Способ рентгенофлуоресцентного анализа на наличие тяжелых элементов в среде

 

Изобретение относится к области ядерно-физических методов анализа элементного состава вещества, в частности флуоресцентного рентгенорадиометрического анализа, и может быть использовано при создании устройств для поиска включений тяжелых химических элементов в исследуемой среде, в частности золота и изделий из него, скрытно размещенных под одеждой на теле человека. Сущность: способ заключается в облучении исследуемой среды потоком гамма-излучения и регистрации выделенного с помощью селективного фильтра характеристического излучения определяемого элемента. При этом для материалов с различной поверхностной плотностью снимают зависимость выхода собственного характеристического излучения, возбуждаемого рассеянным средой излучением от угла падения рассеянного излучения на поверхность материала. Выбирают для селективного фильтра материал с минимальной поверхностной плотностью, для которого максимум снятой зависимости расположен вблизи 0°. Регистрируют интенсивность характеристического излучения фильтра из этого материала. О наличии определяемого элемента судят по суммарной интенсивности характеристических излучений определяемого элемента и фильтра. Технический результат: повышение точности анализа при изменяющемся расстоянии между анализатором и средой. 6 ил.

Изобретение относится к области ядерно-физических методов анализа элементного состава веществ, в частности флуоресцентного рентгенорадиометрического анализа, и может быть использовано при создании устройств для поиска включений тяжелых химических элементов в исследуемой среде, в частности золота и изделий из него, скрытно размещенных под одеждой на теле человека.

Известен способ флуоресцентного рентгенорадиометрического анализа химических элементов, воплощенный, например, в устройстве по авторскому свидетельству [1], основанный на регистрации возбуждаемого в исследуемой среде первичным гамма-излучением характеристического рентгеновского излучения анализируемых химических элементов, проходящего на детектор через установленный перед ним селективный фильтр.

При облучении исследуемой среды первичным возбуждающим гамма-излучением (ПВИ) в ней возникает вторичное излучение (ВтИ), которое включает в себя характеристическое рентгеновское излучение (ХИ) анализируемого элемента (Z_ан) и фоновые компоненты, главным образом некогерентно рассеянное излучение (РИ) и ХИ мешающих элементов. Для улучшения чувствительности и точности анализа необходимо фильтровать ВтИ путем подбора материала (Z_ф ) и поверхностной плотности селективного фильтра (ρ_ф).

Недостатком рассматриваемого способа является невозможность использования его для определения наличия включений Z_ан в исследуемой среде по методу спектральных отношений в условиях, когда расстояние (Н) между анализатором и исследуемой средой изменяется в процессе анализа в широких пределах. Этот недостаток обусловлен изменением спектрального состава обратного РИ, выходящего из среды в направлении анализатора, в зависимости от Н. В результате при использовании метода спектральных отношений, когда определение наличия Z_ан проводится путем сравнений скоростей счета импульсов m₁ и m ₂ по каналам регистрации (КР), первый из которых (КР1) имеет полосу регистрации в максимуме спектра ХИ Z_ан , а второй (КР2) - в области энергий квантов выше К-скачка поглощения Z_ан [2], отношение скоростей счета импульсов по КР, обусловленных только РИ, не остается постоянным. Это может сделать результат определения наличия Z_ан в среде недостоверным.

Характер зависимости ξ_ФИ=f(Н) определяется изменением вкладов в регистрируемой сигнал однократного и многократного РИ, а также изменением энергий квантов РИ, связанным с изменением углов рассеяния излучения, выходящего из среды в направлении детектора анализатора, что, в свою очередь, обусловлено конечностью размеров измерительной базы анализатора, определяемой расстоянием между источником ПВИ и детектором. Многократное РИ является наиболее низкоэнергетической частью суммарного спектра РИ и поэтому регистрируется в основном по КР1 вместе с ХИ Z_ан. При этом его вклад в суммарный фоновый сигнал с уменьшением Н резко возрастает и поэтому m _ФИ1 возрастает с уменьшением Н быстрее, чем m_ФИ2 . Следовательно, значение ξ_ФИ не остается постоянным и возрастает с уменьшением Н. Отсюда следует, что анализатор по рассматриваемому техническому решению может использоваться для поиска включений Z_ан при соблюдении условия Н=const. Если же Н≠const по условиям работы, то для устранения ложных срабатываний анализатора в отсутствие включения, необходимо проводить балансировку КР при Н, где ξ_ФИ=ξ_ФИmax. Очевидно при этом, что изменения Н будут приводить к резкому уменьшению способности анализатора фиксировать включение.

Влияние однократного и многократного РИ на процесс определения Z_ан тем сильнее, чем выше атомный номер анализируемого элемента, больше масса и меньше эффективный атомный номер исследуемой вмещающей среды.

Конструкция прибора должна обеспечивать исследование всего облучаемого источником ПВИ пространства, поэтому контейнер с источником ПВИ, детектор и фильтр должны быть максимально сближены. Зависимость спектрального состава РИ от Н можно проиллюстрировать приведенными на фиг.1 сцинтилляционными спектрами, возникающими при обратном рассеянии гамма-излучения изотопа Se⁷⁵ от костно-парафинового фантома. Кривые 1, 2 и 3 представляют вид спектра РИ на расстояниях Н₁=10 см, Н₂=21 см и H_3,4=35 см. За расстояние (Н) принято расстояние между источником ПВИ и передней поверхностью фантома. Для измерений был использован макет анализатора золота, содержащий сцинтилляционный детектор с монокристаллом NaJ(те) размером 30×2 мм и фотоумножителем ФЭУ-93. Измерительная база макета равна 6 см, при этом оси конического пучка ПВИ (с углом коллимации ˜25°) и детектора параллельны. Для оценки положения полосы пропускания КР1 на фиг.1 (кривая 4) представлен также спектр К-серии ХИ₃.

Характер зависимости ξ_ФИ=f(H) представлен на фиг.2, где кривые 5 и 6 показывают изменения ξ_ФИ в отсутствие фильтра при отношениях энергии полос пропускания КР2 и КР1 соответственно ˜1,2 и ˜1,5. Из кривых видно, что максимумы зависимости ξ_ФИ=f(H) наблюдаются при малых Н (˜12 см), далее с ростом Н наблюдается убывание величины ξ_ФИ и с расстояний ˜35÷40 см величина ξ_ФИ становится постоянной. Использование селективного фильтра не вносит принципиальных отличий в работу анализатора. Например, при анализе на золото наиболее целесообразным является использование селективного фильтра из вольфрама, энергия К-скачка поглощения которого в наименьшей степени превышает энергию квантов К_α1- и К_α2 - линий ХИ₃. Из приведенного на фиг.3 (кривая 8) графика ξ_Z/ξ_ФИ=f(ρ_Ф), где ξ_Z - отношение скоростей счета импульсов по КР при наличии образца золота на фантоме, Н=25 см, размер образца золота 40×50×1 мм, видно, что наилучшее соотношение "сигнал-фон" наблюдается при ρ_Ф˜0,07÷0,08 г/см². Характер зависимости при наличии фильтра с ρ_Ф≈0,07 г/см² иллюстрируется кривой 7, представленной на фиг.2, соответствующей кривой 5 по условиям измерений. Более того, из представленной кривой видно, что разбаланс увеличивается по сравнению со случаем отсутствия фильтра. Увеличение разбаланса, в частности, объясняется тем, что часть квантов многократного РИ имеет энергии квантов ниже К-скачка поглощения. В силу этого многократное РИ является наименее подавляемой фильтром частью фонового излучения и его вклад в фоновый сигнал возрастает. Представленные зависимости экспериментальных измерений подтверждают изложенные выше положения. В указанных условиях анализатор, КР которого сблансированы, например, при Н=25 см, обеспечивает дальность регистрации образца золота площадью S=20 см² при Н˜27÷28 см, при этом, однако, уже при Н˜23÷22 см имеют место ложные срабатывания анализатора. Если КР анализатора сбалансированы при Н≈14÷15 см, то дальность регистрации указанного образца за счет возрастания разбаланса сокращается до Н˜21 см. Очевидно, что анализатор по рассматриваемому техническому решению не обеспечивает приемлемой для дальности поиска малых включений золота на теле человека. Кроме того, очевидно, что проверка балансировки КР может производиться лишь в непосредственной близости от контролируемого объекта, причем для обеспечения достоверности определений должно жестко соблюдаться условие Отсюда следует, что рассматриваемое техническое решение не может быть использовано для поиска включений анализируемого элемента в условиях неконтролируемых изменений геометрии измерений в силу зависимости значения разбаланса скоростей счета по КР от расстояния между анализатором и исследуемой средой.

Целью предлагаемого технического решения является обеспечение независимости результата определения наличия включений тяжелых химических элементов в исследуемой среде от расстояния Н между анализатором и средой. Поставленная цель достигается компенсацией изменения спектра РИ в зависимости от Н. Последнее достигается тем, что измеряемая по КР1 интенсивность ВтИ суммируется с одновременно измеряемой интенсивностью собственного характеристического излучения селективного фильтра (ХИ_Ф), которое возбуждается рассеянным излучением. При этом поверхностная плотность фильтра ρ_Ф выбирается не менее некоторого значения ρ_Фmin, при котором выход ХИ_Ф в направлении детектора становится максимальным при углах ϕ падения РИ на поверхность фильтра, близких к 0 (т.е. при нормальном падении РИ). ХИ_Ф в зависимости от условий измерения (например, тип детектора) может регистрироваться либо с помощью введения дополнительного КР (КРД), сигнал с которого суммируется с сигналом по КР1, либо по КР1 путем расширения полосы регистрации его до уровня амплитуд импульсов, обусловленных ХИ _Ф.

Физическая сущность заявляемого технического решения основывается на использовании характера зависимости выхода ХИ _Ф с необлучаемой возбуждающим излучением (которым в данном случае является РИ) поверхности плоского фильтра от угла его падения на фильтр при различных ρ_Ф. Из приведенных в работе [3] материалов следует, что характер измерения выхода ХИ_Ф при изменении ϕ существенным образом зависит от ρ_Ф. При малых ρ_Ф (пока толщина фильтра меньше длины свободного пробега квантов ХИ_Ф в фильтрующем веществе, и можно пренебречь самопоглощением ХИ_Ф в фильтре) выход ХИ _Ф определяется в основном пробегом квантов РИ в теле фильтра, который пропорционален величине ρ_Ф/cosϕ и, следовательно, убывает с уменьшением ϕ.

При возрастании ρ_Ф выход ХИ_Ф начинает определяться одновременно самопоглощением ХИ_Ф и длиной пробега квантов РИ в теле фильтра, и тогда максимум выхода ХИ_Ф может иметь место при некотором промежуточном значении ϕ, причем с ростом ρ_Ф влияние самоглощения возрастает, в связи с чем максимум выхода перемещается в сторону малых углов. Начиная с некоторого ρ_Фmin, максимум наблюдается при углах, близких к ϕ=0°.

Угол падения РИ на детектор анализатора изменяется от некоторого максимального значения ϕ_max, определяемого взаимным расположением источника ПВИ и детектора, при максимально возможном приближении анализатора к исследуемой среде (H_min) до значений, близких к ϕ=0° при удалении анализатора. При этом, как выше было указано, убывает вклад в регистрируемый сигнал многократного РИ и одновременно при ρ_Ф≥ρ_Фmin возрастает вклад ХИ_Ф. Отсюда следует, что, суммируя сигналы, обусловленные указанными составляющими спектра излучения, можно обеспечить частичную или полную компенсацию разбаланса КР и тем самым постоянство величины ξ_ФИ. Для обеспечения соизмеримости вкладов в измеряемый сигнал РИ и ХИ_Ф фильтр должен быть максимально приближен к детектору излучения.

Приведенные рассуждения можно иллюстрировать экспериментальными данными по определению зависимости выхода ХИ_Ф от ϕ. Эти данные получены для фильтров из вольфрама с различными ρ_Ф, ХИ в которых возбуждается с помощью РИ, возникающего при обличении костно-парафинового фантома гамма-излучением изотопа Se⁷⁵. Схема измерений приведена на фиг.4, где 10 - источник гамма-излучения Se⁷⁵; 11 - костно-парафиновый фантом; 12 - коллимационный канал для выхода РИ на фильтр; 13 - фильтр; 14 - детектор излучения с защитным кожухом. РИ от фантома через коллиматор облучало малую площадку на фильтре. ХИ_Ф регистрировалось сцинтилляционным детектором, который располагался вне зоны прохождения РИ, благодаря чему детектором регистрировалось практически только ХИ_Ф. Изменение угла падения РИ на фильтр обеспечивалось поворотом фильтра вокруг оси, проходящей через центр облучаемого пятна. При этом угол выхода ХИ_Ф в направлении детектора и расстояние между облучаемым пятном и детектором сохранялись постоянными. Определялась скорость счета импульсов излучения по КР, настроенному на максимум пика К-серии ХИ вольфрама. Результаты измерения приведены на фиг.5, где кривые 15, 16, 17, 18 и 19 соответствуют ρ_Ф=˜0,05, ˜0,07, ˜010, ˜0,15 и ˜0,21 г/см². Из приведенных зависимостей видно, что при описанных условиях измерения значение ρ_Фmin лежит в пределах около 0,13÷0,15 г/см ².

Следует отметить, что условия подбора ρ_Ф, в которых получены приведенные выше результаты, отличны от реальных условий измерений, в которых осуществляется поиск включений анализируемых элементов, поскольку в первом случае детектор удален от фильтра и, кроме того, сохраняется постоянным спектр РИ. Приближение фильтра к детектору приводит к тому, что на детектор попадает значительная часть квантов ХИ_Ф , выходящих из фильтра под большими углами. В связи с этим уменьшается значение ρ_Фmin и одновременно возрастает перепад значений регистрируемой величины. Кроме того, в реальных условиях измерения с изменением ϕ изменяется спектр возбуждающей ХИ_Ф части РИ. Помимо указанного определение по описанной методике затрудняется тем, что одновременно с ХИ_Ф в этом случае регистрируются остальные компоненты ВтИ, и выделить вклад ХИ_Ф на фоне изменяющегося спектра остальных компонентов регистрируемого излучения представляется затруднительным. Поэтому подбор ρ_Ф наиболее целесообразно проводить непосредственно по оценке характера зависимости ξ_ФИ=f(H).

Результаты экспериментальной проверки, проведенной на вышеописанном макете анализатора золота, подтверждают правильность предлагаемого технического решения. На фиг.6 приведены зависимости ξ_ФИ=f(H) при различных значениях ρ_Ф. Регистрация ХИ_Ф обеспечивалась путем расширения полосы регистрации КР1 до уровня, при которых обеспечивается регистрация примерно 40% импульсов пика полного поглощения ХИ вольфрама. Измерения проводились в условиях, соответствующих кривой 5 на фиг.2. Кривые 20, 21, 22 характеризуют вид зависимости ξ_ФИ=f(H) соответственно при ρ_Ф=˜0,07 г/см², ˜0,1 г/см ² и ˜0,21 г/см². Из приведенных данных видно, что при ρ_Ф ˜0,10 г/см² обеспечивается практически полная компенсация разбаланса КР, начиная с Н˜20 см, где значение ξ_ФИ становится постоянным, и тем самым обеспечивается реализация поставленной цели - независимости результатов определения наличия включения анализируемого химического элемента в исследуемой среде от Н.

Практически важным результатом использования предлагаемого технического решения является снижение требований к геометрическим условиям балансировки КР анализатора, которые могут быть сбалансированы на больших расстояниях от контролируемого объекта. Это позволяет облегчить контроль балансировки в ходе поиска включений, что существенно важно при поиске золота на теле человека, так как в данном случае возможность проведения подобных операций при сближении с объектом исключена. Кроме того, характер зависимости ξ_ФИ=f(H) при малых Н исключает возможность ложного срабатывания анализатора при уменьшении Н. Не менее важным результатом является увеличение дальности регистрации малых включений. Несмотря на уменьшение по сравнению с противопоставляемым техническим решением соотношения "сигнал-фон", о чем можно судить по приведенной на фиг.3 (кривая 9) зависимости ξ_Z/ξ_ФИ=f(ρ_Ф) для указанных условий измерений, благодаря компенсации разбаланса, обеспечивается дальность регистрации образца золота размером 4,0×5,0×1,0 см на расстояниях до Н˜30 см (при прочих равных условиях измерений).

Компенсация изменения спектра РИ в зависимости от Н за счет регистрации собственного характеристического излучения фильтра, установленной плотности, позволяет исключить влияние изменения расстояния между объектом контроля и анализатором и расширить возможность поиска включений в среде методом флуоресцентного рентгенорадиометрического анализа в сравнении с известным способом.

Создание приборов для поиска золота на теле человека, в которых реализовано предлагаемое техническое решение, обеспечит повышение эффективности борьбы с контрабандой золота (а также платины), хищением в местах добычи и переработки, позволяя обеспечить дистанционный контроль обследуемых объектов, обеспечивая более высокую избирательность поиска по сравнению с техническими средствами, используемыми для этой цели в настоящее время, например индукционными металлоискателями.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №495591 (М.кл. G 01 N 23/22), 1974 г.

2. Е.П.Леман. Рентгенорадиометрический метод опробования месторождений цветных и редких металлов. - Л.: Недра, 1973 г.

3. А.В.Пивоваров, И.А.Рубанов. Анализ веществ методом двусторонней регистрации рентгеновской флуоресценции, в сб. Аппаратура и методы рентгеновского анализа, вып.XI, с.115-123. - Л.: Машиностроение, 1972 г.

Формула изобретения

Способ рентгенофлуоресцентного анализа на наличие тяжелых элементов в среде, заключающийся в облучении иследуемой среды потоком гамма-излучения и регистрации выделенного с помощью селективного фильтра характерестического излучения определяемого элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения точности анализа при изменяющемся расстоянии между анализатором и средой, для материалов с различной поверхностной плотностью снимают зависимость выхода собственного характерестического излучения, возбуждаемого рассеяным средой излученном, от угла падения рассеяного излучения на поверхность материала и выбирают для селективного фильтра материал с минимальной поверхностной плотностью, для которого максимум снятой зависимости расположен вблизи 0°, регистрируют интенсивность характеристического излучения фильтра из этого материала и о наличии определяемого элемента судят по суммарной интенсивности характеристических излучений определяемого элемента и фильтра.

РИСУНКИ