Устройство для подводного рентгенофлуоресцентного анализа
Владельцы патента RU 2542642:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг РФ) (RU)
Использование: для автоматизированных подводных исследований состава водной среды и донных осадков. Сущность изобретения заключается в том, что рентгенофлуоресцентный анализатор содержит размещенные в изолированном корпусе источник первичного рентгеновского излучения, коллиматор, выполненный с обеспечением формирования коллимированного пучка первичного рентгеновского излучения в виде ленточного плоского пучка, и детектор флуоресцентного излучения пробы жидкости, которые установлены с обеспечением положения их оптических осей в одной плоскости, в качестве устройства забора пробы выбран плунжер, который одним концом выведен в канал ввода/вывода жидкости с обеспечением герметичности наружного прочного корпуса, при этом на поверхности плунжера выполнен плоский участок с насечками в виде канавок с плоскими стенками, которые параллельны между собой, а плунжер установлен с обеспечением ориентации насечек параллельно плоскости расположения оптических осей источника рентгеновского излучения, коллиматора и детектора флуоресцентного излучения, причем взаимное расположение коллиматора и плунжера выполнено с обеспечением угла полного внешнего отражения коллимированного пучка первичного рентгеновского излучения от плоского участка плунжера с насечками, а размеры плоского участка плунжера с насечками соизмеримы с размерами сечения коллимированного пучка первичного рентгеновского излучения. Технический результат: обеспечение возможности улучшения эксплуатационных характеристик устройства при проведении подводного рентгенофлуоресцентного анализа в реальном времени без подготовки пробы и в условиях переменных динамических нагрузок. 10 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области рентгенофлуоресцентного анализа вещества и предназначено для использования при автоматизированных подводных исследованиях состава водной среды и донных осадков.
Известны проблемы адекватного определения состава водной среды, особенно глубоководной, донных осадков и грунта акватории при заборе и транспортировке пробы на поверхность для последующего лабораторного исследования с использованием рентгенофлуоресцентного анализа, так как состав и концентрация химических веществ и соединений могут меняться за счет взмучивания и разбавления пробы в точках отбора при сбрасывании гравитационного пробоотборника или при вибро(гидро)ударном пробоотборе, что искажает результаты анализа /Knoth et al. On-line determination of heavy metals in marine deposites by X-ray spectrometry. in Third Intern. Conference on Ocean Enginer. And Marine Science, Dusseldorf, 1976/.
Известно использование устройства для рентгенофлуоресцентного анализа подводной среды до глубин 1000 м - флуориметра ECO FLNTU в комплексе с многофункциональным телеуправляемым подводным аппаратом модульного типа Falcon DR-1000. Отбор проб производился на заданной глубине, однако блок анализатора был размещен вне подводного аппарата, на поверхности, что ограничивало эксплуатационные характеристики устройства.
Известно использование портативного рентгенофлуоресцентного спектрометра с рентгеновской трубкой для химического анализа морских осадков in situ и поиска областей концентрации тяжелых металлов. Спектрометр установлен в камере вне корпуса автономного подводного аппарата с обеспечением безопасного крепления к нему /Breen J. et al. Analysis of Heavy Metals in Marine Sediment using a Portable X-ray Fluorescence Spectrometer Outboard an Autonomous Underwater Vehicle. Proceedings - OCEANS, 21-24 May 2012 - Yeosu/. Коллиматор устройства обеспечивает получение узкого пучка рентгеновского излучения, направляемого на пробу (образец), а по флуоресценции образца судят о наличии искомых химических элементов, причем регистрацию флуоресценции и архивирование данных можно производить непосредственно в устройстве или передавать на внешние устройства регистрации. Известное портативное устройство позволяет регистрировать большое количество химических элементов, обладает требуемой направленностью, однако высокий уровень фона снижает концентрационную чувствительность.
Известно устройство для рентгенофлуоресцентного анализа образцов жидкостей, преимущественно добываемых из устьев скважин при бурении, причем анализ производится в водной среде, без подготовки пробы, в реальном времени в автоматизированном режиме при удаленном управлении исследованиями /WO 2011/100437 (A3) «X-ray fluorescence analyzer», SCHLUMBERGER NORGE AS, NO/. Необходимость анализа химических и физических свойств образцов на глубине их добычи обусловлена их различием для многокомпонентных (многофазных) жидкостей (например, нефть) при разном давлении, что не дает возможности адекватно оценить стандартными лабораторными методами перспективы разведки и разработки областей бурения. Устройство включает прочный корпус, имеющий канал ввода и вывода анализируемой жидкости, расположенную в корпусе тест-камеру, жидкостный вход которой сопряжен с каналом ввода жидкости в корпус, установленный в тест-камере золотник с герметизируемой полостью переменного объема для размещения пробы жидкости, имеющий канал инжекции жидкости и подсоединенный, по крайней мере, к одному двигателю-актуатору для обеспечения перемещения относительно размещенного в корпусе рентгенофлуоресцентного анализатора при установке образца в нужное положение в соответствии с заданным режимом исследования образца жидкости. В устройстве предусмотрена система клапанов, регулирующих открытие/закрытие каналов подачи жидкости при измерениях, вывода образцов, сброса шлама и очистки каналов. Управление работой устройства производится с помощью микропроцессора, подключенного к рентгенофлуоресцентному анализатору, двигателям перемещения золотника, клапанам и приборам контроля параметров устройства, снабженного накопителем информации, который обеспечивает также визуализацию данных, Ethernet - связь с удаленным сервером и передачу на него данных. Благодаря перемещениям тест-камеры с пробой относительно рентгенофлуоресцентного анализатора можно регистрировать флуоресценцию от различных по площади фрагментов образца, с его разных сторон, что способствует информативности анализа. Аналогичным образом могут быть использованы актуаторы, подсоединенные к рентгенофлуоресцентному анализатору для его перемещения (продольно, по кругу) с целью поддержания постоянным расстояния между анализатором и образцом (примерно 0,5-1,0 мм в зависимости от типа анализатора).
Устройство способно надежно работать в статических условиях мониторинга скважин. Однако при выбранной методике анализа существенный вклад в излучение флуоресценции вносит фоновое излучение, что снижает концентрационную чувствительность, искажает количественные результаты анализа. Кроме того, в условиях переменных динамических нагрузок при исследованиях в акватории или при установке устройства на привязных и буксируемых подводных аппаратах возрастают требования к надежности и точности установки элементов конструкции, креплению механических устройств, обеспечению структурной целостности пробы в процессе измерений, что трудно выполнимо.
Известное устройство для рентгенофлуоресцентного анализа, включающее наружный прочный корпус, канал ввода/вывода жидкости, устройство забора пробы, актуатор перемещения устройства забора пробы, рентгенофлуоресцентный анализатор, а также программно-ориентированный блок управления, выбрано в качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения.
Задача изобретения состоит в улучшении эксплуатационных характеристик устройства при проведении подводного рентгенофлуоресцентного анализа in situ в реальном времени, без подготовки пробы и в условиях переменных динамических нагрузок при установке на подводных транспортных средствах за счет обеспечения условий полного внешнего отражения первичного рентгеновского излучения, действующего на пробу.
Задача решена тем, что в устройстве для рентгенофлуоресцентного анализа, включающем наружный прочный корпус, канал ввода/вывода жидкости, устройство забора пробы, актуатор перемещения устройства забора пробы, рентгенофлуоресцентный анализатор, а также программно-ориентированный блок управления, в соответствии с изобретением рентгенофлуоресцентный анализатор содержит размещенные в изолированном корпусе источник первичного рентгеновского излучения, коллиматор, выполненный с обеспечением формирования коллимированного пучка первичного рентгеновского излучения в виде ленточного плоского пучка, и детектор флуоресцентного излучения пробы жидкости, которые установлены с обеспечением положения их оптических осей в одной плоскости, в качестве устройства забора пробы выбран плунжер, который одним концом выведен в канал ввода/вывода жидкости с обеспечением герметичности прочного корпуса, при этом на поверхности плунжера выполнен плоский участок с насечками в виде канавок с плоскими стенками, которые параллельны между собой, а плунжер установлен с обеспечением ориентации насечек параллельно плоскости расположения оптических осей источника рентгеновского излучения, коллиматора и детектора флуоресцентного излучения, причем взаимное расположение коллиматора и плунжера выполнено с обеспечением угла полного внешнего отражения коллимированного пучка первичного рентгеновского излучения от плоского участка плунжера с насечками, а размеры плоского участка плунжера с насечками соизмеримы с размерами сечения коллимированного пучка первичного рентгеновского излучения,
Кроме того, источник рентгеновского излучения включает рентгеновскую трубку с анодом из родия Rh или молибдена Mo.
Кроме того, коллиматор первичного рентгеновского излучения содержит поликапиллярную полулинзу для формирования параллельного потока первичного рентгеновского излучения и оптически сопряженную с ней прямоугольную щель для формирования коллимированного ленточного плоского пучка рентгеновского излучения, установленную так, что ее продольная сторона параллельна оси плунжера.
Кроме того, поперечный размер сечения коллимированного пучка первичного рентгеновского излучения задают не более 8 мм × 2 мм.
Кроме того, в качестве энергодисперсионного детектора использован дрейфовый полупроводниковый детектор с электронной системой усиления и формирования сигналов.
Кроме того, детектор рентгенофлуоресцентного излучения установлен с обеспечением минимально возможного зазора h с плоским участком плунжера устройства забора пробы, определяемого соотношением h=D*φ, где D - высота прямоугольной щели коллиматора, φ - угол полного внешнего отражения рентгеновского излучения.
Кроме того, плунжер выполнен из материала с минимальным уровнем излучения флуоресценции, преимущественно, в области тяжелых элементов, например, из кварцевого стекла или фторопласта.
Кроме того, в качестве актуатора перемещения плунжера использован электропривод.
Кроме того, наружный прочный корпус герметизирован посредством гидравлического уплотнения по линии выхода плунжера в канал ввода/вывода пробы.
Кроме того, канал ввода/вывода жидкости укреплен на внешней стороне наружного прочного корпуса и снабжен на входе фильтром грубой очистки жидкости.
Кроме того, программно-ориентированный блок управления выполнен на базе персонального компьютера и снабжен программными средствами регистрации, архивирования и визуализации данных анализа, а также контроллером, средствами подключения к штатным системам подводной связи подводного транспортного средства-носителя и интерфейсом типа Ethernet.
Технический результат изобретения состоит в минимизации вклада фонового излучения и увеличения концентрационной чувствительности рентгенофлуоресцентного анализатора за счет возбуждения флуоресценции пробы жидкости в микроколичествах одновременно во многих насечках-канавках и увеличения потока флуоресцентного излучения пробы при многократных отражениях коллимированного пучка первичного рентгеновского излучения от стенок насечек-канавок при обеспечении условия полного внешнего отражения первичного рентгеновского излучения в пределах плоского участка на поверхности плунжера. Применение новой конструкции устройства забора пробы в виде плунжера с углубленными насечками на плоском участке его поверхности, а также рентгенооптической схемы с расположением источника рентгеновского излучения и детектора флуоресценции в области прямой видимости, а детектора флуоресценции - на минимальном расстоянии от пробы - обеспечивает миниатюризацию устройства и упрощает конструкцию по сравнению с устройствами-аналогами.
Известны рентгенофлуоресцентные анализаторы с полным внешним отражением первичного излучения, падающего на образец под углом порядка долей градуса, что позволяет получить количественные результаты для большого числа химических элементов, не требуя сложной подготовки пробы, так как анализу подвергаются ее приповерхностные области /RU 2135981, RU 2158918, DE 2911596 и др./, что обеспечивает снижение влияния фона и повышение чувствительности анализа. Однако известные устройства работают только с подготовленными образцами, которые высушены и размещены на держателе, максимальная толщина образцов составляет доли мм, что невыполнимо и неприемлемо при анализе состава морской среды in situ в реальном времени. Применение рентгенофлуоресцентного анализатора с полным внешним отражением для подводных исследований ранее не известно.
Сущность изобретения поясняют фиг.1-3, на которых представлены:⁄····
Фиг.1 - блок-схема устройства; фиг.2 - рентгенооптическая схема устройства; фиг.3 - результаты рентгенофлуоресцентного анализа пробы морской воды с использованием макета заявляемого устройства.
Устройство содержит (фиг.1) наружный прочный корпус (1), к которому снаружи присоединен канал ввода/вывода жидкости (2) с фильтром грубой очистки на входе, препятствующим попаданию в канал грубых фракций породы, водорослей и т.п (например, из мелкоячеистой сетки). В канал ввода/вывода жидкости (2) через гидравлическое уплотнение (3), например уплотнительную манжету (сальник), выведено одним концом устройство забора пробы (4), выполненное в виде плунжера (далее - плунжер (4). Плунжер (4) соединен с актуатором его перемещения (5), например, электродвигателем, обеспечивающим поступательно-возвратное движение плунжера (4) для забора пробы жидкости при продвижении в канал ввода/вывода жидкости (2) и его возвратное перемещение в камеру измерений (6), образованную герметизированным (за счет установки гидравлического уплотнения (3) по линии выхода плунжера (4)) прочным корпусом (1). Актуатор перемещения плунжера (5) подключен к программно-ориентированному блоку управления (7). В прочном корпусе (1) размещены и укреплены на его стенке рентгенофлуоресцентный анализатор (8), который содержит источник рентгеновского излучения (ИРИ) (9) на основе малогабаритной рентгеновской трубки, подключенной к программно-ориентированному блоку управления (7), оптически сопряженный с ИРИ (9) коллиматор рентгеновского излучения (10), и детектор флуоресценции (11), также подключенный к блоку управления (7).
Рентгенооптическая схема устройства представлена на фиг.2. Первичное рентгеновское излучение от ИРИ (9), представляющее собой расходящийся пучок рентгеновского излучения, преобразуется известным образом в параллельный пучок с помощью поликапиллярной полулинзы (12) с последующим ограничением параллельного пучка в пучок нужного поперечного сечения с помощью коллимирующей прямоугольной щели (13). Опытным путем установлено, что максимальный размер поперечного сечения коллимированного пучка может составлять 8 мм × 2 мм при выполнении требования миниатюризации устройства. Рентгенооптическая схема для регистрации заданного набора химических элементов может быть оптимизирована выбором типа рентгеновской трубки (ИРИ) с определенным анодом, например анодом из родия Rh или молибдена Mo, для регистрации тяжелых химических элементов при облучении пробы квантами излучения заданной энергии. Прямоугольная щель (13) ориентирована своей продольной стороной параллельно оси плунжера (4), что обеспечивает одинаковую интенсивность облучения пробы коллимированным пучком первичного рентгеновского излучения в пределах облучаемого участка поверхности плунжера (4).
Плунжер (4) представляет собой цилиндр, на полированной поверхности которого выполнен плоский участок (14) с насечками (15) в виде канавок с плоскими стенками, которые параллельны между собой и ориентированы поперек оси плунжера (4) и вдоль оси коллимированного пучка рентгеновского излучения, т.е. параллельно плоскости расположения оптических осей ИРИ (9) и коллиматора (10). Глубина и ширина канавок, а также расстояние между ними составляет доли мм, что многократно превышает длины волн рентгеновского излучения порядка нескольких десятков Å. В таких канавках рентгеновский квант испытывает многократное отражение от стенок, в отличие от однократного полного внешнего отражения от плоской поверхности. При выдвижении плунжера (4) в канал ввода/вывода жидкости (2) и выхода в него плоского участка плунжера (14) насечки (15) заполняются забортной водой, которая является анализируемой пробой при возврате плоского участка (14) в пределы камеры измерения (6). Для проведения измерений программно-управляемый актуатор (5) устанавливает плунжер (4) в заданное положение, при котором плоский участок его поверхности (14) расположен против прямоугольной щели коллиматора (13).
Для выполнения условия полного внешнего отражения поверхность всей пробы должна располагаться под одним углом к падающему первичному излучению, что обеспечивается выполнением на поверхности плунжера (4) плоского участка с параллельными насечками (канавками), ориентированными вдоль падающего рентгеновского пучка. При этом и дно насечек (15), и их боковые стенки выполнены полированными и расположены под одним углом к падающему излучению, а эффективная площадь отражения и, следовательно, величина регистрируемого флуоресцентного излучения увеличивается в несколько раз за счет полного внешнего отражения от боковых стенок насечек, обусловленного реально небольшой расходимостью коллимированного пучка первичного рентгеновского излучения. Поперечный размер и глубина насечек составляет доли миллиметра, поэтому наличие в них воды не влияет на угол полного внешнего отражения от материала плунжера.
ИРИ (9) и коллиматор (10) установлены в фиксированной позиции таким образом, что коллимированный пучок первичного рентгеновского излучения в виде ленточного плоского пучка падает на плоский участок поверхности плунжера (14) под малым углом (порядка долей градуса), обеспечивающим полное внешнее отражение от него и стенок насечек (15). Попадая на пробу в насечках (15), рентгеновские кванты возбуждают флуоресценцию химических элементов в составе пробы, многократно усиленную за счет кратных отражений рентгеновских квантов от стенок насечек-канавок (15) аналогично распространению рентгеновского излучения в рентгеноводе. Размеры плоского участка плунжера (14) с насечками (15) соизмеримы с размерами сечения коллимированного пучка первичного рентгеновского излучения, поэтому выполняется условие полного внешнего отражения коллимированного пучка первичного рентгеновского излучения в пределах всего плоского участка плунжера (14), включая насечки (15) с пробой. Как установлено в опыте, выполнение насечек (15) в пределах плоского участка размером около (8 мм × 2 мм) обеспечивает регистрацию потока флуоресцентного излучения пробы, величина которого позволяет надежно анализировать ее состав.
Флуоресцентное излучение регистрируется детектором флуоресценции (11), установленным на минимально возможном расстоянии h от плоского участка поверхности плунжера (14) с канавками (15), определяемом из соотношения h=D*φ, где D - высота прямоугольной щели коллиматора (13), φ - угол полного внешнего отражения рентгеновского излучения, если оптическая ось детектора ортогональна плоскому участку поверхности плунжера (14). При такой установке детектора (11) исключается его засветка падающим коллимированным пучком рентгеновского излучения. Поскольку флуоресцентное излучение изотропно, детектор флуоресценции (11) отбирает только ту часть излучения, которая попадает в телесный угол детектирования. Детектор флуоресценции (11), в качестве которого использован дрейфовый Si-полупроводниковый детектор с электронной системой усиления и формирования сигналов и с электроохлаждением элементами Пельтье, соединен через АЦП с программно-ориентированным блоком управления (7), в который входит блок обработки спектра флуоресценции с многоканальным анализатором (на фиг.1 не показаны). Флуоресценция, возбужденная в пробе, регистрируется энергодисперсионным детектором флуоресценции (11) в форме зависимости принимаемого потока флуоресцентного излучения от энергии падающего излучения. Для исключения вклада материала плунжера (4) в регистрируемый поток флуоресцентного излучения его изготавливают из материала с минимальным уровнем излучения флуоресценции, преимущественно, в области тяжелых элементов, например, из кварцевого стекла или фторопласта. Для защиты энергодисперсионного детектора флуоресценции (11) от агрессивного влияния морской воды он снабжен рентгеновским окном, в качестве которого используют бериллиевую пленку (толщиной до 8 мкм) или полиимидную пленку (толщиной до 10 мкм).
При выдвижении плоского участка плунжера (14) в канал ввода/вывода жидкости (2) происходит отмывание канавок насечек (15) от предыдущей пробы за счет диффузии и выравнивания парциальных концентраций компонент пробы с внешней средой.
Программно-ориентированный блок управления (7) обеспечивает подачу электропитания на все функциональные системы устройства и может быть подключен к автономным источникам электропитания, например аккумуляторам, или штатным системам электропитания транспортного средства-носителя. Программно-управляемый блок управления (7) на базе персонального компьютера включает многоканальный анализатор спектра - импульсный процессор для накопления и обработки сигналов (количество каналов 4096, диапазон регистрации 50 кэВ) с управляющим процессором и процессором передачи данных. Блок (7) снабжен программными средствами регистрации, архивирования и визуализации данных анализа и может быть известным образом - через ввод в прочный корпус (1) (на фиг.1 не показан) - подключен к штатным системам подводного транспортного средства-носителя для передачи данных в реальном времени. Автоматизированный режим измерений реализуется посредством одного или нескольких контроллеров, в частности, универсальных, которые могут иметь внешние интерфейсы для соединения в системы сбора и передачи данных (с подводных исследовательских устройств), например интерфейс RS-485 (обмен данными между несколькими устройствами по одной двухпроводной линии связи, для соединения контроллеров и другого оборудования). Компьютер в составе блока управления (7) может обеспечивать беспроводную связь с контроллером посредством интерфейса RS232. Программно-ориентированный блок управления (7) производит прием внешнего управляющего сигнала (команды), выбирает канал для передачи команды и при установлении соединения передает команду на включение/отключение высоковольтного питания рентгеновской трубки и управление напряжением и током рентгеновской трубки, питание предусилителя детектора и аналого-цифрового преобразователя детектора в составе рентгенофлуоресцентного анализатора (8) и включение/выключение актуатора (5) для перемещения плунжера (4), включение/отключение многоканального анализатора спектра, контролирует установленное соединение, передает ответ об установлении соединений и данные наблюдений в реальном времени на удаленные объекты и получает от них команды управления посредством интерфейса типа Ethernet при наличии кабельной (оптоволоконной) связи устройства с плавучими средствами типа буев. Подобные средства управления и связи в режиме удаленного доступа известны и широко применяются при подводных исследованиях (например, US 4434364).
Устройство в сборе, выполненное в прочном (например, титановом) корпусе как погружной модуль и установленное на платформе, используют в режиме удаленного доступа под контролем программно-ориентированного блока управления (7) следующим образом. Включают устройство по внешней команде на блок управления (7), проводят диагностику узлов системы по командам контроллера в составе программно-ориентированного блока управления (7). В исходном положении плунжер (4) не содержит пробы жидкости в насечках (15). Включают актуатор (5) и выдвигают плунжер в канал ввода/вывода жидкости (2) до выхода в него плоского участка плунжера (14) и заполнения жидкостью насечек (15) для забора пробы. По команде актуатор (5) перемещает плунжер (4) обратно в камеру измерений (6), позиционирует его в заданное положение, в котором плоский участок плунжера (14) устанавливается против щели коллиматора (13), после чего актуатор (5) отключается. Включают рентгенофлуоресцентный анализатор (8), подавая питание на ИРИ (9) и детектор флуоресценции (11). Регистрируют спектр флуоресценции пробы и производят анализ содержания основных химических элементов в пробе, как описано выше. Производят передачу данных по каналам связи, подзаряжают аккумуляторы, после выполнения программы исследования устройство отключается.
Для исследования эффективности использования рентгенофлуоресцентного анализатора с полным внешним отражением первичного рентгеновского излучения при исследовании морской воды создан макет заявляемого устройства. Анализировали образцы морской воды, отобранные в акватории Эгейского моря (о-в Кос, Греция), загрязненные примесью токсичного химического элемента, в качестве которого использовали растворы ртути Hg в концентрациях 5 ppm, 10 ppm и 100 ppm.
В качестве ИРИ выбрали рентгеновскую трубку с анодом из молибдена Мо, измерения проводили при напряжении на рентгеновской трубке 40 кВ и анодном токе 100 мкА; размеры сечения коллимированного пучка первичного рентгеновского излучения составили 8 мм × 2 мм; в качестве устройства забора пробы выбрали плунжер в виде цилиндра из кварцевого стекла, в средней части которого выполнили путем шлифования плоскую площадку, на которой алмазной фрезой выполнили параллельные насечки (канавки) в пределах участка 8 мм × 2 мм, покрываемого коллимированным рентгеновским пучком. В качестве гидравлического уплотнения использовали манжетное уплотнение из вакуумной резины. В качестве актуатора, обеспечивающего высокую нагрузку при глубоководном погружении устройства (до 700 м), использовали модель фирмы Thomas Electrak PPA-DC с нагрузкой до 6670 Н с энкодером и концевыми выключателями (рабочее напряжение 24 В, потребляемый ток до 12 А), имеющую высокую точность позиционирования, удобную систему крепления и набор различных дополнительных опций. В качестве детектора флуоресцентного излучения использовали полупроводниковый энергодисперсионный дрейфовый (SDD) детектор, разрешающая способность которого по энергии составилане менее 155 эВ на Кα-линии марганца Mn при загрузке до 5000 имп/с, скорость счета детектора не менее 50000 имп/с. Окно детектора выполнено из пленки бериллия Be толщиной 8 мкм, площадь окна порядка 25 мм2. Для электропитания устройства использовали LiFePO4-аккумулятор емкостью 16 А·ч.
Провели первую серию измерений (при разных концентрациях ртути) в течение 100 с, без применения фильтрации первичного излучения и с применением фильтрации первичного излучения медным (40 мкм) и циркониевым (50 мкм) фильтрами. Спектры флуоресценции пробы морской воды с раствором ртути при разных концентрациях представлены на фиг.3. Отдельные спектры на фиг.3 совмещены, что показало воспроизводимость спектров флуоресценции пробы морской воды, на которых отчетливо видны пики интенсивности, соответствующие линиям натрия, меди, цинка, золота, брома, совпадающие во всей серии измерений. Результаты исследования показали также, что в наличие ртути Hg в пробе отчетливо видно лишь в случае раствора с концентрацией 100 ppm.
Провели вторую серию измерений по исследованию влияния времени экспозиции пробы на концентрационную чувствительность устройства. Увеличили длительность экспозиции со 100 секунд до 600 секунд. Увеличение времени экспозиции позволило определить содержание ртути Hg (по линии Hg Lα) в морской воде уже на уровне 10 ppm как с использованием фильтров (медь Cu толщиной 40 мкм и цирконий Zr толщиной 50 мкм), так и без фильтра (сравнительные результаты исследования приведены в таблицах 1, 2).
| Таблица 1 | ||
| Значения пределов обнаружения Hg, ppm (время анализа 100 с) | ||
| HgLα (100 ppm, без фильтра) | HgLα (100 ppm, фильтрация Cu 40 мкм) | HgLα (100 ppm, фильтрация Zr 50 мкм) |
| 9.5 | 5.64 | 7.61 |
| Таблица 2 | ||
| Значения пределов обнаружения Hg, ppm (время анализа 600 с) | ||
| HgLα (10 ppm, без фильтра) | HgLα (10 ppm, фильтрация Cu 40 мкм) | HgLα (10 ppm, фильтрация Zr 50 мкм) |
| 5.88 | 3.19 | 4.37 |
Проведенные исследования доказали возможность эффективного использования заявляемого устройства в портативном модульном исполнении для качественного анализа водной среды при мониторинге или отдельных исследованиях акваторий.
1. Устройство для рентгенофлуоресцентного анализа, включающее наружный прочный корпус, канал ввода/вывода жидкости, устройство забора пробы, актуатор перемещения устройства забора пробы, рентгенофлуоресцентный анализатор, а также программно-ориентированный блок управления, отличающееся тем, что рентгенофлуоресцентный анализатор содержит размещенные в изолированном корпусе источник первичного рентгеновского излучения, коллиматор, выполненный с обеспечением формирования коллимированного пучка первичного рентгеновского излучения в виде ленточного плоского пучка, и детектор флуоресцентного излучения пробы жидкости, которые установлены с обеспечением положения их оптических осей в одной плоскости, в качестве устройства забора пробы выбран плунжер, который одним концом выведен в канал ввода/вывода жидкости с обеспечением герметичности наружного прочного корпуса, при этом на поверхности плунжера выполнен плоский участок с насечками в виде канавок с плоскими стенками, которые параллельны между собой, а плунжер установлен с обеспечением ориентации насечек параллельно плоскости расположения оптических осей источника рентгеновского излучения, коллиматора и детектора флуоресцентного излучения, причем взаимное расположение коллиматора и плунжера выполнено с обеспечением угла полного внешнего отражения коллимированного пучка первичного рентгеновского излучения от плоского участка плунжера с насечками, а размеры плоского участка плунжера с насечками соизмеримы с размерами сечения коллимированного пучка первичного рентгеновского излучения.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник рентгеновского излучения включает рентгеновскую трубку с анодом из родия Rh или молибдена Mo.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коллиматор первичного рентгеновского излучения содержит поликапиллярную полулинзу для формирования параллельного потока первичного рентгеновского излучения и оптически сопряженную с ней прямоугольную щель для формирования коллимированного ленточного плоского пучка рентгеновского излучения, которая установлена так, что ее продольная сторона параллельна оси плунжера.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поперечный размер сечения коллимированного пучка первичного рентгеновского излучения выбран 8 мм × 2 мм.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве энергодисперсионного детектора использован дрейфовый полупроводниковый детектор с электронной системой усиления и формирования сигналов.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что детектор рентгенофлуоресцентного излучения установлен с обеспечением минимально возможного зазора h с плоским участком плунжера устройства забора пробы, определяемого соотношением h = D*φ, где D - высота прямоугольной щели коллиматора, φ - угол полного внешнего отражения коллимированного пучка рентгеновского излучения.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плунжер выполнен из материала с минимальным уровнем излучения флуоресценции, преимущественно в области тяжелых элементов, например из кварцевого стекла или фторопласта.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве актуатора перемещения плунжера использован электропривод.
9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наружный прочный корпус герметизирован посредством гидравлического уплотнения по линии выхода плунжера в канал ввода/вывода пробы.
10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что канал ввода/вывода жидкости укреплен на внешней стороне наружного прочного корпуса и снабжен на входе фильтром грубой очистки жидкости.
11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что программно-ориентированный блок управления снабжен средствами регистрации, архивирования и визуализации данных анализа, а также средствами подключения к штатным системам подводной связи подводного транспортного средства-носителя и интерфейсом типа Ethernet.
