Флуоресцентный рентгенорадиометрический анализатор тяжелых химических элементов

 

Изобретение относится к области ядерно-физических методов анализа элементов состава веществ, и может быть использовано при создании устройств для поиска включений тяжелых химических элементов в исследуемой среде. Сущность: анализатор содержит источник первого излучения, установленный в контейнере, детектор излучения и два канала регистрации, присоединенных к схеме сравнения. Первый канал предназначен для регистрации импульсов в области спектра, соответствующей энергии К-скачка поглощения определяемого элемента. Второй канал - в области спектра более высоких энергий. Кроме того, в зоне облучения источником первичного излучения установлена мишень, обращенная облучаемой стороной к детектору. При этом материал мишени выбран таким, что энергия его характеристического излучения лежит в той же области спектра, что и энергия характеристического излучения анализируемого элемента. Технический результат: компенсация разбаланса скоростей счета по каналам регистрации, обусловленного прохождением на детектор первичного излучения сквозь стенки защитного контейнера 3 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.

Известен флуоресцентный рентгенорадиометрический анализатор химических элементов, содержащий источник первичного возбуждающего гамма-излучения, размещенный в защитном контейнере, детектор излучения и два канала регистрации скоростей счета импульсов излучения, присоединенных к схеме сравнения, причем первый канал предназначен для регистрации импульсов, амплитуды которых соответствуют полосе спектра излучения в области энергии К-серии характеристического рентгеновского излучения анализируемого элемента, а второй - для регистрации импульсов, амплитуды которых соответствуют полосе спектра выше энергии К-скачка поглощения анализируемого элемента.

В первом канале регистрации (KP1) регистрируется характеристическое излучение (ХИ) анализируемого элемента (Z_ан ) и фоновое излучение (ФИ). Полоса регистрации второго канала (КР2) выбирается так, чтобы в нем не регистрировалось ХИ Z _ан.

В отсутствии включений Z_ан по KP1 и КР2 регистрируются импульсы, обусловленные ФИ, со скоростями счета m_ФИ1 и m_ФИ2 . Между m_ФИ1 и m_ФИ2 существует выбираемое из условий измерения отношение ξ_ФИ=m_ФИ1/m _ФИ2. Если в тех же условиях имеется включение Z _ан, то по KP1 сосчитывается m_Zан, обусловленных ХИ Z_ан,и mʹ_ФИ1 импульсов, обусловленных ФИ. По КР2 сосчитывается m'_ФИ2 импульсов ФИ. В общем случае mʹ_ФИ1,2≠m_ФИ1,2, однако сохраняется отношение mʹ_ФИ1/mʹ_ФИ2=m_ФИ1/m _ФИ2=ξ_ФИ. Отношение скоростей счета импульсов по КP1 и КР2 в этом случае равно ξ_Zан=(mʹ_ФИ1+m_Zан). При обследовании однородных объектов Δξ может служить свидетельством наличия включения Z _ан, если ξ_ФИ+Δξ превышает некоторое пороговое значение ξ_пор, характеризующее наличие Z _ан. Очевидно, что результат определения наличия Z _ан может быть достоверен при условии постоянства отношения ξ_ФИ.

Недостатком рассматриваемого устройства является непостоянство ξ_ФИ, проявляющегося при изменении расстояния Н между анализатором и контролируемым объектом. Причиной разбаланса является непостоянство соотношения вкладов в измеряемый фоновый сигнал двух основных составляющих ФИ: рассеянного от объекта излучения (РИ) и излучения, определяемого прохождением ПВИ сквозь стенки защитного контейнера (ФИ_з ), т.е.

Значения m_РИ1,2 убывают с возрастанием Н. Отношение начиная с некоторого малого Н₀, когда можно пренебречь изменением угла рассеяния ПВИ в направлении детектора, становится практически постоянным. Значения m _ФИз1,2 являются постоянными, независимыми от Н величинами. Они определяются спектром ПВИ, свойствами защиты, типом детектора и взаимным расположением источника ПВИ и детектора. Отношение является постоянной, независимой от Н величиной. Спектр ФИ₃ содержит более высокоэнергетические в сравнении с РИ компоненты, т.к. спектр последнего определяется рассеянием ПВИ на углы более 90°, а первый - прямым прохождением ПВИ через защиту и его рассеянием на малые углы. Следствием этого является условие В свою очередь, отсюда следует, что отношение остается постоянным при изменении Н, уменьшаясь от значений ξ_ФИ=ξ_{ФИ max}≈ξ_РИ малых Н, пока , до значений в той или иной степени приближающихся к при значительном удалении анализатора от контролируемого объекта, когда поток квантов РИ, попадающий на детектор, резко уменьшается и становится сравнимым с потоком квантов ФИ _з.

Последнее обстоятельство накладывает жесткие ограничения на геометрические условия проведения балансировки КР и контроля балансировки в процессе анализа. При использовании описываемого устройства эти операции во избежании ложных срабатываний могут производиться только в таких условиях, пока выполняется условие ξ_ФИ=ξ_{ФИ max}≈ξ_РИ, т.е. при облучении объекта на расстояниях Н, где Если же КР будут сбалансированы на расстояниях, где это условие не выполняется, то при уменьшении расстояния в сравнении с тем, на котором производилась балансировка, может привести к ложному срабатыванию анализатора. Очевидно также, что операция контроля балансировки также должна подчиняться данному требованию.

Из изложенного следует, что рассматриваемое устройство не может эффективно использоваться в условиях работы, когда возможен широкий диапазон неконтролируемых изменений расстояния Н между анализатором и объектом, особенно если затруднен или невозможен контроль балансировки КР на малых расстояниях между анализатором и объектом.

На практике такие условия реализуются, например, при конспиративном поиске золота, скрытого на теле человека, когда Н непосредственно в ходе поиска может изменяться от облучения объекта практически "в упор" до излучения ПВИ в "свободное пространство", поскольку поведение контролируемого человека является независимым относительно оператора. При этом отсутствует возможность проводить контроль балансировки КР, а также необходимую подбалансировку непосредственно по обследуемому объекту. Указанные операции могут проводиться лишь предварительно, что, естественно, снижает достоверность определений.

Целью заявляемого технического решения является обеспечение компенсации разбаланса скоростей счета импульсов ФИ по каналам регистрации анализатора, обусловленного прохождением первичного возбуждающего излучения через материал защитного контейнера на детектор.

Поставленная цель достигается путем установки на анализаторе в зоне облучения ПВИ мишени, облучаемая поверхность которой направлена в сторону детектора, при этом материал мишени выбран таким, чтобы импульсы, обусловленные его характеристическим рентгеновским излучением (ХИ _м) соответствовали полосе спектра KP1. ПВИ, облучая мишень, возбуждает в ней ХИ_м, которое попадает на детектор и, благодаря выбору материала мишени, импульсы, обусловленные им, регистрируются по KP1. Возможность реализации поставленной цели основывается на том, что каждая в отдельности являются постоянными и независимыми от Н величинами, а зависимой от Н является суперпозиция указанных величин, т.е. величина ξ_ФИ. Материалом мишени может быть выбран анализируемый химический элемент, однако если он является драгоценным или редким, то вместо него в мишени может быть использован любой элемент, ХИ_м которого регистрируется по KP1 и не регистрируется по КР2. Так при анализе на золото по К-серии его ХИ с применением сцинтилляционного детектора материалом мишени может быть любой доступный элемент (или его соединение), начиная с W(Z_м=74) и до Hg(Z _м=80). Пример схемы реализации заявляемого технического решения представлен на фиг.1, где 1 - защитный контейнер с источником ПВИ; 2 - коллиматор для выхода ПВИ в направлении контролируемого объекта; 3 - мишень; 4 - коллиматор для выхода ПВИ в направлении детектора; 5 - детектор излучения; 6, 7 - соответственно KP1 и КР2; 8 - схема сравнения. ПВИ возбуждает ХИ _м, которое попадает на детектор и регистрируется по KP1. Подбирая размер и поверхностную плотность мишени, а также геометрические условия облучения можно обеспечить реализацию условия скорость счета импульсов по KP1, обусловленная ХИ _м, и следовательно, обеспечить постоянство величины ξ_ФИ независимо от Н между анализатором и контролируемым объектом. Это обеспечивает возможность балансировки КР и контроля ее независимо от геометрических условий измерения и, в том числе, при отсутствии в зоне облучения контролируемого объекта.

Возможность практической реализации заявляемого технического решения была экспериментально проверена на макете флуоресцентного рентгенорадиометричеокого анализатора, предназначенного для конспиративного поиска золота на теле человека. Измерительный зонд анализатора, аналогичный представленному на фиг.1, содержит защитный контейнер 1 из сплава ВНМ 3-2 с толщиной защитного слоя по ходу луча ПВИ не менее 21 мм, что обеспечивает радиационную безопасность для оператора, носящего зонд в руках, и сцинтилляционный детектор 5 на основе ФЭУ-93 и монокристалла NaY(Tl) размером 30×2 мм. На контейнере устанавливается сменный конический коллиматор 2 с углом раскрыва ˜20°. Оси коллиматора и детектора параллельны. Расстояние между ними равно 60 мм. Источником ПВИ является изотоп Se⁷⁵.

На фиг.2 представлены аппаратурные спектры ФИ, полученные при облучении костнопарафинового фантома с расстояний Н=35 см (кривая 9), Н=90 см (кривая 10) и при излучении в "свободное пространство" (кривая 11) в отсутствии мишени (Н - в данном случае - расстояние между источником ПВИ и фантомом).

На этой фигуре представлен также спектр К-серии ХИ золота для оценки положения полосы регистрации KP1 (кривая 12). Из приведенных спектром ФИ видно, что с возрастанием Н в них увеличивается вклад высокоэнергетической компоненты, обусловленной ФИ_з. Представленные на фиг.3 зависимости ξ_ФИ=f(Н) показывают, что ξ_ФИ с возрастанием Н убывает. Кривые 13 и 14 показывают значения ξ_ФИ при отношениях между амплитудами полос регистрации КР2 и КР1, равным соответственно 1,2 и 1,5. Установка в пучке ПВИ мишени с соответствующим подбором размера и поверхностной ρ_М позволяет компенсировать возникающий разбаланс. Кривая 15 показывает вид зависимости ξ_ФИ=f(H) при установке в пучке ПВИ мишени из вольфрама площадью ˜0,5 см² и ρ_М˜0,1 г/см² (практически «прозрачной» для излучения изотопа Se ⁷⁵), для условий, соответствующих кривой 11. Кривая 15 показывает аналогичную зависимость при установке мишени из азотнокислой ртути площадью ˜0,2 см² и ρ_М˜0,15 г/см² для условий измерения, аналогичных кривой 12. Диаметр коллиматора 4 для выхода ХИ_м в направлении детектора был равен ˜2,5 мм.

Представленные результаты показывают, что использование заявляемого технического решения позволяет обеспечить компенсацию разбаланса скоростей счета по каналам регистрации анализатора, обусловленную прохождением на детектор сквозь стенки защитного контейнера первичного возбуждающего излучения, чем обеспечивается независимость величины отношения скоростей счета импульсов по каналам регистрации от расстояния между анализатором и объектом. Достоинством данного технического решения является также то, что поток квантов ХИ_м, компенсирующий разбаланс, также как РИ и ФИ_з определяется активностью источника ПВИ, и, следовательно, компенсация разбаланса не зависит от изменения активности источника ПВИ, связанного, например, с его распадом или заменой.

Достигнутый эффект позволяет осуществлять балансировку КР, а также контроль балансировки в отсутствии контролируемого объекта при излучении ПВИ в «свободное пространство». Благодаря этому, например, при поиске золота, скрытого на теле человека, расширяются возможности поиска, увеличиваются точность и надежность определений.

Формула изобретения

Флуоресцентный рентгенорадиометрический анализатор тяжелых химических элементов, содержащий источник первичного излучения, установленный в контейнере, детектор излучения, соединенный с регистратором с двумя каналами регистрации, присоединенных к схеме сравнения, первый из которых предназначен для регистрации импульсов в области спектра, соответствующей энергии К-скачка поглощения определяемого элемента, а второй - в области спектра более высоких энергий, отличающийся тем, что, с целью компенсации разбаланса скоростей счета по каналам регистрации, обусловленного прохождением на детекторе первичного излучения сквозь стенки защитного контейнера, в зоне облучения источником первичного излучения установлена мишень, обращенная облучаемой стороной к детектору, при этом материал мишени выбран таким, что энергия его характеристического излучения лежит в той же области спектра, что и энергия характеристического излучения анализируемого элемента, а размер и поверхностная плотность выбраны из условия выполнения соотношения:

где - скорости счета импульсов по первому и второму каналам регистрации соответственно, обусловленные первичным возбуждающим излучением, проходящим на детектор сквозь стенки защитного контейнера;

скорость счета импульсов по первому каналу регистрации, обусловленная характеристическим излучением мишени;

скорости счета импульсов по первому и второму каналам регистрации соответственно, обусловленные рассеянным контролируемым объектом излучения.

РИСУНКИ