УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО МИКРОАНАЛИЗА

Полезная модель относится к микродифрактометрам - средствам для исследования и анализа материалов микрообъектов с использованием рентгеновского излучения и может быть использована для изучения фазового и элементного состава микроколичеств кристаллических и аморфных веществ в виде порошков, проволок, пластин и других твердых микрообъектов различной формы и размеров. Использование микродифрактометров получило широкое распространение для исследования объектов наноструктур, в криминалистике, при изучении объектов, имеющих культурную, арехеологическую, историческую ценность.
Известны средства исследования структуры и фазового состава весьма малых образцов или микрообластей больших образцов, результативность которых связана не только с разрешающей способностью применяемой аппаратуры и стабильностью ее динамических характеристик, но и с обеспечением адекватных характеристик падающего на образец рентгеновского пучка от источника или пучка излучения, прошедшего через образец и падающего на детектор путем фокусировки рентгеновского потока в заданной области с использованием рентгеновской (моно- и поликапиллярной) оптики, например, рентгеновский микродифрактометр D8 DISCOVER (Bruker AXS, Германия), рентгенофлуоресцентный спектрометр ARL 9900 (ThermoFisher Scientific ARL).
Известно устройство для рентгеноструктурного анализа материалов, включающее источник рентгеновского излучения (рентгеновскую трубку), средство формирования узконаправленного рентгеновского луча в виде гибкого поликапиллярного стержня с нанесенным на него ферромагнитным материалом, фокусирующую систему рентгеновского излучения и средства детектирования и регистрации временного распределения интенсивности излучения в виде координатно-чувствительного детектора с одноквантовой чувствительностью /RU 2120234/.
Известно устройство для рентгеновского микроанализа, а именно портативный двумерный рентгеновский дифрактометр /US 7646847, G01N 23/207, G01N 23/20. BRUKER. AXS INC (US)/, содержащее размещенные в наружном корпусе источник рентгеновского излучения с источником питания, снабженный изолирующим радиопрозрачным корпусом с окном для пропускания излучения в линии Kα, рентгеновскую оптику для формирования падающего на образец пучка рентгеновского излучения, систему двумерных плоскостных детекторов рентгеновского излучения, расположенных в фиксированном положении относительно падающего рентгеновского пучка, лазер для наведения на точку наблюдения под контролем видеомикроскопа, расположенный внутри наружного корпуса, видеокамеру и видеодисплей, расположенные вне корпуса. Устройство используется для анализа напряжений в ограниченных областях металлических конструкций, освещаемых точечно через радиопрозрачное окно, причем за счет конструкции системы детекторов исключается необходимость вращения образца. Известное устройство позволяет воссоздать трехмерное дифракционное изображение исследуемой области с нарушением структуры кристаллов, обусловленным механическими напряжениями, и обеспечивает безопасное проведение исследований за счет конструкции наконечника, посредством которого оно крепится на испытуемом объекте, однако устройство предназначено только для рентгенодифракционного (структурного) микроанализа образцов.
Известно устройство для рентгеновского элементного и структурного анализов, включающее вакуумируемый корпус, многоволновый (полихроматический) источник рентгеновского излучения, систему коллимирования рентгеновского излучения с устройством формирования рентгеновского луча, падающего на образец, держатель образцов, выполненный с обеспечением их облучения, по крайней мере, один канал приема и регистрации рентгеновской флуоресценции со средствами детектирования рентгеновской флуоресценции на выбранной длине волны и энергии, канал приема и регистрации дифракционного излучения материала образца со средствами детектирования рентгенодифракционного излучения материала образца на характеристических длинах волн, привод управляемого перемещения по дуге канала приема и регистрации дифракционного излучения относительно образца для регистрации дифрагированного излучения от образца под разными углами дифракции, систему управления и систему сбора и обработки информации /US 5406608, G01N 23/22/.
В известном устройстве по крайней мере один канал приема и регистрации рентгеновской флуоресценции выполнен статичным, ряд соседних каналов монтируется на гониометре, возможна также комбинация таких видов установки при использовании нескольких каналов для сканирования составляющих рентгеновской флуоресценции, характеризующих различные компоненты материала образца. Система коллимирования содержит устройство формирования рентгеновского луча, падающего на образец, которое установлено последовательно с источником рентгеновского излучения и представляет собой первичный коллиматор, установленный с возможностью ввода в первичный пучок рентгеновских лучей для регулировки его расходимости (и т.о. разрешающей способности устройства), ориентации относительно поверхности образца и создания пучка параллельных лучей, а также вторичный коллиматор в канале приема и регистрации рентгеновской флуоресценции при установке каналов флуоресценции на гониометре, и вторичный коллиматор в канале приема и регистрации рентгенодифракционного излучения, который установлен под заданным углом к поверхности образца, причем этот угол изменяется посредством упомянутого привода управляемого перемещения.
Известное устройство характеризуется высоким разрешением структурных компонент и точностью определения их содержания в материале образца, однако система коллимирования сложна, а первичный коллиматор, обеспечивающий получение параллельного пучка лучей, не может в полной мере решить задачи микроанализа из-за флуктуаций интенсивности излучения в плоскости сечения такого пучка лучей.
Известное устройство для рентгеновского элементного и структурного анализа, включающее корпус, источник рентгеновского излучения, устройство формирования рентгеновского луча, держатель образца, канал приема и регистрации рентгенодифракционного излучения материала образца со средствами детектирования рентгенодифракционного излучения, установленный с возможностью перемещения по дуге окружности относительно образца, канал приема и регистрации рентгеновской флуоресценции со средствами детектирования рентгеновской флуоресценции, гониометр, систему управления и систему сбора и обработки информации выбрано в качестве наиболее близкого аналога заявляемой полезной модели.
Задача полезной модели состоит в улучшении эксплуатационных характеристик устройства при проведении рентгеновского структурного и элементного микроанализа микрообъектов и материалов с включением микрообъектов.
Задача решена тем, что устройство для рентгеновского элементного и структурного микроанализа материалов, включающее корпус, источник рентгеновского излучения, устройство формирования рентгеновского луча, держатель образца, канал приема и регистрации рентгенодифракционного излучения материала образца со средствами детектирования рентгенодифракционного излучения, установленный с возможностью перемещения по дуге окружности относительно образца, канал приема и регистрации рентгеновской флуоресценции со средствами детектирования рентгеновской флуоресценции, гониометр, систему управления, систему сбора и обработки информации, в соответствии с полезной моделью, снабжено опорной плитой, на которой установлены двухдисковый гониометр вертикального исполнения, имеющий внешний и внутренний диски, а также датчик положения образца, устройство формирования рентгеновского луча установлено последовательно с источником рентгеновского излучения и содержит сменную коллимирующую диафрагму и оптически связанные с ней фильтр первичного рентгеновского излучения и поликапиллярную рентгеновскую линзу, при.этом источник рентгеновского излучения установлен на внутреннем диске гониометра с возможностью перемещения в направлении оптической оси устройства формирования рентгеновского луча, канал приема и регистрации рентгенодифракционного излучения включает средство детектирования рентгенодифракционного излучения, которое укреплено на внешнем диске гониометра, а канал приема и регистрации рентгеновской флуоресценции со средствами детектирования рентгеновской флуоресценции установлен на опорной плите.
Кроме того, в качестве устройства формирования рентгеновского луча использован монокапиллярный коллиматор.
Кроме того, в качестве датчика положения образца выбран лазерный триангуляционный диффузный датчик с компенсацией контраста объекта.
Кроме того, средства детектирования выполнены в виде двух координатно-чувствительных детекторов, установленных на внешнем диске гониометра.
Кроме того, держатель образца включает цифровой микроскоп, установленный на опорной плите и сопряженный с системой сбора и обработки информации.
Кроме того, система сбора и обработки информации включает видеокамеру, установленную на опорной плите.
Технический результат полезной модели состоит в регулировании сечения и расходимости падающего пучка рентгеновского излучения путем изменения размера коллимирующей диафрагмы и пропускании через рентгеновскую поликапиллярную линзу преимущественно центральной части падающего пучка рентгеновского излучения для получения малой расходимости пространственно когерентного пучка рентгеновских лучей, что обеспечивает равномерное распределение плотности потока сфокусированного излучения в области фокуса поликапиллярной линзы и повышение разрешающей способности устройства при сохранении высокой плотности сфокусированного линзой падающего рентгеновского пучка.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1, на которой представлена рентгенооптическая схема устройства, и фиг.2, на которой представлено устройство формирования пучка первичного рентгеновского излучения.
Устройство содержит (фиг.1) изолирующий корпус (1), в котором размещены опорная плита (2), на которой соосно установлен двухдисковый гониометр вертикального исполнения, имеющий внутренний (3) и внешний (4) диски, выполненные с возможностью азимутального перемещения, и держатель образца (5), при этом на внутреннем диске (3) гониометра установлен источник рентгеновского излучения (6), на внешнем диске (4) гониометра размешен канал приема и регистрации рентгенодифракционного излучения (7), а канал приема и регистрации рентгенофлуоресцентного излучения (8) и датчик положения образца (9) размещены на опорной плите (2).
Источник рентгеновского излучения (ИРИ) (6) имеет блочную структуру и включает рентгеновскую трубку, подключенную к внешнему источнику высоковольтного питания, системе автономного водяного охлаждения рентгеновской трубки и компьютеризированному блоку управления ИРИ для регулировки напряжения и тока в рентгеновской трубке (на фиг.1 не показаны). При использовании монохроматического излучения блок ИРИ (6) дополняют монохроматором.
На корпусе блока ИРИ (6) установлено устройство формирования рентгеновского луча (10), падающего на образец, в составе (фиг.2): сменная коллимирующая диафрагма (11) и оптически связанные с ней, последовательно установленные сменные фильтры первичного излучения (12) и поликапиллярная рентгеновская линза (13), обеспечивающая фокусировку падающего рентгеновского пучка лучей заданных длин волн на заданную область поверхности образца, размещаемого в держателе образца (5). Выбор фильтров зависит от материала анода рентгеновской трубки и состава анализируемого образца.
Поликапиллярная рентгеновская линза (13) представляет собой монолитный поликапиллярный блок из нескольких сотен тысяч стеклянных микрокапилляров, имеющих переменное по длине сечение 3,0-5,7 мкм. В каждом из капилляров происходит распространение рентгеновских лучей за счет эффекта полного внешнего отражения, фокусировка рентгеновского излучения осуществляется за счет геометрии линзы (тело бочкообразной формы). Выходной диаметр капилляров и линзы в целом меньше ее входного диаметра, заднее фокусное расстояние меньше переднего фокусного расстояния, поэтому размер исследуемой области на образце существенно зависит от расстояния между образцом и линзой. Блок ИРИ (6) выполнен с возможностью перемещения в направлении оптической оси устройства формирования рентгеновского луча, совпадающей с осью первичного пучка рентгеновского излучения и осью поликапиллярной рентгеновской линзы. Распределение интенсивности излучения по сечению поликапиллярной рентгеновской линзы одномодовое, близкое к гауссовому, при этом с повышением энергии входного пучка рентгеновского излучения размер фокального пятна линзы уменьшается. Однако для рентгеновских лучей, распространяющихся по разным капиллярам вдоль оси и вдоль поверхности линзы, нарушается когерентность, из-за чего падает плотность потока излучения в облучаемых участках поверхности, что существенно при микроанализе образцов. Коллимирующая диафрагма (11) вырезает из первичного пучка рентгеновских лучей преимущественно его центральную часть, распространяющуюся по капиллярам вдоль оси линзы (13), что обеспечивает фокусировку когерентных рентгеновских лучей и высокую плотность потока излучения, действующего на образец. Применение рентгеновской поликапиллярной линзы (13) позволяет повысить плотность потока рентгеновского излучения в области микроанализа на три - четыре порядка, что говорит об очевидных преимуществах использования коллимирующей диафрагмы в сочетании с рентгеновской поликапиллярной линзой. При этом в предельном случае - при использования одиночного стеклянного капилляра в качестве устройства для формирования рентгеновского луча (монокапиллярный коллиматор), который может обеспечить сопоставимость размеров исследуемой струтуры и параметров падающего потока рентгеновского излучения, - может быть достигнуто увеличение плотности потока рентгеновского излучения на образце лишь примерно в четыре раза по сравнению со щелевым коллиматором с аналогичными геометрическими характеристиками.
Держатель образца (5) включает трехкоординатный манипулятор для перемещения образца и выбора области анализа, осветитель и оптическую систему наблюдения за положением образца, например, в виде цифрового микроскопа, позволяющего выводить изображение на экран монитора компьютера в системе управления устройством (на фиг.1), а также документировать изображение.
Для предварительной юстировки микрообразцов используют настольное юстировочное устройство, обеспечивающее воспроизводимую установку образца в области фокуса поликапиллярной рентгеновской линзы.
Держатель образца (5), установленный на опорной плите (2), выполнен сменным с возможностью вращения вокруг оси и обеспечивает позиционирование образца и выбор области исследования, а также обеспечивает работу с массивными образцами произвольной формы, плоскими твердыми и порошкообразными образцами и образцами в виде проволок.
Конкретный вид держателя (5) выбирают соответственно виду исследуемого образца. Держатель (5) для микрообразцов может быть выполнен в виде иглы или в виде стеклянного капилляра, на конце которого устанавливают образец. Держатель (5) для проволочных образцов обеспечивает вращение образца вокруг оси или одновременно вокруг двух осей. Держатель (5) для анализа плоских образцов ненормированного размера (твердых, осажденных на пленках или фильтрах из жидкой фазы) обеспечивает их неподвижность. Для анализа порошков применяется держатель, снабженный кюветой и обеспечивающий ее вращение под заданным углом к падающему излучению. Держатель образца (5) снабжен трехкоординатным манипулятором, что обеспечивает пространственное перемещение образца относительно точки пересечения осей первичного пучка и детектора и вращение образца вокруг этой точки в горизонтальной плоскости. Смена держателей и их юстировка производятся вручную. За счет конструкции держателя (5) и установки держателя на опорной плите (2), а также обеспечения перемещения ИРИ (6) относительно образца возможно устанавливать образец под заданным углом к падающему рентгеновскому лучу.
Для обеспечения точного позиционирования образцов предусмотрен датчик положения образца (9), в качестве которого может быть использован лазерный триангуляционный диффузный датчик с компенсацией контраста объекта, включающий импульсный лазер, фокусирующую линзу, приемную линзу и два встроенных фотоприемника (известная конструкция, например, датчик типа OHDK 10Р5101). Контроль положения облучаемой области образца проводится по интенсивности отраженного от ее поверхности сфокусированного лазерного излучения, регистрируемого фотоприемником, при этом лазерное излучение фокусируется в точку пересечения осей устройства формирования рентгеновского луча (10), канала приема и регистрации рентгенодифракционного излучения (7), канала приема и регистрации рентгенофлуоресцентного излучения (8) и видеокамеры (14), установленной на опорной плите (2) и входящей в систему сбора и обработки информации (на фиг. не показана). Канал приема и регистрации рентгенодифракционного излучения (7) материала образца, как в монохроматизированном, так и в немонохроматизированном рентгеновском излучении, выполнен на основе координатно-чувствительных детекторов (15), укрепленных на внешнем диске гониометра (4), за счет поворота которого вокруг оси они перемещаются по дуге окружности относительно образца, что обеспечивает регистрацию дифракционного спектра в диапазоне углов 2θ (-100°-+154°), причем среднеквадратичное отклонение определения угловой координаты дифракционного пика не хуже 0,02° в диапазоне углов 2θ. Диапазон углов 2θ одновременной регистрации рентгеновского спектра при анализе микрообразцов с использованием двух координатно-чувствительных детекторов (15) составляет не менее 100°. Одновременная регистрация спектра в случае анализа массивных образцов может быть произведена посредством одного детектора (15) в диапазоне углов 2θ не менее 50°. Регистрация спектра в смежных диапазонах углов возможна при изменении положения детектора (15) и последующем программном сопряжении полученных спектров. Канал приема и регистрации рентгенофлуоресцентного излучения (8) выполнен на основе энергодисперсионного дрейфового полупроводникового детектора (SDD) с электроохлаждением, в частности, детектора фирмы АМРТЕС. Для устранения характеристического излучения конструкционных материалов детектора прибор может быть укомплектован набором коллиматоров вторичного излучения из тантала Та и кадмия Cd. В целях улучшения соотношения «сигнал/шум» перед детектором в канале (8) может быть установлен вторичный фильтр или микрокапиллярный конический коллиматор (на фиг. не показан).
Система управления (на фиг. не показана) построена на базе персонального компьютера с микропроцессорными контроллерами, управляющими блоками автоматики в соответствии со специальным программным обеспечением модульной структуры, включающим графический интерфейс, необходимый для обработки результатов микроанализа в системе сбора и обработки информации, функции которой реализованы на том же компьютере. Работа устройства осуществляется с участием оператора. Взаимодействие оператора с устройством производится с помощью интерфейсов пользователя, включающего приборные интерфейсы, интерфейсы обработки спектров, отображения спектральной информации и результатов анализа.
Устройство используют следующим образом. В держатель (5) устанавливают калибровочный образец и проводят калибровку координатно-чувствительных детекторов (15) по определению осей углов дифракции. Затем при снятой крышке корпуса (1) и закрытом канале блока ПРИ (6) образец вручную устанавливают в держатель (5) и закрепляют в нем, причем вид держателя определяется видом анализируемой пробы (порошковых, прессованных, жидких, объектов произвольной формы). Держатель (5) устанавливают на опорную плиту (2), затем корпус устройства (1) закрывают. Оператор контролирует состояние узлов устройства. С помощью цифрового микроскопа (в составе держателя образца (5)) и датчика положения образца (9) выбирают область исследования и производят юстировку устройства с помощью юстировочного устройства (16), так, чтобы обеспечить пересечение оптических осей рентгеновского луча, лазерного луча от датчика положения образца (9) и канала приема и регистрации рентгеновской флуоресценции (8) в выбранной области исследования. Формируют рентгеновский луч заданной энергии посредством устройства (10), пропуская первичное рентгеновское излучение через коллимирующую диафрагму (11) нужного размера, фильтр первичного излучения (12) и поликапиллярную рентгеновскую линзу (13). Фокусируют рентгеновский луч в исследуемом участке на поверхности образца, при этом размер освещаемой области можно менять путем перемещения ИРИ (6) вдоль оптической оси устройства формирования рентгеновского луча (10). Приводят образец во вращение и по программе системы управления производят измерения. Регистрацию дифракционных спектров производят в монохроматизированном и немонохроматизированном рентгеновском излучении посредством канала приема и регистрации рентгенодифракционного излучения (7) в полном диапазоне измерения углов дифракции, регистрацию проводят координатно-чувствительными детекторами (15).
Рентгеновское излучение, падающее на образец под заданным углом, при взаимодействии с материалом образца в процессе его вращения возбуждает флуоресцентное излучение соответствующих химических элементов в материале образца. Регистрацию энергетического спектра флуоресценции и рассеянных квантов флуоресценции в канале приема и регистрации рентгенофлуоресцентного излучения (8) производят энергодисперсионным полупроводниковым дрейфовым детектором в форме зависимости принимаемого потока рентгеновского излучения от энергии падающего излучения.
Обработку данных измерений проводят с использованием программного обеспечения с получением данных об интенсивности и положении дифракционных максимумов, фазовом составе образцов, сравнением дифрактограмм образцов с дифрактограммами аналогов из имеющихся библиотек, отображением накапливаемых и обрабатываемых дифрактограмм и др.
Устройство для рентгеновского микроанализа, выполненное в соответствии с полезной моделью, характеризуется следующими параметрами: при энергии рентгеновского излучения в пучке 50 кэВ, максимальной мощности рентгеновской трубки 500 Вт и использовании рентгенооптической схемы на основе поликапиллярной линзы, формирующей пучок рентгеновского излучения на образце с размером от 30 до 1000 мкм, обеспечена точность позиционирования порядка 10 мкм, энергетическое разрешение детектора на линии Mn Kα менее 150 эВ. угловое разрешение в канале приема и регистрации рентгенодифракционного излучения не хуже 0,02°. Минимальный размер исследуемого объекта составляет 30 мкм.
Известны устройства для рентгеновского микроанализа, использующие рентгенооптическую схему на основе поликапиллярных рентгеновских линз, например, рентгеновский микродифрактометр КЭД-1. имеющий эффективный размер фокусного пятна источника рентгеновского излучения 75×200 мкм, микрофокусный рентгеновский флуоресцентный спектрометр-анализатор XMF-104 с размером фокусного пятна порядка 100 мкм и др.. Заявляемое устройство характеризуется регулируемым и малым достижимым размером фокусного пятна, однородным распределением плотности потока рентгеновского излучения в области каустики, а также расширенными функциональными возможностями, обеспечивая одновременно регистрацию рентгеновской флуоресценции и рентгеновской дифракции от микропробы, что расширяет арсенал средств рентгеновского микроанализа.