КОМБИНИРОВАННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫХ И РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к средствам для исследования и анализа материалов с использованием рентгеновского излучения и может быть использована для изучения элементного и фазового состава кристаллических и аморфных веществ в форме порошков, проволок, пластин и микрообъектов.
Известны средства рентгеноспектрального и рентгеноструктурного анализа материалов /патент RU 2097937, международные заявки WO 94/01968, WO 97/23090, патенты США US 4868651, US 5184018 и др./, основанные на облучении исследуемого образца пучком рентгеновского излучения, генерируемого рентгеновской трубкой, и предусматривающие регистрацию флуоресценции материалов под действием рентгеновского излучения или регистрацию дифракции рентгеновского излучения на кристаллических решетках твердых тел и определении по спектрам рентгеновской флуоресценции и рентгеновской дифракции элементного состава и содержания кристаллических фаз химических компонент.
Известен рентгеновский дифрактометр /заявка US 2004228441, приор. 20040802580, 16.03.2004, Fewster P.P., Andrew N.L., публ. 18.11.2004/ для рутинного исследования качества материалов, содержащий источник рентгеновского излучения (ИРИ), двойной щелевой коллиматор, вращающееся основание для размещения образца, кристалл-анализатор и детектор дифрагированного на образце рентгеновского излучения, причем кристалл-анализатор и детектор установлены с возможностью вращения вокруг оси, коаксиальной оси вращения основания для размещения образца.
Недостатком известного устройства является отсутствие монохроматора, позволяющего вырезать из спектра рентгеновского излучения трубки определенную часть энергетического спектра рентгеновского излучения для проведения
эффективного анализа, большое время анализа в связи с использованием принципа последовательных измерений с помощью кристалла-анализатора и необходимость применения прецизионных механических узлов, обеспечивающих связанное вращение источника рентгеновского излучения и узла «кристалл-анализатор-детектор» вокруг оси, коаксиальной оси вращения основания для образца. Кроме того, известное устройство не обеспечивает возможности проведения рентгеноспектрального анализа.
Известно комбинированное устройство, реализующее функции рентгеновского спектрометра и рентгеновского дифрактометра /патент US 7120228, приор. 21.09.2004, публ. 10.10.2006, Jordan Valley Applied Radiation Ltd, IL/, который предназначен для элементного и структурного анализа поверхностного слоя образцов и включает размещенные в корпусе ИРИ, соединенный с блоком управления, систему формирования (коллимирования) рентгеновского луча (спектра излучения и геометрии пучка), связанную с детектором через объект исследования, размещаемый по ходу рентгеновского луча, и регистратор сигнала в виде электронной системы сбора и обработки информации, к которой подсоединен также блок управления ИРИ. В частном случае, система коллимирования рентгеновского луча включает искривленный кристаллический монохроматор в качестве фильтра пропускания рентгеновского излучения и фокусирующего элемента. Выбор режима исследования (режим работы рентгеновского спектрометра или рентгеновского дифрактометра) производится путем установки ИРИ под заданным углом к поверхности образца (соответственно - угол скольжения или угол Брэгга), для чего основание с укрепленным на нем ИРИ перемещают по криволинейной траектории относительно заданной точки на поверхности образца, укрепленного в держателе образца. Образец с держателем установлен на подвижном основании, обеспечивающем точную установку позиции и ориентации образца. При анализе образцов в режиме работы устройства как рентгеновского дифрактометра исследуют дифракционный рентгеновский спектр, возникающий в результате рентгеновской дифракции на кристаллических структурах в образце, при этом коллимированный рентгеновский луч направляют на поверхность образца под углами Брэгга, превышающими угол скольжения.
Известное устройство имеет установленный на основании детектор (блок детектирования) в виде по крайней мере одной линейки чувствительных элементов, принимающих рентгеновское излучение, дифрагированное вблизи угла Брэгга для образца, регистратор, обеспечивающий прием и обработку выходного сигнала,
соответствующего пикам рентгеновской дифракции, по крайней мере от одной линейки детекторов и анализ соотношения параметров таких пиков для определения характеристик (структуры) поверхностного слоя. ИРИ и детектор (блок детектирования) в известном устройстве находятся на постоянном расстоянии от поверхности анализируемого объекта, что обеспечивает возможность их переустановки и исследование образцов под разными углами для повышения надежности заключений, преимущественно, о составе и структуре поверхностных слоев кристаллических материалов, в частности, тонких пленок, полупроводниковых сборок и т.п.
Недостатком известного устройства является необходимость переустановки ИРИ для изменения угла падения рентгеновского излучения на поверхность образца и одновременно переустановка детектора (блока детектирования) при переходе от исследования спектра рентгеновской дифракции на материале образца к исследованию спектров рентгеновской флуоресценции для определения элементного состава образца (и наоборот) вследствие отсутствия отдельного канала регистрации рентгенофлуоресцентного излучения материала образца, возникающего при поглощении падающего рентгеновского излучения, что увеличивает время анализа. Кроме того, для образцов смешанного состава с произвольной ориентацией плоскостей кристаллической решетки необходима установка углов наклона ИРИ под соответствующими углами Брэгга, что также увеличивает время анализа. При этом снижается точность анализа из-за изменения расстояния до образца и регистрируемой интенсивности дифрагированного излучения.
Известное устройство, включающее размещенные в корпусе ИРИ, основание для размещения ИРИ, устройство для перемещения ИРИ, систему коллимирования рентгеновского луча, основание для размещения образца с держателем образца, устройство для установки образца, блок детектирования, основание для размещения блока детектирования, устройство для перемещения блока детектирования, а также блок управления и регистрации данных, выбрано в качестве наиболее близкого аналога заявляемой полезной модели.
Задача полезной модели состоит в расширении функциональных возможностей за счет обеспечения одновременно рентгеноспектральных и рентгеноструктурных измерений, а также улучшения эксплуатационных характеристик устройства и повышения точности определения структурного и фазового состава материалов за счет сокращения времени анализа и оптимизации рентгенооптической схемы.
Задача полезной модели (первый вариант) решена тем, что комбинированное устройство для рентгеноструктурных и рентгеноспектральных измерений, включающее размещенные в корпусе ИРИ, основание для размещения ИРИ, устройство для перемещения ИРИ, систему коллимирования рентгеновского луча, основание для размещения образца с держателем образца, устройство для установки образца, блок детектирования, основание для размещения блока детектирования, устройство для перемещения блока детектирования, а также блок управления и регистрации данных, в соответствии с полезной моделью, устройство снабжено механизмом юстировки ИРИ, блок детектирования содержит оптически сопряженные по крайней мере один координатно-чувствительный детектор для измерения спектров рентгеновской дифракции и энергодисперсионный детектор для измерения спектров рентгеновской флуоресценции, основание для размещения блока детектирования выполнено составным из оснований под упомянутые детекторы, а основание для размещения образца выполнено в виде неподвижно укрепленного на упомянутом корпусе опорного диска со шкалой отсчета углов, на котором размещен с обеспечением жесткой связи держатель образца, сопряженный с устройством для установки образца, при этом коаксиально с опорным диском дополнительно установлены с обеспечением азимутального поворота опорные кольца для укрепления соответственно оснований для размещения координатно-чувствительного детектора, энергодисперсионного детектора и ИРИ, причем механизм юстировки ИРИ механически сопряжен с основанием для размещения ИРИ.
Кроме того, система коллимирования рентгеновского излучения снабжена съемным блоком с монохроматором.
Кроме того, система коллимирования рентгеновского луча снабжена съемным блоком с устройством смены фильтров для ИРИ.
Кроме того, энергодисперсионный детектор установлен с обеспечением направления оптической оси на центр исследуемой области образца.
Кроме того, энергодисперсионный детектор и по крайней мере один координатно-чувствительный детектор оптически сопряжены путем обеспечения регистрации спектра рентгеновской флуоресценции в диапазоне азимутальных углов, комплементарном диапазону углов регистрации спектров рентгеновской дифракции.
Кроме того, устройство для перемещения ИРИ выполнено с обеспечением поворота его вокруг оси, параллельной оси опорного диска, и продольного перемещения вдоль направления пучка рентгеновского излучения.
Кроме того, держатель образца, преимущественно, плоского и с ненормированным размером, выполнен в виде приставки с плоскими регулируемыми губками и снабжен прижимом.
Кроме того, держатель образца, преимущественно, в виде проволоки, выполнен в виде цанги с регулируемым диаметром.
Кроме того, держатель образца в виде цанги выполнен с возможностью вращения вокруг оси, параллельной или наклонной к плоскости опорного диска.
Кроме того, держатель образца, преимущественно, порошкового, выполнен в виде кюветы с вертикальной осью вращения.
Кроме того, устройство для установки образца, преимущественно, порошкового, выполнено в виде автоматического сменщика образцов с кассетой кювет.
Кроме того, при контроле криолитового отношения для алюминийсодержащего сырья ИРИ установлен с обеспечением удаления от центра исследуемой области образца на расстояние 80-100 мм и наклона оси коллимированного рентгеновского луча к плоскости основания для размещения образца в диапазоне 10°-20°.
Кроме того, при контроле криолитового отношения для алюминийсодержащего сырья координатно-чувствительный детектор установлен с обеспечением удаления его центра на расстояние 160-260 мм от центра исследуемой области образца.
Кроме того, при контроле криолитового отношения для алюминийсодержащего сырья координатно-чувствительный детектор выполнен с обеспечением регистрации спектра рентгеновской дифракции в диапазоне углов 32°±25°.
Задача полезной модели (второй вариант) решена тем, что комбинированное устройство для рентгеноструктурных и рентгеноспектральных измерений, включающее размещенные в корпусе ИРИ, основание для размещения ИРИ, устройство для перемещения ИРИ, систему коллимирования рентгеновского луча, основание для размещения образца с держателем образца, устройство для установки образца, блок детектирования, основание для размещения блока детектирования, устройство для перемещения блока детектирования, а также блок управления и регистрации данных, в соответствии с полезной моделью, устройство снабжено механизмом юстировки ИРИ, блок детектирования содержит
координатно-чувствительный детектор для измерения спектров рентгеновской дифракции и энергодисперсионный детектор для измерения спектров рентгеновской флуоресценции, а основание для размещения блока детектирования выполнено составным из оснований под упомянутые детекторы, причем механизм юстировки ИРИ механически сопряжен с основанием для размещения ИРИ, а основания для размещения ИРИ, для размещения образца, а также для размещения координатно-чувствительного и энергодисперсионного детекторов укреплены на упомянутом корпусе, при этом энергодисперсионный детектор установлен с обеспечением регистрации спектра рентгеновской флуоресценции в диапазоне азимутальных углов, комплементарном диапазону углов регистрации спектров рентгеновской дифракции.
Кроме того, система коллимирования рентгеновского луча снабжена съемным блоком с монохроматором.
Кроме того, система коллимирования рентгеновского луча снабжена съемным блоком с устройством смены фильтров для ИРИ.
Кроме того, система коллимирования установлена с возможностью наклона оптической оси к плоскости основания для размещения образца.
Кроме того, энергодисперсионный детектор установлен с обеспечением направления оптической оси на центр исследуемой области образца.
Кроме того, устройство для перемещения ИРИ выполнено с обеспечением продольного перемещения вдоль направления пучка рентгеновского излучения.
Кроме того, держатель образца, преимущественно, плоского и с ненормированным размером, выполнен в виде приставки с плоскими регулируемыми губками и снабжен прижимом.
Кроме того, держатель образца, преимущественно, в виде проволоки, выполнен в виде цанги с регулируемым диаметром.
Кроме того, держатель образца в виде цанги выполнен с возможностью вращения вокруг оси, параллельной или наклонной к плоскости основания для размещения образца.
Кроме того, держатель образца, преимущественно, порошкового, выполнен в виде кюветы с вертикальной осью вращения.
Кроме того, устройство для установки образца, преимущественно, порошкового, выполнено в виде автоматического сменщика образцов с кассетой кювет.
Кроме того, при контроле криолитового отношения для алюминийсодержащего сырья ИРИ установлен с обеспечением удаления от центра исследуемой области образца на расстояние 80-100 мм и наклона оси коллимированного рентгеновского луча к плоскости основания для размещения образца в диапазоне 10°-20°.
Кроме того, при контроле криолитового отношения для алюминийсодержащего сырья координатно-чувствительный детектор установлен с обеспечением удаления его центра на расстояние 160-260 мм от центра исследуемой области образца.
Кроме того, при контроле криолитового отношения для алюминийсодержащего сырья координатно-чувствительный детектор выполнен с обеспечением регистрации спектра рентгеновской дифракции в диапазоне углов 32°±25°.
Технический результат полезной модели состоит в обеспечении проведения параллельно рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализа объектов с высоким разрешением, что расширяет функциональные возможности в сравнении с известными устройствами, а также в улучшении эксплуатационных характеристик за счет миниатюризации устройства и оптимизации рентгенооптической схемы.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1, на которой представлена блок-схема устройства (по первому и второму варианту), фиг.2, на которой представлена рентгенооптическая схема заявляемого устройства по первому варианту, и фиг.3, на которой представлена рентгенооптическая схема заявляемого устройства по второму варианту.
Устройство (первый вариант) имеет блочную структуру и содержит (фиг.1) наружный защитный корпус (1), размещенные в нем блок ИРИ (2), основание для размещения образца (3), блок детектирования рентгеновского излучения (4), соединенный с блоком управления и регистрации (5) на базе ПЭВМ, а также блок питания (6) для всех элементов (2-5) устройства. Блок управления и регистрации (5) может быть размещен также вне корпуса (1). В блоке ИРИ (2) использована рентгеновская трубка (7), имеющая собственный защитный корпус с окном для вывода излучения (на фиг.1, 2 не показан), к аноду которой подведено питание от высоковольтного источника (на фиг.1, 2 не показан), соединенного с блоком питания (6) через блок защиты и автоматики (не показан). К блоку питания (6) подключен также блок управления и регистрации данных (5). ИРИ (2) снабжен блоком охлаждения, который через сигнализатор давления воды соединен с блоком защиты и автоматики (на фиг.1 не показаны). Для обеспечения формирования пучка рентгеновского излучения ИРИ (2) снабжен системой коллимирования рентгеновского луча (8) и устройством перемещения ИРИ (9)) вдоль оптической оси
пучка рентгеновского излучения (на фиг.2 не показано), что позволяет изменять рентгенооптическую схему устройства. Система коллимирования рентгеновского луча (8) обеспечивает оптическое сопряжение ИРИ (2) с основанием для размещения образца (3), снабженным держателем образца (10), который конструктивно выполнен в соответствии с видом анализируемого объекта. С основанием (3) соединено устройство для установки образца (11), позволяющее перемещать держатель (10) с образцом вдоль оси (вверх-вниз), для обеспечения более точной наводки ИРИ (2) на определенную точку поверхности образца. Основание (3) с держателем образца (10) оптически сопряжены с блоком детектирования (4), имеющим составное основание (12) и (13) под составляющие блок детектирования (4), соответственно, под по крайней мере один координатно-чувствительный детектор (14) и энергодисперсионный детектор (15), входы и выходы которых подключены к соответствующим системам блока управления и регистрации данных (5).
Основание (3) для размещения образца выполнено в виде укрепленного на панели корпуса (1) опорного диска (16) (фиг.2), на котором, по окружности диска (16), нанесена шкала отсчета углов (17). На опорном диске (16) закреплено устройство для установки образца (11) и держатель образца (10). Коаксиально с опорным диском (16) установлены с возможностью азимутального поворота на угол 360° путем вращения вокруг оси опорного диска (16): опорное кольцо (18) для установки энергодисперсионного детектора (15) на основании (13), опорное кольцо (19) для установки координатно-чувствительного детектора (14) на основании (12) и опорное кольцо (20) для размещения рентгеновской трубки (7) блока ИРИ (2) на основании (21). На основании (21) укреплен также механизм юстировки ИРИ (22), сопряженный с устройством перемещения ИРИ (9), в который для обеспечения точной наводки на образец малых размеров может быть включен микроскоп (на фиг.2 не показан), и связанные с системой коллимирования (8) съемный блок с монохроматором (23), съемный блок с устройством смены фильтров (24). По окружности опорных колец (18) и (20) нанесены шкалы отсчета углов. Координатно-чувствительный детектор (14) и энергодисперсионный детектор (15) снабжены устройствами перемещения (25) и (26) соответственно, что обеспечивает оптическое сопряжение с областью основания для размещения образца (3) и изменение расстояния от детектора до исследуемой области образца для точной настройки устройства с обеспечением направления оптических осей детекторов на центр исследуемой области образца. Использование шкал отсчета углов на опорном диске
(16) и соответствующих опорных кольцах (18), (20) позволяет выставлять заданные направления оптических осей элементов устройства, определять углы падения рентгеновского луча на образец и регистрируемый диапазон углов дифракции рентгеновского излучения. При этом энергодисперсионный детектор (15) должен быть установлен вне зоны измерения координатно-чувствительного детектора (14) дифрагированного излучения от образца, т.е. в комплементарном диапазоне углов рентгеновской дифракции. Данное требование должно быть выполнено и в том случае, когда в устройстве установлено несколько координатно-чувствительных детекторов.
В качестве координатно-чувствительных детекторов (14), обеспечивающих регистрацию дифракционных линий в диапазоне углов Брэгга 26, используются детекторы, имеющие изогнутое или плоское окно, например газовые детекторы типа ИКЧД или полупроводниковые ПЗС-линейки. В качестве энергодисперсионного детектора (15), обеспечивающего регистрацию спектра рентгеновской флуоресценции образца, может быть использован энергодисперсионный дрейфовый полупроводниковый детектор с электроохлаждением, например, марки eFET-SDD фирмы КЕТЕК GmbH (или Si-детектор фирмы АМРТЕС), обеспечивающие высокое быстродействие, высокую разрешающую способность (не хуже 150 эВ на К-альфа линии марганца Mn, долговременную стабильность (не хуже 0,3% за 8 часов). Рентгенооптическая схема устройства оптимизирована за счет позиционирования рентгеновского излучения точно на заданную область поверхности образца и регистрации одновременно спектров рентгеновской дифракции и рентгеновской флуоресценции с высоким пространственным и энергетическим разрешением, что обеспечивает количественное определение элементного и фазового состава образца.
2
3
Устройство работает следующим образом. Функциональные блоки устройства подготавливают к работе, для чего устройство подключают к электропитанию посредством блока питания (6), производят подачу охлаждающей жидкости для ИРИ (2) в блок охлаждения, в держатель (10) устанавливают контрольный образец (например, окись алюминия α - AlО), подают высокое напряжение на рентгеновскую трубку ИРИ (7) и проверяют юстировку устройства, при этом с помощью механизма юстировки (22) и устройства перемещения ИРИ (9), системы коллимирования (8), монохроматора (23) (или блока сменных фильтров) обеспечивают монохроматичность или фильтрацию рентгеновского излучения, его коллимирование и позиционирование рентгеновского луча на поверхности
2
3
α
β
α
β
min
max
контрольного образца. В устройстве по первому варианту при необходимости обеспечивают поворот ИРИ (2) по азимуту, вокруг оси, параллельной оси опорного диска (16). Далее производят калибровку устройства. Для этого путем разворота опорного кольца (19) устанавливают координатно-чувствительный детектор (14) в положение, обеспечивающее регистрацию наибольшего числа передних дифракционных линий α - AlО, используя линии К (и К) характеристического излучения рентгеновской трубки (7), регистрируют дифракционный спектр системой сбора и регистрации данных блока (5) и производят калибровку детектора (14), устанавливая соответствие между номером канала n многоканального анализатора блока регистрации детектора (14), отвечающего максимуму дифракционной линии, и соответствующим ему углом Брэгга 2θ (для линии К или К). При этом используют положение крайнего левого пика дифракции (канал n1, которому соответствует угол дифракции - 2 θ) и положение крайнего правого пика дифракции (канал n2, которому соответствует угол дифракции 2 θ), по которым рассчитывают цену канала 6 в угловых градусах:
При регистрации пиков дифракции в наборе каналов ni (i=k,...m), диапазон одновременно регистрируемых углов рентгеновской дифракции γ составляет
2
3
При проведении рентгеноструктурных измерений и определении полного диапазона регистрации спектра    координатно-чувствительный детектор (14) устанавливают в крайнее левое положение путем разворота опорного кольца (19) из нулевого положения против часовой стрелки и поворота блока ИРИ (2) по часовой стрелке на тот же угол. В этом положении регистрируют участок спектра контрольного образца, на котором выделяют одну из линий α - AlО, для которой известен угол γ и корректируют калибровку устройства по этой дифракционной линии. Фиксируют значение угла, соответствующего каналу с наибольшим номером (кл), в котором регистрируется пик рентгеновской дифракции, соответствующий одному из крайних значений полного диапазона углов регистрации спектра (-2θкл, 0, +2θкп), здесь индексы кл, кп относятся к соответственно крайне левому и крайне правому положениям пика дифракции (при отсчете углов от 0 индекс кп соответствует наименьшему номеру канала, а индекс кл - наибольшему номеру канала). Затем детектор поворачивают по часовой стрелке путем разворота опорного кольца (19) во второе крайнее положение. Соответственно поворачивают блок ИРИ (2) против часовой стрелки на такой же угол, а держатель образца (10)
поворачивают на угол 180° вокруг оси и регистрируют участок спектра для контрольного образца в этом положении. В зарегистрированном спектре выбирают линию с известным углом дифракции Брэгга, корректируют калибровку по этой линии и фиксируют значение угла, соответствующего каналу с наименьшим номером (кn), который является вторым крайним значением полного диапазона регистрации спектра. Энергодисперсионный детектор (15) путем поворота опорного кольца (18) устанавливают вне зоны углов измерения дифрагированного излучения координатно-чувствительным детектором (14) и калибруют (устанавливают зависимость номера канала многоканального анализатора системы детектирования от энергии рентгеновского излучения) по спектру рентгеновской флюоресценции стандартного образца.
После калибровки производят измерения. Анализируемый образец размещают в соответствующем держателе (10), установленном на основании для размещения образца (3), и позиционируют его в том же положении, что и контрольный образец известного состава, на котором проводилась калибровка. Для плоских образцов с ненормированным размером удобно применять держатель-приставку, имеющую плоские губки с регулируемым расстоянием между ними и прижим для фиксации образца в губках. Для порошковых образцов целесообразно применять держатель в виде кюветы с вертикальной осью вращения. Наличие подобных держателей, которые можно перемещать по вертикали вдоль оси опорного диска, позволяет осуществлять точное позиционирование рентгеновского луча на поверхности образца или на любой его точке и избежать неконтролируемого поглощения или рассеяния дифрагированного рентгеновского излучения из-за некорректной установки образца и осыпания порошка. Рентгеновский луч направляют на контролируемый образец и перемещают координатно-чувствительный детектор (14) вокруг оси опорного диска (16) (при неподвижном образце), устанавливают положение дифракционных максимумов интенсивности дифрагированного излучения по шкале отсчета углов (17), определяют углы дифракции Брэгга, и по ним расчетом по специальной программе или путем сравнения с известными значениями для постоянных кристаллической решетки различных соединений определяют характеристики кристаллического материала, содержащегося в образце. Регистрация интенсивности дифрагированного излучения в различных дифракционных линиях дает возможность определять концентрации фаз в образце с использованием калибровочных коэффициентов. Регистрация спектра рентгеновской флуоресценции материала образца энергодисперсионным
детектором (15) дает возможность установить элементный состав материала. Документирование измерений образцов и регистрация спектров дифракции рентгеновского излучения осуществляются программно-управляемой системой сбора и обработки информации в составе блока управления и регистрации данных (5), в частности, на основе персонального компьютера с операционной системой «Windows», которая позволяет визуализировать результаты наблюдений в реальном времени в форме графиков спектров и таблиц пиков рентгеновской дифракции и рентгеновской флуоресценции, производя обработку спектров с вычитанием фона.
С использованием заявляемого устройства на основе рентгеновской трубки с режимом работы 24 кВ-6 мА проведены промышленно значимые исследования отношения содержания фторидов кальция и магния в алюминийсодержащем сырье (криолитовое отношение) (угол Брэгга 28 около 15°). Разрешающая способность использованных координатно-чувствительных детекторов (с аппаратурной погрешностью определения положения дифракционного максимума не более 0,08°) позволила четко разделить дифракционные максимумы компонентов сырья (флюорит, веберит, хиолит, криолит и др.) и содержание кальция Са и магния Mg рентгеноспектральным методом по спектру рентгеновской флуоресценции, причем время анализа одной пробы составило около 3 мин., а диапазон расхождений измеренных величин содержания фаз от абсолютных значений (тест-объекты) составил ±0,2%. Результаты исследований подтверждают высокую точность анализа и эффективность применения заявляемого комбинированного устройства.
Полный диапазон регистрации рентгеновского спектра составляет -100°, +154°, с допустимым отклонением границ диапазона не более ±2°. Кроме того, достигнуто снижение мощности эквивалентной дозы в рабочем положении устройства во всех доступных точках на расстоянии 0,1 м от корпуса до величин не более 1,0 мкЗв/ч, что соответствует действующим требованиям радиационной безопасности.
Существенными являются также малые габариты устройства - не более 520×470×180 мм, масса устройства без ЭВМ - не более 20 кг, потребляемая мощность - не более 200 Вт (без ЭВМ). Наработка на отказ составляет не менее 4000 час., при расчетном полном сроке службы не менее 10 лет. Указанные параметры устройства обеспечивают перспективность его широкого применения в промышленных целях.
В ходе экспериментальных исследований криолитового отношения (отношение содержания фторидов кальция Са и магния Mg) для алюминийсодержащего сырья в
электролитических ваннах при производстве алюминия Аl установлено, что оптимальная рентгенооптическая схема устройства (первый вариант), которую обеспечивает взаимное расположение ИРИ (2), координатно-чувствительного детектора (14) и энергодисперсионного детектора (15) при условии пересечения их оптических осей в центре исследуемой области образца, характеризуется следующими параметрами: расстояние от анода рентгеновской трубки (7) до центра исследуемой области образца составляет 80-100 мм, угол между осью коллимированного рентгеновского луча и плоскостью образца лежит в диапазоне от 10° до 20°, координатно-чувствительный детектор (14) удален на расстояние 160-260 мм от центра исследуемой области образца, а угловой диапазон регистрации спектра рентгеновской дифракции составляет 32°±25°, при этом энергодисперсионный детектор (15) установлен вне зоны измерений дифрагированного излучения, обеспечивая измерения рентгеновской флуоресценции в комплементарном (дополнительном) диапазоне углов.
Выявление оптимальных параметров рентгенооптической схемы заявляемого комбинированного устройства позволяет использовать фиксированную рентгенооптическую схему (фиг.3), удобную для применения в ряде задач технологического контроля материалов на производстве (второй вариант устройства).
По второму варианту исполнения устройство на основе блок-схемы (фиг.1), как и в первом варианте исполнения, имеет блочную структуру и содержит наружный защитный корпус (1), размещенные в нем блок ИРИ (2), основание для размещения образца (3), блок детектирования рентгеновского излучения (4), соединенный с блоком управления и регистрации (5) на базе ПЭВМ, а также блок питания (6) для всех элементов (2-5) устройства. Блок управления и регистрации (5) может быть размещен также вне корпуса (1). В блоке ИРИ (2) использована рентгеновская трубка (7), имеющая собственный защитный корпус с окном для вывода излучения (на фиг.1, 3 не показан), к  аноду которой подведено питание от высоковольтного источника (на фиг.1, 3 не показан), соединенного с блоком питания (6) через блок защиты и автоматики (не показан). К блоку питания (6) подключен также блок управления и регистрации данных (5). ИРИ (2) снабжен блоком охлаждения, который через сигнализатор давления воды соединен с блоком защиты и автоматики (на фиг.1 не показаны). Для обеспечения формирования пучка рентгеновского излучения (рентгеновского луча) ИРИ (2) снабжен системой коллимирования рентгеновского луча (8) и устройством перемещения ИРИ (9) вдоль
оптической оси пучка рентгеновского излучения, что позволяет изменять такой параметр рентгенооптической схемы устройства, как расстояние до образца. Система коллимирования рентгеновского луча (8) обеспечивает оптическое сопряжение ИРИ (2) с основанием для размещения образца (3), снабженным держателем образца (10), который конструктивно выполнен в соответствии с видом анализируемого объекта (плоские, порошковые, проволочные образцы). С основанием (3) соединено устройство для установки образца (11), позволяющее перемещать держатель (10) с образцом вдоль оси (вверх-вниз), для обеспечения более точной наводки ИРИ (2) на определенную точку поверхности образца. Основание (3) с держателем образца (10) оптически сопряжены с блоком детектирования (4), имеющим составное основание (12) и (13) под составляющие блок детектирования (4), т.е. соответственно, под координатно-чувствительный детектор (14) и энергодисперсионный детектор (15), входы и выходы которых подключены к соответствующим системам блока управления и регистрации (5).
Рентгенооптическая схема устройства по второму варианту (фиг.3) представляет собой размещенные в наружном защитном корпусе (1) блок ИРИ (2) с рентгеновской трубкой (7), основание для размещения рентгеновской трубки (21), а также формирующие рентгеновский луч систему коллимирования рентгеновского луча (8), устройство для перемещения источника рентгеновского излучения (9), механизм юстировки ИРИ (22), также установленный на основании (21). Основание для размещения образца (3) выполнено, в частности, в виде опорной плиты, на которой установлены держатель образца (10) и устройство для установки образца (11). Основание для размещения образца (3), основание (12) для размещения координатно-чувствительного детектора (14), основание (13) для размещения энергодисперсионного детектора (15), основание (21) для размещения рентгеновской трубки (7) и механизма юстировки ИРИ (22) укреплены непосредственно на корпусе (1).
Как было указано выше, расчетным путем и экспериментально установлено, что для определения методом рентгеновской дифракции криолитового отношения в электролитических ваннах заводов при производстве алюминия одной из эффективных геометрий измерений является схема, в которой рентгеновское излучение падает на образец под углом в диапазоне от 10° до 20°, при этом наиболее информативный диапазон углов регистрации дифрагированного излучения находится в пределах 32°±25°. При расстоянии от фокуса рентгеновской трубки до образца порядка 80-100 мм, расстояние от образца до координатно-чувствительного
детектора должно быть в пределах 160-260 мм. Энергодисперсионный детектор для определения элементного состава образцов должен быть установлен вне зоны измерений дифрагированного излучения.
Устройство перемещения ИРИ (9) выполнено с обеспечением возможности изменения расстояния от анода рентгеновской трубки (7) до центра исследуемой области образца в пределах 80-100 мм, а также изменения угла падения рентгеновского луча после системы коллимирования (8) на плоскость основания для размещения образца (3) в диапазоне углов от 10° до 20°. Устройство перемещения (25) координатно-чувствительного детектора (14) выполнено с обеспечением изменения расстояния от образца до координатно-чувствительного детектора (14) в пределах от 160 до 260 мм. Энергодисперсионный детектор (15) установлен вне зоны измерений дифрагированного излучения (в комплементарном диапазоне углов), при этом оптическая ось детектора направлена на центр исследуемой области образца, а ее направление может корректироваться устройством для перемещения энергодисперсионного детектора (26). Устройства перемещения (9), (25), (26) могут быть выполнены известным образом, например, в виде платформы с направляющими, которыми управляет оператор вручную.
Как и в устройстве по первому варианту, в качестве координатно-чувствительных детекторов (14), обеспечивающих регистрацию дифракционных линий в диапазоне углов Брэгга 26, используются детекторы, имеющие изогнутое или плоское окно, например газовые детекторы типа ИКЧД или полупроводниковые ПЗС-линейки. В качестве энергодисперсионного детектора (15), обеспечивающего регистрацию спектра рентгеновской флуоресценции образца, может быть использован энергодисперсионный дрейфовый полупроводниковый детектор с электроохлаждением, например, марки eFET-SDD фирмы КЕТЕК GmbH (или Si-детектор фирмы АМРТЕС), обеспечивающие высокое быстродействие, высокую разрешающую способность (не хуже 150 эВ на К-альфа линии марганца Mn, долговременную стабильность (не хуже 0,3% за 8 часов).
При выполнении измерений с устройством по второму варианту после подготовки и включения функциональных узлов устройства проводят калибровку по контрольному образцу, содержащему кристаллические фазы с известным спектром рентгеновской дифракции и известным элементным составом. По известным линиям спектра дифракции устанавливается соответствие между номером канала многоканального анализатора системы регистрации координатно-чувствительного детектора (14), отвечающего максимуму дифракционной линии, и
соответствующим ему углом Брэгга 29. По известному спектру рентгеновской флюоресценции устанавливается соответствие между номерами каналов многоканального анализатора системы регистрации энергодисперсионного детектора (15) и энергиями рентгеновских квантов. Аналитическая обработка измерений производится с использованием программного обеспечения для блока управления и регистрации данных (5).
После калибровки производят измерения. Анализируемый образец размещают в соответствующем держателе (10), установленном на основании для размещения образца (3), и позиционируют его в том же положении, что и контрольный образец известного состава, на котором проводилась калибровка. Рентгеновский луч после системы коллимирования (8) направляют на контролируемый образец и регистрируют спектры рентгеновской дифракции координатно-чувствительным детектором (14) и спектры рентгеновской флюоресценции энергодисперсионным детектором (15). Расчетом по специальной программе определяют характеристики кристаллических фаз, содержащихся в образце, и их концентрации. По спектру рентгеновской флуоресценции устанавливают элементный состав материала.
В общем случае (устройства по первому и второму вариантам исполнения) держатель образца выполнен съемным, а его форма определяется видом образца и необходимостью точного позиционирования и надежного крепления образца относительно других элементов устройства.
Держатель образца, преимущественно, плоского и с ненормированным размером, предпочтительно выполнен в виде приставки с плоскими регулируемыми губками и снабжен прижимом, что дает возможность надежно фиксировать образцы типа тонких пленок.
Держатель образца, преимущественно, в виде проволоки, выполнен в виде цанги с регулируемым диаметром, а также с.возможностью вращения вокруг оси, параллельной или наклонной к плоскости основания для размещения образца, что обеспечивает объемное исследование таких образцов.
Держатель образца, преимущественно, порошкового, выполнен в виде кюветы с вертикальной осью вращения, что позволяет предотвратить рассеивание материала в ходе измерений. Для расширения функциональных возможностей и повышения производительности работы установки при измерениях большого количества однотипных образцов (например, при технологическом контроле в производстве) удобно применять автоматический сменщик образцов (карусель), в котором
устанавливаются кассета с несколькими держателями образцов, преимущественно, порошковых, в виде кювет, последовательно по заданной программе помещаемых в область анализа, причем в процессе измерения целесообразно вращать каждую кювету вокруг вертикальной оси для усреднения ориентации кристаллитов образца.
Рентгенооптическая схема устройства по второму варианту с фиксированной геометрией измерений также может обеспечить эффективный технологический контроль минералогического состава клинкеров в цементной промышленности.
Заявляемое устройство позволяет эффективно решать как исследовательские задачи, требующие выбора условий измерений, так и конкретные задачи технологического контроля материалов, при котором режимы измерений и взаимное расположение элементов фиксированы.