Рентгенофлуоресцентная измерительная установка, использующая поляризованное возбуждающее излучение, и рентгеновская трубка

 

Использование в рентгенофлуоресцентных измерительных установках. Сущность: изобретение основано на использовании бериллия в качестве материала анода. Измерительная установка согласно изобретению предусматривает отфильтровывание слабо поляризованной части спектра, в результате чего оставшееся сильно поляризованное излучение может быть использовано в качестве возбуждающего излучения при рентгенофлуоресцентных измерениях. Технический результат: повышение эффективности источника поляризованного рентгеновского излучения, упрощение конструкции устройства. 3 с. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к рентгенофлуоресцентным измерительным установкам (или системам), и более конкретно, к способам получения поляризованного рентгеновского излучения.

Уровень техники Чувствительность измерений в рентгенофлуоресцентном анализе ограничивается фоновым излучением, которое испускается исследуемым образцом, или пробой. Основная часть фонового излучения является результатом попадания на приемник возбуждающего излучения, испущенного источником излучения и рассеянного на образце. При использовании широкополосного возбуждающего излучения возбуждающее излучение, рассеянное на образце, воспринимается как интенсивное фоновое излучение. Возбуждающее излучение включает в себя также излучение флуоресценции, исходящее от материалов используемой рентгеновской трубки; другие компоненты измерительной установки, такие как коллиматоры, также испускают флуоресцентное излучение. Вклад этих источников в фоновое излучение может быть уменьшен путем минимизации попадания на приемник возбуждающего излучения, рассеянного образцом, за счет использования поляризованного возбуждающего излучения, как это более подробно поясняется со ссылками на фиг.1а и 1b.

Когда рентгеновское излучение без предпочтительного направления поляризации рассеивается в среде, оно одновременно поляризуется. Поляризация рассеянного излучения варьирует по интенсивности и направлению в зависимости от угла рассеяния. Излучение, рассеянное под углом 90^o по отношению к падающему излучению, поляризуется в направлении, перпендикулярном плоскости, задаваемой направлениями падающего и рассеянного излучения. Часть излучения, поляризованная в других направлениях, практически полностью подавляется. Эта ситуация представлена на фиг. 1а. Источник 10 излучения испускает во всех направлениях поляризованное излучение, которое рассеивается рассеивающим объектом 20. Рассеяние естественно происходит в различных направлениях, однако настоящее рассмотрение относится только к излучению, рассеянному под углом 90^o. Излучение, рассеиваемое под прямым углом, в высокой степени поляризовано в направлении E_s перпендикулярно плоскости, задаваемой направлением падающего излучения и направлением рассеянного излучения. Часть Е_р падающего излучения, поляризованная параллельно указанной плоскости, в идеальном случае совсем не рассеивается под углом 90^o.

Поляризованность рассеянного излучения может быть использована в измерительной установке, например, как это показано на фиг.1b. На этой фигуре изображена установка, в которой поляризованное излучение, рассеянное рассеивающим объектом 20, направляется на образец 30, а излучение флуоресценции, возникающее под действием возбуждающего излучения, исследуется с помощью приемника 40. Типичная измерительная установка предусматривает также применение коллиматоров 50. Когда приемник расположен по отношению к образцу таким образом, что прямая линия, соединяющая приемник и образец, проходит перпендикулярно плоскости, задаваемой направлениями возбуждающего излучения, испускаемого источником 10 излучения, и излучения, рассеиваемого рассеивающим объектом 20, в идеальном случае рассеяние возбуждающего излучения на образце 30 в направлении приемника 40 полностью отсутствует. Это обусловлено тем обстоятельством, что образец 30 воспринимает только поляризованное возбуждающее излучение, рассеянное рассеивающим объектом 20 и поляризованное в направлении, параллельном плоскости, задаваемой рассеивающим объектом 20, образцом 30 и приемником 40. В соответствии с принципом, проиллюстрированным фиг. 1а, излучение, поляризованное в этом направлении, не присутствует в излучении, рассеиваемом на образце 30 в направлении приемника, т.е. в идеальном случае излучение, рассеянное на образце 30 в направлении приемника 40, полностью отсутствует. Благодаря этому прием излучения флуоресценции, испускаемого образцом, становится более чувствительным.

Одним из недостатков описанной схемы является ее низкая эффективность. Для того чтобы достичь как можно более высокой степени поляризации рассеянного излучения, угол рассеяния должен быть как можно более близок к прямому, т.е. каждый из коллиматоров должен выделять как можно более узкий пучок излучения. Однако сужение пучка излучения уменьшает его энергию. Это может быть компенсировано увеличением мощности источника 10 излучения, но такой путь приводит к быстрому возрастанию стоимости оборудования. Более детально способы, подобные представленному на фиг.1b, описаны, наприме, в статье Richard W. Ryon and John D. Zahrt, "Polarized Beam X-ray Fluorescence", Advances in X-ray Analysis, vol 38, pp. 491-515, 1994.

Базовая схема, представленная на фиг.1b, подвергалась различным модификациям, направленным на повышение эффективности. Одно из предложенных решений использует часть возбуждающего излучения, прошедшую через рассеивающий объект 20, которая направляется на вторичную мишень, где она возбуждает флуоресцентное излучение. Это флуоресцентное излучение рассеивается на рассеивающем объекте 20, увеличивая тем самым интенсивность поляризованного излучения, рассеиваемого в направлении образца. Подобные конструкции описаны, например, в публикации Igor Tolonnikoff, "Geometric considerations in EDXRF to increase fluorescence intensities and reduce background", Advances in X-ray Analysis, vol 35, p. 1009, 1992.

Вышеназванные публикации описывают также другие варианты геометрии рассеяния для получения поляризованного излучения, такие, например, как круговая геометрия. За счет использования рассеивающих объектов (рассеивателей) оказывается возможным обеспечить возбуждающее излучение с фактически непрерывным спектром. Все подобные решения, однако, имеют тот недостаток, что поскольку на исследуемый образец попадает только излучение, рассеянное в рассеивающей среде, внешней по отношению к источнику излучения, интенсивность этого излучения составляет только небольшую часть от интенсивности источника излучения.

Поляризованное излучение может быть также получено с помощью решетки, подобранной с учетом длины волны, т.е. с использованием брэгговской дифракции. При малых энергиях возможно применение ламинированных структур, размеры которых согласованы с длиной волны. При высоких энергиях решетка должна быть выполнена из кристаллического материала. Решения этого типа позволяют получить только излучение на одной длине волны, что ограничивает их возможные применения. Кроме того, они обладают тем же недостатком, что и решения, основанные на использовании рассеянного излучения, а именно низкой эффективностью, поскольку большая часть энергии, испускаемой источником, теряется.

Одним из отличных источников поляризованного рентгеновского излучения является синхротронное излучение. Синхротронное излучение является поляризованным по своей сути и имеет высокую интенсивность. Именно поэтому синхротронное излучение представляет собой почти идеальный источник возбуждающего излучения с точки зрения рентгенофлуоресцентных измерений. Однако синхротроны являются крайне громоздким и дорогим оборудованием, что составляет главное препятствие для их применения в коммерческих целях. Как следствие, они лучше всего подходят для проведения фундаментальных научных исследований.

Генерация рентгеновского излучения, как правило, осуществляется посредством рентгеновских трубок. Далее будет кратко описана базовая структура обычных рентгеновских трубок. Фиг.2а и 2b иллюстрируют два традиционных базовых типа рентгеновских трубок. Вариант, представленный на фиг.2а, типичен для использования массивного анода. Катод 110 рентгеновской трубки нагревается посредством нити накала, по которой проходит электрический ток I, и между катодом 110 и анодом 120 прикладывается высокое напряжение HV. Электроны, испускаемые катодом, ускоряются в электрическом поле между катодом и анодом и бомбардируют анод. В результате одного или нескольких соударений с атомами анода электроны теряют свою кинетическую энергию, порождая так называемое тормозное излучение. Электроны также служат для возбуждения атомов материала анода, причем в результате возврата возбужденных атомов в невозбужденное состояние испускается характеристическое рентгеновское излучение. Испускаемое рентгеновское излучение выводится из рентгеновской трубки через окно 130, предусмотренное в корпусе 140 трубки. Как правило, окно состоит из тонкой пленки какого-либо легкого металла, обычно бериллия, который имеет очень простой спектр, легко выделяемый из результатов измерений, выполненных с использованием излучения, генерируемого рентгеновской трубкой.

Базовая структура по фиг.2b предусматривает применение тонкого, так называемого пропускающего анода. В подобной структуре анод 120 функционирует также и как окно. В наиболее типичных вариантах анод состоит из тонкого слоя металла, нанесенного на материал-подложку, который служит в качестве действительного окна. Обычно материалом подложки для такого анода служит бериллиевая мембрана, на поверхности которой имеется тонкий слой более тяжелого металла, такого как скандий, который и служит действительным анодом.

Патентные публикации DD 264360 и DD 273332 описывают использование бериллия в качестве материала действительного анода. Задача, на решение которой направлены разработки, описанные в указанных публикациях, заключается в получении максимально простого рентгеновского спектра, поскольку применение в качестве анода более тяжелых металлов значительно усложняет спектр генерируемого излучения. Вторая задача, решаемая этими разработками, состоит в получении рентгеновской трубки простой конфигурации. Однако интенсивность рентгеновского излучения, испускаемого материалом анода, примерно пропорциональна квадрату атомного номера материала. Таким образом, недостатком подобных решений является их низкая эффективность, и в этом причина того, что бериллий обычно не используется в качестве материала анода. Как указывалось выше, в типичном случае в качестве материала анода выбирается более тяжелый металл, такой как скандий, обеспечивающий более высокую интенсивность.

Поляризованное излучение может быть также получено непосредственно с помощью рентгеновской трубки без внешнего поляризующего элемента. Излучение, генерируемое электроном при одиночном соударении, является поляризованным и, следовательно, при использовании очень тонкого анода испускается поляризованное тормозное излучение, поскольку большинство электронов испытывают только однократное соударение с атомами материала анода.

Спектр тормозного излучения, испускаемого массивными анодами, имеет большую интенсивность на низкоэнергетическом конце спектра. Излучение в этой части спектра, кроме того, поляризовано во всех направлениях, поскольку низкоэнергетическое тормозное излучение возникает в процессе постепенной потери электроном своей скорости в результате нескольких столкновений. В определенной степени поляризованное излучение наблюдается на высокоэнергетическом конце спектра, поскольку в этом случае излучение испускается электронами, теряющими большую часть своей кинетической энергии в результате единственного соударения. Однако доля поляризованного излучения резко сокращается по мере возрастания порядкового номера элемента, используемого в материале анода. В упомянутой статье Ryon and Zahrt в связи с этим отмечается, что получение поляризованного излучения с использованием рассеивающей среды на практике оказалось наиболее эффективным способом.

Поляризация рентгеновского излучения, достигаемая с использованием различных материалов, более подробно рассмотрена, например, в статье Paul Kirpatrik and Lucille Wiedmann, "Theoretical Continuos X-Ray Energy and Polarization", Physical Review 67 (1945), 321.

Сущность изобретения Задачей настоящего изобретения является создание источника поляризованного рентгеновского излучения, более простого, чем источники, выполненные по известной технологии. Вторая задача заключается в создании источника поляризованного рентгеновского излучения, который был бы более эффективным, чем известные источники, основанные на использовании рассеивающей среды. Еще одна задача изобретения состоит в создании рентгенофлуоресцентной измерительной установки и способа получения поляризованного рентгеновского излучения, более простых, чем известные аналогичные установки и способы.

Решение перечисленных задач достигнуто благодаря использованию бериллия в качестве материала анода рентгеновской трубки и фильтрации низкоэнергетической части спектра испускаемого рентгеновского излучения с сохранением сильно поляризованной высокоэнергетической части спектра, в высокой степени пригодной в качестве возбуждающего излучения. Применение такого источника поляризованного рентгеновского излучения позволяет создать простую рентгенофлуоресцентную измерительную установку, обладающую уменьшенными размерами и более низкой стоимостью.

Рентгенофлуоресцентная измерительная установка согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что для получения по меньшей мере частично поляризованного излучения по меньшей мере определенная часть анода рентгеновской трубки, используемой в этой установке, предназначенная для осуществления соударений с электронами, испускаемыми из катода указанной трубки, выполнена в основном из бериллия для получения по меньшей мере частично поляризованного излучения, а также тем, что установка дополнительно содержит фильтр для по меньшей мере частичного подавления слабо поляризованной части спектра указанного по меньшей мере частично поляризованного излучения.

Изобретение охватывает также рентгеновскую трубку, которая характеризуется тем, что для получения по меньшей мере частично поляризованного излучения по меньшей мере определенная часть ее анода, предназначенная для осуществления соударений с электронами, испускаемыми из катода, выполнена в основном из бериллия для получения по меньшей мере частично поляризованного излучения, а также тем, что трубка дополнительно содержит фильтр для по меньшей мере частичного подавления слабо поляризованной части спектра указанного по меньшей мере частично поляризованного излучения.

Изобретение охватывает также применение рентгеновской трубки, снабженной бериллиевым анодом, для получения поляризованного рентгеновского излучения. Изобретение основано на идее применения бериллия в качестве материала анода несмотря на его низкую эффективность. Часть спектра излучения, испускаемого бериллиевым анодом, более конкретно его высокоэнергетическая часть, состоит из поляризованного излучения. В установке согласно изобретению предусмотрено подавление низкоэнергетической части спектра путем фильтрации, в результате чего остающаяся интенсивно поляризованная высокоэнергетическая часть спектра может быть использована в качестве возбуждающего излучения при проведении рентгенофлуоресцентных измерений. Установка согласно настоящему изобретению способна обеспечить определенную интенсивность поляризованного рентгеновского излучения посредством рентгеновской трубки, менее мощной, чем в известных установках, основанных на применении рассеивающих сред.

Перечень фигур чертежей Настоящее изобретение будет подробнее описано ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: фиг.1а иллюстрирует поляризацию рентгеновского излучения при рассеянии; фиг.1b иллюстрирует рентгенофлуоресцентную измерительную установку, основанную на применении рассеивающей среды; фиг.2а иллюстрирует базовую структуру обычной рентгеновской трубки; фиг. 2b иллюстрирует еще одну базовую структуру обычной рентгеновской трубки; фиг.3 изображает рентгенофлуоресцентную измерительную установку согласно настоящему изобретению;
фиг. 4 иллюстрирует уровни поляризованного излучения в рентгенофлуоресцентной измерительной установке по фиг.3;
фиг. 5а изображает одну из конфигураций рентгеновской трубки согласно изобретению;
фиг. 5b изображает другую конфигурацию рентгеновской трубки согласно изобретению.

Аналогичные компоненты обозначены на чертежах одними и теми же цифровыми индексами.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг. 3 показана рентгенофлуоресцентная измерительная установка по настоящему изобретению. Рентгеновская трубка 210 снабжена анодом 120, выполненным из бериллия. В качестве альтернативы анод может быть также выполнен из какого-либо другого материала, но иметь поверхность, покрытую слоем бериллия. Электроны, покидающие катод 110 и ускоренные в поле высокого напряжения HV, соударяются с бериллием анода 120 с испусканием рентгеновского излучения. Это рентгеновское излучение выводится из рентгеновской трубки через окно 130, после чего посредством фильтра 200 происходит выделение определенной части этого излучения, относящейся к высокоэнергетической части спектра излучения. Эта определенная часть может, например, соответствовать 20% спектральной ширины полосы испускаемого спектра, соответствующей наибольшей энергии. Прошедшее через фильтр излучение проходит через коллиматор 50 и попадает на образец 30, в котором оно возбуждает излучение флуоресценции. Излучение, исходящее от образца 30, через второй коллиматор 30 направляется на приемник 40.

Фиг.4 поясняет действие этой установки подобно тому, как это было сделано на фиг.1. В излучении, испускаемом рентгеновской трубкой 210, снабженной бериллиевым анодом, присутствуют все направления поляризации, представленные на фиг.4 векторами Е_р и E_s. Однако, как это было пояснено выше, степень поляризации излучения, исходящего из подобной рентгеновской трубки, зависит от его энергии. Поэтому, если посредством фильтра 200 убрать из спектра излучения его низкоэнергетическую часть, остается только сильно поляризованная высокоэнергетическая часть спектра, направление поляризации которой соответствует Е_р. Если это поляризованное излучение попадает на образец 30, тогда как приемник установлен таким образом, что направление Е_р поляризации возбуждающего излучения совпадает с плоскостью, проходящей через рентгеновскую трубку 210, образец 30 и приемник 40, доля излучения, генерируемого рентгеновской трубкой, которая рассеивается в направлении приемника, минимальна. Следовательно, данная установка может быть использована для минимизации количества возбуждающего излучения, рассеиваемого непосредственно в направлении приемника, с целью более точного измерения излучения флуоресценции, испускаемого образцом 30.

В измерительной установке, представленной на фиг.3 и 4, возможна также установка одного или нескольких коллиматоров между рентгеновской трубкой 210 и фильтром 200.

Как уже было отмечено со ссылкой на фиг.3, анод 120 может быть снабжен корпусом, изготовленным не из бериллия, а из какого-либо другого материала, и соответствующая поверхность этого корпуса должна иметь покрытие в виде слоя бериллия. В диапазоне энергий, обычно используемых в рентгеновских трубках, длина торможения электрона в бериллии составляет несколько десятых миллиметра и, следовательно, толщина слоя бериллия также может не превышать нескольких десятых миллиметра.

Генерация поляризованного излучения может быть осуществлена также с применением рентгеновской трубки, снабженной пропускающим анодом. В этом варианте осуществления изобретения анод фактически состоит из бериллия и выполняет также функцию окна рентгеновской трубки.

Согласно одному из предпочтительных вариантов изобретения фильтр 200 составляет интегральную часть рентгеновской трубки 210. Фильтр 200 может быть прикреплен одним из известных методов, например, к корпусу рентгеновской трубки на соответствующем расстоянии от ее окна или же в контакте с окном. Материал фильтра подбирается в зависимости от характера исследуемого образца таким образом, чтобы флуоресцентное излучение, возникающее на нем, не попадало в исследуемый спектральный интервал. В качестве подходящих материалов можно назвать, например, титан, сталь и молибден.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения рентгеновская трубка, как это показано на фиг.5а, может вообще не иметь отдельного окна. Более того, не требуется и отдельный фильтр, если можно подобрать такой материал корпуса, что его фильтрующие свойства приемлемы для конкретного применения. В случае, если материал корпуса не способен полностью выполнить функции фильтра тормозного излучения, поверхность корпуса рентгеновской трубки, как это показано на фиг.5b, может быть покрыта одним или несколькими слоями 200' подходящего материала, обеспечивающего оптимальную фильтрацию.

Настоящее изобретение в принципе применимо ко всем рентгенофлуоресцентным измерительным установкам, но прежде всего в силу своей высокой чувствительности к измерению предельно малых концентраций тяжелых металлов. Использование изобретения позволяет достичь очень высокой чувствительности, например при проведении анализа по К-линиям золота может быть достигнут порог чувствительности ниже 10 м. д. Использование изобретения позволяет также осуществить анализ свинца с помощью L-линий даже при работе с живыми тканями. Это делает возможным анализировать накопления свинца в тканях человека, например в костях. Настоящее изобретение может быть также эффективно применено для анализа очень низких концентраций золота, платины, а также редкоземельных металлов, например при исследовании руд и минералов. Одним из важных и предпочтительных применений является также анализ тяжелых металлов, но не только в отношении биологических тканей, но и для целей экологии, например, водных массивов.

В качестве фильтра может быть использован любой известный фильтр аналогичного назначения.

Измерительная установка в соответствии с настоящим изобретением оказывается значительно более простой, чем известные установки этого типа. При ее использовании для получения поляризованного излучения не требуется применять отдельный рассеивающий компонент. Измерительная установка по изобретению превосходит известные по эффективности, поскольку в ней для генерации поляризованного излучения заданной мощности можно использовать менее мощную рентгеновскую трубку, чем в известных установках. По этим причинам измерительная установка согласно настоящему изобретению более компактна и имеет меньшую себестоимость, чем известные аналогичные рентгенофлуоресцентные измерительные установки, в которых применяется рентгеновское излучение.

Хотя настоящее изобретение было описано на примерах предпочтительных вариантов его осуществления, очевидно, что в форму и детали осуществления изобретения может быть внесено множество модификаций, не выходящих за границы изобретательского замысла, определяемого прилагаемой формулой изобретения.

Формула изобретения

1. Рентгенофлуоресцентная измерительная установка, содержащая рентгеновскую трубку для генерации возбуждающего излучения, снабженную катодом (110) и анодом (120), и приемник (40) для измерения излучения флуоресценции, испускаемого исследуемым образцом, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть анода (120) указанной рентгеновской трубки, предназначенная для осуществления соударений с электронами, испускаемыми из катода, выполнена, в основном, из бериллия для получения по меньшей мере частично поляризованного рентгеновского излучения и установка дополнительно содержит фильтр (200) для по меньшей мере частичного подавления слабо поляризованной части спектра указанного по меньшей мере частично поляризованного рентгеновского излучения.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что анод (120) указанной рентгеновской трубки полностью выполнен из бериллия.

3. Рентгеновская трубка для генерации поляризованного излучения, содержащая катод (110) и анод (120), установленные в корпусе (120), отличающаяся тем, что по меньшей мере часть анода (120) указанной рентгеновской трубки, которая предназначена для осуществления соударений с электронами, испускаемыми из катода (110), выполнена, в основном, из бериллия для получения по меньшей мере частично поляризованного излучения и она приспособлена для осуществления фильтрации генерируемого при этом рентгеновского излучения, с подавлением, по меньшей мере частичным, слабо поляризованной части спектра указанного по меньшей мере частично поляризованного рентгеновского излучения.

4. Рентгеновская трубка по п.3, отличающаяся тем, что ее анод (120) полностью выполнен из бериллия.

5. Рентгеновская трубка по п.3, отличающаяся тем, что корпус рентгеновской трубки приспособлен для осуществления фильтрации генерируемого рентгеновского излучения с подавлением, по меньшей мере частичным, слабо поляризованной части спектра указанного по меньшей мере частично поляризованного рентгеновского излучения.

6. Рентгеновская трубка по п.3, отличающаяся тем, что, дополнительно к корпусу она содержит по меньшей мере один слой (200, 200') фильтрующего материала.

7. Способ получения по меньшей мере частично поляризованного рентгеновского излучения за счет обеспечения соударений электронов, испускаемых катодом рентгеновской трубки, с анодом указанной рентгеновской трубки и испускания тормозного излучения, с последующим подавлением слабо поляризованной части результирующего рентгеновского излучения, отличающийся тем, что по меньшей мере часть анода указанной рентгеновской трубки, которая предназначена для осуществления соударений с электронами, испускаемыми из катода, выполнена, в основном, из бериллия для получения по меньшей мере частично поляризованного рентгеновского излучения и подавлением слабо поляризованной части результирующего рентгеновского излучения осуществляют посредством введения фильтра, приспособленного для по меньшей мере частичного подавления слабо поляризованной части спектра указанного по меньшей мере частично поляризованного рентгеновского излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5