Поляризатор рентгеновского излучения устройства для рентгенофлуоресцентного анализа

 

Изобретение относится к ядерно-физическому анализу вещества с использованием поляризованного рентгеновского излучения. Цель изобретения - снижение предела обнаружения всех элементов при проведении многоэлементного анализа за счет повышения вероятности взаимодействия излучения с атомами вещества поляризатора и увеличение выхода поляризованного излучения. Поляризатор выполнен в виде набора пластин из элементов с атомными номерами, возрастающими по ходу падающего на поляризатор излучения . Количество, толщина и материал пластин связаны следующим соотношением: (-2,J2;V,a )fl-()/ i - ;- |д -exp((a;)/d ()l-exp(-2 /uJaTl)) где Ns- поток излучения, падающий на анализируемый образец; No- поток первичного излучения, падающий на поляризатор; - массовый коэффициент рассеяния пго слоя поляризатора; (Л tn полный массовый коэффициент ослабления излучения п-м слоем поляризатора; а1 -толщина 1-го слоя поляризатора;/ t1 - полный массовый коэффициент рассеяния 1-го слоя поляризатора; а - толщина n-го слоя поляризатора; I - количество слоев поляризатора; d - общая площадь потока излучения, падающего на анализируемый образец. 3 ил. (Л С о VI ю 00 О О

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 23/223

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

М (21) 4611063/25 (22) 25.10.88 (46) 23.03.93. Бюл. N 11 (72) С.Е.Богданович, М.B.Ãëeáîâ, В.И.Филатов и М.M.×àðñêèé (56) Патент США М 3944822, кл. G 01 N

23/20, 1983.

Авторское свидетельство СССР

М 1032883, кл. G 01 N 23/223, 1982.

Авторское свидетельство СССР

М 1385783, кл. G 01 N 23/223, 1985. (54) ПОЛЯРИЗАТОР РЕНТГЕНОВСКОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ УСТРОЙСТВА ДЛЯ РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНОГО АНАЛИЗА (57) Изобретение относится к ядерно-физическому анализу вещества с использованием поляризованного рентгеновского излучения. Цель изобретения — снижение предела обнаружения всех элементов при проведении многоэлементного анализа за счет повышения вероятности взаимодействия излучения с атомами вещества поляризатора и увеличение выхода поляризованного излучения. Поляризатор выполнен в виде набора пластин из элементов с атомными номерами, возрастающими по ходу падающего на поляризатор излучеИзобретение относится к ядерно-физическому анализу вещества с использованием поляризованного рентгеновского излучения и в частности предназначаетсядля использования в устройствах для рентгенофлуоресцентного анализа (РФА).

Известны поляризаторы рентгеновского излучения, используемые в составе устройств для рентгенофлуоресцентного

„„5U,, 1679860 А1 ния. Количество, толщина и материал пластин связаны следующим соотношением:

8 /11 =. ()(1 /(8)(1+ )) х

x exp(-2/2+ p а ) f-((2 а )/d-(.

-exP(-212 1f а ) (1-(2, "а )/d) - ! (!/(2/Ц 4)) (1-exp(-2 /2)1) à ))j, где МБ- поток излучения, падающий на анализируемый образец;.No — поток первичного излучения, падающий на поляризатор; ,и s".— массовый коэффициент рассеяния иro слоя поляризатора; p t — полный массовый коэффициент ослабления излучения и-м слоем поляризатора; а — толщина i-го слоя

l. поляризатора;и t — полный массовый коэф1 фициент рассеяния 1-го слоя поляризатора; а" — толщина и-го слоя поляризатора; 1— количество слоев поляризатора; d — общая площадь потока излучения, падающего на анализируемый образец. 3 ил. анализа. В известных устройствах поляризаторы представляют собой пластину или цилиндр, обычно из элемента с низким атомным номером. Размеры поляризатора и его ориентация относительно узлов, составляющих устройство для РФА, выбираются экспериментально при определенных параметрах рентгеновской трубки, коллимационной системы и энергии поляризованного

1679860 излучения, При этом первичное рентгеновское излучение и рассеянное излучение OT поляризатора должно удовлетворять Томпсонавскому условию поляризации и закону

Брегга-Вульфа.

Недостатком этих поляризаторов является то, что они обеспечивают эффективную поляризацию рентгеновского излучения только в узком спектре энергий, что обусловливает малую чувствительность при одновременном многоэлементном анализе образцов, содержащих элементы с большим диапазоном атомных номеров.

Для расширения диапазона эффективно поляризованного излучения увеличивается число пластин поляризатора.

Применив многослойный поляризатор, выравнивают кривую чувствительности устройства для РФА в широком диапазоне атомных номеров. однако при необоснованном увеличении числа и толщины пластин поляризатора чувствительность недопустимо уменьшается.

Наиболее близким к предлагаемому поляризатору является поляризатор устройстBB для рентгенафлуоресцентнаго анализа, выбранный в качестве прототипа.

Зтат поляризатор имеет форму пластины, изогнутой по поверхности цилиндра с диаметром, равным отрезку прямой, соединяющему источник с дерх<ателем образца, и выполненной в виде двух слоев из легких элементов с атомными номерами, возрастающими с увеличением радиуса основания слоя. Материал и размеры слоев подобраны экспериментально. С целью повышения чувствительности анализа и компенсации эффекта матрицы, внешний. слой поляризаторэ выполнен из )латериала, энергия характеристического излучения котарого больше энергии краев поглощения определяемых элементов, т.е. определяемые элементы возбуждаются не только рассеянным поляризованным излучением, но и характеристическим излучением этого внешнего слоя поляризатора (подложки). При этом диапазон эффективно анализируемых элементов не расширяется. а компенсируется уменьшением чувствительности из-за введения двух слоев за счет увеличения интенсивности излучения элементов.

Устройства РФА с данным известным поляризатором позволяет снизить предел обнаружения при анализе водного раствора нитрата цинка да значения 5 ° 10 .

Недостатком известного.поляризатора является неравноморнасть эффективного рассеяния в широком диапазоне энергий, что, а свою очередь, обусловливает малую чувствительность и слабый порог абнаруже42 т а

1 1 Г а h а ) 1- — - ехр(-2(2 и а )а а 1 t

1 h h-i

80 — - Q — 2„- ехр("2, ц

"а ь= а

)2 a а(1- — - - ) 1%

1.2p" d 4.

*p(-Ь|г Pl" ")), 35 где Ns — рассеянный поток (на анализируе40 мый образец);

No- падающий поток (от рентгеновской трубки); а -толщина 1-й пластины поляризатора;

i а" — толщина и-й пластины поляр)4зато45 ра; ,из" — массовый коэффициент рассеяния и-й пластины поляризатора; р 2" — полный массовый коэффициент

r() 0 ослабления рентгеновского излучения и-й пластиной поляризатора; ,и 4 — полный массовый коэффициент ослабления рентгеновского излучения i-й пластиной поляризатора; ! — количество пластин поляризатора; д — общий диаметр коллимационного отверстия.

Н8 фиг. 1 показан MHOI0ciIOAHbIA no)IAризатор устройства для РФА; на фиг. 2 пания устройства РФА, содержащего данный поляризатор, особенна на краях диапазона измерений при одновременном многоэлементном анализе образцов, содержащих элементы с широким диапазоном атомных номеров. Причиной этого является невозможность оптимизации построения многослойного поляризатора путем экспериментальной подборки.

Цель изобретения — снижение предела обнаружения всех элементов при проведении многоэлементного анализа эа счет повышения вероятности взаимодействия излучения с атомами вещества поляризатора и увеличения выхода поляризованного излучения.

Поставленная цель достигается тем, что в поляризаторе рентгеновского излучения устройства для рентгенофлуоресцентного

20 анализа; выполненном в виде набора пластин из элементов с атомными номерами, возрастающими по ходу падающего на поляризатор излучения, количество, толщина и материал пластин связаны следующим са25 отношением

1679860 казаны графики эффективности рассеяния йэ

= для различных пластин; на фиг. 3 покаNo зан поляризатор в составе устройства для

РФА. 5

Поляризатор, показанный на фиг. 1, представляет собой блок, выполненный в виде набора следующих друг за другом пластин из элементов с атомными номерами, возрастающими по ходу падающего на по- 10 ляризатор излучения, Диаметр аабочей поверхности поляризатора D= у20, где d— общий диаметр коллимационного отверстия коллиматора устройства для РФА, для которого предназначается поляризатор, а 15 количество пластин поляризатора (l), ихтолщина (а) и материал связаны предложенным соотношением, за счет чего число и параметры пластин выбраны оптимальными для широкого диапазона энергий по графикам, 20 показанным на фиг. 2, полученным математическим прогнозированием по максимальМз ной эффективности рассеяния —. 0

Пример выполнения предложенного поляризатора н составе устройства для

РФА при анализе содержащихся в образце кальция, марганца и железа, Устройство для

РФА, показанное на фиг, 1, содержит источник рентгеновского излучения 1, располо- 35 женный за ним сотовый коллиматор 2, через который излучение попадает на многослойный поляризатор 3 под углом 45 к его рабочей поверхности. Под углом 90 к направлению первичного излучения расположен коллиматор 4 поляризованного излу- 40 чения, поступающего на ооразец, находящийся в держателе 5, и детектор инициированного излучения 6. Широкополосное излучение источника рентгеновского излучения 1 подают через коллиматор 2 на 45 многослойный поляризатор 3. Первая ближайшая пластина из материала с наименьшим атомным номером эффективно рассеивает низкоэнергетическое рентгеновское излучение, а последующие слои эф- 50 фективно рассеивают рентгеновское излучение с более высокими энергиями, что обесг ечивает высокий выход поляризованного излучения н широком диапазоне энергий, возбуждающего одновременно - >5 характеристическое излучение всех определяемых элементов, Выходящее из поляризатора 3 поляризованное излучение выделяют коллиматаром 4 под углом 90 v направлению распространения первичного излучения, При этом направление оси источник-поляризатор и поляризатор-образец составляет 45 с нормалью к рабочей плоскости пластин поляризатора. Выделенное поляризованное излучение направлгнот на держатель 5 с образцом. Инициированное излучение образца регистрируют детектором 6. В качестве источника рентгеновского излучения была применена рентгеновская трубка прострельного типа ББХ-7 с медным анодом. Сотовый коллиматор из свинца имеет длину 1,5 см, общий (внутренний) диаметр 0,5 см при сотах с радиусом 0,025 см.

Конструкция коллиматора аналогична конструкциям коллиматорон рентгеновского и гамма-излучения, но без стеклянных прослоек. Детектирование производилось кремнелитиеным детектором БДЗР-2-25 с разрешением 250 эВ на линии 5,9 КэВ с толщиной бериллиеного окна 30 мк. В качестве анализируемой пробы-образца исследуется стандартный растительный образец элаковой траносмеси СБМТ-01 N- 1485-88, Параметры режима работы рентгеновского генератора составляли 30 кВ и 300 л1кА, Графики эффективности рассеяния показаны на фиг. 2. Для обеспечения качественного предстанительнога анализа имеющихся образцов травосмеси область энергии поляризованного излучения была выбрана 10 — 25 кэВ. В качестве материала пластин поляризатора н результате расчетон l1 их анализа были использованы бериллий, углерод и ал оминий, как материалы, позволяющие обеспечить наибольшую вероятность взаимодействия с излучением этого диапазона.

В рассматриваемом прил1еое оказалось целесообразным ограничиться тремя пластинами, TGK как дальнейшсе увеличение числа пластин не дает существенного эффекта. Толщины пластин для трехслойного поляризатора выбрани из максимальной эффективности рассеяния н выбранной области энергий анализируемых элементов иэ предложенного математического в сражения. При использовании трехслойного поляризатора предложенной оптимизированной конструкции были достигнуты следующие пороги обнаружения: для кальция

10 10 %, для л1арганца 1,5 10 /., для железа 0,9.10 40 . Оптимизированный поляризатор в составе устройства для РФА позволит проводить многоэлементный анализ в диапазоне BTQMHblx номерков 11 — 92 с порогом обнаружения до I 10 и сократить время анализа.

Формула изобретения

Поляризатор рентгеновского излучения устройства для рентгенофлуоресцентного анализа, выполненный н виде набора пластин из элементов с атомными номерами, всзрастающими по ходу падающего на по1679860 ляризатор излучения, отличающийся тем, что, с целью снижения предела обнаружения всех элементов при проведении многоэлементного анализа за счет повышения вероятности взаимодействия излучения с атомами вещества поляризатора и увеличения выхода поляризованного излучения, «оличество, толщина и материал пластин связаны следующим соотношением:

Ф-4

° 2 °

Дс ахр(-2 2 д ц а 1- - (?8c ° >

ИФ . увез О 1 Ф

II (t у- у.(1» р(2Яр2 )Jf

Р% где Ns — поток излучения, падающий на анализируемый образец;

No — поток первичного излучения, падающий на поляризатор;

5 р s"- массовый коэффициент рассеяния п-го слоя поляризатора;

p " — полный массовый коэффициент ослабления излучения и-м слоем поляризатора;

10 а — толщина I-го слоя поляризатора: р — полный массовый коэффициент рассеяния I-ro слоя: а" — толщина ц-го слоя поляризатора;

1 — количество слоев поляризатора;

15 4 — общая площадь потока излучения, падающего на анализируемый образец.

1679860

Ng/Ио lOOQ

О.5

Е,кэВ

so . оо

Составитель С. Богданович

Техред M.Moðãåíòàë Корректор А.Козориз

Редактор Т.Шагова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1962 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, 4/5