6.5. Подготовка излучателей для рентгеноспектрального флуоресцентного анализа

Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ (РСФА) – это быстрый, неразрушающий и безопасный для окружающей среды метод анализа, обладающий высокой точностью и воспроизводимостью результатов. Метод позволяет качественно, полуколичественно и количественно определять все элементы от бериллия до урана, находящиеся в порошкообразных, твердых и жидких пробах. Образцы, подготовленные к измерениям в спектрометре, принято называть излучателями. Концентрации вплоть до 100 % можно анализировать напрямую, без какого-либо разбавления пробы – с относительным стандартным отклонением меньше ± 0.1 %. Типичные нижние пределы обнаружения - от 0.1 до 10 ppm (одна часть на миллион). Самые современные рентгеновские спектрометры с модульными устройствами смены образцов способны быстро и гибко манипулировать пробами, что позволяет легко адаптировать прибор под требования заказчика. Материалами для анализа могут быть твердые тела - стекло, керамика, металл, горные породы, угли, пластмассы, или жидкости - бензин, масло, краски, растворы, кровь и т.п.. С помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра можно определять как очень низкие концентрации на уровне ppm, так и очень большие вплоть до 100 % без разбавления пробы. Поэтому РСФА - это универсальный метод анализа, основанный на простой и быстрой подготовке пробы, который получил широкое распространение, прежде всего в промышленности, а также в области научных исследований. Широкие возможности рентгенофлуоресцентного анализа особенно полезны при крайне сложном анализе объектов окружающей среды, при контроле качества производства и при анализе сырья и готовой продукции. Качество подготовки пробы в рентгенофлуоресцентном анализе не менее важно, чем качество измерений.

Обычно подготовка образцов ко всем видам рентгенофлуоресцентнному анализа не представляет сложностей. Для проведения высоконадежного количественного анализа образец должен быть однородным и представительным, иметь массу и размер не менее требуемого методикой анализа. Металлы шлифуются, порошки измельчаются до частиц заданного размера и прессуются в таблетки. Горные породы сплавляются до стеклообразного состояния (это надежно избавляет от погрешностей, связанных с неоднородностью образца). Жидкости и сыпучие вещества просто помещаются в специальные чашки. Для проведения качественного и полуколичественного анализа требования подготовки образца минимальные. Часто образец может быть помещен в держатель спектрометра без какой-либо подготовки. При идентификации веществ предпочтительно не нарушать целостность образцов что бы не изменять их свойств.

Идеальная проба должна быть соответствующим образом подготовлена, т.е. должна:

- воспроизводить состав материала

- быть однородной

- иметь толщину, достаточную для того, чтобы удовлетворять требованиям пробы с «бесконечной» для выхода характеристического излучения

- иметь ровную поверхность

С помощью РСФА можно проводить неразрушающий и безопасный для окружающей среды элементный анализ, не требующий перевода твердых проб в раствор с помощью методов классической химии. Основным требованием для проведения точного и воспроизводимого анализа является плоская, однородная по составу и чистая поверхность пробы. При анализе очень легких элементов, например, натрия, магния, бериллия, бора или углерода детектируемое флуоресцентное излучение испускается из слоя, толщина которого лежит в диапазоне от нескольких атомов до нескольких десятков микрометров и сильно зависит от основы пробы (Табл. 6.1.). Поэтому при анализе легких элементов подготовка излучателей должна быть выполнена с особой тщательностью.

Табл.6.1.: Толщина слоя (в мкм), излучающего 90 % флуоресценции

Основа пробы	Графит	Стекло	Железо	Свинец
Линия
Mg K1,2	20	7.08	1.92	1.13
Al K1,2	31.8	10.5	3.05	1.7
Si K1,2	48.9	16.1	4.69	2.47
Ca K1,2	495	54.3	36.5	3.41
Ti K1,2	920	73.3	63	4.52
Fe K1,2	2720	196	164	11.1
Ba L1	893	71.3	61.3	4.4

Плотные материалы, типа горных пород, почв, шлаков и им подобных должны быть измельчены, например, в щековой дробилке. Затем материал, раздробленный на куски, превращают в очень мелкий порошок с помощью конусного виброизмельчителя, дисковой вибромельницы или шаровой мельницы, чтобы сделать его пригодным для анализа. Размер частиц предпочтительно должен быть меньше 50 мкм.

Поэтому способ подготовки пробы к анализу следует выбирать с особой тщательностью. Любой используемый метод подготовки излучателей должен давать воспроизводимые по составу образцы для определенного калибровочного диапазона, которые имеют одинаковые физические свойства, включая массовый коэффициент поглощения, плотность и размер частиц. Кроме того, используемый метод подготовки излучателей должен быть быстрым и дешевым, и не приводить к значительным систематическим ошибкам, например, к введению в пробу микроэлементов из загрязнителей, содержащихся в растворителе.

7. Содержание отчета

7.1. Отчет по работе должен быть оформлен в соответствии с требованиями стандарта предприятия СТО УПИ 1-85.

7.2. Структура отчета:

Название и цель работы

1. Описание экспериментальной установки

1.1. Приборы и вычислительная техника, используемые в работе (краткая техническая характеристика).

1.2. Принципиальная схема установки.

2. Теоретическая часть. Краткое изложение основных этапов работы.

3. Экспериментальное исследование

3.1. Методика проведения измерений.

3.2. Экспериментально снятые зависимости, представленные графически ГОСТ 2.319-81).

3.3. Таблицы результатов эксперимента (ГОСТ 2.105-81).

4. Оценка погрешности результатов измерений. Методика расчета погрешности.

4.2. Анализ полученных результатов.

5. Заключение

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Лабораторная работа №1. Исследование статистических характеристик случайной функции числа импульсов, регистрируемых в радиационной толщинометрии. Определение характеристик случайной функции, полученной при детектировании потока ионизирующего излучения, прошедшего через материал-поглотитель.

Список вопросов для самоконтроля

1. Какие законы распределения случайных величин вы знаете?

2. Назовите условия стационарного потока Пуассона.

3. Назовите условия применения распределения Пуассона к радиометрическим результатам.

4. Как проверить однородность распределения радионуклида по поверхности источника?

5. Каким образом возможно выявить пригодность данного радиометра для правильного измерения активности источника?

6. Назовите сходства и различия распределения Пуассона и Гаусса.

7. Какой физический смысл заложен в создание критерия Пирсона?

8. Назовите причины резкой асимметрии распределения Пуассона при малых значениях генерального среднего.

9. Какая величина доверительной вероятности (и почему) принята в настоящее время для большинства радиометрических процедур?

1. Ход работы

1.1. Получают от преподавателя 11 закрытых радиоактивных препаратов, характеризующихся скоростью счета 1000–1500 имп/мин.

1.2. Радиометрируют с фоном один из выбранных препаратов 6–8 раз по 1 минуте. При этих условиях N_i=I_i.

1.3. Этот же препарат радиометрируют 6–8 раз по 1 минуте, каждый раз произвольно его поворачивая.

1.4. Затем радиометрируют все 11 закрытых радиоактивных препаратов 1 раз по одной минуте.

2. Обработка экспериментальных данных.

2.1. По данным измерений рассчитывают среднюю арифметическую скорость счета I_ср и выборочную дисперсию S²{I_i}.

2.2. Составляют эмпирический χ²-критерий по формуле (1.4), для 5%–ного уровня значимости при соответствующем числе степеней свободы по таблицам χ²-распре­деления находят теоретическое значение χ²_0,05(f). Сравнивают эмпирический критерий с теоретическим и делают вывод в отношении нуль-гипотезы о пуассоновском характере распределения результатов радиометрии.

2.3. Если гипотеза о подчинении эмпирического распределения формуле Пуассона не проходит, то целесообразно исследовать список результа­тов на присутствие в нем грубого "выброса" (результат, отягощенный грубой погрешностью, промахом). При этом обычно поступают следую­щим образом:

а) если сомнительны I_max и I_min, то сначала оценивают один из этих результатов. Если он будет признан грубым промахом, то рассчитывают среднее и дисперсию по оставшимся n –1 изме­рениям и оценивают второй результат;

б) если сомнительны два наи­больших (или наименьших) результата, то сначала оценивают наименее уклоняющееся значение по абсолютной величине. При этом среднее и дисперсию определяют по (n–1) измерениям. Если этот результат можно отбросить, то отбрасывают и второй, более уклоняющийся результат, так как очевидно, что его с еще большим основанием следует признать грубым промахом. Затем находят среднее и дисперсию по (n – 2) оставшимся измерениям и вновь выдвигают гипотезу о соот­ветствии данных опыта распределению Пуассона. Если же этот наиме­нее уклоняющийся результат отбросить нельзя, то оценивают наиболее уклоняющийся, рассчитывая среднее и дисперсию по всему списку дан­ных (n значений).

2.4. Результат обрабатываем по распределению Стьюдента и для 5%-ного уровня значимости строим доверительные интервалы для средней скорости счета по формулам (1.8.), если результат измерений активности соответствует распределению Пуассона, и гипотеза о пуассоновском рассеянии проходит, то результат обрабатываем по формулам (1.7).

2.5. Сравнивают результаты расчета доверительных интервалов, получен­ных по разным формулам, и делают выводы.

По указанию преподавателя в лабораторную работу могут быть вне­сены некоторые изменения, которые потребуют выдвижения и проверки дополнительных гипотез.

Лабораторная работа № 2. Закономерности ослабления гамма-излучения как основа радиационного дефектоскопического контроля материалов.

Снятие зависимостей ослабления гамма-излучения от толщины металлических пластин. Расчет линейных и массовых коэффициентов ослабления, сравнение с табличными. Оценка чувствительности и погрешности. Нахождение пластины со скрытым внутренним дефектом и метрологическим подтверждением основных параметров дефекта.

Список вопросов для самоконтроля

1. Основные механизмы взаимодействия гамма-излучения с веществом.

2. Радиометрический метод контроля объектов в дефектоскопии и толщинометрии.

3. Закономерности ослабления узкого и широкого пучка гамма -излучения. Линейные и массовые коэффициенты ослабления.

4. Абсолютная и относительная чувствительности в радиационной дефектоскопии. Погрешности измерения. Отношение сигнала к шуму.

5. Принципы регистрация гамма-излучения с помощью сцинтилляционного детектора.

6. Оценить возможности метода для целей радиационной дефекто­скопии и толщинометрии