Многоканальный рентгеновский анализатор



Многоканальный рентгеновский анализатор
Многоканальный рентгеновский анализатор
Многоканальный рентгеновский анализатор
Многоканальный рентгеновский анализатор
Многоканальный рентгеновский анализатор

 


Владельцы патента RU 2615711:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геологический институт Сибирского отделения Российской академии наук (ГИН СО РАН) (RU)
Жалсараев Батоболот Жалсараевич (RU)

Использование: для рентгеноспектрального анализа. Сущность изобретения заключается в том, что многоканальный рентгеновский анализатор содержит источник рентгеновского или гамма-излучения, коллиматор и фильтр первичного пучка, держатель образца и аналитические каналы, включающие коллиматоры и фильтры вторичных пучков, устройство детектирования с расположенными в ряд детекторами и регистрирующую аппаратуру, подключенную к выходам детекторов, при этом использован источник излучения или рентгеновская трубка с выходом пучка с ее торца, источник или его фокус расположен на окружности в плоскости оси источника или пучка электронов (в аксиальной плоскости), держатель образца выполнен с возможностью установки образца с плоской или вогнутой рабочей поверхностью на упомянутой окружности канала, детекторы или выходные отверстия коллиматора вторичного пучка расположены на линии, проходящей через диаметрально противоположную источнику точку окружности перпендикулярно каналу, кроме того, аналитические каналы расположены аксиально вокруг источника излучения и содержат отдельные держатели образца, а в коллиматоре первичного пучка выполнены отверстия, направленные на держатели образцов. Технический результат: обеспечение возможности повышения производительности анализа и эффективности использования источника, а также обеспечение оптимальных условий анализа широкого круга элементов, в том числе наиболее тяжелых элементов от тория и выше. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к спектрометрам и анализаторам для рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) состава веществ.

Известны рентгеновские анализаторы, содержащие источник излучения и полупроводниковый детектор (ППД) (Бахтиаров А.В. Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ в геологии и геохимии. - Л.: Недра, 1985).

Недостатком анализатора с ППД является то, что производительность и скорости счета в анализаторах с одним ППД ограничены. У детекторов из германия и теллурида кадмия велики пики вылета при регистрации излучения с энергией выше скачков поглощения. Детекторы из кремния, в том числе дрейфовые детекторы типа SDD, малоэффективны при регистрации излучения с энергией выше 20-30 кэВ. Разные типы ППД оптимальны в ограниченных диапазонах энергии. Для анализа разных групп элементов часто приходится повторять анализы с разными фильтрами и прочими условиями.

За прототип принят рентгеновский анализатор, содержащий источник рентгеновского излучения, коллиматор и фильтр первичного пучка, держатель образца, два аналитических канала с коллиматорами и фильтрами вторичного излучения, устройства детектирования с расположенными в ряд детекторами и регистрирующую аппаратуру, подключенную к выходам детекторов (М.Е.А. Robertson. US patent №5020084, 1991).

Использовали до 12 детекторов из особо чистого германия (ОЧГ). Аналитические каналы установлены под углами около 90° к первичному пучку.

Недостатком прототипа является то, что эффективность использования мощного источника излучения мала из-за ограниченной апертуры первичного пучка. Кроме того, при регистрации излучения под углом 90° пик или максимум рассеянного тормозного излучения совпадает с Kα-линиями тория и урана и снижает чувствительность анализа этих элементов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение производительности анализов и эффективности использования источника, обеспечение возможности одновременного анализа широкого круга элементов в оптимальных условиях, в том числе анализа с повышенной чувствительностью наиболее тяжелых элементов от тория и выше.

Для достижения указанного технического результата в многоканальном рентгеновском анализаторе, содержащем источник рентгеновского или гамма-излучения, коллиматор и фильтр первичного пучка, держатель образца и аналитические каналы, включающие коллиматоры и фильтры вторичных пучков, устройство детектирования с расположенными в ряд детекторами и регистрирующую аппаратуру, подключенную к выходам детекторов, согласно изобретению использован источник излучения или рентгеновская трубка с выходом пучка с ее торца, источник или его фокус расположен на окружности в плоскости оси источника или пучка электронов (в аксиальной плоскости), держатель образца выполнен с возможностью установки образца с плоской или вогнутой рабочей поверхностью на упомянутой окружности канала, детекторы или выходные отверстия коллиматора вторичного пучка расположены на линии, проходящей через диаметрально противоположную источнику точку окружности перпендикулярно каналу, кроме того, аналитические каналы расположены аксиально вокруг источника излучения и содержат отдельные держатели образца, а в коллиматоре первичного пучка выполнены отверстия, направленные на держатели образцов.

Коллиматор вторичного пучка выполнен с щелями между стенками или пластинами в аксиальных плоскостях.

Один или два расположенных по разные стороны источника канала выполнены с возможностью установки сменного коллиматора с отверстиями, направленными под углом рассеяния выше 140° от позиции образца за источником на детекторы канала с этим сменным коллиматором.

Анализатор схематически представлен на чертежах:

фиг. 1 - схема в аксиальной плоскости, проходящей по оси источника;

фиг. 2 - вид сверху вдоль оси источника;

фиг. 3 - схема анализа тория-урана в аксиальной плоскости;

фиг. 4 - сечение вторичного пучка в виде сверху при анализе тория-урана.

Многоканальный рентгеновский анализатор содержит в качестве источника 1 излучения рентгеновскую трубку с выходом широкого панорамного пучка с ее торца или изотопные и другие источники гамма-излучения, коллиматор 2 и фильтры 3 первичного пучка, держатели 4 образца (фиг. 1) и аналитические каналы, например каналы 6-9 (фиг. 2).

Аналитический канал содержит коллиматор 10 и фильтр 11 вторичного пучка, устройство 12 детектирования с расположенными в ряд детекторами 13 и регистрирующую аппаратуру 14, подключенную к выходам детекторов.

Источник 1 или его фокус F1 расположен на окружности в плоскости оси FF1 источника или пучка е- электронов (в аксиальной плоскости).

Держатель 4 образца выполнен с возможностью установки образца 5 с плоской или вогнутой рабочей поверхностью на упомянутой окружности канала. Детекторы 13 или выходные отверстия 15 коллиматора 10 вторичного пучка расположены на линии, проходящей через диаметрально противоположную фокусу F1 источника точку F2 окружности перпендикулярно каналу.

Кроме того, аналитические каналы расположены аксиально вокруг источника излучения и содержат отдельные держатели 4 образца, а в коллиматоре 2 первичного пучка выполнены отверстия, направленные на держатели образцов.

Коллиматор 10 вторичного пучка можно выполнить с щелями, образованными стенками или пластинами 16 в аксиальных (пересекающихся на оси источника) плоскостях (фиг. 2).

Один или два расположенных по разные стороны от источника канала (например, каналы 6 и 8) выполнены с возможностью установки сменных коллиматоров 17 с отверстиями, направленными под углом рассеяния θs выше 140° от позиции образца за источником на детекторы канала с этим сменным коллиматором (фиг. 3).

Коллиматор 2 первичных пучков или отдельную от этого коллиматора перегородку можно выполнить с отверстием 18 на одной линии с отверстиями коллиматоров 17 (фиг. 1-3). Для перекрытия отверстия 18 при независимой работе каналов можно ввести заслонку 19.

Не показаны узлы смены проб и фильтров и другие детали.

Фильтры подбирают в зависимости от мощности источника и от того, какие элементы необходимо определять с минимальными порогами.

Можно использовать коллиматоры 10 на 90° с одним или 2-3 щелями и углами между пластинами 16 от 5 до 15°.

Коллиматор 17 для анализа тория-урана выполнен без разделительных пластин (фиг. 4), так как при больших расстояниях от образца до детектора отклонения от аксиальной плоскости малы, к тому же под большими углами рассеяния поляризация не играет существенной роли в подавлении фона.

Образец или точку F3 можно сместить к точкам F1 или F2, или же наклонить диаметр F1F2. При одинаковых радиусах каналов и расположении точек F2 на одном уровне с точкой F1 угол θs составляет около 154° (фиг. 3).

Образец 5 можно засыпать в кювету 20. Несыпучие образцы можно установить в держатель 4 без использования кювет 20.

Для анализа относительно легких элементов схему можно перевернуть. При этом кюветы с плоским или слегка выпуклым днищем располагают внизу окружности каналов и пуансоном формуют поверхность образца.

Многоканальный анализатор работает следующим образом.

Образцы засыпают в кювету или форму, уплотняют или формуют, облучают и по спектру излучения судят о содержании элементов. Расчет концентраций производят известными методами.

Анализатор работает в автоматическом режиме.

При выполнении анализатора можно выбрать радиус R1 окружности канала 3-10 см и диаметр образа 3-7 см. Радиус R2 вогнутой поверхности образца или кюветы можно выбрать в 1,5-2 раза больше радиуса R1. Предпочтительны детекторы, способные работать при загрузках выше 105 имп/с, и рентгеновские трубки на 1-3 кВт и выше. В экономичных вариантах ограниченной производительности можно использовать трубки мощностью 1 кВт и менее и каналы с малым (1-4) числом детекторов. В компактных вариантах можно использовать изотопные источники Со57, Am241, Cd109 и др.

При верхнем расположении образца используют кюветы с слегка вогнутым днищем из пластика или алюминия толщиной 0,2-0,5 мм.

Многоканальный анализатор на базе мощного источника можно выполнить с разными каналами и детекторами, оптимальными для анализа разных групп элементов.

В каналах анализа тяжелых элементов с атомными номерами Z выше 56-60 можно установить 4-12 ОЧГ-детекторов толщиной 3-5 мм или CdTe-детекторы толщиной 1,5-2 мм. Тяжелые элементы определяют при ускоряющем напряжении 125-150 кВ. При этом фильтр 2 из олова толщиной 4-5,5 мм формирует спектр первичного пучка с максимумом в районе 115-120 кэВ.

Для анализа элементов с Z меньше 58-60 можно предусмотреть канал с Si(Li)-детекторами толщиной 3-5 мм. У кремниевых детекторов меньше пики утечки и спектры чище. Для анализа элементов с Z меньше 43-47 возможен канал с кремниевыми дрейфовыми детекторами типа SDD.

Для анализа элементов легче висмута используют коллиматоры 10 на 90° и фильтр 15 вторичного пучка из веществ с краем поглощения выше энергии линии тех элементов, которые необходимо определить с минимальными порогами, но меньшей энергии мешающих элементов или пика рассеянного излучения. Под углом 90° пик рассеянного излучения расположен в районе 93-100 кэВ, и фон под Kα-линиями тория-урана максимален.

Для анализа тория-урана с повышенной чувствительностью в каналах с ОЧГ- и CdTe-детекторами используют сменные коллиматоры 17, направленные на образец за источником под большим углом θs 140-160°, и открывают экран 19 (фиг. 3). При этом пик рассеянного от образца излучения сдвигается в район 83 кэВ, и фон под всеми линиями тория-урана уменьшается. При этом используют фильтр 15 из свинца и слоев более легких элементов.

Можно анализировать образцы с плоской или вогнутой по сфере, цилиндру, тору или конусу рабочей поверхностью.

Для анализа в угле α 30-60° можно использовать образцы с вогнутыми по цилиндру поверхностями. Можно также выполнить образцы и кюветы с вогнутой по тору или конусу поверхностью, захватывающие углы α выше 60°. При этом детекторы можно расположить на окружности, проходящей через точки F2 в плоскости, перпендикулярной оси FF1 источника.

Предпочтительны же образцы с вогнутыми по сфере поверхностями, захватывающие азимутальный угол α около 20-30°.

Анализируемые зоны образца показаны пунктиром на фиг. 2 и 4. При вращении образца анализируется вся его поверхность или весь объем.

При малых размерах образца и углах α отклонения углов рассеяния от 90° и плоскостей поляризации малы, и форма поверхности не существенна.

С полупроводниковыми детекторами достижимы пороги обнаружения тяжелых (в том числе золота, платины, тория, урана и редкоземельных) элементов на уровне долей ppm в рудах, горных породах и почвах.

Контрастность повышена за счет фильтров, использования поляризации тормозного излучения, регистрации излучения под 90° в минимуме сечения рассеяния или за счет сдвига пика рассеяния под большими углами при анализе тория-урана.

При N детекторах наложения в канале уменьшаются в N2 раз, а предел обнаружения более чем в раз. При числе каналов k производительность растет пропорционально k*N (в десятки раз).

Предлагаемый анализатор повышает производительность анализов и эффективность использования источника, обеспечивает возможность одновременного анализа широкого круга элементов в оптимальных условиях с разными детекторами и фильтрами, в том числе анализа с повышенной чувствительностью наиболее тяжелых элементов от тория и выше.

Заявленный анализатор может быть востребован в геологии, экологии, горнорудной и других отраслях науки и промышленности.

1. Многоканальный рентгеновский анализатор, содержащий источник рентгеновского или гамма-излучения, коллиматор и фильтр первичного пучка, держатель образца и аналитические каналы, включающие коллиматоры и фильтры вторичных пучков, устройство детектирования с расположенными в ряд детекторами и регистрирующую аппаратуру, подключенную к выходам детекторов, отличающийся тем, что использован источник излучения или рентгеновская трубка с выходом пучка с ее торца, источник или его фокус расположен на окружности в плоскости оси источника или пучка электронов (в аксиальной плоскости), держатель образца выполнен с возможностью установки образца с плоской или вогнутой рабочей поверхностью на упомянутой окружности канала, детекторы или выходные отверстия коллиматора вторичного пучка расположены на линии, проходящей через диаметрально противоположную источнику точку окружности перпендикулярно каналу, кроме того, аналитические каналы расположены аксиально вокруг источника излучения и содержат отдельные держатели образца, а в коллиматоре первичного пучка выполнены отверстия, направленные на держатели образцов.

2. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что коллиматор вторичного пучка выполнен с щелями между стенками или пластинами в аксиальных плоскостях.

3. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что один или два расположенных по разные стороны источника канала выполнены с возможностью установки сменного коллиматора с отверстиями, направленными под углом рассеяния выше 140° от позиции образца за источником на детекторы канала с этим сменным коллиматором.



 

Похожие патенты:

Использование: для рентгеноспектрального анализа золота и тяжелых элементов. Сущность изобретения заключается в том, что рентгеновский анализатор золота и тяжелых элементов содержит рентгеновскую трубку с боковым окном в качестве источника излучения, держатель образца, устройство детектирования с расположенными в ряд детекторами, регистрирующую аппаратуру, входы которой подключены к выходам детекторов, коллиматоры и фильтры первичного и вторичного пучков, причем коллиматор вторичного пучка выполнен с множеством отверстий или каналов, при этом держатель образца выполнен с возможностью установки образца с плоской или вогнутой по цилиндру рабочей поверхностью на цилиндре, ось рентгеновской трубки расположена в перпендикулярной цилиндру плоскости, а ее фокус расположен на образующей цилиндра, детекторы или выходные отверстия коллиматора вторичного пучка расположены на образующей, проходящей через диаметрально противоположную источнику точку цилиндра, причем коллиматор вторичного пучка выполнен с разделительными пластинами в аксиальных к пучку электронов плоскостях.

Использование: для рентгеноспектрального анализа веществ. Сущность изобретения заключается в том, что рентгеновский спектрометр содержит рентгеновскую трубку, фильтры первичного и вторичного пучков, держатель образца, пластинчатые коллиматоры, кристаллы-анализаторы, устройство детектирования с детекторами, регистрирующую аппаратуру, подключенную к выходам детекторов, причем кристаллы и устройство детектирования выполнены с возможностью сканирования (вращения) вокруг оси, проходящей через центр отражающей поверхности кристалла, и установки кристалла под углом θ, а детекторов под углом 2θ к оси вторичного пучка, при этом использовано устройство детектирования с полупроводниковыми детекторами и соответствующей регистрирующей аппаратурой, введен дополнительный коллиматор с отверстиями в поперечных вторичному пучку перегородках и обеспечена возможность работы спектрометра в режимах с волновой и энергетической дисперсией.

Использование: для рентгеноспектрального анализа тяжелых элементов. Сущность изобретения заключается в том, что рентгеновский анализатор содержит источник рентгеновского или гамма-излучения, держатель образца, устройство детектирования с множеством детекторов, регистрирующую аппаратуру, входы которой подключены к выходам детекторов, коллиматор первичного пучка, коллиматор и фильтр вторичного пучка, при этом держатель образца выполнен с возможностью установки образца с плоской или вогнутой по сфере рабочей поверхностью на сфере, источник или его фокус расположен на упомянутой сфере, коллиматор вторичного пучка содержит поперечные пучку перегородки с отверстиями, его выходное отверстие расположено в противоположной источнику точке, а детекторы компактно расположены во вторичном пучке.

Изобретение относится к экспрессному контролю объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе при создании подземных строительных конструкций струйной цементацией.

Использование: для анализа пульп и растворов в потоке. Сущность изобретения заключается в том, что автоматический рентгеновский анализатор пульп и растворов в потоке включает стойку с измерительными кюветами, спектрометрический блок с источником первичного рентгеновского излучения, детектором и анализатором вторичного рентгеновского излучения, механизм перемещения спектрометрического блока и систему автоматического управления, при этом спектрометрический блок выполнен герметичным, оснащен узлом термоэлектрической стабилизации температуры всех электронных компонентов спектрометрического блока, при этом в качестве детектора вторичного рентгеновского излучения используют полупроводниковый детектор с термоэлектрическим охлаждением, в качестве анализатора вторичного рентгеновского излучения используют многоканальный амплитудный анализатор импульсов, а в качестве источника первичного рентгеновского излучения используют малогабаритную рентгеновскую трубку рабочей мощностью до 10 Вт.

Использование: для рентгенофлуоресцентного определения содержания компонентов в материалах сложного химического состава. Сущность: заключается в том, что формируют единую группу градуировочных образцов, охватывающих весь диапазон содержаний определяемых и мешающих элементов для анализируемых проб, измеряют интенсивности аналитических линий только определяемых i (Ii) элементов от анализируемых проб и градуировочных образцов, устанавливают градуировочную функцию в форме уравнения регрессии, затем, с целью компенсации неучтенного влияния неопределяемых компонентов наполнителя на Ii, зарегистрированные от пробы интенсивности сопоставляют с характеристиками одного градуировочного образца-соседа и находят содержание элемента i (Ci) по определенному выражению, выбирая состав образца-соседа наиболее близким к составу пробы.

Использование: для энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа на основе вторичных излучателей включает рентгеновскую трубку, вторичные излучатели, устройство подачи контролируемого материала, кювету или транспортер с образцом, устройство для регистрации рентгеновского излучения и индикатор, самописец и/или исполнительный механизм, при этом в состав устройства дополнительно введены коллиматор излучения рентгеновской трубки, четное число n чередующихся вторичных излучателей, электромотор, коллиматор излучения вторичных излучателей, коллиматор флуоресцентного излучения образца, в качестве устройства для регистрации рентгеновского излучения использован сцинтилляционный детектор, балластное сопротивление, разделительный конденсатор и узкополосный усилитель, настроенный на частоту смены излучателей.

Использование: для рентгенофлуоресцентного определения примесей. Сущность изобретения заключается в том, что рентгенофлуоресцентное определение содержаний примесей конструкционных материалов включает измерение интенсивностей аналитических линий контролируемых примесей в группе образцов этого материала, дополнительно измеряют интенсивности аналитических линий примесей в стандартных образцах референтного материала, содержащего те же примеси, по результатам этих измерений строят градуировочные графики зависимости интенсивности аналитических линий элементов от содержания, при этом дополнительно проводят измерение обзорного спектра исследуемого конструкционного материала и определяют основной элемент исследуемого конструкционного материала наполнителя, дополнительно измеряют интенсивности аналитических линий элементов контролируемых примесей в образцах, состоящих из этого элемента, абсорбционные факторы и наклоны градуировочных графиков рассчитывают для образцов, состоящих из среднего значения содержания элемента в референтных градуировочных образцах и наполнителя исследуемого конструкционного материала, после чего получают истинные содержания примесей в исследуемом конструкционном материале умножением условных содержаний на отношение наклонов градуировочных графиков в референтном и исследуемом материалах по соответствующим математическим формулам.

Использование: для определения содержания тяжелых металлов в техническом углероде. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют градуировку прибора рентгенофлуоресцентной спектрометрии для каждого элемента, регистрируют интенсивность аналитической линии элемента на соответствующей ему длине волны Iэ (имп/с), строят на основании полученных данных градуировочную характеристику, представляющую собой зависимость относительной интенсивности аналитической линии элемента Iотн от массовой доли определяемого элемента в эталонных образцах С (%), измеряют интенсивность аналитической линии элемента на соответствующей ему длине волны Iэ (имп/с), измеряют интенсивности фона в точках спектра, соответствующих началу и концу диапазона измерения элемента, вычисляют среднеарифметическое значение интенсивности фона в точках спектра соответствующих началу и концу диапазона измерения элемента Iфэ (имп/с), рассчитывают относительную интенсивность аналитической линии каждого элемента Iотн, находят по градуировочной характеристике массовую долю элемента в золе.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для регистрации направленного рентгеновского или гамма-излучения. Спектрозональный однокоординатный детектор рентгеновского и гамма-излучений содержит слой сцинтиллятора, непрозрачный вдоль направления распространения излучения и прозрачный в перпендикулярном направлении, при этом слой сцинтиллятора состоит из параллельных друг другу и оптически разделенных сборок пластин сцинтилляторов, непрозрачных вдоль направления распространения излучения и прозрачных в направлении, перпендикулярном поверхности сцинтиллятора, расположенных вплотную друг к другу в порядке возрастания среднего атомного номера сцинтилляторов в направлении распространения излучения, длина пластин сцинтилляторов l выбирается из условия: где µ(Еф-к) - коэффициент линейного ослабления излучения с энергией Еф-к, при которой сравниваются сечение фотопоглощения и сечение комптоновского рассеяния в материале пластины сцинтиллятора, поверхность сцинтиллятора находится в оптическом контакте с двухкоординатным позиционно чувствительным фотоприемным устройством.
Наверх