Устройство для разделения когерентно и некогерентно рассеянного рентгеновского излучения с газоразрядным пропорциональным детектором

Полезная модель относится к области аналитической химии и технической физики и тем областям науки и техники, где требуется анализ и идентификация, в частности, горных пород, органических соединений, полимеров и изделий из них, а также для количественного анализа 2-х компонентных систем на основе этих элементов, и может быть использована в разведочной геофизике для опробования кернов и геофизических скважин, при поиске, разведки и разработке рудных месторождений, в горнодобывающей и горно-перерабатывающей промышленности при опробовании скважин, стенок горных выработок, качества руд, угля и других полезных ископаемых в вагонетках и на ленте транспортера; для экспрессного распознавания материалов при таможенном досмотре, что имеет особую практическую значимость при угрозе терроризма; при покусковой и порционной сепарации разнообразных материалов разной формы. Устройство основано на раздельном измерении интенсивности когерентно и некогерентно рассеянного рентгеновского излучения с использованием одного детектора с невысоким энергетическим разрешением.

1 н.п. ф-лы; 4 илл.

Полезная модель относится к области аналитической химии и технической физики и тем областям науки и техники, где требуется анализ и идентификация материалов (объектов), таких, например, как горные породы, органические соединения, полимеры и изделия из них, а также для количественного анализа 2-х компонентных систем на основе этих элементов. Полезная модель может быть использована в разведочной геофизике для опробования кернов и геофизических скважин, при поиске, разведки и разработке рудных месторождений, в горнодобывающей и горно-перерабатывающей промышленности при опробовании скважин, стенок горных выработок, качества руд, угля и других полезных ископаемых в вагонетках и на ленте транспортера. Кроме того, она может быть применена для экспрессного распознавания материалов при таможенном досмотре, при покусковой и порционной сепарации разнообразных материалов разной формы и т.д.

Предлагаемая полезная модель основана на раздельном измерении интенсивности когерентно и некогерентно рассеянного рентгеновского излучения с использованием одного детектора с невысоким энергетическим разрешением.

Аналогом предлагаемого устройства можно считать лабораторный рентгеновский спектрометр с волновой или энергетической дисперсией, спектральное разрешение которого в среднем диапазоне энергий рентгеновского спектра достаточно для разделения когерентно и некогерентно рассеянных на образце линий характеристического спектра анода рентгеновской трубки. Такой спектрометр состоит из рентгеновской трубки с интенсивными характеристическими линиями материала анода, и диспергирующего устройства, выделяющего из облучаемого объекта когерентно и некогерентно рассеянные характеристические линии. Интенсивность этих линий определяется отношением массовых коэффициентов когерентно и некогерентно рассеянного излучения к массовому коэффициенту ослабления. Поскольку массовый коэффициент когерентного рассеяния возрастает с увеличением Z_эфф образца, а массовый коэффициент некогерентного рассеяния практически не зависит от Z_эфф, отношение интенсивностей когерентно и некогерентно рассеянной линии будут увеличиваться с увеличением Z_эфф, и по величине этого отношения можно найти эффективный атомный номер исследуемого объекта.

Принципиальная возможность такого подхода на спектрометре с волновой дисперсией была впервые показана в работе [1] при определении отношения С:Н в нефти, непосредственно связанному с ее Z_эфф, по отношению интенсивности когерентно и некогерентно рассеянной L линии вольфрамового анода.

Основными недостатками аналога является сложность и высокая стоимость необходимого оборудования, а также невозможность его использования в производственных условиях (при опробовании геофизических скважин, анализе на ленте транспортера или покусковой сепарации).

Известно устройство для анализа (сортировки) руд тяжелых элементов, основанные на определении Z_эфф объекта по отношению интенсивностей рассеянного средой излучения двух различных энергий [2]. Устройство состоит из двух источников излучения с разной энергией, детектора (сцинтилляционного счетчика) и схемы регистрации рассеянного излучения. При рассеянии излучения с большей энергией преобладает некогерентное рассеяние, а для излучения с меньшей энергией преобладает фотоэлектрическое поглощение, возрастающее с увеличением эффективного атомного номера. Реализующее этот способ устройство включает два источника (радиоизотопа или рентгеновских трубки), детектор и схему регистрации. Отношение интенсивностей рассеянного излучения в области большей энергии к интенсивности излучения с меньшей энергией будет возрастать с увеличением Z_эфф среды, что и позволяет оценить его величину. Недостатком известного устройства является его малая чувствительность к изменению Z _эфф и, следовательно, низкая точность измерений, а также необходимость наличия двух источников излучения, что усложняет устройство и удорожает его стоимость.

Известен датчик для измерения и контроля эффективного атомного номера материала [3], наиболее близкий к заявленной полезной модели, принятый в качестве прототипа. Известное устройство включает источник характеристического или смешанного рентгеновского излучения, селективный фильтр, поглощающий К линию характеристического спектра источника, газоразрядный пропорциональный или сцинтилляционный счетчик и блок регистрации. Рабочее тело счетчика состоит из материала, край поглощения которого расположен между энергиями когерентно и некогерентно рассеянной К линии первичного излучения. При этом в амплитудном распределении счетчика возникают два пика: основной пик, включающий все некогерентно рассеянное излучение К линии первичного излучения и часть когерентно рассеянного излучения той же линии и пик вылета, включающий оставшуюся часть только когерентно рассеянного излучения. Энергия пика вылета равна разности энергий основного пика и флуоресцентного излучения рабочего тела счетчика. Для криптона, предложенного в прототипе в качестве рабочего тела счетчика, разность энергий этих пиков составляет 12.6 кэВ. По отношению интенсивностей пиков судят об отношении интенсивностей когерентно и некогерентно рассеянного излучения, непосредственно связанного с эффективным атомным номером исследуемого материала.

Недостатком известного устройства является высокая стоимость используемых специальных рентгеновских трубок с анодами из иттрия (для криптонового счетчика) или лантана, церия или неодима (для ксенонового или сцинтилляционного счетчика), не выпускаемых промышленностью. Кроме того, применение в качестве излучателей вторичных мишеней требует использования трубок большой мощности с водяным охлаждением, что приводит при работе с ними в ряде случаев к трудоемкости и существенным неудобствам при эксплуатации.

Техническим результатом заявленной полезной модели является ее удешевление и снижение трудоемкости при ее использовании за счет разделения когерентно и некогерентно рассеянного излучения простого и дешевого устройства на основе рентгеновских трубок малой мощности с любыми анодами при анодных напряжениях порядка 45-50 кВ и газоразрядного пропорционального детектора с ксеноновым наполнением.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для разделения когерентно и некогерентно рассеянного рентгеновского излучения с газоразрядным пропорциональным детектором, содержащим рентгеновскую трубку, селективный фильтр первичного излучения, держатель образца, газоразрядный пропорциональный детектор и систему регистрации, в соответствии с заявленной полезной моделью, перед рентгеновской трубкой установлен селективный фильтр первичного излучения, который имеет толщину 0.2-0.3 мм и выполнен из лантана, в качестве материала рабочего тела газоразрядного пропорционального детектора использован ксенон, а сумма углов падения первичного и отбора вторичного излучения от поверхности образца составляет 130±1°. По отношению измеренных интенсивностей основного пика и пика вылета амплитудного распределения счетчика определяют соотношение когерентно и некогерентно рассеянного излучения.

Заявленная полезная модель иллюстрируется Фиг.1-4.

На Фиг.1 приведена схема заявленной полезной модели.

На Фиг.2 приведено пропускание лантанового селективного фильтра.

На Фиг.3 приведена схема расположения выделяемых участков спектров, краев поглощения и К линии ксенона в спектре рассеянного излучения, зарегистрированного детектором.

На Фиг.4 приведена зависимость отношения интенсивности когерентного рассеяния к некогерентному R2 от отношения пика вылета ксенонового детектора к основному пику R1.

Устройство для разделения когерентно и некогерентно рассеянного излучения, приведенное на Фиг.1, включает рентгеновскую трубку (1) с анодом (2) и окном (3), селективный фильтр первичного излучения из лантана (4), ксеноновый пропорциональный детектор (6) и регистрирующее устройство (7). Угол рассеяния , равный сумме углов падения первичного излучения и отбора рассеянного излучения от поверхности образца, составляет 130±1°.

Работа заявленной полезной модели осуществляется следующим образом:

Рентгеновское излучение анода рентгеновской трубки (2) проходит через селективный фильтр из лантана (4) и падает на образец (5). Селективный фильтр (4), подавляющий коротковолновую и длинноволновую компоненту первичного спектра, служит для выделения эффективного участка спектра первичного излучения.

Пропускание селективного фильтра приведено на Фиг.2. Как следует из Фиг.2, область пропускания фильтра расположена в пределах от 20 до 38.93 кэВ (К-край поглощения лантана).

Рассеянное на образце (5) излучение, содержащее когерентную и некогерентную компоненты, регистрируется ксеноновым счетчиком (6) и поступает в регистрирующее устройство (7), образуя амплитудный спектр.

Амплитудный спектр импульсов на выходе ксенонового счетчика (6) состоит из двух участков - основного пика и пика вылета. Положение пика вылета (Е_пв) соответствует разности энергий регистрируемого излучения (Е_ри) и флуоресцентного излучения рабочего тела детектора (Е_фи ), т.е. Е_пв=Е_ри-Е_фи. Излучение с энергией выше края поглощения селективного фильтра из лантана (1) (38.93 кэВ) эффективно ослабляется лантановым фильтром и в амплитудном спектре практически отсутствует. Фильтр первичного излучения подавляет также длинноволновую часть спектра с энергией менее 20 кэВ.

Некогерентная компонента спектра, возникающая в объекте при комптоновском рассеянии первичного излучения на свободных или слабо связанных электронах, характеризуется энергией, определяемой выражением

где Е₀ - энергия, эквивалентная массе покоя электрона (511 кэВ) и - угол рассеяния, равный сумме углов падения первичного и отбора вторичного излучения. Для излучения с энергией, отвечающей К краю лантана 38.93 кэВ и угле рассеяния 130° комптоновский сдвиг Е_кг-Е_нк составляет около 4.34 кэВ, т.е. коротковолновая граница некогерентного спектра будет сдвинута от края поглощения лантана до 34.59 кэВ, что совпадает с К-краем ксенона.

Участок когерентно рассеянного излучения, выделяемый краями поглощения ксенона (34.59 кэВ) и лантана (38.93 кэВ), образует, кроме пика полного поглощения с соответствующей энергией, пик вылета с границами 38.93-29.78=9.15 кэВ и 34.59-29.78=4.81 кэВ (29.78 кэВ - энергия К линии ксенона).

В пик полного поглощения попадает как когерентного, так и некогерентно рассеянное излучение, в то время как пик вылета образуется только когерентно рассеянным излучением.

Как когерентно, так и некогерентно рассеянное излучение с энергией, менее энергии К-края ксенона (34.59 кэВ), остается в пике полного поглощения и не попадает в пик вылета.

Расположение когерентно и некогерентно рассеянных участков спектра и краев поглощения приведено на Фиг.3, где

(1) - энергия края поглощения лантана - верхняя граница основного пика когерентно рассеянного излучения (38.93 кэВ);

(2)- энергия края поглощения ксенона (34.59 кэВ), совпадающая с некогерентной составляющей верхней границей основного пика когерентно рассеянного излучения;

(3)-(4) - пик вылета когерентно рассеянного участка спектра с границами 4.81 кэВ и 9.15 кэВ;

На Фиг.4 для счетчика диаметром 4 см с парциальным давлением ксенона 600 мм рт.ст. приведена зависимость отношения интенсивностей когерентно рассеянного излучения к некогерентно рассеянному R2 от отношения пика вылета к основному пику R1, которое непосредственно измеряется схемой регистрации.

Как следует из Фиг.4, эта зависимость четко выражена в широком диапазоне R2, что свидетельствует о целесообразности применения заявляемой полезной модели для решения самых разнообразных задач, связанных с одновременной регистрацией когерентно и некогерентно рассеянного излучения.

По сравнению с уровнем техники и прототипом заявленная полезная модель дешевле и менее трудоемка в эксплуатации; она имеет меньшую, по сравнению с прототипом, стоимость; не требует специальных рентгеновских трубок или монохроматизации первичного излучения.

Особую востребованность заявленное устройство приобретает для экспрессного распознавания материалов при таможенном досмотре, что имеет практическую ценность при существующей для населения угрозе терроризма, а также возможность ее использования в разнообразных отраслях и сферах, где требуется быстрый и качественный анализ и идентификация материалов (объектов), в т.ч. при покусковой и порционной сепарации разнообразных материалов разной формы.

Источники информации.

1. С W.DWIGGINS, Jr. Quantitative Determination of Low Atomic Number Elements Using Intensity Ratio of Coherent to Incoherent Scattering of X-Rays Determination of Hydrogen and Carbon // Petroleum Research Center, Bureau of Mines, U.S. Department of the Interior, Bartlesville, O/c/a. // Analyt. Chemistry. 1961. V.33, P.67.

2. G01N_23_22_GB_2083618_82_Способ и устройство для анализа содержания тяжелого элемента в руде_OUTOCUMPU OY. Великобритания, Заявка 2083618. Публикация 1982 г., 24 марта, 4856.

3. Патент РФ 100626 на полезную модель (заявка: 2010121547/28, 28.05.2010. G01N 23/22. Опубликовано 20.12.2010 г. Бюл. 31). (прототип).

Устройство для разделения когерентно и некогерентно рассеянного рентгеновского излучения с газоразрядным пропорциональным детектором, содержащее рентгеновскую трубку, селективный фильтр первичного излучения, держатель образца, газоразрядный пропорциональный детектор и систему регистрации, отличающееся тем, что перед рентгеновской трубкой установлен селективный фильтр первичного излучения, который имеет толщину 0,2-0,3 мм, выполнен из лантана, в качестве материала рабочего тела газоразрядного пропорционального детектора использован ксенон, а сумма углов падения первичного и отбора вторичного излучения от поверхности образца составляет 130±1°.