Детектирующие устройства в рентгенофлуоресцентном анализе

Содержание                                                                                                           стр.

Введение……………………………………………………………………………..3

1. Общие сведения о рентгенофлуоресцентном анализе………………………4-6
2. Выделение аналитического сигнала…………………………………………….7
3. Газоразрядные пропорциональные детекторы……………………………...8-11
4. Сцинтилляционные детекторы…………………………………………………12
5. Полупроводниковые детекторы…………………………………………….13-14
6. Основные характеристики детекторов…………………………………..…15-21

Заключение………………………………………………………………………….22

Список используемой литературы………………………………………………...23 

 

     

     Введение

     Рентгенофлуоресцентый анализ - метод анализа, используемый для определения концентраций элементов от бериллия до урана в диапазоне от 0.0001% до 100% в веществах различного происхождения. Широкое применение метода в индустрии и науке определяется способностью выполнять точные измерения с высокой скоростью. И это является его несомненным плюсом.

     Для  определения параметров рентгеноспектральных аппаратов используются рентгеновские детекторы.

     Целью данной работы является изучение основных видов и типов детекторов,  применяющихся в РФА, принципе их работы, сходства, различия и преимущества. Также изучение основных параметров этих приборов и влияние на их работу различных факторов, т.е. изучение основных характерисктик детекторов рентгеновского излучения.

 

     

1. Общие сведения о рентгенофлуоресцентном анализе

     Рентгенофлуоресцентный  анализ (РФА) - один из современных спектроскопических методов исследования вещества с целью получения его элементного состава, т.е. его элементного анализа. [4]

       Метод РФА основан на сборе и последующем анализе спектра, полученного путём воздействия на исследуемый материал рентгеновским излучением. При облучении атом переходит в возбуждённое состояние, сопровождающееся переходом электронов на более высокие квантовые уровни. В возбуждённом состоянии атом пребывает крайне малое время, порядка одной микросекунды, после чего возвращается в спокойное положение (основное состояние). При этом электроны с внешних оболочек либо заполняют образовавшиеся вакантные места, а излишек энергии испускается в виде фотона, либо энергия передается другому электрону из внешних оболочек. При этом каждый атом испускает фотоэлектрон с энергией строго определённого значения, например железо при облучении рентгеновскими лучами испускает фотоны Кα = 6,4 кэВ. Далее соответственно по энергии и количеству квантов судят о строении вещества. [5]

     В качестве источника излучения могут  использоваться как рентгеновские  трубки, так и изотопы каких-либо элементов. Поскольку каждая страна имеет свои требования к ввозу  и вывозу излучающих изотопов, в  производстве рентгенофлуоресцентной техники в последнее время  стараются использовать, как правило, рентгеновскую трубку. Для разных групп элементов используются различные  значения силы тока и напряжения на трубке. Для исследования лёгких элементов  вполне достаточно установить напряжение 10 кВ, для средних 20-30 кВ, для тяжелых — 40-50 кВ. Кроме того, при исследовании лёгких элементов большое влияние на спектр оказывает атмосфера, поэтому камеру с образцом либо вакуумируют либо заполняют гелием. После возбуждения спектр регистрируется на специальном детекторе. Чем лучше спектральное разрешение детектора, тем точнее он сможет отделять друг от друга фотоны от разных элементов, что в свою очередь скажется и на точности самого прибора. В настоящее время наилучшей возможной разрешающей способностью детектора является 123 эВ.

     После попадания на детектор фотоэлектрон преобразовывается в импульс  напряжения, который в свою очередь  подсчитывается счётной электроникой и наконец передается на компьютер. По пикам полученного спектра  можно качественно определить, какие  элементы присутствуют в образце. Для  получения точного количественного  содержания необходимо обработать полученный спектр с помощью специальной  программы калибровки (количественной градуировки прибора). Калибровочная  программа должна быть предварительно создана с использованием стандартных  образцов, чей элементный состав точно  известен. Упрощённо, при количественном анализе спектр неизвестного вещества сравнивается со спектрами полученными при облучении стандартных образцов, таким образом получается информация о количественном составе вещества.

     Рентгенофлуоресцентный  анализ обладает рядом  несомненных достоинств:

     - является неразрушающим методом  контроля, не разрушает и не  деформирует пробу; 

     - предъявляет минимальные требования  к пробоподготовке, чаще всего  - не требует никакой;

     - делает ненужной измерение количества  пробы - взвешивание, измерение  объема и т.п.

     - Использующие этот метод приборы  позволяют проводить количественный  анализ содержания тяжёлых металлов и других элементов.

     Наиболее  часто встречающиеся аналитические  задачи определения содержания тяжёлых  металлов в различных средах:

     - анализ природных минеральных  и питьевых, промышленных и коммунальных  сточных вод на содержание  тяжелых металлов; 
         - определение содержания тяжелых металлов в почвах, промышленных выбросах, воздухе рабочей зоны;

     - анализ различных растворов на  содержание тяжёлых металлов;

     - определение содержания тяжёлых  металлов в нефти, попутных  водах (рассолах) и нефтепродуктах;

     - анализ различных сплавов на  содержание цветных металлов;

     - анализ углеродистых сталей на  содержание легирующих добавок;

     - анализ ювелирных изделий на  содержание драгоценных металлов;

     - анализ катализаторов на содержание  палладия и платины и др.

     Применение 

1. Экология и охрана окружающей среды: определение тяжёлых металлов в почвах, осадках, воде, аэрозолях и др.
2. Геология и минералогия: качественный и количественный анализ почв, минералов, горных пород и др.
3. Металлургия и химическая индустрия: контроль качества сырья, производственного процесса и готовой продукции
4. Лакокрасочная промышленность: анализ свинцовых красок
5. Ювелирная промышленность: измерение концентраций ценных металлов
6. Нефтяная промышленность: определение загрязнений нефти и топлива
7. Пищевая промышленность: определение токсичных металлов в пищевых ингредиентах
8. Сельское хозяйство: анализ микроэлементов в почвах и сельскохозяйственных продуктах
9. Археология: элементный анализ, датирование археологических находок
10. Искусство: изучение картин, скульптур, для проведения анализа и экспертиз

     Широкое применение метода в индустрии и  науке определяется способностью выполнять  точные измерения с высокой скоростью. [6]

 

     

2. Выделение аналитического сигнала.

     Аналитическим сигналом в рентгеноспектральном анализе  служит интенсивность характеристического  излучения элемента, измеренная в  относительных единицах. Для измерения  энергия рентгеновского излучения  с помощью детекторов преобразуется  в удобную для обработки и  регистрации форму электрических  импульсов.

     Детекторы рентгеновского излучения

     Параметры рентгеноспектральных аппаратов во многом определяются рентгеновскими детекторами. В рентгеноспектральном анализе  обычно применяются детекторы, средняя  амплитуда импульсов на выходе которых  пропорциональна энергии поглощающего фотона. К этим детекторам относятся  в первую очередь сцинтилляционные, газовые пропорциональные и полупроводниковые  счетчики. Детекторы, не чувствительные к энергии квантов (гейгеровские счетчики, токовые ионизационные  камеры, фотопленки и др.), в современной  аппаратуре практически не используются, так как отсутствие энергетического  разрешения приводит к существенному  ухудшению параметров спектрометра в целом.

     Несмотря  на то, что в кристалл-дифракционных  спектрометрах спектральная избирательность  обеспечивается дифракцией на кристалле-анализаторе, применение соответствующим образом  выбранного детектора и амплитудной  секции импульсов позволяет существенно  повысить контрастность за счет подавления высших порядков дифрагированного на кристалле излучения и компонентов  фона с длиной волны, отличной от выделяемой.

     Принцип действия всех типов детекторов рентгеновского излучения основан на его способности  ионизировать вещество. В современных  рентгеновских спектрометрах используются газоразрядные, сцинтилляционные и  полупроводниковые детекторы. 
 

     

3. Газоразрядные пропорциональные детекторы.

     Конструктивно пропорциональные счетчики рентгеновского излучения представляют собой газоразрядный двухэлектродный прибор, катодом которого служит металлический корпус, а анодом – тонкая вольфрамовая нить. В качестве наполнителя чаще всего используют аргон, а также ксенон, так как у него большие коэффициенты поглощения, а следовательно, и эффективность регистрации.

      Фотон рентгеновского излучения, взаимодействуя с электронной оболочкой атомов газа, выбирает один из внешних электронов, в результате чего образуется ионная пара Ar  ^hv    Ar⁺ + e^-. На образование одной ионной пары аргона расходуется в среднем 26,4 эВ энергии, для ксенона это 20,8 эВ. Число пар ионов, образованных при поглощении одного кванта с энергией ɛ, будет

     n₀=ɛФ/J,

     J – средняя энергия образования ионной пары, Ф – фактор Фано, учитывающий, что отдельные акты ионизации не носят чисто случайный характер. Из уравнения видно, что количество ионных пар, пропорционально энергии ɛ падающих фотонов. Это приводит к тому, что амплитуда импульса на выходе счетчика пропорциональна энергии регистрируемых квантов, т.е. счетчик обладает энергетическим разрешением.

     

     Рисунок 1 – «Схема проточного пропорционального  счетчика»

     1 – изоляторы, 2- корпус, 3 – входное  окно, 4 – нить, 5 – штуцеры для  подвода газа.

     Под действием ускоряющего потенциала электроны движутся к нити, а положительные  ионы – к корпусу. Электроны на своем пути ускоряются электрическим полем и многократно ионизируют атомы газа. Отношение числа первично возникших электронов к числу электронов, достигших нити, называется коэффициентом газового усиления, который обычно равен 10⁴-10⁵. Значение коэффициента газового усиления экспоненциально зависит от рабочего напряжения  на счетчике, поэтому стабильность ускоряющего напряжения должна быть не хуже ±0,05%. Для быстрого гашения импульса в инертный газ добавляется немного гасящего газа. Распространена смесь Р-10, состоящая из 90% аргона и 10 % метана. Эффективность счетчика зависит от чистоты газа. Примеси водяных паров и кислорода недопустимы, так как ионы электроотрицательных газов малоподвижны и легко рекомбинируют.

     Для легких элементов с Z ≤ 9 целесообразно применение смесей Не + СН₄/СО_2, имеющих очень низкую эффетивность для фона коротковолнового излучения. Используются и другие газовые смеси.

     Газоразрядные счетчики бывают:

1. отпаянные с постоянным газовым наполнением;
2. проточные.

     В отпаянных счетчиках для окон используют вакуум-плотный бериллий толщиной около 0,2 мм. Срок службы таких детекторов определяется непроницаемостью окна детектора для газа. Для регистрации мягких рентгеновских лучей нужны очень тонкие входные окна, которые невозможно сделать непроницаемыми. Чтобы компенсировать неизбежную утечку газа, через счетчик пропускается с малой скоростью струя газа из подключенного баллона. В проточных счетчиках она изготовляются из органических пленок – полиэтилентерефталат С₁₀Н₈О₄, поликарбоната С₁₆Н₁₄О₃ и полипропилена СН₂ толщиной 1-6 мкм. Пленки толщиной 0,1 мкм получают из нитроцеллюлозы, поливинилового формальдегида и ацетата целлюлозы испарением растворителя из капель раствора на поверхности воды. Сверхтонкие окна укрепляют на металлической сетке. [3]