Датчик для измерения эффективного атомного номера среды

Полезная модель относится к области аналитической химии и технической физики, а также к различным областям науки и техники для идентификации таких материалов (объектов), как, например, индивидуальные органические соединения, органические полимеры и изделия из них, соединения элементов начала периодической системы (от H до F), для количественного анализа 2-х-3-х компонентных систем на основе этих элементов (например, для определения соотношения C:H в углеводородах) и для сепарации материалов (объектов), состоящих из легких элементов (например, в качестве датчика сепаратора угля на ленте транспортера). Полезная модель может быть использована в устройствах для идентификации, анализа и сепарации объектов и материалов, состоящих из химических элементов с малыми атомными номерами, основанных на измерении интенсивности рассеянного рентгеновского излучения. Технический результат состоит в повышении точности измерений эффективного атомного номера среды и снижении его стоимости. 1 н.п. ф-лы, 3 илл.

Полезная модель относится к области аналитической химии и технической физики, а также к различным областям науки и техники для идентификации таких материалов (объектов), как, например, индивидуальные органические соединения, органические полимеры и изделия из них, соединения элементов начала периодической системы (от H до F), для количественного анализа 2-х-3-х компонентных систем на основе этих элементов (например, для определения соотношения C:H в углеводородах) и для сепарации материалов (объектов), состоящих из легких элементов (например, в качестве датчика сепаратора угля на ленте транспортера).

Полезная модель может быть использована в устройствах для идентификации, анализа и сепарации объектов и материалов, состоящих из химических элементов с малыми атомными номерами, основанных на измерении интенсивности рассеянного рентгеновского излучения.

Аналогами предлагаемой полезной модели могут служить устройства, основанные на определении эффективного атомного номера разнообразных объектов и на измерении интенсивности обратно рассеянного исследуемым объектом рентгеновского или гамма излучения [1, 2], а также устройства, основанные на облучении объекта излучением различных энергий и регистрации рассеянного излучение в двух диапазонах энергий [3-6].

К недостаткам этих устройств относятся, в первую очередь, низкая точность и малая чувствительность к изменению эффективного атомного номера объекта Z_эфф , в особенности при исследовании сред с малым эффективным атомным номером (органические соединения) и необходимость жестко фиксировать геометрические условия измерений. Эти недостатки исключают применение таких устройств для неповреждающего контроля состава образцов произвольного размера и неправильной формы.

Аналогами предлагаемой полезной модели могут служить также лабораторные рентгеновские спектрометры с волновой дисперсией, спектральное разрешение которых в широком диапазоне энергий рентгеновского спектра достаточно для разделения когерентно и некогерентно рассеянных на образце линий характеристического спектра анода рентгеновской трубки, отношение которых зависит от Z_эфф исследуемого объекта.

Энергия некогерентно рассеянного излучения определяется выражением

где E₀ - энергия, эквивалентная массе покоя электрона (511 кэВ) и - угол рассеяния.

Отношение интенсивностей когерентно и некогерентно рассеянных линий возрастает с увеличением атомного номера. Принципиальная возможность такого подхода была впервые показана в работе [7] при определении отношения C:H в нефти по отношению интенсивности когерентно и некогерентно рассеянной L линии вольфрамового анода. Использование в качестве аналитического сигнала отношения когерентно и некогерентно рассеянной линии анода позволяет исключить влияние формы и состояния поверхности образца на результаты анализа, однако высокая стоимость такой аппаратуры и невозможность использования для неповреждающего контроля готовых изделий ограничивает ее широкое применение.

Прототипом предлагаемой полезной модели является энергодисперсионный рентгеновский спектрометр с полупроводниковым детектором [8], состоящий из источника ионизирующего излучения (рентгеновской трубки или радиоизотопа), полупроводникового детектора и схемы регистрации. Разрешение спектрометров этого типа на линии Mn K составляет обычно 150-200 эВ, что достаточно для разделения когерентно и некогерентно рассеянного излучения в спектральном диапазоне свыше 8-10 кэВ.

Недостатком известного спектрометра является низкая точность измерения и недостаточное спектральное разрешение в области малых энергий, что исключает возможность разделения когерентно и некогерентно рассеянных линий в длинноволновой области спектра, требующееся в ряде случаев при исследовании сред, состоящих из наиболее легких элементов, а также сравнительно высокая стоимость устройства.

Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении точности измерений эффективного атомного номера среды за счет использования для разделения когерентно и некогерентно рассеянного излучения в длинноволновой области спектра анализатора на основе простейших энергодисперсионных детекторов - газоразрядных пропорциональных счетчиков, и в удешевлении устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в датчике для измерения эффективного атомного номера среды, включающем рентгеновскую трубку с анодом, детектор вторичного рентгеновского излучения и систему регистрации, в соответствии с заявленной полезной моделью, в рентгеновский анализатор включен дополнительный детектор, расположенный между анализируемым материалом и системой регистрации, перед которым расположен селективный фильтр, выполненный из скандия, а анод рентгеновской трубки выполнен из титана.

Кроме этого, указанный технический результат достигается тем, что между окном рентгеновской трубки и исследуемым образцом установлен селективный фильтр из титана. Он может быть также установлен и между исследуемым образцом и детектором вторичного рентгеновского излучения.

Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, что в качестве детекторов использованы газоразрядные пропорциональные счетчики с аргоновым наполнением.

Для повышения контрастности перед рентгеновской трубкой может быть установлен фильтр первичного излучения из титана, а в качестве детекторов использованы отпаянные пропорциональные счетчики с аргоновым наполнением. При этом под «отпаянными» понимаются газонаполненные не проточные пропорциональные счетчики.

Заявленная полезная модель позволяет устранить основные недостатки прототипа - невысокую точность измерения, что обусловлено низким разрешением в длинноволновой области спектра, не позволяющее разрешить когерентно и некогерентно рассеянного излучения в этой области (так, для линии Ti Ka с энергией 4.5 кэВ разность энергий когерентно и некогерентно рассеянного излучения 0.088 кэВ), а также высокую стоимость устройства за счет использования полупроводниковых детекторов.

Выявленные отличительные признаки в заявленной полезной модели, а также их взаимосвязь и достижение их совокупностью указанного технического результата, заявителем не обнаружены при анализе известных в науке, технике и патентных источниках решениях на дату подачи заявки, из чего следует, что заявленная полезная модель соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг.1 приведена схема датчика для измерения эффективного атомного номера среды для идентификации и сепарации материалов (объектов), состоящих из элементов с малыми атомными номерами.

Лабораторные испытания заявленной полезной модели, проведенные в Санкт-Петербургском государственном университета, показали его работоспособность и техническую эффективность. Результаты испытаний, в качестве примеров конкретной реализации, приведены в виде зависимостей, отраженных на фиг.2 и фиг.3.

На фиг.2 приведены положения краев поглощения и выделяемых линий в спектре рассеянного излучения, зарегистрированного счетчиками.

На фиг.3 приведена зависимость аналитического сигнала (относительного изменения интенсивностей когерентно и некогерентно рассеянного излучения при изменении Z от 6 до 7) от энергии фотонов.

Датчик для измерения эффективного атомного номера среды, приведенный на фиг.1, включает рентгеновскую трубку (1) с титановым анодом (2), фильтр первичного излучения (3), детекторы рентгеновского излучения (5) и (6), в качестве которых могут быть использованы как пропорциональные, так и сцинтилляционные счетчики, селективный фильтр из скандия (7) перед детектором (6) и регистрирующее устройство (8).

Датчик для измерения эффективного атомного номера среды объектов функционирует следующим образом:

Характеристическое и тормозное рентгеновское излучение титанового анода (2) рентгеновской трубки (1) проходит через фильтр первичного излучения (3) и падает на объект (4). Фильтр (3), выполненный из титана, служит для повышения контрастности, так как он подавляет неиспользуемого тормозное излучение. Еще более эффективен фильтр первичного излучения из соединения йода, подавляющий, наряду с тормозным излучением, и K линию титана. Рассеянное на объекте излучение титана регистрируется детекторами (5) и (6), при этом расположенный перед детектором (6) скандиевый селективный фильтр поглощает когерентно рассеянное характеристическое излучение титана с энергией 4.51 и 4.93 кэВ (K- и K-линии) и часть тормозного спектра с энергией, превышающей энергию K-края скандия 4.491 кэВ, пропуская часть тормозного спектра с энергией меньше 4.491 кэВ и некогерентно рассеянную K линию титана (4.437 кэВ при угле рассеяния 150°). В детектор (5) рассеянное тормозное и характеристическое излучение поступает полностью. Схема регистрации [8] рассчитывает отношение скоростей счета в обоих детекторах, зависящее от эффективного атомного номера исследуемого объекта и являющееся аналитическим сигналом.

Рассматривая, в первом приближении, только наиболее интенсивную линию характеристического спектра Ti K, и полагая, что интенсивности когерентно и некогерентно рассеянного излучения пропорциональны соответствующим дифференциальным сечениям рассеяния, находим для аналитического сигнала выражение

Схема расположения краев поглощения титана и скандия и когерентно и некогерентно рассеянных линий титана приведена на фиг.2, где (1) некогерентно рассеянная лини K линия титана, (2) - край поглощения скандия, (3) - когерентно рассеянная лини K линия титана, (4) - край поглощения титана.

Как видно из фиг.2, титановый фильтр с краем поглощения титана (4) с энергией 4.93 кэВ пропускает как когерентно, так и некогерентно рассеянные линии титана (3 и 1) с энергиями 4.51 и 4.437 кэВ соответственно, в то время как скандиевый фильтр (2) с энергией края поглощения 4.449 кэВ пропускает только некогерентно рассеянную линию титана (3) с энергией 4.437 кэВ

Как следует из фиг.3, в области легких элементов удовлетворительная чувствительность имеет место только в диапазоне энергий менее 5 кэв. Энергетический сдвиг при этом не превышает 100 эВ, что и не позволяет использовать в этом спектральном диапазоне аналогичные устройства на основе полупроводниковых детекторов.

Заявленный датчик для измерения эффективного атомного номера среды, по сравнению с известными аналогами и устройством-прототипом, позволяет повысить точность измерений за счет большей контрастности аналитического сигнала и его независимости от формы и шероховатости поверхности исследуемого объекта, а также снизить стоимость устройства.

Использованная литература

1. Плотников Р.И., Пшеничный Г.А. Флюоресцентный рентгенорадиометрический анализ // М., Атомиздат, 1973 г., Стр. 42-46, 50-54.

2. Патент Великобритании 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. Szegedi S., Tun K.M., Ibrahim S.M. Определение золы в углях методом отражения гамма-лучей. // J.Radioanal. Nucl. Chem., 1996, 213(6), 403-409.

4. Magahaes S.D. et al. Определение материалов с высоким Z в среде с малым Z по рассеянию рентгеновского излучения. Определение золы в углях. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., 1995, 95(1), 87-90.

5. Намазбаев ТС, Савелов ВД, Полевой АП и др. Радиоизотопный измерительно-вычислительный комплекс для контроля зольности и плотности твердого топлива на потоке по рассеянному излучению Am-241. Сталь, 2002, N9

6. Lin WZ, Kong L., Qu Т., Cheng J.J. Оценка погрешности определения золы в углях в потоке по рассеянию гамма-излучения. // Appl. Rad. Isot., 2002, 57(3), 353-358.

7. 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. Analytical. Chemistry, 1961, v.33, p.67.

8. Павлинский Г.В. Основы физики рентгеновского излучения // М., Физматлит, 2007, стр 111-117 (прототип)

1. Датчик для измерения эффективного атомного номера среды, включающий рентгеновскую трубку с анодом, детектор вторичного рентгеновского излучения и систему регистрации, отличающийся тем, что в рентгеновский анализатор включен дополнительный детектор, расположенный между анализируемым материалом и системой регистрации, перед которым расположен селективный фильтр, выполненный из скандия, а анод рентгеновской трубки выполнен из титана.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что между окном рентгеновской трубки и исследуемым образцом установлен селективный фильтр из титана.

3. Датчик по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве детекторов использованы отпаянные газоразрядные пропорциональные счетчики с аргоновым наполнением.