. Возможности одновременного анализа на ЭДПРС примесных элементов заметно расширяются. В геологических пробах можно определять 50 и более элементов в 1-3 приема, что затруднительно при использовании спектрометра прямого возбуждения.
Упрощена форма мишени. Изготовить мишень в виде части цилиндра проще, чем в виде сферы. Упрощен также коллиматор детектора, уменьшены его размеры. Образцы с вогнутой по сегменту сферы рабочей поверхностью ограниченной глубины также просто готовить.
d
Нет необходимости использования детектора большой длины, сравнимой с размерами образца. Уменьшение размера детектора отражается в увеличении величины n в формуле (1). Современные детекторы оптимального размера обеспечивают высокую загрузку и приемлемую эффективность.
Таким образом, обеспечена возможность поляризации излучения источника с линейным фокусом повышенной мощности и анализа представительной массы образца с использованием детектора ограниченных размеров, увеличения скорости счета полезного излучения, снижения порогов обнаружения и сокращения времени измерения. Упрощен коллиматор детектора, уменьшены его размеры.