практикум по ягф (готовое)

лический анод. Вследствие торможения электронов в материале анода возни-

кает непрерывный (тормозной) спектр рентгеновского излучения. Вывод рентгеновского излучения осуществляется через тонкое бериллиевое окно.

Рис. 3. Схема генерации рентгеновского излучения

С увеличением напряжения U интенсивность тормозного излучения растет, а максимум спектральной кривой и смещаются в сторону больших энергий. Интенсивность тормозного спектра возрастает с увеличением атом-

ного числа материала анода. Например, для трубки с вольфрамовым анодом

(Z = 74) испускаемое тормозное излучение в три раза интенсивнее, чем для трубки с анодом из хрома (Z = 24) при прочих равных условиях. При энергии электронов трубки больших энергии связи электронов на К – оболочке ано-

да, кроме тормозного излучения, испускается ХРИ материала анода (рис. 4).

В рентгеновское излучение преобразуется меньше 1 % кинетической энергии электронов. Остальная энергия тратится на разогрев анода, поэтому трубки нуждаются в принудительном охлаждении.

11

Рис 4. Спектр тормозного и характеристического излучения рентгеновской трубки с W

анодом при различных ускоряющих напряжениях

Мощность рентгеновских трубок, применяемых в РФА, меняется от 2-3

кВт до 5-10 Вт. Выход излучения от рентгеновских трубок составляет 1011 -

1012 кван т, что на несколько порядков превышает выход от радионуклидных

сек

источников. Для создания оптимальных геометрических условий возбужде-

ния целесообразно использовать рентгеновские трубки прострельного ти-

па. В этих трубках используются двухслойные прострельные аноды (тонкоп-

леночный анод и бериллиевое окно). Существенно увеличить относительную интенсивность можно заменой двухслойных анодов металлической фольгой толщиной 100-200 мкм. Мощность рассмотренных трубок не превышает де-

сятков ватт, что не требует водяного охлаждения.

1.3. Детекторы излучения

Измерение потоков ХРИ в РФА осуществляется с помощью спектроме-

метрических детекторов излучений. В качестве таких детекторов применя-

12

ются сцинтилляционные, пропорциональные детекторы, а в последние годы наибольшее применение для многоэлементного РФА получили полупровод-

никовые детекторы (ППД).

В настоящее время разработаны несколько типов ППД, применяемых в РФА. В первую очередь это Si(Li) и Ge(Li) детекторы, полученные методом дрейфа лития в кристаллы кремния и германия. Для нормальной работы хра-

нение и эксплуатацию ППД необходимо осуществлять при температуре жид-

кого азота (-196 ). Выпускаемые ППД различаются по толщине (3-5мм) и

площади чувствительной поверхности (100-200мм2). При этом Si(Li) детек-

торы применяют для регистрации рентгеновского излучения с энергией от

1,5 до 30 кэВ, а Ge(Li) детекторы для регистрации излучения с энергией бо-

лее 30 кэВ.

Полупроводниковый детектор и первый каскад предусилителя разме-

щены в вакуумированном криостатe, погруженном в сосуд с жидким азотом.

Охлаждение ППД осуществляется через хладопровод. Для уменьшения по-

глощения вторичного рентгеновского излучения входное окно детектора из-

готовляют из бериллия толщиной несколько десятков микрон. Структурная схема рентгеновского спектрометра на ППД приведена на рис.5.

Основным недостатком ППД является необходимость их постоянного охлаждения до очень низких температур (-196 ), что препятствует широко-

му применению ППД особенно в полевых условиях. В последнее время поя-

вились ППД, работающие без жидкого азота. Это Si-Pin детекторы на основе особо чистого кремния, которые охлаждаются до температуры -60-90о. Та-

кая температура может быть получена с помощью компактных термохоло-

дильников, работающих на эффекте Пельтье.

Наиболее важные характеристики ППД – энергетическое разрешение,

эффективность регистрации и временное разрешение.

Энергетическое разрешение ( E) – ширина пика амплитудного рас-

пределения от моноэнергетического излучения на половине высоты. Зави-

сит от энергии регистрируемого излучения (E) и определяется формулой:

13

где А – ппппппппп для ППД составляет 0,06-0,08

1

Рис. 5. Структурная схема рентгенорадиометрического спектрометра на ППД. 1 – иссле-

дуемая проба; 2 – радионуклидные источники; 3 - бериллиевое окно; 4 – полупроводнико-

вый детектор; 5 – охлаждаемый первый каскад предусилителя; 6 - хладопровод; 7 – ваку-

умный криостат; 8 – сосуд Дьюара; 9 – предусилитель; 10 – усилитель-формирователь; 11

– амплитудно-цифровой преобразователь; 12ЭВМ

Наилучшие образцы ППД имеют энергетическое разрешение 130-135

эВ при регистрации излучения с энергией 5,9 кэВ (К– линия марганца).

Энергетическое разрешение ППД на порядок лучше, чем энергетическое раз-

решение газовых пропорциональных и сцинтилляционных детекторов и по-

зволяет раздельно регистрировать К– линии соседних по атомному номеру элементов. Высокое энергетическое разрешение ППД делает их незамени-

мыми при проведении многоэлементного РФА.

14

Эффективность регистрации – отношение числа зарегистрированных детектором частиц, к числу частиц, падающих на его рабочую поверхность.

Эффективность регистрации зависит от энергии регистрируемого излучения,

толщины входного бериллиевого окна и размеров кристалла и близка к 100%

для диапазона энергий от 5 до 20 кэВ.

Временное разрешение представляет собой минимальный временной интервал между актами попадания квантов в детектор, при котором они ре-

гистрируются раздельно. Временное разрешение определяет максимальную импульсную загрузку при работе с детектором, при которой не наблюдается заметного просчета импульсов. Максимальная импульсная загрузка при ра-

боте с ППД составляет 5000-10000 имп/c.

1.4. Методики многоэлементного рентгенофлюоресцентного анализа

Общее выражение для потока квантов ХРИ от определяемого элемента имеет вид:

Nx kC(1 e x) ,

где к – постоянный коэффициент; С – концентрация элемента в пробе; –

массовый коэффициент фотоэлектрического поглощения, характеризующий поглощающие свойства пробы для первичного и вторичного излучений, x –

толщина пробы [г/см2].

Как следует из приведенной формулы, поток ХРИ зависит не только от концентрации анализируемого элемента, но и от поглощающих свойств про-

бы.

Величина пробы определяется еѐ вещественным составом. Для устра-

нения погрешностей анализа, связанных с изменением вещественного соста-

ва пробы применяются различные методики анализа.

15

1.4.1. Методика анализа в тонких слоях

ние для потока Nx примет вид:

Nx = к С х,

т.е. величина Nx прямо пропорциональна концентрации элемента и не зави-

сит от поглощающих свойств пробы

Концентрация определяемого элемента Сi в пробе при анализе в тонких слоях будет определяться выражением:

где Сэт – концентрация элемента в эталонной пробе.

Методика анализа в тонких слоях характеризуется независимостью ре-

зультатов определений от изменений вещественного состава проб. Из-за не-

большой толщины пробы (~1мм) первичное излучение очень слабо рассеи-

вается пробой, поэтому вклад рассеянного излучения в измеряемые скорости счета незначительный.

1.4.2. Методика анализа в насыщенных слоях

Из выражения для потока ХРИ, следует, что если х > 5 (насыщенные слои), то e x 0, тогда

Nх k Cх

Для учета поглощающих свойств пробы измеряется поток некогерент-

ного рассеянного излучения, величина которого равна

N р kр

p

16

Далее вычисляют величину спектрального отношения

Из приведенных данных следует, что величина спектрального отноше-

ния определяется концентрацией анализируемого элемента.

Методика анализа в насыщенных слоях является простой, производи-

тельной и обеспечивает более высокую чувствительность по сравнению с ме-

тодикой измерения в тонких слоях.

Важной метрологической характеристикой анализирующей аппаратуры и методики анализа является предел обнаружения. Пределом обнаружения

(ПО) называется минимальная концентрация элемента, определяемая с дан-

ной вероятностью (обычно 99,7%) .

В ядерной геофизике предел обнаружения обычно оценивается по фор-

муле:

где Sп – площадь «чистого» за вычетом фона пика от анализируемого эле-

мента; SФ – площадь фона под пиком; Сэт – концентрация элемента, по кото-

рому оценивается предел обнаружения.

Если каналы, ограничивающие пик с обеих сторон обозначить l и r, а отсчеты в них Nl и Nr , соответственно, то имеем (см. рис. 6):

N

SП

N (r)

N (l)

SФ

Рис. 6. Оценка предела обнаружения метода

Статистическая погрешность определения площади пика вычисляется

1.5. Многоэлементный анализ геоэкологических объектов с применени-

ем спектрометров

Рентгеновский спектрометр «РеСПЕКТ» предназначен для экспрессного многоэлементного анализа различных объектов: природных, питьевых и сточных вод, почв, атмосферного воздуха и др.

Блок схема экспериментального спектрометра приведена на рис 7. Спек-

трометр включает источник высокого напряжения (до 60 кэВ) и спектромет-

рический модуль, позволяющий реализовать оптимальные условия измере-

ний проб. В спектрометрическом модуле размещены рентгеновская трубка,

коллиматоры, и кювета с анализируемым образцом.

18

Рентгеновская трубка типа БСВ (P = 3.6кВт) служит источником первич-

ного возбуждающего излучения. При использовании трубки с молибденовым анодом первичным возбуждающим излучением является К (17,5 кэВ) и К

(19,6кэВ) серия молибдена. При этом возможен анализ по К – серии на эле-

менты с атомными номерами от 17(Cl) до 39(Y) и по L – серии на элементы от

49(In) до 92(U) соответственно.

Вторичное рентгеновское излучение регистрируется Si(Li) полупровод-

никовым детектором. Накопление и обработка спектрометрической информа-

ции осуществляется персональным компьютером со встроенным одноплатным спектрометром SBS – 30, обеспечивающим также низковольтное и высоко-

вольтное питание детектора. Программа обработки рентгеновских спектров идентифицирует пики элементов и определяет их площади, которые пропор-

циональны концентрациям анализируемых элементов. Результатом обработки является файл, содержащий перечень элементов и входящих в состав пробы и их концентрация.

19

С применением спектрометра "РеСПЕКТ" возможен анализ как порош-

ковых, так и жидких проб одновременно на 20-25 элементов.

При анализе жидкостей пробу объѐмом 20-100 мкл наносят микродоза-

тором на тонкую полипропиленовую плѐнку и высушивают. Анализируют сухой осадок, образующийся после высыхания капли исходного раствора

(тонкие слои). Для количественного расчета концентраций применяют метод внутреннего стандарта, в качестве стандарта используют рубидий (Rb). Ес-

тественное концентрирование образца при высыхании, оптимальная геомет-

рия измерения, существенно уменьшающая фон рассеянного излучения, при-

водят к значительному улучшению чувствительности анализа. Предел обна-

ружения элементов в жидкостях составляет 10-6 %.

При анализе порошковых проб, (почвы, осадки сточных вод геологиче-

ские пробы) образец массой 3-5 г насыпают в кювету с основой из тонкой полипропиленовой пленки и помещают в спектрометрический модуль на из-

мерение. Для учета влияния вещественного состава проб используется метод нормировки на пик некогерентного рассеянного излучения и привязка по со-

ответствующим стандартам. Предел обнаружения элементов в порошковых

щем измерении полученного сорбента. Результатом анализа является значе-

ния концентраций элементов Сi (мкг), сорбированных на фильтре.

Для проведения многоэлементного РФА в настоящее время в мире вы-

пускается большое количество разнообразной рентгеновской аппаратуры.

Ниже рассмотрены основные технические характеристики современных оте-

чественных спектрометров «РЕСПЕКТ».

Рентгеновский спектрометр «РеСПЕКТ» предназначены для экспресс-

ного определения массовой концентрации элементов, содержащихся в анали-

зируемом образце. За одно измерение (10 - 1000 сек.) одновременно опреде-

ляется до 50 элементов (от Na до U). Диапазон определяемых концентраций

от 0.0001% до 100% (рис.8).

20