О компании | Метод ЭДРФА | Спектры | Области применения | Сертификаты | Контактная информация

 

Рентгенофлуоресцентный анализатор Х-Арт М

 

Рентгенофлуоресцентный анализатор "X-АРТ М" предназначен для определения качественного и количественного элементного состава твердых, жидких и порошкообразных веществ, материалов и изделий


  Анализатор Х-Арт М

  Анализатор Х-Con

  Диафрагмы металлические

  Диафрагмы стеклянные

  Программирование задач

  Анализ образцов

  Услуги по ремонту


Метод Энергодисперсионного Рентген-Флуоресцентного Анализа (ЭД РФА)

Для объяснения принципа метода рентген-флуоресцентного анализа (РФА) удобно воспользоваться аналогией с цветовым зрением человека.

Зрительный образ формируется за счет фотонов от некоторого источника, например, солнца, рассеянных на наблюдаемом объекте или возбужденных в объекте падающим светом. Геометрические размеры и форма объекта определяются углами рассеяния падающего света на его границах, а цвет поверхности объекта зависит от физико-химических свойств материала, то есть те новые фотоны, которые появляются из объекта под воздействием падающих, несут информацию о качестве материала. Эта информация - частота волны переизлученного света, которая пропорциональна энергии новых фотонов. Заметим, что энергия падающих, рассеянных и вторичных световых фотонов по порядку величины соответствует энергии связи электронов на внешних оболочках атомов вещества.

Глаз человека является детектором рассеянных и возбужденных фотонов. В связке с мозгом он представляет собой систему, анализирующую углы рассеяния излучения на объекте и спектр зарегистрированного фотонного излучения. Диапазон видимого спектра весьма узок - от ультрафиолетовых до инфракрасных фотонов (1,6 - 3,4 электрон-вольт), однако люди хорошо различают цвета и их оттенки в пределах до нескольких сотен градаций. Это означает, что нам заметны весьма малые изменения энергии фотонов, следовательно, наша система регистрации отлично диспергирует видимый свет по энергии. Термин "энергодисперсионный" (ЭД) связан именно с этим. ЭД детектор самостоятельно и довольно точно различает энергии регистрируемых фотонов.

Рентгеновские фотоны принципиально не отличаются от световых фотонов, однако их энергия значительно выше, и за счет этого они проникают в глубину материала объекта. Известно, что с помощью рентгеновского излучения можно просвечивать непрозрачные объекты, определяя пространственное распределение плотности в них. Это направление называется интроскопией и имеет в основном медицинское и промышленные приложения. Если интересоваться рассеянным рентгеновским излучением, то можно исследовать структуру вещества, то есть геометрию расположения атомов в кристалле или структуру макромолекул, так как длина волны рентгеновского излучения сравнима с межатомными расстояниями. Здесь важны как научно-техничекие, так и биологические приложения.

Возбужденное (вторичное) рентгеновское излучение затрагивает внутренние оболочки атомов вещества, благодаря тому, что энергия падающих рентгеновских фотонов того же порядка, что и энергия связи электронов на этих оболочках. Три внутренних оболочки, считая от ядра атома, принято обозначать буквами K, L и M. Падающий фотон выбивает один из электронов с внутренней оболочки, а образовавшаяся вакансия практически мгновенно заполняется электроном с одной из последующих более высоких оболочек атома (рис. 1). При этом с большой вероятностью испускается так называемый характеристический квант, то есть фотон с энергией равной разности энергий связи на двух указанных оболочках. В названии "характеристический" подчеркивается, что этот квант характерен для данного типа атомов, потому что для атомов другого типа расположение оболочек иное, следовательно, и энергия характеристического или иначе флуоресцентного фотона будет иной.


РИС. 1. Схема возбуждения характеристического излучения на K-оболочке

Анализ линейчатого спектра характеристических фотонов составляет сущность подхода РФА.

Если в облучаемом материале существуют атомы различного типа, то с помощью ЭД детектора должны регистрироваться их флуоресцентные фотоны в виде спектра, развернутого по шкале энергий. При этом положение некоторого пика на шкале указывает тип атома, что соответствует качественному анализу объекта измерений, а интенсивность пика пропорциональна концентрации атомов данного типа в объекте и может быть использована для количественного анализа элементного состава образца.

Таким образом, метод ЭД РФА аналогичен цветовому зрению, причем понятию цвета соответствует тип атома или его номер Z в таблице периодической системы химических элементов. Диапазон энергий основных линий характеристических квантов (линий K-серии) довольно широк: в пределах хорошо регистрируемых элементов от натрия (Z=11) до урана (Z=92) энергия основных линий изменяется примерно от 1 до 100 килоэлектрон-вольт (кэВ). Из чисто энергетических соображений очевидно, что для возбуждения данной линии требуется, чтобы энергия падающего рентгеновского фотона была несколько больше энергии связи соответствующего орбитального электрона. Поэтому ясно, что возбудить в веществе основные линии тяжелых элементов труднее, то есть нужно использовать в качестве источника облучения рентгеновскую трубку с напряжением анодного питания до 100 киловольт и выше.

На практике это приводит к резкому снижению радиационной безопасности приборов, поэтому обычно ограничиваются напряжениями до 30-60 киловольт. Тогда тяжелые элементы анализируют не по основным линиям K-серии флуоресцентного излучения, а по линиям L- или M-серий, которые возбуждаются в случае выбивания электрона не с ближайшей к ядру атома K-оболочки, а с последующих более высоких L- и M-оболочек. Ясно, что наилучшим "зрением" обладают те приборы, которые работают с наиболее яркими линиями K-серии, хорошо разрешаемыми по энергии и почти не перекрывающими друг друга в спектре в отличие от других линий. По крайней мере, желательно "добираться" по K-сериям до редкоземельных элементов в таблице Менделеева. Это означает, что анодное напряжение рентгеновской трубки должно быть порядка 50-60 киловольт, а также налагает определенные требования на систему детектирования полезного рентгеновского излучения.

Основными характеристиками ЭД детекторов являются эффективность регистрации и энергетическое разрешение.

Первый параметр отвечает за вероятность поглощения фотона в чувствительном объеме детектора, в результате которого на выходе блока детектирования появляется импульс с амплитудой, строго пропорциональный энергии этого фотона. Для повышения эффективности регистрации необходимо увеличивать толщину детектора с тем, чтобы прилетевший фотон поглотился, а не прошил детектор насквозь. Если речь идет о наиболее важном для РФА кремниевом полупроводниковом Si(Li) детекторе, то его толщина должна быть не менее 2 мм. Для эффективной регистрации бария (Z=53) и лантаноидов, конечно, желательно, чтобы эта толщина была больше - в районе 4-5 мм. Отметим особо, что эффективность нелинейно зависит от толщины детектора, то есть уменьшение толщины приводит к ее резкому снижению (рис. 2).


Рис. 2. Эффективность кремниевого детектора для толщин 0.3, 0.5, 1, 2 и 4 мм как функция энергии падающего излучения

Второй параметр определяется как ширина пика, соответствующего регистрируемой линии, на половине его высоты. Понятно, что чем меньше эта величина, тем лучше детектор будет различать близко расположенные в спектре линии. Принято оценивать этот параметр для основной линии марганца (Z=25) с энергией 5,9 кэВ. Рекордные значения разрешения для кремниевых детекторов составляют 130-140 эВ, что соответствует примерно 2,3 % относительной ширины, однако хорошая аналитика может осуществляться и при значениях 170-180 эВ (примерно 3 % относительных). Уровень разрешения полупроводниковых детекторов обычно позволяет видеть в образцах несколько основных линии K-серий элементов, две-четыре линии L-серий и, в общих чертах, линии M-серий в диапазоне энергий от 1 до 20 - 40 кэВ (см. рис. 3).

Когда речь идет о регистрации легких элементов, наибольшие проблемы возникают с потерей эффективности регистрации из-за того, что флуоресцентные фотоны не могут попасть в чувствительный объем детектора, так как их путь проходит через воздушный зазор, отделяющий образец от детектора, и через окно детектора. На этом пути они и поглощаются веществом, хотя окна детекторов всегда выполняются из материала минимально возможной толщины (обычно в пределах от 5 до 30 микрон), обладающего минимальным коэффициентом поглощения.

Поглощение фотонов в веществе происходит по экспоненциальному закону. В показателе экспоненты стоит произведение двух величин: толщины пройденного слоя вещества и линейного коэффициента поглощения в нем. Этот коэффициент в области малых Z и соответствующих им малых энергий флуоресцентных фотонов очень велик даже для таких легких поглотителей как воздух (Z=8) или бериллий (Z=4) - стандартный материал окон детекторов.


Рис. 3. Спектр образца пигмента живописной работы

В ряде случаев, когда это возможно, воздушный зазор устраняют, помещая образец и детектор в вакуумную камеру. Если в такой камере обеспечен действительно хороший вакуум, возможно и устранение окна (на время измерения) с помощью специального шлюза. В таких приборах имеется возможность регистрировать элементы, начиная с бериллия или углерода (Z=6). Соответствующие им энергии составляют доли кэВ.

Если вакуум в камере не очень хороший, детектор должен остаться в вакуумном объеме собственного криостата, который обеспечивает его надежную работу и параметры, но в этом случае его отделяет от образца вакуумплотное окно. Такие приборы обычно анализируют химические элементы, начиная с фтора (Z=9) или натрия (Z=11). Подавляющее большинство анализаторов, использующих метод РФА и работающих на воздухе, регистрируют химические элементы, начиная с титана (Z=22), в лучшем случае - с кальция (Z=20). Это объясняется тем, что поперечные размеры входного сечения блока детектирования достаточно велики, и оно расположено под углом к образцу с тем, чтобы дать возможность падающему потоку излучения рентгеновской трубки возбудить флуоресцентные фотоны в некотором пятне в зоне видимости детектора. Таким образом, фотонам, выходящим из образца, необходимо пройти довольно большой путь по воздуху, прежде чем они попадут на окно детектора (рис. 4).

Главная современная тенденция в разработке приборов на основе ЭД РФА состоит в том, чтобы значительно уменьшить габариты блока детектирования, приблизив его к образцу. В последние 15 лет появились новые небольшие по размеру кремниевые Si-pin и SDD блоки детектирования, которые позволяют это сделать. Такие блоки не требуют, как Si(Li) детекторы, глубокого охлаждения от -100 до -150°С. Поэтому система охлаждения создается на одном каскаде пельте-кулера, потребляющем мало энергии. Особенно интересны кремниевые дрейфовые детекторы SDD, которые обладают повышенным быстродействием - до 500 тысяч импульсов в секунду - и работают в диапазоне температур от -10 до -40°C.

При этом дополнительная выгода состоит в том, что можно одновременно уменьшить мощность рентгеновского источника, используя трубку с торцевым выходом также максимально приближенную к образцу. Количество первичных фотонов, обратно пропорциональное квадрату расстояния от фокуса на аноде трубки до образца, будет почти тем же, что и для больших стационарных приборов. Таким образом, может быть создан компактный переносной прибор, имеющий конфигурацию близкую к ручной дрели.


Рис. 4. Рентгенооптическая схема типичного анализатора с ЭД детектором

Но на этом пути происходит значительная потеря качества измерений и чувствительности прибора. Во-первых, указанные кремниевые детекторы весьма малой площади обладают толщиной не более 0,3-0,5 мм, что приводит к значительной потере эффективности на рубеже 15-20 кэВ. Следовательно, уверенный анализ элементов по линиям K-серий возможен в лучшем случае только до серебра (Z=47). Кроме того, в регистрируемых спектрах возможно появление артефактов, связанных с возбуждением элементов конструкции, находящейся за детектором и вокруг него. И, наконец, стабильность работы детекторов типа SDD оставляет желать лучшего.

Во-вторых, торцевые рентгеновские трубки с анодом прострельного типа дают менее выгодный первичный спектр для возбуждения флуоресценции, чем трубки с массивным анодом и боковым выходом излучения. Тем не менее, возможности переносных приборов указанного типа достаточно широки, и они быстро заполняют рыночную нишу, размер которой определен потребителями, проводящими оценку металлолома, быструю оценку ювелирных изделий и материалов, особенно в условиях таможенного досмотра, а также решающими целый ряд других задач, где предварительный анализ играет важную роль.
По мере развития этого типа приборов не исключено их применение и в задачах опробывания месторождений полезных ископаемых по месту их залегания.

Разработка анализатора X-Art M

Анализатор X-Art M разрабатывался с целью сохранить преимущества большого лабораторного прибора в мобильном аппарате, имеющем возможность произвольной ориентации аналитического блока в пространстве для неразрушающего элементного анализа любых объектов. Название X-Art было дано проекту, с одной стороны, по назначению - для анализа произведений искусства, например, живописных полотен и храмовых фресок, а с другой стороны, по смыслу - "искусство рентгеновского анализа".

    Одновременно решались следующие задачи:
  • отказ от жидкого азота в качестве агента для охлаждения Si(Li) детектора;
  • создание криостата способного приблизить окно детектора к образцу на расстояние порядка 2-3 мм с целью анализа легких элементов на воздухе;
  • максимальное снижение электропотребления для возможной работы прибора в составе передвижной лаборатории на автомобиле;
  • "отрыв" аналитического блока от блоков питания, обработки информации и жизнеобеспечения детектора с использованием коммуникаций длиной до 4 м.
Все эти и другие задачи решались, начиная с 1996 года, на основе многолетнего опыта, накопленного специалистами следующих организаций:
  • научно-производственная фирма Baltic Scientific Instruments - в прошлом входила в состав Рижского НИИ Радиоизотопного Приборостроения Минатома СССР;
  • НПО "Радиевый институт им. В.Г.Хлопина";
  • ЦНИИ "Электроприбор" и
  • ЗАО "Комита" - головная организация проекта.

Серийный анализатор X-Art M был создан в 2006 году. На него был получен сертификат ГОССТАНДАРТа РФ.

Созданием безазотных блоков детектирования на основе "толстых" Si(Li) детекторов и многоступенчатых пельтье-кулеров активно занимались ведущие зарубежные фирмы в 80-е годы. Параллельно эти работы велись и в Рижском НИИ Радиоизотопного Приборостроения. Однако все созданные системы оказались ненадежными. Это связано с тем, что не было возможности прогревать вакуумный объем, в котором находится детектор, во время откачки. Следовательно, вакуум оставался плохим, и на длительную работу детектора в таких условиях надежд не оставалось. Выход был найден на фирме BSI примерно в середине 90-х годов. Для поддержания высокого вакуума в систему был встроен миниатюрный магниторазрядный насос с минимальным ресурсом работы порядка 5 лет. Этот насос работает непрерывно и, в случае отключения прибора от внешней сети питания, переключается на автономный источник, обеспечивающий продолжение его работы в течение 30 дней. Таким образом, была решена задача отказа от жидкого азота.

В то же время толщина чувствительного слоя Si(Li) детекторов была доведена до 3,5-5 мм, что обеспечивает высокую эффективность регистрации для энергий более 20 кэВ (см. рис. 2). Наилучшая достигаемая цифра по энергетическому разрешению при этом составляет 145 эВ по линии Mn K? (5,9 кэВ), а соотношение пик/фон при регистрации излучения изотопа 55Fe приближается к 4 000 за счет особой технологии изготовления кристалла детектора на фирме BSI.

Для максимального сближения окна детектора и поверхности образца измерений в Радиевом институте был разработан выносной бериллиевый коллиматор, на который тонкое бериллиевое окно крепилось вакуумплотно методом диффузионной сварки в ЦНИИ "Электроприбор" (рис. 5). Этот подход позволяет избежать появления артефактов в спектрах, регистрируемых детектором, так как материал коллиматора - сверхчистый бериллий - не содержит других элементов, которые могли бы возбуждаться потоком излучения, идущего от образца. Таким образом, хотя сам детектор находится на удалении, путь фотонов, пересекших тонкое окно на расстоянии 2,5 мм от образца, далее проходит по вакууму. Это позволяет на воздухе уверенно регистрировать в образцах линию магния (Z=12).

Окно детектора из чистого бериллия толщиной 7-8 мкм снаружи горячим способом покрыто тонкой органической пленкой (1-1,5 мкм) для предотвращения коррозии.
Наличие многоступенчатого пельтье-кулера, охлаждающего детектор примерно до -105°C, предполагает постоянный съем тепла с его задней части. Для этой цели используется замкнутый контур с радиатором и общим объемом дистиллированной воды около 1,5 л.

Рентгеновская трубка фирмы RTW (Германия) с массивным родиевым или серебряным анодом и боковым выходом излучения потребляет до 40 Вт. Тем не менее, полное потребление электроэнергии аппаратной частью прибора не превышает 120 Вт, что вполне допустимо для мобильного прибора.


Рис. 5. Рентгенооптическая схема анализатора X-Art M (сближенная)

Аналитический блок скомпонован в отдельную конструкцию с минимальными габаритами и весом не более 10 кг. В нем помимо рентгеновской трубки и блока детектирования смонтированы подвижка диафрагм и фильтров, а также управляемая электромагнитная заслонка на первичном пучке излучения и видеокамера, дающая возможность наблюдать за поверхностью образца в зоне анализа, когда сам аналитический блок придвинут к объекту измерений вплотную. Система из кабелей и гибких шлангов позволяет подвесить аналитический блок на манипуляторе в любом положении относительно горизонта на расстоянии до 4 м от блока управления.

Блок управления выполнен в виде компактного стола оператора и содержит управляемый высоковольтный источник питания рентгеновской трубки, импульсный процессор для обработки сигналов блока детектирования и ЭВМ. Рыночная ниша прибора X-Art M исследовалась в РФ методом анкетирования предприятий. Одно из очевидных приложений - введение прибора в состав Центральных Заводских Лабораторий крупных машиностроительных предприятий для анализа различных материалов в процессе их производства или использования на производстве. Второе важное приложение - это анализ сырья, продуктов и катализаторов в технологических процессах нефтехимического производства. Третье приложение - использование прибора для анализа образцов горно-обогатительных комбинатов, в том числе на конвейере. Четвертое - анализ моторных масел авиационных, судовых, железнодорожных и стационарных двигателей на присутствие продуктов износа. И, наконец, пятое важное приложение - это применение прибора в решении задач экологического контроля и ряда медико-биологических проблем.

Не исключены и другие применения, например, анализ толщины и состава покрытий в электронной, бумагоделательной и лакокрасочной промышленности, а также элементный анализ радиоактивных отходов.

Руководитель проекта, к.ф.-м.н.
А.С.Серебряков





Монета 50 евроцентов принята в Европе в качестве эталона для сравнения характеристик анализаторов, существующих на рынке.

В отличие от всех других приборов, Х-АРТ М одновременно регистрирует в этом эталоне линии К-серий алюминия и олова на воздухе.

Анализ монеты

 

-5%
при заказе с сайта
заказать
 

 

О компании | Метод ЭДРФА | Спектры | Области применения | Сертификаты | Контактная информация ЗАО «Комита» © 2001-2016