Приборы рентгенофлуоресцентного анализа
Во второй половине 90-х годов на вооружение таможенных органов был принят прибор рентгенофлуоресцентного анализа типа «ПРИМ». Он предназначался для многоэлементного анализа металлов и сплавов, находящихся в твердом, порошкообразном и жидком состоянии (неагрессивные жидкости). В таможнях он использовался для определения элементного состава и оценки количественного содержания отдельных элементов в объектах таможенного контроля, обычно в сплавах металлов. Этот метод считается довольно точным и позволяет быстро проводить анализ. Недостаток - низкая чувствительность определения легких элементов. Их излучение сильно поглощается в воздухе, плохо регистрируется и, главное, они плохо возбуждаются. Метод рентгенофлуоресцентного анализа работает в широком диапазоне элементов, позволяет определять присутствие одновременно нескольких десятков элементов. Могут обнаруживаться тысячно-сотые доли концентраций некоторых элементов.
Рентгенофлуоресцентный анализ - это анализ состава сплава по спектрам составляющих его веществ. Что такое спектр?
При облучении рентгеновскими лучами атом вещества поглощает энергию рентгеновского кванта. Возбужденное состояние является неустойчивым и атом стремится вернуться в устойчивое состояние путем перевода электронов с дальних орбит на вакантные и более близкие к ядру атома. Разрешенные уровни имеют дискретный характер. По закону сохранения энергии переход сопровождается излучением в виде электромагнитной волны (фотонов) с энергией, эквивалентной разности энергий электронных оболочек, между которыми произошел переход. Для каждого типа атомов характерны свои частоты излучения, зависящие, в частности, и от уровней электронных оболочек, между которыми произошел переход. Совокупность частот излучаемых фотонов составляют спектризлучения данного вещества. Все фотоны одной частоты образуют определенную спектральную линию. В приборах, осуществляющих спектральный анализ, спектр обычно показывается в виде ряда вертикальных линий, каждая из которых показывает одну из спектральных линий. Высота этой линии зависит от количества соответствующих фотонов.
|
|
Прибор периодически модернизировался. Были выпущены модификации «ПРИМ-1», «ПРИМ-1М», «ПРИМ-1РМ». В последующем выпуск этих приборов был прекращен, а на его замену пришли приборы аналогичного назначения под именем «МАГНИЙ-1» и «ПРИЗМА-М(Аu)». К середине 2005 г. в таможенных органах эксплуатировались уже около 200 таких приборов. Ниже рассмотрены назначение, возможности и принцип функционирования приборов.
|
|
Первые две модификации прибора «ПРИМ» в качестве источника излучения содержали естественный слаборадиоактивный источник. Могли использоваться радиоизотопные источники в виде америция-241, плутония-238, железа-55. Модернизированный прибор под названием «ПРИМ-1РМ» стал поступать в таможни с 2003 г. Его основное отличие от предшествующих модификаций - замена естественного источника радиоактивного излучения на искусственный на основе рентгеновской трубки. Это повысило безопасность применения и упростило эксплуатацию прибора.
«ПРИМ-1РМ» конструктивно состоит из датчика, собственно спектрометра, зарядного устройства и блока аккумуляторов. Основными узлами датчика являются малогабаритный рентгеновский излучатель – моноблок «Модуль-50», узел детектирования с кремниевым детектором флуоресцентного рентгеновского излучения, измерительная камера. Последняя находится в нижней части датчика и прикрывается железокадмиевым диском с замковым устройством. Напряжение на аноде рентгеновской трубки до 38 кВ, ток – до 100 мкА.
Объект устанавливается на железокадмиевый диск и сверху накрывается кожухом измерительной камеры. Кнопка запуска измерений находится на ручке датчика. Датчик подсоединяется к спектрометру с помощью кабеля.
|
|
Основу спектрометра составляют блок обработки и накопления информации, а также ПЭВМ типа «Notebook» с соответствующим прикладным программным обеспечением.
В модификации 2003 г. прибор может диагностировать вещества в ряду от кальция (Са) до урана (U), если их содержание в исследуемом объекте не менее 3%. Время измерения зависит от состава сплава или анализируемой площади и может быть в пределах от 10 до 600 с. Мощность эквивалентной дозы облучения на поверхности датчика не более 100 мкЗв/час, на расстоянии 1 метр - не более 3 мкЗв/час.
В самом общем виде, с некоторыми упрощениями, принцип работы «ПРИМ-1РМ» можно описать следующим образом. Радиоактивное излучение, создаваемое рентгеновской трубкой моноблока «Модуль-50», падает на исследуемый образец и возбуждает атомы его вещества.
Если энергия кванта излучения больше энергии связи электрона на атомной оболочке, квант может поглощаться атомом, а электрон вылететь за его пределы (фотоэффект). Электроны с внешних оболочек заполняют образующиеся вакансии. В результате атомы испускают излучение, энергия испускаемых фотонов которого характерна для данного типа атомов, а интенсивность тем выше, чем больше концентрация элемента. Энергия исходящего фотона зависит от атомного номера исследуемого вещества. Она определенная для атомов каждого вещества: для хрома (Xr) ~ 5,41 Кэв, железа (Fe) - 6,4 Кэв, меди (Си) ~ 8,03 Кэв и т.д.
|
|
Вторичное рентгеновское излучение регистрируется детектором. Специальная электронная схема формирует импульсы, амплитуда которых пропорциональна энергии квантов. В первом варианте прибора в качестве регистрирующего элемента применялся теллурид - кадмиевый детектор. Но в модификации ПРИМ-1М он был заменен на полупроводниковый кремниевый Pin-детектор. Последний обладает значительно лучшим энергетическим разрешением, что позволяет разделять спектральные линии почти всех соседних элементов, при этом резко уменьшается фоновая составляющая спектра (особенно в мягкой области) и отсутствует плавание спектра, свойственное теллурид-кадмиевому детектору.
Импульсы поступают в блок обработки и накопления (БОН) информации, а затем в ПЭВМ на базе «Notebook», где производится программная обработка и вывод результатов анализа на монитор. Анализ ведется по К или L-сериям характеристического рентгеновского излучения. На экран выводятся спектр регистрируемого излучения и таблица с результатами анализа, в которой даны названия химических элементов, входящих в состав образца, их процентное содержание.
В ходе анализа по амплитуде импульсов (которая зависит от энергии кванта) определяются атомные номера элементов, присутствующих в исследуемом образце. Чем больше атомов элемента в образце, тем больше интенсивность излучения, т.е. больше количество квантов с соответствующей энергией и больше импульсов соответствующей амплитуды. Чтобы оценить процентный состав разных элементов в исследуемом объекте, в БОН производится подсчет числа импульсов для каждого значения амплитуды. Программное обеспечение производит анализ этих количеств с целью определения процентного содержания элементов в исследуемом объекте.
Результаты анализа выводятся на монитор ПЭВМ в виде спектрограммы, которая показывает энергии и интенсивность регистрируемых квантов флуоресцентного излучения. На компьютере установлена база данных (библиотека) эталонных спектрограмм для различных типовых сплавов. Полученную для исследуемого объекта спектрограмму можно сравнить с эталонной из библиотеки. Для визуального сравнения на экран можно вывести сразу обе спектрограммы. Место пика сигнала на спектрограмме соответствует определенному веществу, а его высота зависит от концентрации вещества в анализируемом объекте.
При обработке спектрограмм производится автоматический подсчет коэффициента совпадения, значение которого показывается в верхней части окна программы, а также приводится элементный состав и процентное содержание отдельных элементов (в левой нижней части окна).
Носимый рентгенофлуоресцентный энергодисперсионный анализатор «МАГНИЙ-1» работает по тому же принципу, что и приборы типа «ПРИМ».
Рентгенофлуоресцентные анализаторы МАГНИИ-1 определяют одновременно до 24 элементов в диапазоне от натрия (Z=11) до плутония (Z=94). Элементы, определяемые с помощью прибора, показаны на рис. 7.15. Диапазон измеряемых концентраций для элементов (в %): Mg, Al, Si - 0,2 до 100; от Р до Мо - 0,05 до 100; от Ru до Am - 0,1 до 100. Относительная погрешность определения процентного состава элементов в сплавах: основных при 2-х и более процентах - 2%; примесных до 2-х процентов - не более 25%.
1 | II ΙΙΙ ΙV V VI VII | VIII |
| |||||||||
1 | Н |
| He |
Мы поможем в написании ваших работ! |