Портативный рентгеноспектральный датчик и способ его реализации
Использование: рентгеноспектральный анализ. Сущность изобретения: для выделения полезного вторичного излучения использован принцип волновой дисперсии, что обеспечивает высокую чувствительность анализа. Способ для реализации датчика увеличивает точность и помехоустойчивость анализа, благодаря одновременной регистрации флуоресценции определяемого элемента и рассеянного анализируемым веществом излучения, причем последнее конвертировано во флуоресценцию элемента мишени. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области техники, связанной с исследованием материалов и веществ рентгеноспектральными методами и может использоваться в качестве датчика состава и толщины покрытий в автоматизированных системах аналитического контроля на предприятиях горно-добывающей, горно-перерабатывающей и металлургической промышленности, промышленности стройматериалов, химии, машиностроения и др. а также при геологических и экологических исследованиях для анализа разнообразных сред в естественном залегании, различных жидких, порошковых, необработанных геохимических и других типов проб.
Известны рентгеноспектральные датчики для элементного анализа разнообразных веществ. Общим признаком таких датчиков является наличие рентгеновской трубки и измерительных каналов по числу областей спектра регистрируемого излучения, каждый из которых выполнен по схеме Соллера, т.е. включает детектор излучения, кристалл-анализатор и два многопластинчатых коллиматора Соллера, один из которых расположен перед кристалл-анализатором, а другой между кристалл-анализатором и детектором [1] Несмотря на универсальность и широкие аналитические возможности указанных датчиков, входящих в состав рентгеновских спектрометров общепромышленного назначения, их применение невозможно при решении таких задач как анализ производственных продуктов непосредственно в технологическом потоке, изделий произвольных размеров и формы без отбора проб, пород, руд, почв и грунтов непосредственно в местах их естественного залегания и т.д. так как конструкция этих датчиков предназначена исключительно для анализа специально приготовленных проб, имеющих определенную форму и размеры (цилиндрические пробы диаметром 30-50 мм и высотой до 40 мм). Известен портативный рентгеноспектральный датчик [2] наиболее близкий по решению технической задачи, для стационарных и полевых лабораторий, входящий в состав аппаратуры "Портаспек", разработанный американской фирмой "Пичфорд Сайтифик Инструментс", состоящий из корпуса, имеющего входное отверстие, рентгеновской трубки и измерительного канала, содержащего детектор излучения, кристалл-анализатор, коллиматор Соллера, расположенный между детектором и кристалл-анализатором и коллиматор, расположенный между входным отверстием корпуса и кристалл-анализатором. Недостатком известного устройства является ограниченная область применения, вследствие невозможности его использования для одновременного анализа сред на несколько элементов, когда последовательные определения содержания этих элементов невозможны, например при анализе движущихся сред - горной массы на ленте транспортера, пульпы в потоке, сточных вод и т.д. Кроме того, устройство не обеспечивает высокой производительности при анализе на несколько элементов из-за возможности проведения только последовательных измерений. Причиной этих недостатков является наличие только одного измерительного канала. Помимо этого, устройство имеет значительные габариты и массу из-за сложной конструкции рентгенооптической схемы, а также небольшой светосилы измерительного канала, что требует использования достаточно мощной рентгеновской трубки (до 100-150 Вт), для нормальной работы которой необходимо охлаждение анода трубки проточной водой. Этот недостаток ухудшает портативность устройства, ограничивая область его применения в лучшем случае передвижными полевыми лабораториями. Другим недостатком известного устройства является невозможность его применения в качестве погружного датчика при анализе жидких сред и снижение эксплуатационных качеств при опробовании руд, почв, грунтов и других сред в коренном залегании, в транспортных емкостях и т.д. из-за отсутствия входного окна и негерметичного исполнения корпуса. Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение области применения рентгеноспектральных датчиков и повышение эксплуатационных качеств при анализе разнообразных веществ в том числе движущихся объектов и сред в коренном залегании. Поставленная задача достигается тем, что в известном портативном датчике, состоящем из корпуса, имеющего входное отверстие, рентгеновской трубки и измерительного канала, содержащего детектор излучения, кристалл-анализатор и коллиматор Соллера, расположенный между детектором и кристалл-анализатором и коллиматор, расположенный между входным отверстием и кристалл-анализатором, в соответствии с предлагаемым изобретением, дополнительно введены измерительные каналы по числу дополнительных областей спектра регистрируемого излучения, и в каждом из измерительных каналов коллиматор, расположенный между входным отверстием и кристалл-анализатором, выполнен беспластинчатым, а коллиматор Соллера остается неподвижным при повороте кристалл-анализатора. Кроме того, для достижения поставленной цели в предлагаемом датчике, на аноде рентгеновской трубки расположен радиатор, который имеет тепловой контакт через детали конструкции датчика с его корпусом. Достижению поставленной цели способствует также то, что корпус датчика может быть выполнен герметичным и входное отверстие корпуса датчика оснащено съемным входным окном из материала, прозрачного для фотонов регистрируемого излучения. Помимо отмеченных отличий в предлагаемом датчике обратные поверхности кристалл-анализаторов измерительных каналов, предназначенных дополнительно для регистрации излучения, могут иметь мишени известного состава. В ряде случаев целесообразно, чтобы отражающие поверхности кристалл-анализаторов измерительных каналов, предназначенных дополнительно для регистрации рассеянного излучения, имели мишени известного состава. Наряду с этим, в датчике в качестве кристалл-анализаторов измерительных каналов, предназначенных для регистрации рассеянного излучения, могут быть использованы мишени известного состава. Введение дополнительных измерительных каналов оказавшееся возможным благодаря использованию беспластинчатых коллиматоров, обеспечивает одновременный анализ веществ на требуемое число элементов. Кроме того, установка беспластинчатых коллиматоров увеличивает светосилу измерительных каналов, что позволяет использовать рентгеновскую трубку мощность не более 20 Вт, не требующую охлаждения ее анода проточной водой, а неподвижность коллиматоров Соллера обеспечивает компактность размещения измерительных каналов. Очевидно, что это способствует уменьшению габаритов и массы датчика. Применение маломощной рентгеновской трубки позволяет осуществить отвод тепла от ее анода с помощью радиатора, имеющего тепловой контакт через детали конструкции датчика с его корпусом. Такая система охлаждения рентгеновской трубки обеспечивает требуемый тепловой режим ее работы при существенно меньших габаритах и энергопотреблении датчика. С целью использования датчика для опробования пульпы в потоке и других движущихся жидких сред, а также разнообразных веществ в коренном залегании, его корпус выполнен герметичным и входное отверстие датчика оснащено съемным входным окном. Герметичный корпус и входное окно, изготовленное из материала с малым атомным номером, предохраняют элементы конструкции датчика от загрязнения пылью, а также пульпой и другими жидкими средами. При анализе жидких продуктов входное окно целесообразно изготавливать двухслойным с индикацией повреждения его наружного плоского слоя. Плоское входное окно в этом случае обеспечивает постоянство геометрии измерений и ровность исследуемой поверхности, что повышает точность результатов измерений. При анализе сыпучих продуктов и сред в коренном залегании целесообразно устанавливать входное окно в форме усеченного конуса, изготовленного таким образом, чтобы коническая его поверхность, просматриваемая из кристалл-анализаторов, была не видна со стороны анода рентгеновской трубки. Такая конструкция входного окна снижает требования к статистической точности результатов измерений регистрируемого излучения, так как отпадает необходимость в вычитании фоновой составляющей, обусловленной рассеянием первичного излучения в материале входного окна. Что же касается анализа в лабораторных условиях различного типа проб, то входное окно необязательно. Устранение его в этом случае увеличивает поток регистрируемого излучения, так как он не ослабляется входным окном, и кроме того, отсутствует указанная выше фоновая составляющая этого излучения. При облучении мишеней, установленных в измерительных каналах, предназначенных дополнительно для регистрации рассеянного излучения, потоком фотонов от анализируемой среды возбуждается флуоресцентное излучение элементов, входящих в их состав. При этом интенсивность этого излучения пропорциональна потоку фотонов с энергией большей, чем энергия Ek краев поглощения элементов мишени. Вводя в состав мишени элемент, для которого Ek больше энергии фотонов определяемых и мешающих элементов анализируемой среды, по потоку флуоресцентного излучения этого элемента можно судить об интенсивности рассеянного излучения с энергией фотонов Es > Ek. Сущность предлагаемого устройства поясняется фиг. 1, где приведена схема конструкции датчика. Портативный рентгеноспектральный датчик имеет корпус, состоящий из кожуха 1, лицевой панели 2 и нижней крышки 3 с входным отверстием 4. Внутренний объем корпуса датчика загермитизирован уплотнительными кольцами 5 и 6 и съемным входным окном 7 с уплотнительным кольцом 8 (на фиг. 1 изображено входное окно в форме усеченного конуса). Внутри корпуса 1 размещен рентгеновский излучатель 9, состоящий из низковольтного блока электроники 10, высоковольтного блока 11 и рентгеновской трубки 12 с радиатором 13, боковая поверхность которого служит для контакта с головкой 14 датчика, через которую отводится тепло на нижнюю крышку 3 и кожух 1 корпуса с помощью прижимных пружин 15. Для улучшения теплового контакта головки 14 с корпусом излучателя 9 она закреплена на нем цангой 16. Аналогичные цанги 17 и 18 используются для крепления на рентгеновском излучателе 9 корпуса 19 высоковольтного источника питания, детекторов излучения 20, которые установлены на коллиматорах Соллера 21 с пластинами 22 и платы 23, в которой закреплены эти коллиматоры. В нижней части коллиматоров 21 установлены кристалл-анализаторы 24, оси их вращения 25 и микрометренные винты 26. Поверхности вырезов в нижней части коллиматоров 21 против кристалл-анализаторов 24 и соответствующих им вырезов в головке 14, радиаторе 13 и нижней крышки 3 образуют беспластинчатый коллиматор 27. Прижимные пружины 28 служат для отвода тепла от низковольтного блока электроники 10 через лицевую панель 2 к кожуху 1 датчика. Работа предлагаемого портативного рентгеноспектрального датчика осуществляется следующим образом. При измерении спектра излучения анализируемого вещества каждому положению микрометренного винта 26 соответствует вполне определенный угол















что вполне достаточно для решения широкого круга задач. Предлагаемый датчик может быть реализован способом измерений, позволяющим улучшить результаты анализа путем повышения точности и помехоустойчивости. Известен способ рентгеноспектрального анализа вещества [3] основанный на облучении исследуемой среды потоком излучения рентгеновской трубки (No) и выделении кристалл-анализатором флуоресценции определяемого элемента (Ni). Величина Ni позволяет судить о концентрации элемента в исследуемой среде. К недостаткам этого способа следует отнести невысокую точность определения элементного состава при изменении расстояния (h) до анализируемой среды, а также зависимость Ni от изменения матричного состава анализируемой среды и изменения потока No. Известен способ рентгеноспектрального анализа вещества (способ стандарт-фона) [4] основанный на облучении исследуемой среды излучением рентгеновской трубки No и последовательной регистрации одним и тем же измерительным каналом флуоресцентного излучения определяемого элемента N1 и рассеянного анализируемым веществом излучения Ns и нахождения содержания определяемого элемента по величине спектрального отношения потоков Ni и Ns (




где




Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4