КОЛЛИМАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СПЕКТРОМЕТРА
COLLIMATING DEVICE FOR SPECTROMETER

Изобретение относится к области рентгеновской или гамма техники, в частности, к коллимационным устройствам для спектрометра, и предназначено для ограничения интенсивности излучения, генерируемого рентгеновским или гамма излучателем, и попадающего на детектор рентгеновского спектрометра.
Известен коллиматор устройства для рентгенофлуоресцентного анализа, включающий цилиндрический корпус с соосным каналом - отверстием переменного диаметра. На внутренней поверхности канала-отверстия коллиматора нарезана резьба, в которую ввинчены, по крайней мере, две коллимирующие вставки с собственными внутренними каналами-отверстиями, поверхность которых выполнена в виде гофр [Авт. свид. №1744610, кл. G01N 23/223, G21K 1/02, опубл. 1992 г.].
Недостатки данного коллиматора - сложность его конструкции и сложность замены коллимирующих вставок с другими размерами апертур.
Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности является коллимационное устройство для спектрометра, содержащее корпус, с одной стороны которого выполнено цилиндрическое отверстие, в котором установлены набор вольфрамовых коллиматоров с латунным разделителем между ними и шайбы-проставки. Для обеспечения прижима коллиматоров между собой устройство снабжено крышкой с круглым отверстием по ее центру с возможностью закручивания на корпус. С другой стороны корпуса выполнено отверстие под спектрометр, в котором расположены компрессионное и эластичное кольца, а на корпус накручена уплотнительная шайба. Спектрометр устанавливают в отверстие в корпусе, после чего на корпус накручивают уплотнительную шайбу, которая зажимает спектрометр в корпусе с помощью эластичного и компрессионного колец. [https://www.amptek.com/products/accessories-for-xrf-eds/exvc-x-ray-collimator-kit].
Недостаток данного коллимационного устройства для спектрометра - высокая чувствительность к внешним воздействиям, что искажает результаты измерений. Это объясняется тем, что коллиматоры не центрируются в корпусе коллимационного устройства относительно друг друга и корпуса по причине большой разницы между внешним диаметром коллиматоров и диаметром отверстия в корпусе, в котором они установлены. Из-за этого нарушается соосность апертур коллиматоров, и они перекрывают друг друга, тем самым часть излучения поглощается в коллиматорах и не доходит до спектрометра. Кроме того, неплотное прилегание коллимационного устройства к корпусу спектрометра приводит к угловому смещению оси спектрометра относительно оси коллимационного устройства, что также приводит к перекрытию излучения в апертурах коллиматоров.
Изобретение направлено на повышение точности измерения спектра излучения за счет обеспечения соосности апертур коллиматоров и спектрометра и снижения фонового излучения, проходящего сквозь коллимационное устройство.
Это достигается тем, что в коллимационном устройстве для спектрометра, содержащем корпус, с одной стороны которого выполнено цилиндрическое отверстие, в котором установлены набор коллиматоров, выполненных из материалов с большим атомным номером, и шайбы, и крышку для прижима коллиматоров и шайб между собой с круглым отверстием по ее центру, выполненная с возможностью закручивания на корпус, а с противоположной стороны корпуса выполнено отверстие для размещения спектрометра, повторяющее его форму, со средством для прижатия спектрометра к корпусу, при этом указанные отверстия соединены смотровым окном, согласно изобретению, набор коллиматоров и шайбы выполнены сопрягающимися с поверхностью корпуса для обеспечения плотной посадки в нем, при этом корпус и крышка выполнены из металла с атомным номером, большим, чем у железа, например, из сплавов меди, толщина корпуса и крышки коллимационного устройства выполнена с обеспечением полного поглощения излучения, отверстие с противоположной стороны корпуса выполнено с малым допуском для обеспечения плотной посадки спектрометра, при этом в качестве средства для прижатия спектрометра к корпусу в указанном отверстии корпуса установлена цанга, прижатая при помощи гайки.
Количество устанавливаемых в цилиндрическом отверстии корпуса коллиматоров, их толщину, диаметр апертур подбирают в зависимости от требуемой интенсивности излучения, попадающего на детектор спектрометра.
На фиг. 1 изображено предлагаемое коллимационное устройство для спектрометра; на фиг. 2 - коллимационное устройство со спектрометром; на фиг. 3 показана система юстировки для коллимационного устройства со спектрометром.
Предлагаемое коллимационное устройство включает в себя корпус 1, с одной стороны которого выполнено цилиндрическое отверстие 2, в котором установлены набор коллиматоров 3 и шайбы 4, сопрягающиеся с поверхностью корпуса для обеспечения плотной посадки и исключения их смещений относительно друг друга и относительно корпуса. Коллиматоры изготовлены из вольфрама или его сплавов, или другого материала с большим атомным номером. Устройство снабжено крышкой 5 для закручивания на корпус и обеспечения прижима коллиматоров 3 и шайбы 4. В центре крышки 5 выполнено круглое отверстие с обеспечением функции первичного коллиматора. Кроме того, корпус 1 и крышка 5 выполнены из металла с атомным номером, большим, чем у железа, например, из сплавов меди, и имеют толщину, обеспечивающую полное поглощение рентгеновского излучения, попадающего на поверхность корпуса и крышки, что обеспечивает им функцию поглощающего экрана для снижения уровня дозовой нагрузки за спектрометром до фонового уровня. Количество устанавливаемых в цилиндрическом отверстии 2 корпуса 1 коллиматоров, их толщину, диаметр апертур подбирают в зависимости от требуемой интенсивности излучения, попадающего на детектор спектрометра. Например, толщина крышки коллимационного устройства для эффективного поглощения рентгеновского излучения от рентгеновской трубки с напряжением 80 кВ, попадающего на нее, составляет 10 мм, и коллимационное устройство содержит три коллиматора с различными апертурами, например, диаметром 100 мкм, 200 мкм, 400 мкм толщиной 2 мм каждый и две шайбы толщиной 1,1 мм (общая толщина 8,2 мм). При этом суммарная толщина набора коллиматоров и шайбы должны быть больше глубины отверстия 2 для обеспечения прижима коллиматоров и шайбы при помощи крышки. Диаметр отверстия в крышке должен соответствовать максимально возможному диаметру апертуры в коллиматорах, например, он может быть равен 2 мм, в случае, если максимальный диаметр апертуры в коллиматорах равен 2 мм.
Для размещения спектрометра 6 с противоположной стороны корпуса 1 выполнено повторяющее его форму отверстие 7 с малым допуском для обеспечения плотной посадки спектрометра. В указанном отверстии корпуса установлена цанга 8, закрепленная при помощи гайки 9.
Отверстия 2 и 7 соединены смотровым окном 10 для прохождения излучения после его коллимации крышкой 5 и набором коллиматоров 3.
Предлагаемое коллимационное устройство работает следующим образом.
Спектрометр 6 устанавливают до упора в отверстие 7 корпуса 1, в котором установлена цанга 8 и накручена гайка 9. Затем гайку 9 затягивают на корпусе коллимационного устройства, при этом она плотно обжимает цангу 8 на корпусе спектрометра 6 и фиксирует его внутри корпуса 1 коллимационного устройства. Плотное обжатие корпуса спектрометра цангой 8 выставляет ось корпуса 1 коллимационного устройства по оси спектрометра. Плотная посадка коллиматоров 3 относительно корпуса исключает их смещение относительно друг друга и относительно корпуса.
Исследуемое излучение проходит через крышку 5 с апертурой диаметром, большим или равным максимальному размеру апертуры коллиматоров, и набор коллиматоров 3 с апертурами диаметром, например, от 25 мкм до 2 мм или, как в приведенном выше примере, от 100 мкм до 400 мкм (как было изложено выше, количество, диаметр апертур и толщина коллиматоров могут меняться в зависимости от требуемой интенсивности излучения) прежде чем попасть на детектор спектрометра 6. При этом интенсивность излучения, попадающего на детектор спектрометра, уменьшается, так как все излучение, не прошедшее через апертуры, полностью поглощается в материале коллиматоров, корпуса и крышки, а выполнение крышки и корпуса из толстого и тяжелого материала обеспечивает им функцию поглощающего экрана и снижает уровень дозовой нагрузки за спектрометром до фонового уровня.
Систему прецизионной юстировки положения и углового наклона спектрометра с коллимационным устройством осуществляют следующим образом. Спектрометр с закрепленным на нем коллимационным устройством монтируют с помощью кронштейна 11 на систему угловой юстировки 12 и настраивают вертикальный и горизонтальный наклон спектрометра относительно исследуемого источника рентгеновского или гамма излучения с точностью до 0,4 угловой секунды. Для этого предусмотрены два микрометрических винта. Каждый из них обеспечивает угловую юстировку положения спектрометра в горизонтальной или вертикальной плоскости. Для того чтобы отъюстировать спектрометр в горизонтальной плоскости, необходимо использовать микрометрический юстировочный винт 13. При этом наклоняется подвижная часть системы юстировки вместе с закрепленным на ней спектрометром. Для юстировки в вертикальной плоскости соответственно необходимо использовать юстировочный винт 14. Устройство угловой юстировки монтируют на систему горизонтальной юстировки 15, которая дает возможность прецизионно перемещать спектрометр в горизонтальной плоскости с точностью до 5 мкм. Для этого используют котировочный микрометрический винт 16, вращением которого производится смещение спектрометра в горизонтальной плоскости. Всю перечисленную выше конструкцию монтируют с помощью кронштейна 17 к основанию (не показано) через калиброванные прокладки 18 с различной толщиной: от 50 мкм до 2 мм. Прокладки обеспечивают вертикальную юстировку положения спектрометра и позволяют настроить вертикальное положение системы с точностью до 50 мкм. Прокладки могут быть выполнены из металла или другого устойчивого к механическим воздействиям материала.
Регулировку положения спектрометра с помощью системы юстировки можно осуществлять как вручную с помощью котировочных винтов, так и автоматизировано с помощью шаговых двигателей или любых других моторизированных приводов, монтируемых вместо котировочных винтов.
Использование предлагаемого коллимационного устройства позволит повысить точность измерения спектра излучения за счет обеспечения соосности апертур коллиматоров (в том числе крышки, выполняющей функцию первичного коллиматора) и спектрометра. Плотная посадка спектрометра и коллиматоров в корпус коллимационного устройства позволит обеспечить повторяемость измерений при смене набора коллиматоров или при сборке-разборке коллимационного устройства спектрометра. Кроме того, конструкция корпуса и крышки предлагаемого коллимационного устройства обеспечивает выполнение функции поглощающего экрана, что снижает уровень дозовой нагрузки за спектрометром до фонового уровня.