РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТРОМЕТР
X-RAY SPECTROMETER

Предлагаемое изобретение относится к спектрометрам и анализаторам для рентгеноспектрального анализа состава веществ.
Известны рентгеновские спектрометры с энергетической (ЭД) или волновой (ВД) дисперсией (Бахтиаров А.В. Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ в геологии и геохимии. - Л.: Недра, 1985).
ВД-спектрометры обладают лучшим энергетическим разрешением при низких энергиях. ЭД-спектрометры с полупроводниковыми детекторами (ППД) эффективны в широком диапазоне энергии и позволяют анализировать элементы одновременно.
Недостатком ЭД-спектрометров с одним ППД является ограниченная загрузочная способность.
За прототип принят волновой рентгеновский спектрометр с оптоэлектронным позиционированием, содержащий рентгеновскую трубку, фильтры первичного и вторичного пучков, держатель образца, пластинчатые коллиматоры, кристаллы-анализаторы, устройство детектирования с детекторами, регистрирующую аппаратуру, подключенную к выходам детекторов, причем кристаллы-анализаторы и устройство детектирования выполнены с возможностью вращения вокруг оси, проходящей через центр отражающей поверхности кристалла, и установки кристалла под углом θ, а детекторов под углом 2θ к оси пучка (Афонин В.П., Комяк Н.И., Николаев В.П., Плотников Р.И. Рентгенофлуоресцентный анализ. - Новосибирск: Наука, 1991, с. 58-60).
Недостатком прототипа и волновых спектрометров в целом является высокий фон диффузно рассеянного и отраженного по Брэггу в высших порядках излучения и других компонент (Бахтиаров А.В., с. 100-105). Коллимация и фильтрация пучков не устраняет этот фон. В области L-серии тяжелых элементов велики наложения линий разных порядков отражения. Это снижает возможности анализа указанных элементов. В пропорциональных и сцинтилляционных счетчиках малы отношения пика к плато. Плохое разрешение этих счетчиков вынуждает установить большую ширину окна дискриминатора в регистрирующей аппаратуре. Производительность сканирующих спектрометров при анализе большого числа элементов ограничена из-за длительных измерений множества линии и фоновых точек.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение порогов обнаружения элементов и повышение производительности.
Для достижения указанного технического результата в рентгеновский спектрометр, содержащий рентгеновскую трубку, фильтры первичного и вторичного пучков, держатель образца, пластинчатые коллиматоры, кристаллы-анализаторы, устройство детектирования с детекторами, регистрирующую аппаратуру, подключенную к выходам детекторов, причем кристаллы и устройство детектирования выполнены с возможностью сканирования (вращения) вокруг оси, проходящей через центр отражающей поверхности кристалла, и установки кристалла под углом θ, а детекторов под углом 2θ к оси вторичного пучка, согласно изобретению, использовано устройство детектирования с полупроводниковыми детекторами и соответствующей регистрирующей аппаратурой, введен дополнительный коллиматор с отверстиями в поперечных вторичному пучку перегородках и обеспечена возможность работы спектрометра в режимах с волновой и энергетической дисперсией.
Дополнительный коллиматор можно направить к детекторам, установленным под нулевым углом 2θ в режиме энергетической дисперсии.
Можно также дополнительный коллиматор направить от позиции образца к детекторам, расположенным под фиксированным углом 2θ до 150° или 180°, при этом обеспечить возможность поворота детекторов к образцу в режиме энергетической дисперсии.
Спектрометр схематически представлен на фигурах:
фиг. 1 - аксонометрическая проекция в режиме волнового спектрометра;
фиг. 2 - ЭД-режим в спектрометре с детекторами под нулевым углом 2θ;
фиг. 3 - ЭД-режим в варианте с детекторами под углом 2θ около 140°;
фиг. 4 - энергетическое разрешение ЭД и ВД-спектрометров.
Рентгеновский спектрометр содержит рентгеновскую трубку 1, фильтр 2 первичного пучка, фильтр 3 вторичного пучка, держатель 4 образца 5, пластинчатые коллиматоры 6, кристаллы-анализаторы 7, устройство 8 детектирования с детекторами 9 и регистрирующую аппаратуру 10, подключенную к выходам детекторов (фиг. 1).
Кристаллы 7 и устройство 8 детектирования выполнены с возможностью сканирования (вращения) вокруг оси, проходящей через центр отражающей поверхности кристалла, и установки кристалла 7 под углом θ, а детекторов 9 под углом 2θ к оси вторичного пучка. Устройство 8 детектирования может быть снабжено коллиматором 11 с короткими пластинами.
Использовано устройство 8 детектирования с полупроводниковыми детекторами 9 и соответствующей регистрирующей аппаратурой 10.
Введен дополнительный коллиматор 12 с отверстиями в поперечных вторичному пучку перегородках и обеспечена возможность работы спектрометра в режимах с волновой и энергетической дисперсией (фиг. 2).
В ЭД-режиме дополнительный коллиматор 12 можно направить к детекторам, установленным под нулевым углом 2θ (фиг. 2).
Можно также в режиме энергетической дисперсии дополнительный коллиматор направить к детекторам, расположенным под фиксированным углом 2θ до 150° и выше, при этом обеспечить поворот устройства 8 детектирования к образцу на угол ϕ=2θ-α.
Полупроводниковые детекторы снабжены известной регистрирующей аппаратурой, включающей амплитудные дискриминаторы и спектрометрические процессоры в трактах сигналов, обеспечивающие линейность амплитудного преобразования, подавление шума, стабильность базового уровня и режекцию наложений.
Детекторы с высоким энергетическим разрешением позволяют резко сузить ширину окна дискриминатора в регистрирующей аппаратуре 10 по сравнению с шириной окна в волновых спектрометрах с пропорциональными или сцинтилляционными счетчиками.
6
В волновом спектрометре используют устройство детектирования с множеством ППД. Предпочтительны матрицы детекторов с отдельными спектрометрическими трактами с общей загрузкой выше 10 имп/с. В криостате с боковым окном можно расположить 8-10 и более ППД в ряды, перпендикулярные плоскости сканирования. При этом габариты устройства детектирования с системой электрического охлаждения ППД и жидкостного охлаждения (стабилизации температуры) последних ступеней могут быть близкими или меньше габаритов заменяемых узлов - пропорционального и сцинтилляционного счетчиков. В настоящее время доступны компактные устройства детектирования с SSD-детекторами.
Узлы смены и вращения кристаллов и детекторов в целом составляют рентгеновский гониометр с оптическим позиционированием без шестеренок, в котором узлы двигаются независимо и быстро, как в известном волновом спектрометре Perform'X (сайт фирмы ARL (Швейцария)).
1
2
3
Телесные углы вторичного пучка в схемах фиг. 2 и 3 могут отличаться в 3-4 раза. Предпочтителен вариант спектрометра с рентгеновской трубкой повышенной мощности 2-4 кВт и дополнительным коллиматором, направленным к детекторам под нулевым углом 2θ. При нулевом угле 2θ угол поворота детекторов ϕ равен нулю, т.е. в этом случае отдельный механизм вращения устройства детектирования к образцу не потребуется. При больших углах α и 2θ детекторы поворачивают к образцу на большие углы ϕ или ϕ (фиг. 3). Для обеспечения такого поворота устройство детектирования можно снабдить отдельным устройством вращения (двигателем).
Узлы смены фильтров, коллиматоров и кристаллов, двигатели и датчики (декодеры), системы откачки и другие детали не показаны на схемах.
Коллиматор 12 можно расположить в узле коллиматоров (или в узле кристаллов в случае регистрации вторичного пучка под нулевым углом). При этом в узле кристаллов можно оставить свободную от кристалла-анализатора позицию для пропуска вторичного пучка к детекторам в ЭД-режиме.
Рентгеновский спектрометр работает следующим образом.
Для сыпучих или жидких образцов используют кюветы с днищем из пленок. Пробы можно плавить с флюсом. Образец 5 можно засыпать в кювету или положить в кассеты. Кюветы и кассеты на схемах не показаны.
Образцы при анализе вращают для нивелировки неоднородностей. О содержании элементов судят по спектру излучения. Используют известные методики расчета концентраций. Анализ ведут в автоматическом режиме.
Анализ производят в следующих режимах.
- В ЭД-режиме детекторы 9 располагают под упомянутыми фиксированными углами 2θ и через коллиматор 12 регистрируют излучение образца без участия пластинчатых коллиматоров 6 и кристаллов 7.
В ЭД-режиме сначала выполняют обзорный или панорамный анализ широкого круга элементов. Этот режим резко повышает производительность и за десятки секунд проясняет состав образца в целом. В ЭД-режиме можно анализировать и группы элементов при разных напряжениях и фильтрах.
- В ВД-режиме детекторы регистрируют третичное (отраженное от кристалла) излучение. В сканирующем волновом спектрометре с ППД ширину окна дискриминации можно установить порядка (1,8-2,0)⋅ПШПВ, где ПШПВ - полуширина пика на полувысоте, т.е. уменьшить практически в 10 раз по сравнению с шириной окна в традиционных волновых спектрометрах.
При уменьшении ширины окна подавляются диффузный фон и пики высших порядков отражения, расширяются свободные от пиков фоновые участки спектра, повышаются контрастности и снижаются пороги обнаружения. Волновой режим можно использовать для анализа элементов в ситуациях, требующих измерений с высоким разрешением.
- Возможен совмещенный ВД- и ЭД-режим с одновременной регистрацией близко расположенных линий. При этом используют коллиматор 6 с большим раствором щелей в 1°-3°, направленный на кристалл-анализатор 7. Кристалл 7 в качестве дисперсионного фильтра пропускает к детекторам 9 излучение в выбранном диапазоне углов и энергии. При этом окно дискриминации можно установить в соответствии с кривой пропускания.
- Спектрометр позволяет измерять энергетический спектр третичного пучка и уточнять фон под разными углами 2θ.
В волновом и совмещенном режимах детекторы работают с меньшими загрузками, т.е. в лучших условиях, чем в ЭД-режиме.
Диапазон энергии, в котором предпочтителен ЭД- или ВД-режим, можно оценить по графикам энергетического разрешения (фиг. 4).
ЭД-режим предпочтителен в области энергии выше 10-15 кэВ, но может использоваться и в области меньших энергии. Чувствительность анализа от палладия до самария по K-серии в ЭД-режиме с Si(Li)-детектором примерно в 10 раз выше по сравнению с ВД-режимом.
При выполнении спектрометра можно использовать известные гониометры с 5-8 кристаллами и радиусом сканирования 7-14 см, 4-6 коллиматоров и наборы фильтров. Коллиматоры и фильтры подбирают при отладке спектрометра. Можно использовать известные рентгеновские трубки с выходом пучка с ее торца мощностью 1-4 кВт и выше на напряжение 60-70 кВ.
Рентгеновскую трубку можно установить под углом 30°-60°, а плоскость сканирования расположить перпендикулярно оси трубки. При этом в ВД-режиме под близкими к 90° углами 2θ фон подавляется за счет поляризации рассеянного от образца излучения, как в спектрометре ARL Perform'X.
Для анализа элементов с атомными номерами Z до 60-62 по излучению K-серии в ЭД-режиме предпочтительны Si(Li)-детекторы толщиной 3-5 мм.
Для анализа элементов с Z до 43 по K-серии и тяжелых элементов по L-серии пригодны кремниевые дрейфовые SDD-детекторы толщиной 0,5-1 мм.
Производительность пропорциональна площади и числу детекторов.
Можно использовать фильтр 2 из иттрия толщиной 5-10 мкм с энергией Kα-излучения, большей порогов возбуждения излучения L-серии золота и платины и меньшей порогов возбуждения излучения L-серии свинца и висмута (мешающих элементов). Край фильтра 2 можно изогнуть и расположить по периметру первичного пучка, чтобы фильтр выполнял и функцию вторичной мишени.
1
1
3
Для повышения контрастности Lβ-излучения золота с энергией 11,442 кэВ и подавления Kβ-излучения мышьяка (мешающего элемента) с энергией 11,726 кэВ можно использовать фильтр 3 из платины с L - краем 11,562 кэВ.
Эффективность фильтра из платины при анализе золота на ЭД-спектрометре показана в книге: Веригин А.А. Энергодисперсионный рентгеноспектральный анализ. - Томск: Изд-во Томского ун-та, 2005, с. 168-172.
При использовании ППД исключается система снабжения пропорционального счетчика аргон-метановой смесью.
Устраняются также помехи, связанные с пиками утечки излучения аргона или излучения йода из NaI-сцинтиллятора.
Предлагаемый рентгеновский «спектрометр-трансформер» улучшает возможности анализа широкого круга элементов в оптимальных условиях.
Пороги обнаружения снижены в волновом режиме за счет использования детекторов высокого разрешения, и за счет анализа в ЭД-режиме элементов со средними Z по излучению K-серии. Подбор оптимальных режимов и фильтров снижает пороги обнаружения и других элементов, в том числе пороги обнаружения тяжелых элементов по излучению L-серии.
Производительность повышена за счет одновременного анализа множества элементов в ЭД-режиме и сокращения экспозиции с учетом повышенной контрастности в волновом режиме.
Заявленный спектрометр может быть востребован в геологии, экологии, горнорудной и других отраслях науки и промышленности.