BR112020021448A2

BR112020021448A2 - Analisador de fluorescência de raios x, e método para realizar análise de fluorescência de raios x

Info

Publication number: BR112020021448A2
Application number: BR112020021448-5A
Authority: BR
Inventors: Tommi Koskinen; Antti Pelli; Heikki Sipilä
Original assignee: Outotec (Finland) Oy
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2021-01-19
Also published as: CN112292593A; ZA202007013B; DK202070772A1; US20210255123A1; FI20206178A1; WO2019202198A1; MX2020011022A; AU2021107550A4; US11360036B2; DK181581B1; CA3097466A1; CN112292593B; BR112020021448B1; AU2018419252A1; AU2018419252B2; SE545836C2; SE2051301A1; EA202092311A1

Abstract

um analisador de fluorescência de raios x compreende um tubo de raios x (402) para emitir raios x incidentes (206) na direção de um primeiro eixo óptico (204). uma unidade de manipulação de pasta (201) é configurada para manter uma distância constante entre uma amostra (202) de pasta e o referido tubo de raios x. um primeiro difrator de cristal (601) está localizado em uma primeira direção da referida unidade de manipulação de pasta (201), e configurado para separar uma primeira faixa de comprimento de onda predefinida dos raios x fluorescentes (207) que se propagam para a referida primeira direção. o primeiro difrator de cristal é configurado para direcionar os raios x fluorescentes na primeira faixa de comprimento de onda predefinida separada para um primeiro detector de radiação (602, 1505). o primeiro difrator de cristal (601) compreende um cristal de grafite pirolítico (603, 802, 804) que tem uma superfície difrativa (801, 803, 805), que é uma superfície simplesmente conectada. o referido primeiro detector de radiação (602) é um detector de semicondutor de estado sólido.

Description

ANALISADOR DE FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X, E MÉTODO PARA REALIZAR ANÁLISE DE FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X CAMPO TÉCNICO

[0001] A invenção se refere ao campo técnico da análise de fluorescência de raios X. Em particular, a invenção refere-se à tarefa de detectar quantidades relativamente pequenas de radiação fluorescente na presença de radiação de fundo significativa.

ANTECEDENTES

[0002] A análise de fluorescência de raios X pode ser usada para detectar a presença e medir a concentração de elementos de interesse em uma matriz de outros elementos. Por exemplo, na indústria de mineração, é importante saber se um mineral ou metal de interesse está presente em uma amostra e em quais quantidades. Para ser aplicável em um processo industrial, o método de análise de fluorescência de raios X deve ser razoavelmente preciso, mesmo em tempos de exposição relativamente curtos, e possível de ser implementado com dispositivos de medição robustos e mecanicamente confiáveis.

[0003] Uma aplicação específica da análise de fluorescência de raios X na indústria de mineração é a análise de elementos de interesse em pastas. Por definição, uma pasta é uma suspensão à base de água de finas partículas sólidas de minério triturado e moído, em que o peso seco das partículas sólidas é inferior a 90 por cento, normalmente 20-80 por cento, da massa total da amostra. O fato da amostra estar na forma de pasta impõe requisitos particulares para a manipulação da amostra. Por exemplo, é vantajoso manter o fluxo da amostra turbulento, de modo que sua constituição permaneça uniformemente misturada e as frações não se separem umas das outras. Ao mesmo tempo, a geometria da medição deve permanecer o mais constante possível para não causar variações indesejadas com base na geometria nos resultados da medição.

[0004] As concentrações de elementos de interesse na pasta são frequentemente muito baixas. Por exemplo, cobre, zinco, chumbo e molibdênio precisam ser medidos em concentrações como 0,01 por cento ou menos, e as concentrações de ouro a serem medidas podem ser da ordem de apenas alguns ppm, como 1-5 ppm. Tal baixa concentração torna a medição difícil, porque a intensidade de radiação fluorescente do elemento de interesse é muito baixa, o que inevitavelmente aumenta o efeito de erros estatísticos. Quando a intensidade é baixa em comparação com outras intensidades de radiação envolvidas, como a radiação fluorescente de outros elementos não interessantes, a sobreposição com picos adjacentes causa problemas. Os tempos de medição não podem ser arbitrariamente longos, porque a pasta vem como um fluxo contínuo do processo de refino e é um importante indicador online do que está acontecendo no processo. A medição da fluorescência de raios X deve ser rápida o suficiente para detectar mudanças de tendência na composição da pasta, de modo que os resultados da medição possam ser usados para controlar o processo de refino em tempo real.

SUMÁRIO

[0005] É um objetivo da invenção fornecer um aparelho para realizar análises precisas e confiáveis de fluorescência de raios X de pequenas concentrações de elementos na pasta sob condições industriais exigentes. Outro objetivo da invenção é fornecer um tal aparelho a custos razoáveis de fabricação e manutenção. Ainda outro objetivo da invenção é que o aparelho seja facilmente adaptado para a medição de qualquer elemento de interesse na amostra.

[0006] Os objetivos anteriores e outros são alcançados usando um difrator de cristal para separar alguns dos raios X fluorescentes, de modo que o difrator de cristal compreende um cristal de grafite pirolítico, cuja superfície difrativa é uma superfície simplesmente conectada.

[0007] De acordo com um primeiro aspecto, um analisador de fluorescência de raios X é fornecido. O analisador de fluorescência de raios X compreende um tubo de raios X para emitir raios X incidentes na direção de um primeiro eixo óptico, e uma unidade de manipulação de pasta configurada para manter, na direção do referido primeiro eixo óptico, uma distância constante entre um amostra de pasta e o referido tubo de raios X. O analisador de fluorescência de raios X compreende um primeiro difrator de cristal localizado em uma primeira direção da referida unidade de manipulação de pasta. O referido primeiro difrator de cristal é configurado para separar uma primeira faixa de comprimento de onda predefinida de raios X fluorescentes que se propagam para a referida primeira direção, e configurado para direcionar os raios X fluorescentes na primeira faixa de comprimento de onda predefinida separada para um primeiro detector de radiação. O primeiro difrator de cristal compreende um cristal de grafite pirolítico que tem uma superfície difrativa. A superfície difrativa do referido cristal de grafite pirolítico é uma superfície simplesmente conectada. O referido primeiro detector de radiação é um detector de semicondutor de estado sólido.

[0008] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, a superfície difrativa do referido cristal de grafite pirolítico é curvada em apenas uma direção. Isso envolve a vantagem do cristal ser relativamente fácil e vantajoso de fabricar.

[0009] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, o primeiro difrator de cristal compreende um substrato ao qual o referido cristal de grafite pirolítico está fixado, e uma forma geométrica tridimensional da entidade constituída pelo referido cristal de grafite pirolítico e o referido substrato é o de um prisma, uma das faces laterais é cortada pela superfície difrativa curva. Isso envolve a vantagem de que a estrutura mecânica do difrator de cristal pode ser projetada de forma relativamente simples.

[0010] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, o referido primeiro detector de radiação é um de: um detector de diodo PIN, um detector de deriva de silício, um detector de germânio, um detector de deriva de germânio. Isso envolve a vantagem de que o primeiro detector de radiação pode combinar operação precisa e confiável com tamanho compacto e aparência geral robusta.

[0011] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, o primeiro difrator de cristal compreende uma primeira fenda em um primeiro caminho óptico entre a referida unidade de manipulação de pasta e o referido cristal de grafite pirolítico, e um segundo caminho óptico entre o referido cristal de grafite pirolítico e o referido primeiro detector de radiação. Isso envolve a vantagem de que uma proporção desejada da radiação fluorescente pode ser selecionada.

[0012] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, a superfície difrativa do referido cristal de grafite pirolítico é curva em apenas uma direção, com um raio de curvatura em um plano definido pelos referidos primeiro e segundo caminhos ópticos, e a referida primeira fenda é uma fenda linear orientada perpendicular ao referido plano. Isso envolve a vantagem de que a fabricação do difrator de cristal é relativamente simples.

[0013] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, a superfície difrativa do referido cristal de grafite pirolítico é curva em duas direções, formando uma parte de uma superfície toroidal, e a referida primeira fenda é uma fenda curva com um primeiro raio de curvatura orientado perpendicular contra o referido primeiro caminho óptico. Isso envolve a vantagem de que a precisão de foco do difrator de cristal é relativamente boa.

[0014] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, a superfície difrativa do referido cristal de grafite pirolítico é curvada em duas direções, formando uma parte de uma superfície rotacionalmente simétrica, cujo eixo de rotação está no plano definido pelos referidos primeiro e segundo caminhos ópticos, e a referida primeira fenda é semelhante a uma ponta. Isso envolve a vantagem de que a precisão de foco do difrator de cristal é muito boa.

[0015] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, o primeiro difrator de cristal compreende uma segunda fenda no referido segundo caminho óptico entre o referido cristal de grafite pirolítico e o referido primeiro detector de radiação; um ponto central da referida superfície difrativa, a referida primeira fenda, e a referida segunda fenda estão localizados em um círculo de Rowland, cujo raio é R; um raio de curvatura da referida superfície difrativa no plano definido pelos referidos primeiro e segundo caminhos ópticos é 2R; e um raio de curvatura dos planos reticulares no referido cristal é 2R; de modo que o primeiro difrator de cristal tem uma geometria de Johann. Isso envolve a vantagem de que relações geométricas bem conhecidas podem ser usadas para os vários componentes.

[0016] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, o primeiro difrator de cristal compreende uma segunda fenda no referido segundo caminho óptico entre o referido cristal de grafite pirolítico e o referido primeiro detector de radiação; um ponto central da referida superfície difrativa, a referida primeira fenda, e a referida segunda fenda estão localizados em um círculo de Rowland, cujo raio é R; um raio de curvatura da referida superfície difrativa no plano definido pelos referidos primeiro e segundo caminhos ópticos é R; e o raio de curvatura dos planos reticulares no referido cristal é 2R; de modo que o primeiro difrator de cristal tem uma geometria de Johansson. Isso envolve a vantagem de que relações geométricas bem conhecidas podem ser usadas para os vários componentes.

[0017] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, R é de no máximo 40 centímetros. Isto envolve a vantagem de que o tamanho físico do aparelho pode ser mantido relativamente compacto.

[0018] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, o referido primeiro difrator de cristal é circundado em um invólucro delimitado por uma primeira superfície plana e uma segunda superfície plana que é paralela à referida primeira superfície plana. Isso envolve a vantagem de que a estrutura mecânica do canal de detecção pode ser relativamente simples.

[0019] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, o analisador de fluorescência de raios X compreende uma pluralidade de outros difratores de cristal, além do referido primeiro difrator de cristal, cada um dos referidos primeiro e outros difratores de cristal sendo localizados em um respectivo ângulo de rotação em torno do referido primeiro eixo óptico e cada um dos referidos primeiro e outros difratores de cristal sendo configurados para separar uma faixa de comprimento de onda predefinida de raios X fluorescentes que se propagam na respectiva direção, e configurados para direcionar os raios X fluorescentes na respectiva faixa de comprimento de onda predefinida separada para um respectivo detector de radiação . Isso envolve a vantagem de que um grande número de elementos pode ser analisado a partir da amostra sem alterar a configuração física do aparelho.

[0020] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, a referida pluralidade de outros difratores de cristal compreende um segundo difrator de cristal que compreende um segundo cristal, configurado para direcionar os raios X fluorescentes na respectiva segunda faixa de comprimento de onda predefinido separado para um respectivo segundo detector de radiação; o referido segundo cristal é de um material diferente de grafite pirolítico; e os referidos primeiro e segundo difratores de cristal são configurados para direcionar para seus respectivos detectores de radiação de radiação fluorescente característica de um mesmo elemento. Isso envolve a vantagem de que a medição pode ser mais confiável e mais facilmente adaptável a uma série de casos.

[0021] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, o referido segundo cristal é um de: um cristal de dióxido de silício, um cristal de fluoreto de lítio, um cristal de di- hidrogenofosfato de amônio, um cristal de ftalato de hidrogênio de potássio. Isso envolve a vantagem de que a difração dispersiva de comprimento de onda nítida pode ser obtida com o segundo cristal.

[0022] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, o referido segundo detector de radiação é um contador proporcional preenchido de gás. Isso envolve a vantagem de que uma eficiência de detecção relativamente boa pode ser alcançada a um custo de fabricação relativamente baixo.

[0023] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, o referido elemento é ouro. Isso envolve a vantagem de que mesmo concentrações muito baixas de um elemento relativamente valioso podem ser detectadas.

[0024] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, a referida unidade de manipulação de pasta é configurada para manter uma superfície plana da referida amostra de pasta em um lado voltado para o referido tubo de raios X; o referido primeiro eixo óptico está em um ângulo oblíquo contra a referida superfície plana; o referido primeiro difrator de cristal está localizado naquele ângulo de rotação em torno do referido primeiro eixo óptico no qual a referida superfície plana da referida amostra cobre a maior porção de um campo de visão do primeiro difrator de cristal; e o referido segundo difrator de cristal está localizado em outro ângulo de rotação em torno do referido primeiro eixo óptico. Isso envolve a vantagem de que a radiação fluorescente pode ser coletada para o primeiro difrator de cristal do maior ângulo espacial possível.

[0025] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, uma resolução de energia do referido primeiro detector de radiação é melhor do que 300 eV a uma energia de referência de 5,9 keV. Isso envolve a vantagem de que o detector pode fornecer detecção dispersiva de energia precisa dentro da faixa de comprimento de onda relativamente ampla passada pelo cristal de grafite pirolítico.

[0026] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, a potência nominal de entrada do referido tubo de raios X é de pelo menos 400 watts. Isso envolve a vantagem de que uma quantidade relativamente grande de radiação fluorescente pode ser gerada.

[0027] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, a potência nominal de entrada do referido tubo de raios X é de pelo menos 1 quilowatt, de preferência pelo menos 2 quilowatts, e mais preferencialmente pelo menos 4 quilowatts. Isso envolve a vantagem de que uma quantidade ainda maior de radiação fluorescente pode ser gerada.

[0028] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, o caminho óptico entre o referido tubo de raios X e a referida unidade de manipulação de pasta é direto, sem difrator entre eles. Isso envolve a vantagem de que uma grande proporção da radiação incidente original pode ser utilizada, e o tubo de raios X pode ser colocado muito próximo da amostra.

[0029] Em uma possível implementação do primeiro aspecto,

o tubo de raios X compreende um ânodo para gerar os referidos raios X incidentes, e a referida unidade de manipulação de pasta está configurada para manter uma distância linear mais curta que é menor que 50 mm, de preferência menor que 40 mm, e mais preferencialmente menor do que 30 mm entre a referida amostra (202) de pasta e o referido ânodo. Isso envolve a vantagem de que uma grande proporção da radiação incidente original pode ser utilizada.

[0030] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, o referido tubo de raios X é um tubo de raios X do tipo janela de extremidade. Isso envolve a vantagem de que uma curta distância entre o tubo de raios X e a amostra pode ser realizada enquanto, simultaneamente, deixa-se amplo espaço para canais de detecção.

[0031] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, o analisador de fluorescência de raios X compreende um corpo de analisador, uma parede frontal do referido corpo de analisador, uma abertura na referida parede frontal, e um suporte para suportar removivelmente a referida unidade de manipulação de pasta contra um lado externo da referida parede frontal e alinhada com a referida abertura na referida parede frontal. Isso envolve a vantagem de que a unidade de manipulação de pasta é fácil de remover para manutenção.

[0032] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, o referido tubo de raios X e o referido primeiro difrator de cristal estão ambos dentro do referido corpo de analisador, no mesmo lado da referida parede frontal. Isso envolve a vantagem de que a estrutura é robusta, e pode ser obtida uma boa proteção contra a irradiação acidental de qualquer coisa.

[0033] Em uma possível implementação do primeiro aspecto,

o analisador de fluorescência de raios X compreende uma placa de filtro no caminho óptico entre o referido tubo de raios X e a referida unidade de manipulação de pasta. Isso envolve a vantagem de que o espectro da radiação incidente pode ser ajustado de forma adequada.

[0034] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, a referida placa de filtro está localizada mais perto do referido tubo de raios X do que da referida unidade de manipulação de pasta. Isso envolve a vantagem de que o filtro não obstrui desnecessariamente o campo de visão dos canais de detecção.

[0035] Em uma possível implementação do primeiro aspecto, o analisador de fluorescência de raios X compreende uma placa calibradora e um atuador configurado para mover controladamente a referida placa calibradora entre pelo menos duas posições, das quais uma primeira posição não está no caminho dos raios x incidentes e uma segunda posição está no caminho dos raios X incidentes e em um campo de visão do primeiro difrator de cristal. Isso envolve a vantagem de que a calibração pode ser facilmente automatizada.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0036] Os desenhos em anexo, que são incluídos para fornecer uma compreensão adicional da invenção e constituem uma parte desta especificação, ilustram modalidades da invenção e, juntamente com a descrição, ajudam a explicar os princípios da invenção. Nos desenhos: a Figura 1 ilustra um princípio de análise de fluorescência de raios X em um processo industrial; a Figura 2 ilustra um detalhe de um exemplo de um analisador de fluorescência de raios X;

a Figura 3 ilustra um exemplo do uso de uma placa calibradora; a Figura 4 ilustra um exemplo de um analisador de fluorescência de raios X, a Figura 5 ilustra alguns detalhes estruturais de um exemplo de um analisador de fluorescência de raios X, a Figura 6 ilustra um exemplo de um difrator de cristal, a Figura 7 ilustra alguns aspectos geométricos de um difrator de cristal, a Figura 8 ilustra algumas formas de cristais difratores, a Figura 9 ilustra um exemplo de uma geometria de propagação de radiação, a Figura 10 ilustra outro exemplo de uma geometria de propagação de radiação, a Figura 11 ilustra um exemplo de um espectro de radiação, a Figura 12 ilustra outro exemplo de um espectro de radiação, a Figura 13 ilustra outro exemplo de um espectro de radiação, a Figura 14 ilustra outro exemplo de um espectro de radiação, a Figura 15 ilustra uma pluralidade de canais de detecção, a Figura 16 ilustra um exemplo de espectro de radiação, a Figura 17 ilustra um exemplo de uma unidade de manipulação de pasta, a Figura 18 ilustra um tubo de raios X com seu eixo óptico perpendicular à superfície da amostra, a Figura 19 ilustra um tubo de raios X com seu eixo óptico em um ângulo oblíquo contra a superfície da amostra, a Figura 20 ilustra um exemplo de posicionamento de uma pluralidade de canais de detecção, a Figura 21 ilustra um exemplo de posicionamento de uma pluralidade de canais de detecção, a Figura 22 ilustra a precisão de detecção medida de um aparelho de exemplo, a Figura 23 ilustra a precisão de detecção medida de um aparelho de exemplo, a Figura 24 ilustra a precisão de detecção medida de um aparelho de exemplo, e a Figura 25 ilustra a precisão de detecção medida de um aparelho de exemplo.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0037] A Fig. 1 ilustra um exemplo do princípio de utilização de um analisador de fluorescência de raios X em um processo industrial. É típico dos processos industriais que a amostra a ser analisada possa vir como um fluxo mais ou menos contínuo de material de amostra, de modo que haja uma unidade ou sistema de manipulação de amostra que traz a amostra para análise e a retira após a análise. Na ilustração esquemática da fig. 1, a amostra 101 vem como um fluxo de material de amostra em um transportador 102, o qual aqui constitui o sistema de manipulação de amostra. Uma fonte de raios X 103 gera um feixe 104 de raios X incidentes que atingem uma porção da amostra 101 que está dentro do campo de visão do feixe 104. Os raios X fluorescentes 105 são emitidos em todas as direções, e alguns deles são coletados por um sistema de detecção que na fig. 1 compreende uma primeira fenda 106, um cristal difrator dispersivo de comprimento de onda 107, uma segunda fenda 108 e um detector de radiação 109. A planta pode compreender um sistema de computador de controle 110 que pode controlar os subsistemas de controle 111 e 112 do transportador 102 e o analisador de fluorescência de raios X 113, respectivamente.

[0038] A geração de raios X fluorescentes é um processo estocástico por natureza, então qualquer análise realizada com base nos fótons de raios X fluorescentes recebidos é basicamente quanto mais fótons podem ser coletados, mais confiável. Uma maneira conhecida de aumentar a confiabilidade estatística de uma análise de fluorescência de raios X é prolongar o tempo que a amostra permanece iluminada pela radiação incidente. Se a amostra estiver estacionária, isso significa simplesmente esperar mais tempo antes que a amostra seja trocada. A natureza de um processo industrial pode exigir, entretanto, que a amostra venha como um fluxo em constante movimento. Mesmo assim, o conceito de um tempo de medição mais longo existe de uma forma, porque se a constituição do fluxo de amostra permanecer essencialmente constante, acumular as quantidades de fótons de raios X fluorescentes detectados do fluxo de amostra móvel por X minutos é essencialmente o mesmo que manter uma porção do material da amostra estacionária na análise por X minutos.

[0039] Existem limites, no entanto, para quanto tempo o tempo médio pode ser quando um fluxo de amostra em movimento constante é analisado, porque a constituição do fluxo de amostra muda, e essas mudanças podem ser importantes e, portanto, devem ser observadas. Além disso, se a amostra vem na forma de pasta, existem outros fatores que tornam a situação mais complicada, como o requisito de que o fluxo da pasta permaneça turbulento para evitar a separação das fases sólida e líquida. Não é incomum que uma amostra de pasta flua através da unidade de manipulação de pasta a uma taxa da ordem de 20 litros por minuto. Um objetivo da invenção é que resultados de detecção razoavelmente bons podem ser obtidos usando tempos médios na ordem de minutos, como 2 minutos ou 3 a 5 minutos.

[0040] A seguir, melhorias na análise de fluorescência de raios X por meio de fatores como geometria de medição, potência de radiação incidente, seleção de materiais de cristal de difrator, seleção de tipos de detector, uso de uma pluralidade de canais de detecção e utilização avançada de resultados de detecção são, portanto, considerados.

[0041] A Fig. 2 é um corte transversal esquemático de certas partes de um analisador de fluorescência de raios X. O analisador de fluorescência de raios X compreende um tubo de raios X para emitir raios X incidentes 206 na direção de um primeiro eixo óptico 204. Uma janela de radiação 203 do tubo de raios X é vista na fig. 2. Para manipular uma amostra 202 de pasta, o analisador de fluorescência de raios X compreende uma unidade de manipulação de pasta 201, que neste caso compreende uma câmara de amostra 208 ou célula de amostra equipada com conexões de entrada e saída. A maneira exata pela qual a câmara de amostra 208 e suas conexões de entrada e saída são formadas a fim de garantir um fluxo turbulento da amostra 202 dentro da câmara não é pertinente a esta descrição particular. Como exemplo, podem ser seguidos os princípios explicados no pedido de patente internacional publicado como WO2017140938. Em qualquer caso, a unidade de manipulação de pasta é configurada para manter uma distância constante entre a amostra 202 de pasta e o tubo de raios X. A distância constante pode ser considerada, por exemplo, na direção do primeiro eixo óptico 204.

[0042] Manter a distância constante tem o efeito de que a geometria de medição não muda, pelo menos não com referência à distância e ao ângulo de visão que têm um efeito importante sobre a proporção dos raios X incidentes 206 que atingirão a amostra 202. Como tal, o aparelho pode compreender meios para alterar a distância, por exemplo, alterando a distância na qual o tubo de raios X é instalado. Ou seja, não é obrigatório que essa distância permaneça sempre a mesma. Apenas, para fins de processamento simples dos resultados de detecção, é vantajoso que a configuração mecânica do analisador de fluorescência de raios X permita manter essa distância constante durante uma medição, sempre que desejado.

[0043] A Fig. 3 ilustra como a unidade de manipulação de pasta 201 compreende uma janela de amostra 301 em uma parede da câmara de amostra 208 para permitir a passagem de raios X enquanto mantém a amostra 202 de pasta dentro da referida câmara de amostra 208. A janela de amostra 301 é uma abertura coberta por uma película de janela 302 feita de um material que é tão transparente aos raios X quanto possível, embora seja simultaneamente forte o suficiente mecanicamente para suportar a pressão e o desgaste mecânico causado pela pasta que flui. Desta forma, a unidade de manipulação de pasta é configurada para manter uma superfície plana da amostra 202 de pasta em um lado voltado para o tubo de raios X. Na geometria mostrada nas figs. 2 e 3, o primeiro eixo óptico 204 é perpendicular à referida superfície plana.

[0044] Também mostrado nas figs. 2 e 3 é uma parede frontal 303 de um corpo de analisador e uma abertura na referida parede frontal 303. Outra película de janela 304 cobre a referida abertura na parede frontal 303. Assim como a película de janela 302 da janela de amostra 301 na câmara de amostra 208, a outra película de janela 304 é feita de um material que é tão transparente aos raios X quanto possível. O objetivo da outra película de janela 304 é proteger o interior do dispositivo analisador de fluorescência de raios X contra poeira, umidade e outros contaminantes que podem ser abundantes em seus arredores em um processo industrial.

[0045] A Fig. 2 mostra como os raios X incidentes 206 que atingem a amostra 202 dão origem aos raios X fluorescentes

207. Estes são originalmente direcionados para todas as direções, mas de interesse são aqueles raios X fluorescentes 207 que saem da câmara de amostra 208 através da janela de amostra 301 e podem ser coletados para um ou mais canais de detecção. A localização, geometria e propriedades de tais canais de detecção são descritos com mais detalhes posteriormente.

[0046] Outro recurso mostrado nas figs. 2 e 3 é uma placa de filtro 205 no caminho óptico entre o tubo de raios X e a unidade de manipulação de pasta. Uma placa de filtro desse tipo é um recurso opcional. Ele funciona como um filtro passa-altas, atenuando particularmente a porção de menor energia dos raios X que foram originalmente gerados no tubo de raios X. O material e a espessura de uma placa de filtro 205, se for usada, podem ser selecionados de modo que passe os raios X que são energéticos o suficiente para gerar fluorescência no (s) elemento (s) de interesse na amostra

202. É particularmente útil usar um filtro do tipo passa- altas em vez de, por exemplo, um difrator primário que constituiria um filtro passa-faixa, porque o filtro passa- altas passará uma ampla faixa de raios X incidentes mais energéticos, que são então disponível para a geração de raios X fluorescentes em vários elementos de interesse simultaneamente.

[0047] Se for usada uma placa de filtro 205, é vantajoso colocá-la mais perto do tubo de raios X do que da unidade de manipulação de pasta. A placa de filtro 205 pode mesmo ser fixada ao tubo de raios X, de modo que fique muito perto da janela de radiação 203 do tubo de raios X. Se a placa de filtro 205 for adicionalmente dimensionada na direção transversal de modo que seja apenas um pouco maior, ou não maior, do que a janela de radiação 203, pode ser garantido que a placa de filtro 205 não cubra desnecessariamente qualquer parte do campo de visão que de outra forma estaria disponível para os canais de detecção. A espessura da placa de filtro 205 pode ser da ordem de um milímetro ou até menos, de modo que o uso de uma placa de filtro não aumenta a distância total entre o tubo de raios X e a amostra em qualquer extensão significativa.

[0048] Outro recurso mostrado nas figs. 2 e 3 é uma placa calibradora 305 que pode ser controlada e seletivamente trazida para uma posição na qual está no caminho dos raios X incidentes 206 e em um campo de visão dos canais de detecção que são usados para receber os raios X fluorescentes 207. Uma placa calibradora 305 tem uma composição conhecida com exatidão, portanto, pode ser usada para calibrar os canais de detecção esporadicamente. Se o processo de calibração tiver que ser automatizado, o analisador de fluorescência de raios X pode ser equipado com um atuador que está configurado para mover de forma controlável a placa calibradora 305 entre pelo menos duas posições, uma das quais é a posição mostrada na fig. 3 e a outra é uma posição que não está no caminho dos raios X incidentes 206.

[0049] A Fig. 4 ilustra um exemplo de um analisador de fluorescência de raios X de acordo com uma modalidade da invenção. Ele compreende um corpo analisador 401 que atua como suporte básico e estrutura de proteção. A parede frontal 303 do corpo de analisador é visível à esquerda na fig. 4. Conforme explicado anteriormente com referência às figs. 2 e 3, há uma abertura na parede frontal 303 para os raios X incidentes gerados por um tubo de raios X 402 passarem. Um suporte 403 é fornecido para suportar a unidade de manipulação de pasta 201 contra um lado externo da parede frontal 303, alinhado com a referida abertura na parede frontal 303.

[0050] Em uma modalidade vantajosa, o suporte 403 pode ser configurado para suportar a unidade de manipulação de pasta 201 removivelmente contra a parede frontal. O suporte 403 pode compreender, por exemplo, dobradiças que permitem girar a unidade de manipulação de pasta 201 para o lado, ou um engate rápido tipo baioneta que permite destacar rapidamente a unidade de manipulação de pasta 201 da parede frontal 303, de modo que as películas de janela descritas acima com referência às figs . 2 e 3 são expostas. Isso permite a inspeção e manutenção relativamente direta das partes que são críticas para a propagação de ambos os raios X incidentes e raios X fluorescentes. As partículas sólidas na pasta podem causar desgaste significativo para o interior da película de janela 302 da janela de amostra 301 (ver fig. 3), por isso é vantajoso equipar a janela de amostra 301 com um mecanismo que permite substituir a película de janela 302 quando necessário.

[0051] Uma parte do analisador de fluorescência de raios X que está marcada com um retângulo 404 tracejado na fig. 4 é mostrada a partir da direção do eixo óptico do tubo de raios X 402 na fig. 5. Esta ilustração mostra um exemplo de como um atuador 501 pode ser fornecido para mover de forma controlada a placa do calibrador 305 entre as duas posições. Na primeira posição, que é mostrada na fig. 5, a placa calibradora 305 não está no caminho dos raios X incidentes que saem da janela de radiação 203 do tubo de raios X. Na segunda posição, a placa calibradora 305 seria essencialmente concêntrica com a janela de radiação 203 na fig. 5.

[0052] As figs. 4 e 5 também mostram como um ou mais canais de detecção 502 podem ser fornecidos. A estrutura e operação de um canal de detecção serão descritas com mais detalhes posteriormente neste texto. As figs. 4 e 5 ilustram um princípio de posicionamento, de acordo com o qual cada um dos canais de detecção está localizado em um respectivo ângulo de rotação em torno do eixo óptico do tubo de raios X 402. Quando o eixo óptico do tubo de raios X 402 é perpendicular contra a superfície plana da amostra (que é definida pela janela de amostra que é uma parte da unidade de manipulação de pasta 201), esta maneira de colocar os canais de detecção permite organizar um campo de visão exatamente igual para todos os canais de detecção.

[0053] Outras características mostradas na fig. 4 são o fornecimento de caixas eletrônicas 405, 406 e 407 dentro do corpo de analisador 401 para cada um dos canais de detecção e para o tubo de raios X 402, bem como o fornecimento de uma circulação de água de resfriamento 408 para o tubo de raios X 402.

[0054] A Fig. 6 é uma ilustração esquemática de certas partes do que foi chamado de canal de detecção acima. Principais características do canal de detecção da fig. 6 são um difrator de cristal 601 e um detector de radiação

602. Como seu nome indica, o difrator de cristal 601 compreende um cristal 603, que pode ser chamado de cristal difrator ou apenas cristal para abreviar. O cristal 603 é o componente dispersivo de comprimento de onda do difrator de cristal 601. Uma primeira fenda 604 pode ser fornecida em um primeiro caminho óptico 605 entre a unidade de manipulação de pasta (não mostrada na fig. 6) e o cristal 603, e uma segunda fenda 606 pode ser fornecida em um segundo caminho óptico 607 entre o cristal 603 e o detector de radiação 602. Uma vez que as propriedades difrativas do cristal 603 para raios X são altamente dependentes do comprimento de onda dos raios X, este tipo de arranjo pode ser usado para separar uma faixa de comprimento de onda particular daquela porção dos raios X fluorescentes que foram originalmente emitidos na direção em que este difrator de cristal específico está localizado. O designador de referência 608 ilustra um invólucro que envolve o difrator de cristal 601, oferecendo suporte estrutural para todos os seus componentes.

[0055] A Fig. 7 ilustra um exemplo de um difrator de cristal em uma projeção axonométrica. O difrator de cristal é pensado para estar localizado em uma primeira direção de uma unidade de manipulação de pasta (não mostrada na fig. 7), de modo que o primeiro caminho óptico 605 representa a direção nominal daquela porção de raios X fluorescentes que são recebidos neste difrator de cristal. A primeira 604 e a segunda 606 fendas são formadas entre as respectivas peças limitadoras, e o segundo caminho óptico 607 representa a direção nominal dos raios X fluorescentes difratados que são direcionados para o detector de radiação (não mostrado na fig. 7). O difrator de cristal é circundado em um invólucro 608 delimitado por uma primeira superfície plana 701 e uma segunda superfície plana 702 que é paralela à referida primeira superfície plana 701.

[0056] A estrutura mecânica aqui descrita é vantajosa, porque as superfícies planas 701 e 702 oferecem um suporte ao qual as partes internas do difrator de cristal podem ser fixadas de uma forma relativamente simples.

[0057] A difração de raios X em um cristal é governada pela lei de Bragg, que vincula o ângulo de difração à distância entre os planos reticulares. Os difratores de cristal convencionais usaram cristais de, por exemplo, dióxido de silício, fluoreto de lítio, di-hidrogenofosfato de amônio, ou ftalato de hidrogênio de potássio, porque peças monocristalinas suficientemente grandes desses materiais podem ser fabricadas com relativa facilidade com a precisão requerida nas formas desejadas. No entanto, verificou-se que, embora a seletividade de comprimento de onda de tais cristais convencionais seja relativamente boa, a eficiência na qual os raios X de entrada são difratados é relativamente baixa.

[0058] O grafite pirolítico é um material alternativo para a produção do cristal para um difrator de cristal. Grafite pirolítico é um termo geral que se refere a materiais que foram fabricados a partir de compostos orgânicos contendo estruturas planas como anéis de benzeno, submetendo-os a altas temperaturas, fazendo com que essencialmente apenas os átomos de carbono da estrutura permanecessem. As estruturas moleculares planas originais fazem com que a grafite pirolítico exiba uma estrutura microscópica altamente ordenada, razão pela qual é frequentemente referido como HOPG (grafite pirolítico altamente orientado) ou HAPG, em que o último se refere a um método ligeiramente diferente de sintetizar o material. Grafite pirolítico muitas vezes não é monocristalino no mesmo sentido que os materiais de cristal mais convencionais mencionados acima, mas policristalino. Para manter a consistência com o texto estabelecido neste campo técnico, é, entretanto, prático referir-se ao elemento difrator feito de grafita pirolítico como o “cristal”. Na descrição a seguir, o termo “cristal HOPG” será usado.

[0059] A eficiência de um cristal HOPG como um difrator de raios X fluorescentes revelou ser significativamente melhor do que a dos materiais convencionais de cristais difratores. Em outras palavras, uma proporção significativamente maior de raios X que atingem um cristal HOPG são realmente difratados do que com os materiais de cristal convencionais. No entanto, a natureza policristalina do grafite pirolítico significa que nem todos os planos reticulares são orientados tão exatamente como, por exemplo, o dióxido de silicone monocristalino. Isso, por sua vez, significa que a seletividade do comprimento de onda de um cristal HOPG em um difrator de cristal não é muito exata: os raios X fluorescentes que são difratados em uma direção particular representam uma faixa de comprimentos de onda em torno do comprimento de onda nominal que, de acordo com a lei de Bragg, seria difratada nessa direção, e essa faixa é significativamente maior do que em raios X difratados por materiais de cristal convencionais.

[0060] A seletividade de comprimento de onda menos precisa do cristal HOPG não é, no entanto, uma desvantagem séria porque pode ser balanceada com outros fatores no projeto do analisador de fluorescência de raios X. Uma abordagem possível é usar um detector de semicondutor de estado sólido como o detector de radiação 602 para o qual os raios X fluorescentes na faixa de comprimento de onda separada são direcionados do cristal HOPG. O detector de radiação 602 pode ser, por exemplo, um detector de diodo PIN, um detector de deriva de silício, um detector de germânio, ou um detector de deriva de germânio. Ao contrário, por exemplo, dos contadores proporcionais preenchidos com gás, a resolução de energia dos detectores de semicondutores de estado sólido pode ser mais precisa. É comum expressar a resolução de energia de um detector de raios X a uma energia de referência de 5,9 keV. Um detector de semicondutor de estado sólido do tipo mencionado acima pode ter uma resolução de energia melhor do que 300 eV na referida energia de referência de 5,9 keV.

[0061] Combinar o uso de um cristal HOPG no difrator de cristal 601 com o uso de um detector de semicondutor de estado sólido como o detector de radiação 602 pode resultar em uma situação vantajosa em que o difrator de cristal 601 é configurado para separar uma primeira faixa de comprimento de onda predefinida de raios X fluorescentes 207 que se propagam na direção em que o difrator de cristal 601 está localizado (com referência à unidade de manipulação de pasta 201) e configurados para direcionar os raios X fluorescentes na primeira faixa de comprimento de onda predefinida separada para o detector de radiação 602 que é um detector de semicondutor de estado sólido. A boa resolução de energia do detector de semicondutor de estado sólido é então usada para produzir um resultado de medição que indica um espectro de energia dos raios X fluorescentes na primeira faixa de comprimento de onda predefinida separada. A partir do referido espectro de energia, e possivelmente usando outras medições como suporte, a quantidade de raios X fluorescentes do elemento de interesse pode ser determinada com uma precisão relativamente boa.

[0062] A forma geométrica da superfície difrativa do cristal HOPG é outro fator a ser considerado no projeto do analisador de fluorescência de raios X. A Fig. 8 ilustra alguns exemplos de formas geométricas. Aqui pode-se notar que exatamente falando o "cristal" é apenas uma fina camada de material cristalino (monocristalino, como no caso do dióxido de silício, por exemplo, ou policristalino, como no caso do HOPG, por exemplo) que constitui a superfície difrativa real. O difrator de cristal compreende um substrato ao qual o material cristalino está fixado. Exemplos de materiais de substrato são, por exemplo, vidro e alumínio, mas o material de substrato também pode ser ferro ou qualquer outro material que não seja propenso a causar radiação fluorescente de interferência indesejada por si mesmo. O material cristalino pode ser fixado a uma superfície formada apropriadamente do substrato através de, por exemplo, forças de Van der Waals. Alternativamente, o material cristalino pode ser cultivado diretamente sobre a superfície apropriadamente formada do substrato, ou algum outro método de fixação adequado como cola pode ser usado.

[0063] Juntos, o substrato e o material cristalino constituem uma entidade tridimensional, e exemplos dessas entidades são vistos na fig. 8. Para manter a consistência com a linguagem estabelecida neste campo técnico, essas entidades são chamadas de cristais neste texto, apesar da ligeira imprecisão do termo que é explicada acima. O termo superfície difrativa refere-se à superfície externa exposta do material cristalino na qual ocorre a difração de raios X; estritamente falando, a difração de raios X ocorre nos planos reticulares dentro do material cristalino próximo à superfície que é aqui chamada de superfície difrativa.

[0064] Uma característica comum ao cristal 603, cristal 802 e 804 na fig. 8 é que uma forma geométrica tridimensional da entidade constituída pelo cristal HOPG e o substrato é o de um prisma, uma face lateral do qual é cortada pela superfície difrativa curva. A forma imaginária do prisma é mostrada com linhas tracejadas nas ilustrações da linha superior desses três cristais.

[0065] As ilustrações da linha inferior dos mesmos cristais na fig. 8 mostra como a forma como a superfície difrativa é curva é diferente em todos os três casos. No cristal 603, a superfície difrativa 801 é curvada em apenas uma direção (direção longitudinal). Em outras palavras, se uma linha transversal imaginária foi desenhada através da superfície difrativa 801 em qualquer local, como a linha tracejada mostrada na fig. 8 por exemplo, seria sempre direto. Uma vantagem particular desse tipo de cristal é que ele é relativamente fácil de fabricar. Comparando com as figs. 6 e 7, pode ser visto que o raio de curvatura da superfície difrativa 801 encontra-se em um plano definido pelo primeiro 605 e segundo 606 caminhos ópticos. Este plano também é paralelo às superfícies planas 701 e 702.

[0066] No cristal 802, a superfície difrativa 803 é curva em duas direções (longitudinal e transversal), formando uma parte de uma superfície toroidal. Isso significa que se um arco transversal foi desenhado através da superfície difrativa 803 em qualquer local, como os dois arcos tracejados mostrados na fig. 8 por exemplo, cada um desses arcos transversais seria idêntico um ao outro. Embora esta forma geométrica possa ser um pouco mais complicada de fabricar com a precisão necessária do que a da superfície 801 à esquerda, ela envolve a vantagem de focar os raios X difratados com mais precisão.

[0067] No cristal 804, a superfície difrativa 805 é curva em duas direções (longitudinal e transversal), mas de uma maneira diferente da superfície 803 no meio. A superfície difrativa 805 faz parte de uma superfície rotacionalmente simétrica, o eixo de rotação 806 da qual está no plano definido pelos caminhos ópticos dos raios X de entrada e difração. Isso significa que se um arco transversal foi desenhado através da superfície difrativa 805, como o arco tracejado na fig. 8, por exemplo, o raio de curvatura de tal arco transversal seria diferente, dependendo de em qual localização longitudinal ele foi desenhado. Na fig. 8 pode ser visto que o arco tracejado no meio não é tão acentuadamente curvado quanto as bordas formadas em arco vistas nas extremidades do cristal 804. Isso ocorre porque o arco tracejado está localizado mais longe do eixo de rotação 806 do que as bordas formadas em arco nas extremidades do cristal.

[0068] Matematicamente falando, uma superfície rotacionalmente simétrica é formada quando uma curva contínua é rotacionada em torno do eixo de rotação. A forma da referida curva contínua define a que distância do eixo de rotação cada ponto da superfície estará, e quais propriedades a superfície pode ter. Um exemplo de uma curva que poderia ser usada para formar a superfície difrativa 805 na fig. 8 é uma seção de uma espiral logarítmica. Embora este tipo de superfície seja mais complicado de fabricar do que aqueles introduzidos acima como superfícies 801 e 803, uma superfície rotacionalmente simétrica feita com uma seção de uma espiral logarítmica envolve a vantagem inerente de que fornece focagem muito precisa de raios X difratados.

[0069] Uma característica que é comum a todas as superfícies difrativas 801, 803 e 805 na fig. 8 é que no sentido topológico eles são simplesmente superfícies conectadas. Uma superfície simplesmente conectada é aquela que está conectada por caminho (ou seja, quaisquer dois pontos na superfície podem ser conectados a um caminho que pertença totalmente à referida superfície) e, adicionalmente, qualquer caminho formado em laço pode ser continuamente contraído a um ponto de modo que também todas as formas intermediárias do laço contraído pertencem inteiramente à dita superfície.

[0070] Uma descrição intuitiva de uma superfície conectada de forma simples é que ela não possui orifícios. Como tal, poderia ser possível perfurar um pequeno orifício através de qualquer uma das superfícies difrativas 801, 803 ou 805 na fig. 8 sem alterar suas propriedades como difratores mais do que apenas diminuindo a área de superfície pela quantidade que foi perfurada. Por esta razão, é definido aqui que o requisito da superfície ser simplesmente conectada no sentido topológico deve ser interpretado como concernente à forma geral da superfície: sob tal interpretação, um pequeno orifício na superfície ainda não significa que não é simplesmente conectada. Outra definição de como o requisito de estar simplesmente conectado deve ser interpretado é a seguinte: se o cristal está “deitado de lado” como na fig. 8 (ou seja, um raio de curvatura principal, que define a curvatura longitudinal entre as extremidades do cristal, está em um plano horizontal; de modo que a superfície difrativa é geralmente orientada verticalmente), qualquer linha horizontal imaginária perfuraria a superfície difrativa em no máximo um ponto. Uma superfície é simplesmente conectada se ela se encaixa em pelo menos uma dessas descrições intuitivas.

[0071] À direita na fig. 8, um cristal 807 é mostrado como um exemplo comparativo. A superfície difrativa 808 do cristal 807 é curva em duas direções (longitudinal e transversal), formando uma superfície rotacionalmente simétrica completa, cujo eixo de rotação 809 poderia estar em um plano definido pelos eixos ópticos dos raios X de entrada e difratados. A curva, a rotação da qual em torno do eixo de rotação 809 definiu a forma da superfície difrativa

808, pode ser por exemplo uma seção de uma espiral logarítmica. É óbvio que a superfície difrativa 808 não está simplesmente conectada no sentido topológico, porque nenhuma curva fechada que circunavega o furo da superfície pode ser contraída até um ponto. Cristais deste tipo são relativamente complicados de fabricar, mas podem ser usados, juntamente com escudos adequados (não mostrados na fig. 8) que bloqueiam a propagação de raios X diretos, não difratados, para coletar radiação fluorescente de um ângulo espacial maior do que aqueles com uma superfície simplesmente conectada como 801, 803 ou 805.

[0072] A forma geométrica e as propriedades ópticas resultantes da superfície difrativa podem ter um efeito em como outras partes do difrator de cristal devem ser projetadas. Acima foi explicado como o difrator de cristal 601 pode compreender uma primeira fenda 604 no primeiro caminho óptico 605 entre a unidade de manipulação de pasta 201 e o cristal (grafite pirolítico), e como há o segundo caminho óptico 607 entre o cristal (grafite pirolítico) e o detector de radiação 602. Se a superfície difrativa 801 do referido cristal (grafite pirolítico) 603 é curva em apenas uma direção, com um raio de curvatura em um plano definido pelo referido primeiro 605 e segundo 607 caminhos ópticos, é vantajoso tornar a referida primeira fenda 604 linear fenda orientada perpendicularmente ao referido plano, como na fig.

7. Se a superfície difrativa 803 do referido cristal (grafite pirolítico) 802 for curva em duas direções, formando uma parte de uma superfície toroidal, é vantajoso fazer da referida primeira fenda uma fenda curva com um raio de curvatura orientado perpendicular contra o referido primeiro caminho óptico . Se a superfície difrativa 805 do referido cristal (grafite pirolítico) 804 é curva em duas direções, formando uma parte de uma superfície rotacionalmente simétrica, cujo eixo de rotação 806 está no plano definido pelos referidos primeiro e segundo caminhos ópticos, é vantajoso para fazer a dita primeira ponta de fenda.

[0073] Se uma segunda fenda 606 for usada no segundo caminho óptico 607, considerações semelhantes podem ser aplicadas. No entanto, deve-se notar que a segunda fenda nem sempre é necessária: seu uso está relacionado à atenuação de fundo e radiação espalhada, particularmente com cristais difratores que são altamente seletivos ao comprimento de onda. Considerando que a seletividade do comprimento de onda de um HOPG não é tão alta, a vantagem adicional obtida com uma segunda fenda é relativamente pequena.

[0074] Se uma segunda fenda for usada no segundo caminho óptico 607 entre o cristal (grafite pirolítico) 603, 802, 804 e o primeiro detector de radiação, a geometria do difrator de cristal pode seguir, por exemplo, o princípio de uma geometria de Johann ou geometria de Johansson. Estes são ilustrados nas figs. 9 e 10 respectivamente. Na fig. 9 um ponto central 902 da referida superfície difrativa, a referida primeira fenda 604 e a referida segunda fenda 606 estão localizados em um círculo de Rowland, cujo raio é R. Um raio de curvatura da referida superfície difrativa no plano definido pelo referidos primeiro e segundo caminhos ópticos é 2R e um raio de curvatura dos planos reticulares 901 no referido cristal é 2R. Isso significa que o primeiro difrator de cristal tem uma geometria de Johann. Na fig. 10 um ponto central 1002 da referida superfície difrativa, a referida primeira fenda 604 e a referida segunda fenda 606 estão localizadas de forma semelhante em um círculo de Rowland, cujo raio é R. No entanto, aqui um raio de curvatura da referida superfície difrativa no plano definido por os referidos primeiro e segundo caminhos ópticos são R, e o raio de curvatura dos planos reticulares 1001 no referido cristal é 2R, de modo que o primeiro difrator de cristal tem uma geometria de Johansson.

[0075] A fim de manter um tamanho compacto do difrator de cristal, é vantajoso que a magnitude de R possa ser mantida relativamente pequena. Por exemplo, R pode ter no máximo 40 centímetros.

[0076] As figs. 11 a 14 são ilustrações esquemáticas de espectros de raios X fluorescentes em certos casos. Os espectros são normalmente expressos como contagens detectadas na energia de cada fóton. Na prática, o detector que produz as contagens tem uma determinada resolução de energia que define o quão próximas uma da outra podem estar as energias de dois fótons, de modo que o detector é capaz de produzir dois tipos diferentes de sinais de saída. O processamento de sinal é usado para classificar os fótons de raios X recebidos em depósitos de energia de largura finita, e as contagens são dadas por depósito de energia. Quanto mais precisa a resolução do detector, mais estreitos (em termos de unidades de energia) os depósitos de energia podem ser feitos.

[0077] Na fig. 11 o gráfico 1101 é suave sem quaisquer picos visíveis ou orifícios espectrais. Tal espectro raramente é obtido na prática, mas ilustra uma situação em que apenas radiação de fundo e espalhada aleatoriamente é recebida, sem quaisquer picos característicos de elementos de interesse. Na fig. 12, o gráfico 1201 é o mesmo, mas há um pico característico 1202 de um elemento de interesse. O problema é que a concentração do elemento de interesse na amostra medida é tão pequena que a altura do pico característico 1202 é baixa em relação ao nível geral do espectro na mesma faixa de energia. Assim, mesmo se um número relativamente grande de fótons for observado nessa faixa de energia, relativamente poucos deles são realmente fótons fluorescentes do elemento de interesse.

[0078] A energia de um fóton é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda, então quando a seletividade do comprimento de onda de vários cristais difrativos foi considerada acima, a seletividade da energia também pode ser considerada. A Fig. 13 ilustra esquematicamente o que o detector de radiação de um difrator de cristal equipado com um cristal HOPG pode receber. A faixa de energia 1301 de raios X fluorescentes que o cristal HOPG direcionaria ao referido detector de radiação é relativamente ampla, o que é um resultado direto da seletividade de comprimento de onda relativamente modesta do cristal HOPG. Ao mesmo tempo, no entanto, a eficiência de difração do cristal HOPG é relativamente boa. Assim, o detector de radiação receberá uma proporção significativa dos fótons que caem nas duas áreas tracejadas na fig. 13. Destes, os fótons pertencentes à primeira área sombreada 1302 são fótons de fundo e dispersos, enquanto os fótons pertencentes à segunda área sombreada 1303 são fótons fluorescentes reais do elemento de interesse.

[0079] A Fig. 14 ilustra esquematicamente o que o detector de radiação de um difrator de cristal equipado com um cristal de dióxido de silício (ou outro convencional) poderia receber na mesma situação. A faixa de energia 1401 de raios X fluorescentes que o cristal convencional direcionaria para o seu detector de radiação é relativamente estreita, o que é um resultado direto da seletividade de comprimento de onda relativamente bom do cristal convencional. Ao mesmo tempo, no entanto, a eficiência de difração do cristal convencional é menor do que a de um cristal HOPG. Assim, o detector de radiação receberia apenas uma proporção limitada dos fótons que realmente se originaram do elemento de interesse na amostra (ver área tracejada 1303 na fig. 13). O pequeno pico 1402 na fig. 14 representa esses raios X fluorescentes, que serão realmente detectados neste caso.

[0080] Um fator a ser considerado no projeto do analisador de fluorescência de raios X é a possibilidade de usar canais de detecção equipados de forma diferente. Aqui, "equipado de forma diferente" significa principalmente a seleção do cristal difrator e a seleção do detector de radiação.

[0081] A Fig. 15 ilustra esquematicamente como um analisador industrial de fluorescência de raios X para analisar amostras de pasta pode compreender uma pluralidade de canais de detecção. Os canais de detecção são mostrados em linha reta na fig. 15 porque a representação é esquemática. Na prática, eles podem ser localizados, por exemplo, de maneira simétrica em torno do tubo de raios X, como nas figs. 4 e 5, cada um com um campo de visão direcionado para a unidade de manipulação de pasta do analisador de fluorescência de raios X.

[0082] O analisador de fluorescência de raios X compreende um primeiro difrator de cristal 1501 localizado em uma primeira direção da referida unidade de manipulação de pasta, o referido primeiro difrator de cristal 1501 compreendendo um primeiro cristal. Um primeiro detector de radiação 1505 é configurado para detectar raios X fluorescentes difratados pelo referido primeiro cristal 1502 em uma primeira resolução de energia. O analisador de fluorescência de raios X compreende um segundo difrator de cristal 1511 localizado em uma segunda direção da referida unidade de manipulação de pasta, o referido segundo difrator de cristal compreendendo um segundo cristal 1512. Um segundo detector de radiação 1515 é configurado para detectar raios X fluorescentes difratados pelo referido segundo cristal 1512 como uma segunda resolução de energia.

[0083] Como uma primeira suposição, pode ser assumido que o primeiro cristal 1502 é um cristal de grafite pirolítico (HOPG) e o referido segundo cristal 1512 é de um material diferente de grafite pirolítico, como dióxido de silício, fluoreto de lítio, dihidrogenofosfato de amônio ou ftalato de hidrogênio de potássio. Também como uma primeira suposição, pode ser assumido que o primeiro e o segundo difratores de cristal são configurados para direcionar para seus respectivos detectores de radiação fluorescente característica de um mesmo elemento. Em outras palavras, os dois canais de detecção são equipados de forma diferente, mas ambos visam detectar a presença e concentração do mesmo elemento na amostra de pasta.

[0084] Como tal, configurar um difrator de cristal para direcionar a radiação fluorescente característica de seu detector de radiação de um elemento particular é tipicamente feito por 1) selecionar um cristal com uma distância particular entre seus planos reticulares, 2) selecionar a curvatura do cristal e os planos reticulares e 3) selecionar os valores de ângulo e distância do cristal e da (s) fenda (s) de modo que os raios X de apenas uma faixa de comprimento de onda particular atinjam o detector, a referida faixa de comprimento de onda específica incluindo o pico característico desejado do elemento de interesse. O elemento de interesse pode ter vários picos característicos, portanto, dizer que os dois canais de detecção são configurados para medir a radiação fluorescente característica do mesmo elemento não significa necessariamente que eles seriam configurados para medir o mesmo pico característico, embora isso também não seja excluído.

[0085] Se os dois canais de detecção forem configurados para medir o mesmo pico característico, os resultados de medição que eles produzem podem ser semelhantes aos das figs. 13 (para o canal com o cristal HOPG) e 14 (para o canal com o outro cristal). A tarefa de descobrir a concentração real do elemento de interesse pode ser descrita na forma de um método, por exemplo como segue.

[0086] O método visa realizar análises de fluorescência de raios X, e consiste em irradiar uma amostra de pasta com raios X incidentes e receber raios X fluorescentes da amostra irradiada. Devido à geometria de medição, uma primeira parte dos raios X fluorescentes será direcionada para o primeiro canal de detecção e uma segunda parte dos raios X fluorescentes será direcionada para o segundo canal de detecção. O método compreende separar primeira 1301 e segunda 1401 faixas de comprimento de onda predefinidas das respectivas primeira e segunda faixas dos referidos raios X fluorescentes recebidos com os respectivos primeiro 1501 e segundo difratores de cristal 1511. A referida primeira faixa de comprimento de onda 1301 e a referida segunda faixa de comprimento de onda 1401 incluem radiação fluorescente característica de um mesmo elemento. Além disso, a referida primeira faixa de comprimento de onda 1301 é pelo menos duas vezes mais larga que a referida segunda faixa de comprimento de onda 1401.

[0087] O método compreende detectar os raios X fluorescentes nas referidas primeira e segunda faixas de comprimento de onda separadas com os respectivos primeiro 1505 e segundo detectores de radiação 1515. A resolução de energia do referido primeiro detector de radiação 1505 é melhor do que 300 eV a uma energia de referência de 5,9 keV. Assim, o método compreende a produção dos respectivos primeiro e segundo resultados de detecção. O método compreende o cálculo de uma concentração do referido elemento na referida amostra a partir de pelo menos um dos referidos primeiro e segundo resultados de detecção.

[0088] Aqui, “pelo menos um” enfatiza o fato de que nem todos os resultados de detecção são mais bem tratados da mesma maneira. Muito depende da amostra. Em algumas amostras, a concentração do elemento de interesse pode ser relativamente grande, resultando em um número relativamente grande de fótons fluorescentes detectados, mesmo no segundo detector de radiação 1515, apesar da eficiência de difração modesta do segundo cristal 1512. Em algum outro caso, a concentração do elemento de interesse pode ser tão pequena que apenas um pico muito pequeno e vago é visível dentro da segunda faixa de comprimento de onda 1401. Em alguns casos, a primeira faixa de comprimento de onda 1301 pode parecer estar relativamente limpa de qualquer radiação interferente, enquanto alguma outra amostra pode conter quantidades significativas de algum outro elemento, cujo pico característico é tão próximo que se torna visível e até dominante na primeira faixa de comprimento de onda 1301, mas não na segunda faixa de comprimento de onda 1401.

[0089] Em geral, o cálculo pode compreender o cálculo de uma intensidade combinada de radiação de fundo e raios X fluorescentes de outros que não sejam o referido elemento usando pelo menos um dos primeiro e segundo resultados de detecção. O método pode então compreender subtrair, da intensidade total detectada em uma faixa de comprimento de onda contendo o referido pico característico de raios X fluorescentes de um elemento a ser medido na referida amostra, a intensidade combinada calculada de radiação de fundo e raios X fluorescentes de outros elementos do que o referido elemento de interesse na referida amostra. O método pode então compreender fornecer o resultado da referida subtração como a intensidade calculada do referido pico de raios X fluorescente característico.

[0090] O cálculo pode compreender a análise dos referidos primeiro e segundo resultados de detecção se a influência de um pico característico de outro elemento no primeiro resultado de detecção é maior do que um limite predeterminado. Se a referida análise mostrar que a influência do referido pico característico do referido outro elemento no primeiro resultado de detecção é maior do que o referido limite predeterminado, o método pode compreender o cálculo da referida concentração do referido elemento na referida amostra a partir do referido segundo resultado de detecção. Se, por outro lado, a referida análise mostra que a influência do referido pico característico do referido outro elemento no primeiro resultado de detecção não é maior do que o referido limite predeterminado, o método pode compreender o cálculo da referida concentração do referido elemento na referida amostra a partir do referido primeiro resultado da detecção.

[0091] Outra possibilidade é formar modelos específicos para cada canal de medição por linha de amostra, usando amostras de calibração. O canal de medição a ser usado para as medições reais daquela linha de amostra é então selecionado com base em qual deles fornece a calibração mais precisa.

[0092] O elemento de interesse pode ser ouro, porque o ouro é valioso e porque existem métodos razoavelmente eficazes para extraí-lo, mesmo de fluxos de pasta, onde aparece em concentrações muito baixas. Existem outros elementos, com picos característicos interferentes que podem ou não estar presentes e podem aparecer muito próximos de um do ouro. Se quantidades significativas de tais elementos interferentes estiverem presentes na amostra, o canal de detecção com o cristal HOPG pode dar resultados relativamente imprecisos e não confiáveis, pelo menos se usado sozinho.

[0093] Podem ser apresentadas formas intermediárias desses dois casos extremos, em que a contribuição dos resultados da primeira e segunda detecção são levados em consideração de várias maneiras. A decisão sobre qual método de cálculo é selecionado pode ser feita, por exemplo, com um algoritmo de inteligência artificial que compara o primeiro e o segundo resultados de detecção com resultados comparáveis obtidos anteriormente e com algum tipo de dados de avaliação sobre como os vários métodos de cálculo disponíveis realizados com os referidos resultados comparáveis .

[0094] A Fig. 16 ilustra esquematicamente um espectro de raios X fluorescentes que compreende dois picos claros 1601 e 1602. Nesse caso, o método de cálculo selecionado pode depender de se os picos 1601 e 1602 são ambos picos característicos do mesmo elemento de interesse ou se um deles é um pico característico de algum elemento interferente. Os picos menores próximos ao eixo de energia representam o resultado de detecção estimado que um canal de detecção equipado com um cristal convencional (por exemplo, dióxido de silício) produziria desses dois picos.

[0095] Um caso interessante é aquele em que os picos 1601 e 1602 são ambos picos do elemento de interesse. Particularmente interessante é se aquele deles (aqui: pico 1601) for mais intenso, para a medição da qual o canal de detecção equipado com SiO2 está configurado. Nesse caso, as melhores características de ambos os canais podem entrar em uso: a seletividade de comprimento de onda precisa do cristal de dióxido de silício pode ser usada para separar uma faixa de comprimento de onda bem definida 1401 que inclui apenas o pico característico desejado, de modo que a intensidade relativamente grande de esse pico ainda fornece um número suficiente de contagens no detector correspondente em um tempo relativamente curto. Ao mesmo tempo, a boa eficiência de difração do cristal HOPG pode ser usada para separar uma faixa de comprimento de onda mais ampla 1301 que inclui o outro pico característico inferior. A concentração do elemento de interesse pode ser calculada a partir dos resultados de detecção fornecidos pelos dois detectores, quando o desempenho geral dos dois canais de detecção é conhecido a partir de medições de calibração.

[0096] Um método do tipo descrito acima pode ser aplicável em muitos casos em que a radiação fluorescente característica compreende um pico K ou L de um elemento com 30 ≤ Z ≤ 92, onde Z é o número atômico do referido elemento. A adaptabilidade flexível do método se adapta bem para medir amostras que compreendem um ou mais elementos de interesse dentro de uma matriz que consiste principalmente em elementos com Z ≤ 8, onde Z é o número atômico. É o caso das pastas à base de água, por exemplo.

[0097] Os princípios que foram discutidos acima com relação ao uso de dois canais de detecção podem ser generalizados para se referir ao uso de três ou mais canais de detecção. O fator de forma do canal de detecção que foi descrito acima, ou seja, aquele em que cada difrator de cristal 601 está envolvido em um invólucro delimitado por uma primeira superfície plana 701 e uma segunda superfície plana 702 que é paralela à referida primeira superfície plana 701, permite a distribuição de uma pluralidade de canais de detecção como "cassetes", por exemplo, em uma formação rotacionalmente simétrica em torno do tubo de raios X. Os resultados de detecção de canais de detecção configurados para detectar radiação fluorescente característica de um mesmo elemento podem ser combinados de várias maneiras, conforme descrito acima. O grande número de canais de detecção permite calcular as concentrações de dois ou mais elementos de interesse na amostra simultaneamente, se os canais de detecção estiverem configurados para medir a radiação fluorescente característica de tais dois ou mais elementos de interesse. A correlação cruzada dos resultados de detecção de canais configurados para detectar diferentes elementos também é possível. Por exemplo, se um elemento tem dois picos característicos, um dos quais é medido com um primeiro canal de detecção dedicado, enquanto o outro se aproxima do pico característico do outro elemento de interesse, os resultados da detecção do primeiro canal podem ser usados para corrigir o resultados de detecção daquele canal que está configurado para medir o pico característico do outro elemento.

[0098] Um fator a ser considerado no projeto de um analisador industrial de fluorescência de raios X para analisar amostras de pasta é a potência do tubo de raios X e a geometria e o dimensionamento da área entre o tubo de raios X e a unidade de manipulação de pasta.

[0099] A Fig. 17 ilustra a possibilidade de usar a chamada geometria de transmissão. A janela de radiação 203 de um tubo de raios X é visível à direita na fig. 17, e raios X incidentes são emitidos na direção do eixo óptico 204 através de uma placa de filtro primária 205. A unidade de manipulação de pasta 201 compreende uma câmara 1701 com uma fenda de saída 1702, a partir da qual a amostra 202 flui para fora em uma forma semelhante a uma cortina e cai para baixo sob a influência da gravidade. Os raios X incidentes geram raios X fluorescentes na película relativamente fina de pasta que cai. O designador de referência 1703 aponta para raios X fluorescentes que são direcionados obliquamente para trás, e que podem ser detectados com canais de detecção (não mostrados na fig. 17) colocados muito como nas geometrias descritas anteriormente com referência às figs. 2, 3, 4 e 5. O designador de referência 1704 aponta para raios X fluorescentes que são direcionados para outras direções, particularmente para direções que estão do outro lado do fluxo de amostra. Eles podem ser detectados com canais de detecção (não mostrados na fig. 17) colocados naquele lado. Esta pode ser uma forma particularmente vantajosa de posicionar canais de detecção, pois eles podem obter um melhor campo de visão e, consequentemente, uma melhor eficiência espacial de coleta de raios X fluorescentes. Isso também pode ajudar a aproximar o tubo de raios X da amostra. Deve-se notar, entretanto, que precauções geométricas de blindagem de radiação apropriadas devem ser tomadas a fim de evitar que qualquer um dos raios X incidentes entre nos canais de detecção.

[0100] A Fig. 18 é uma seção transversal parcial da porção de saída de um tubo de raios X 402. O tubo de raios X compreende um ânodo 1801 para gerar os raios X incidentes. Os raios X incidentes serão emitidos na direção do eixo óptico 204 em direção à amostra 202, que aqui é mostrado apenas esquematicamente sem a unidade de manipulação de pasta por razões de clareza gráfica. No entanto, é assumido que a unidade de manipulação de pasta está configurada para manter uma superfície plana 1802 da amostra 202 de pasta em um lado voltado para o tubo de raios X 402. Conforme explicado anteriormente, isso pode ser realizado, por exemplo, fornecendo uma janela de amostra com uma película de janela feita de um material que é transparente aos raios X. A janela de amostra pode ser fornecida em uma parede de uma câmara de amostra, para permitir que os raios X passem enquanto mantém a amostra de pasta dentro da câmara de amostra.

[0101] Outras partes do tubo de raios X que são mostradas esquematicamente na fig. 18 são a circulação 1803 de água de resfriamento, o cátodo em forma de anel 1804 para emitir os elétrons acelerados e a janela de radiação 203.

[0102] Quando o objetivo é produzir tanta radiação fluorescente que até mesmo concentrações muito pequenas de elementos de interesse possam ser detectadas, é vantajoso se o maior número possível de fótons (de energia suficiente) da radiação incidente puder ser feito para atingir a amostra

202. Uma maneira de conseguir isso é ter um tubo de raios X muito potente. De acordo com uma modalidade, a potência nominal de entrada do tubo de raios X 402 é de pelo menos 400 watts. Tubos de raios X ainda mais poderosos podem ser usados: de acordo com outras modalidades, a classificação de potência de entrada do tubo de raios X 402 pode ser de pelo menos 1 quilowatt, ou pelo menos 2 quilowatts, ou mesmo pelo menos 4 quilowatts. Mesmo que apenas uma fração da potência que é anunciada como a classificação de potência de entrada do tubo de raios X acabe saindo na forma de raios X incidentes gerados, a classificação de potência de entrada é, no entanto, um indicador importante da capacidade do tubo de raios X de produção de um fluxo intenso de raios X incidentes.

[0103] Usar tubos de raios X com potências nominais mais altas do que antes significa que a proteção contra radiação deve ser reconsiderada em relação às fontes de raios X de baixa potência anteriormente conhecidas. De acordo com uma modalidade, placas de proteção contra radiação mais espessas e materiais de proteção contra radiação mais densos podem ser usados para garantir que a radiação ionizante não vaze para áreas onde poderia ser perigosa.

[0104] Outra maneira de garantir um fluxo muito intenso de raios X incidentes que atingem a amostra 202 é fazer a distância entre o ânodo 1801 e a amostra 202 tão pequena quanto possível. A unidade de manipulação de pasta pode ser configurada para manter uma distância linear mais curta d entre o ânodo 1801 e a amostra 202, de modo que d seja menor que 50 mm. Em outra modalidade, d pode ser menor do que 40 mm. Em outra modalidade, d pode ser menor do que 30 mm.

[0105] Deve-se notar, no entanto, que geralmente quanto mais próximo o ânodo 1801 do tubo de raios X 402 é trazido para a amostra 202, o maior ângulo espacial em torno da amostra 202 é bloqueado pelas estruturas do tubo de raios X. Este é um fator importante a considerar, porque as estruturas do tubo de raios X 402 podem bloquear o campo de visão dos canais de detecção. Uma forma de mitigar esse problema é usar um tubo de raios X do tipo janela final, e não um tubo de raios X do tipo janela lateral. As figs. 18 e 19 podem ser considerados para ilustrar o uso de um tubo de raios X do tipo janela de extremidade. Em um tubo de raios X deste tipo, a janela de radiação 203 está geralmente em uma extremidade de uma estrutura geralmente tubular, que deixa relativamente muito espaço livre em torno da referida estrutura tubular para colocar os canais de detecção. Outra possibilidade seria usar um tubo de raios X do tipo janela lateral e colocar os canais de detecção em um ou dois lados do tubo de raios X.

[0106] Em todas as figuras descritas até agora, o caminho óptico entre o tubo de raios X 402 e a amostra 202 também é direto, o que significa que não há difratores entre os mesmos. Esta é outra maneira de garantir que um número máximo de fótons de raios X incidentes possa atingir a amostra. Em primeiro lugar, o fornecimento de um difrator entre os mesmos significaria inevitavelmente uma distância maior entre o ânodo 1801 e a amostra 202, porque algum espaço precisaria ser reservado para o difrator. Em segundo lugar, a mera natureza de um difrator é separar apenas uma certa faixa de comprimento de onda do espectro de radiação original, o que significaria necessariamente menos fótons de raios X incidentes atingindo a amostra. Outras consequências vantajosas de não usar nenhum dos chamados difratores primários entre o tubo de raios X 402 e a amostra 202 são o fornecimento simultâneo de raios X incidentes para excitar os picos característicos de uma série de elementos na amostra e menos partes estruturais existem que podem bloquear o campo de visão dos canais de detecção.

[0107] Na fig. 18, o eixo óptico 204 do tubo de raios X 402 é perpendicular contra a superfície plana 1802 da amostra

202. Embora este arranjo forneça excelente simetria rotacional para canais de detecção colocados em torno do tubo de raios X 402, não é a única possibilidade. A Fig. 19 ilustra uma modalidade alternativa, em que o eixo óptico 204 do tubo de raios X 402 está em um ângulo oblíquo contra a referida superfície plana. Tal arranjo pode ajudar a tornar a distância linear mais curta d entre o ânodo 1801 e a amostra 202 ainda mais curta, enquanto simultaneamente deixa campo de visão suficientemente livre para canais de detecção em pelo menos alguns lados do tubo de raios X 402. Este princípio é desenvolvido mais adiante com referência às figs. 20 e 21.

[0108] A Fig. 20 mostra um tubo de raios X 402 e cinco canais de detecção vistos da direção da amostra. A janela de radiação 203 do tubo de raios X 402 é visível no meio do desenho. A janela de entrada de cada canal de detecção para receber radiação fluorescente está localizada na face da extremidade proximal do respectivo difrator de cristal; a janela de entrada 2001 é mostrada como exemplo. Com o objetivo de fazer com que a maior proporção possível da radiação fluorescente gerada entre em um canal de detecção, é vantajoso colocar essas janelas de entrada o mais próximo possível da amostra, e também de modo que a janela de entrada veja a superfície da amostra em um maior ângulo espacial possível. Cada um da pluralidade de difratores de cristal está localizado em um respectivo ângulo de rotação em torno do eixo óptico do tubo de raios X 402. Cada um dos referidos difratores de cristal é configurado para separar uma faixa de comprimento de onda predefinida de raios X fluorescentes que se propagam na respectiva direção e configurados para direcionar os raios X fluorescentes na respectiva primeira faixa de comprimento de onda predefinida separada para um respectivo detector de radiação.

[0109] A Fig. 21 mostra um tubo de raios X 402 e dois canais de detecção vistos de lado. A janela de amostra 301 é esquematicamente mostrada na fig. 21: isso ilustra a área onde a unidade de manipulação de pasta está configurada para manter uma superfície plana da amostra de pasta em um lado voltado para o tubo de raios X 402. Assim, esta é a área que deve estar dentro do campo de visão do tubo de raios X 402 para fazer com que os raios X incidentes atinjam a amostra. Isso ilustra também a área que deve cobrir o maior ângulo espacial possível no campo de visão dos canais de detecção, a fim de coletar o máximo possível de raios X fluorescentes.

[0110] O eixo óptico 204 do tubo de raios X 402 está em um ângulo oblíquo contra a referida superfície plana. Um primeiro difrator de cristal 1501 está localizado naquele ângulo de rotação em torno do referido eixo óptico 204 no qual a referida superfície plana da referida amostra cobre a maior porção de um campo de visão do primeiro difrator de cristal 1501. Assumindo que nenhuma outra estrutura bloqueia qualquer parte do campo de visão disponível, na prática, isso significa que o primeiro difrator de cristal 1501 está localizado oposto ao tubo de raios X, ou seja, na direção para a qual um feixe de luz imaginário ao longo do eixo óptico 204 refletiria se a superfície da amostra fosse um espelho.

[0111] Um segundo difrator de cristal 1511 está localizado em outro ângulo de rotação em torno do referido eixo óptico 204. Na fig. 21, o segundo difrator de cristal 1511 está localizado no que poderia ser descrito como o pior ângulo de rotação possível, porque sua visão da superfície da amostra é limitada por aquela borda do tubo de raios X 402 que se fecha para a janela da amostra 301. Se o referido outro ângulo de rotação difere em menos de 180 graus daquele em que o primeiro difrator de cristal 1501 está localizado,

o segundo difrator de cristal 1511 pode estar localizado mais como um da pluralidade de outros difratores de cristal na fig. 20. Em tal caso, a superfície plana da amostra na janela de amostra 301 cobriria uma porção do campo de visão do segundo difrator de cristal 1511 que estava entre os dois extremos mostrados na fig. 21

[0112] De acordo com uma modalidade, o primeiro difrator de cristal 1501 que é colocado no ângulo de rotação ideal (em termos de campo de visão) nas figs. 20 e 21 é aquele em que o cristal difrator é um cristal HOPG e o detector de radiação é um detector de semicondutor de estado sólido. Considerando a boa eficiência de difração do cristal HOPG, o posicionamento do primeiro difrator de cristal ajuda a garantir que um número máximo de fótons de raios X fluorescentes chegará ao detector. Se houver algum conhecimento prévio sobre os níveis assumidos de concentrações de vários elementos nas amostras a serem medidas, pode ser vantajoso colocar esse difrator de cristal no ângulo de rotação mais ideal configurado para separar e direcionar para seu respectivo detector a característica radiação fluorescente do elemento de interesse que deve ter as menores concentrações.

[0113] Um fator a ser considerado no projeto de um analisador industrial de fluorescência de raios X para analisar amostras de pasta é a seleção de detectores de radiação nos canais que possuem cristais difratores de outros materiais que não grafite pirolítico. A seletividade de comprimento de onda de materiais de cristal difrator convencionais, como dióxido de silício, é relativamente boa, o que pode ser interpretado de forma que não haja tanta necessidade de resolução de energia precisa no detector de radiação como se um cristal HOPG fosse usado. Um contador proporcional preenchido de gás pode fornecer resultados de detecção bastante satisfatórios em um canal de detecção que tem outro que não HOPG como o cristal difrator, a um custo de fabricação vantajosamente mais baixo do que um detector de semicondutor de estado sólido.

[0114] No entanto, nada no precedente deve ser interpretado contra a escolha de um detector de semicondutor de estado sólido também para canais de detecção que têm outros que não HOPG como o cristal difrator. Da mesma forma, não é um requisito obrigatório usar um detector de semicondutor de estado sólido no canal de detecção equipado com um cristal HOPG, se a resolução de energia de outro tipo de detector de radiação for considerada suficiente.

[0115] As figs. 22 a 25 ilustram medições de calibração, nas quais o eixo vertical representa concentrações medidas com um canal de detecção de um aparelho testado, que era um analisador de fluorescência de raios X industrial para analisar amostras de pasta de acordo com uma modalidade. O eixo horizontal representa as concentrações nas mesmas amostras, mas medidas por períodos prolongados com equipamento de grau de laboratório, a fim de obter resultados tão precisos e confiáveis quanto possível. Para as medições laboratoriais, as amostras de pasta foram secas e homogeneizadas, e a quantidade de água removida foi compensada por meio de cálculo, a fim de tornar as medições laboratoriais comparáveis às medições do tipo industrial. Se uma medição de calibração deste tipo mostra os pontos assentando ao longo de uma linha reta, os dois aparelhos diferentes fornecem resultados altamente correspondentes, o que significa que o aparelho testado é muito preciso. Desvios de uma linha reta mostram que o aparelho testado produz resultados imprecisos.

[0116] As escalas são arbitrárias, mas as escalas nas figs. 22 e 23 são iguais, e as escalas das figs. 24 e 25 são iguais. O elemento de interesse era ouro em todas as medidas. As figs. 22 e 23 representam medições de amostras em que a concentração de um elemento interferente estava abaixo de 300 ppm, enquanto as medições das figs. 24 e 25 sua concentração variou entre 0 e 2%. Um elemento interferente é aquele que tem um pico fluorescente característico próximo a pelo menos um pico fluorescente característico do elemento de interesse.

[0117] As figs. 22 e 24 representam casos em que a medição com o aparelho testado foi feita usando um canal de detecção que tinha um cristal de dióxido de silício no difrator de cristal e um contador proporcional preenchido de gás como detector de radiação. As figs. 23 e 25 representam casos em que a medição com o aparelho testado foi feita usando um canal de detecção que tinha um cristal HOPG no difrator de cristal e um detector de semicondutor de estado sólido como detector de radiação.

[0118] Uma comparação de figs. 22 e 23 mostram que quando a concentração de um elemento interferente é pequena, o canal de detecção com um cristal HOPG e um detector de semicondutor de estado sólido dá resultados de detecção mais precisos do que o canal de detecção com um cristal de dióxido de silício e um contador proporcional preenchido de gás . O erro médio entre as concentrações medidas com o canal HOPG do aparelho testado e aquelas medidas em laboratório foi +/- 0,24 ppm, enquanto o erro médio comparável com um cristal de dióxido de silício e um contador proporcional preenchido de gás foi +/- 0,56 ppm.

[0119] Uma comparação de figs. 24 e 25 mostram que quando a concentração de um elemento interferente é significativa, o canal de detecção com um cristal HOPG e um detector de semicondutor de estado sólido dá resultados de detecção menos precisos do que o canal de detecção com um cristal de dióxido de silício e um contador proporcional preenchido de gás . O erro médio entre as concentrações medidas com o canal HOPG do aparelho testado e aquelas medidas em laboratório foi +/- 1,62 ppm, enquanto o erro médio comparável com um cristal de dióxido de silício e um contador proporcional preenchido de gás foi +/- 0,42 ppm.

[0120] Os resultados apresentados nas figs. 22 a 25 podem ser utilizados de várias maneiras. Por exemplo, o analisador de fluorescência de raios X industrial para analisar amostras de pasta pode ser equipado com primeiro, segundo e terceiro canais de detecção, dos quais o primeiro e o segundo canais de detecção são ambos equipados com difratores de cristal configurados para separar e direcionar para seus respectivos detectores raios X fluorescentes característicos do mesmo elemento, como ouro. O primeiro canal de detecção pode ser um com um cristal HOPG e um detector de semicondutor de estado sólido e o segundo canal de detecção pode ser um com um cristal de dióxido de silício e um contador proporcional preenchido de gás. O terceiro canal de detecção pode ser equipado com um difrator de cristal configurado para separar e direcionar para seus respectivos detectores de raios X fluorescentes característicos de um elemento interferente. Os resultados de detecção de todos os três canais de detecção podem ser analisados. Se os resultados de detecção produzidos pelo terceiro canal de detecção mostrarem que há uma concentração significativa do elemento interferente na amostra, o cálculo da concentração de ouro enfatizaria mais (ou mesmo usará exclusivamente) os resultados de detecção do segundo canal de detecção. Correspondentemente, se os resultados de detecção produzidos pelo terceiro canal de detecção mostram que há apenas uma concentração insignificante do elemento interferente na amostra, o cálculo da concentração de ouro enfatizaria mais (ou mesmo usará exclusivamente) os resultados de detecção da primeira detecção canal.

[0121] Muitas características vantajosas do analisador de fluorescência de raios X industrial para analisar amostras de pasta foram descritas acima. No final, todos eles servem a um propósito comum, que é fazer medições confiáveis mesmo de concentrações muito pequenas de elementos de interesse em pastas de vários tipos, a um custo razoável e sob as condições adversas que um ambiente industrial pode impor: tempos de medição curtos; temperaturas extremas; ocorrência frequente de umidade, poeira e sujeira; longos intervalos entre manutenção; e similar. As características vantajosas podem ser combinadas entre si de várias maneiras, de modo que a combinação mais vantajosa pode depender de um caso particular e de suas condições de contorno específicas.

[0122] É óbvio para um especialista na técnica que com o avanço da tecnologia, a ideia básica da invenção pode ser implementada de várias maneiras. A invenção e suas modalidades não estão, portanto, limitadas aos exemplos descritos acima, em vez disso, podem variar dentro do escopo das reivindicações.

Como exemplo, mesmo do ouro foi frequentemente mencionado acima como um elemento típico de interesse, os mesmos princípios são aplicáveis também a medições de outros elementos de interesse.

Exemplos de tais outros elementos de interesse são, por exemplo, cobre, prata, metais do grupo da platina e urânio.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Analisador de fluorescência de raios X, compreendendo: - um tubo de raios X (402) para emitir raios X incidentes (206) na direção de um primeiro eixo óptico (204), - uma unidade de manipulação de pasta (201) configurada para manter uma distância constante entre uma amostra (202) de pasta e o referido tubo de raios X, - um primeiro difrator de cristal (601) localizado em uma primeira direção da referida unidade de manipulação de pasta (201), o referido primeiro difrator de cristal (601) sendo configurado para separar uma primeira faixa de comprimento de onda predefinida dos raios X fluorescentes (207) que se propagam para a referida primeira direção, e configurada para direcionar os raios X fluorescentes na primeira faixa de comprimento de onda predefinida separada para um primeiro detector de radiação (602, 1505), caracterizado pelo fato de que: - o primeiro difrator de cristal (601) compreende um cristal de grafite pirolítico (603, 802, 804) que tem uma superfície difrativa (801, 803, 805), - a superfície difrativa (801, 803, 805) do referido cristal de grafite pirolítico (603, 802, 804) é uma superfície simplesmente conectada, e - o referido primeiro detector de radiação (602) é um detector de semicondutor de estado sólido.

2. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a superfície difrativa (801) do referido cristal de grafite pirolítico (603) é curva em apenas uma direção.

3. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o primeiro difrator de cristal (601) compreende um substrato ao qual o referido cristal de grafite pirolítico (603, 802, 804) está fixado, e em que uma forma geométrica tridimensional da entidade constituída pelo referido cristal de grafite pirolítico (603, 802, 804) e o referido substrato é o de um prisma, uma face lateral da qual é cortada pela superfície difrativa curva (801, 803, 805).

4. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o referido primeiro detector de radiação (602, 1505) é um de: um detector de diodo PIN, um detector de deriva de silício, um detector de germânio, um detector de deriva de germânio.

5. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que o primeiro difrator de cristal compreende: - uma primeira fenda (604) em um primeiro caminho óptico (605) entre a referida unidade de manipulação de pasta (201) e o referido cristal de grafite pirolítico (603, 802, 804), e - um segundo caminho óptico (607) entre o referido cristal de grafite pirolítico (603, 802, 804) e o referido primeiro detector de radiação (602, 1505).

6. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que: - a superfície difrativa (801) do referido cristal de grafite pirolítico (603) é curva em apenas uma direção, com um raio de curvatura em um plano definido pelos referidos primeiro (605) e segundo (606) caminhos ópticos, e - a referida primeira fenda (604) é uma fenda linear orientada perpendicularmente contra o referido plano.

7. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que: - a superfície difrativa (803) do referido cristal de grafite pirolítico (802) é curva em duas direções, formando uma parte de uma superfície toroidal, e - a referida primeira fenda é uma fenda curva com um primeiro raio de curvatura orientado perpendicularmente contra o referido primeiro caminho óptico.

8. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que: - a superfície difrativa (805) do referido cristal de grafite pirolítico (804) é curvada em duas direções, formando uma parte de uma superfície rotacionalmente simétrica, cujo eixo de rotação (806) está no plano definido pelos referidos primeiro e segundo caminhos ópticos, e - a referida primeira fenda é semelhante a uma ponta.

9. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que: - o primeiro difrator de cristal compreende uma segunda fenda (606) no referido segundo caminho óptico (607) entre o referido cristal de grafite pirolítico (603, 802, 804) e o referido primeiro detector de radiação (602, 1505), - um ponto central (902) da referida superfície difrativa (801, 803, 805), a referida primeira fenda (604), e a referida segunda fenda (606) estão localizados em um círculo de Rowland, o raio do qual é R,

- um raio de curvatura da referida superfície difrativa (801, 803, 805) no plano definido pelos referidos primeiro e segundo caminhos ópticos é 2R, e - um raio de curvatura dos planos reticulares (901) no referido cristal (603, 802, 804) é 2R; de modo que o primeiro difrator de cristal tem uma geometria de Johann.

10. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que: - o primeiro difrator de cristal compreende uma segunda fenda (606) no referido segundo caminho óptico (607) entre o referido cristal de grafite pirolítico (603, 802, 804) e o referido primeiro detector de radiação (602, 1505), - um ponto central (1002) da referida superfície difrativa (801, 903, 805), a referida primeira fenda (604) e a referida segunda fenda (606) estão localizados em um círculo de Rowland, o raio do qual é R, - um raio de curvatura da referida superfície difrativa (801, 803, 805) no plano definido pelos referidos primeiro e segundo caminhos ópticos é R, e - o raio de curvatura dos planos reticulares (1001) no referido cristal (603, 802, 804) é 2R; de modo que o primeiro difrator de cristal tem uma geometria de Johansson.

11. Analisador de fluorescência de raios X de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que R tem no máximo 40 centímetros.

12. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores,

caracterizado pelo fato de que: - o referido primeiro difrator de cristal (601) é circundado em um invólucro delimitado por uma primeira superfície plana (701) e uma segunda superfície plana (702) que é paralela à referida primeira superfície plana (701).

13. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende uma pluralidade de outros difratores de cristal, além do referido primeiro difrator de cristal, cada um dos referidos primeiro e outros difratores de cristal sendo localizados em um respectivo ângulo de rotação em torno do referido primeiro eixo óptico (204) e cada um dos referidos primeiro e outros difratores de cristal sendo configurados para separar uma faixa de comprimento de onda predefinida de raios X fluorescentes (207) que se propagam para a respectiva direção, e configurados para direcionar os raios X fluorescentes na respectiva faixa de comprimento de onda predefinida separada para um respectivo detector de radiação.

14. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que: - a referida pluralidade de outros difratores de cristal compreende um segundo difrator de cristal (1511) compreendendo um segundo cristal (1512), configurado para direcionar os raios X fluorescentes na respectiva segunda faixa de comprimento de onda predefinida separada para um respectivo segundo detector de radiação, - o referido segundo cristal (1512) é de um material diferente de grafite pirolítico, e - os referidos primeiro e segundo difratores de cristal são configurados para direcionar para seus respectivos detectores de radiação a radiação fluorescente característica de um mesmo elemento.

15. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o referido segundo cristal (1512) é um de: um cristal de dióxido de silício, um cristal de fluoreto de lítio, um cristal de di-hidrogenofosfato de amônio, um cristal de ftalato de hidrogênio de potássio.

16. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com a reivindicação 14 ou 15, caracterizado pelo fato de que o referido segundo detector de radiação (1515) é um contador proporcional preenchido de gás.

17. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 16, caracterizado pelo fato de que o referido elemento é ouro.

18. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 17, caracterizado pelo fato de que: - a referida unidade de manipulação de pasta (201) está configurada para manter uma superfície plana da referida amostra (202) de pasta em um lado voltado para o referido tubo de raios X (402), - o referido primeiro eixo óptico (204) está em um ângulo oblíquo contra a referida superfície plana, - o referido primeiro difrator de cristal (601, 1501) está localizado naquele ângulo de rotação em torno do referido primeiro eixo óptico (204) no qual a referida superfície plana da referida amostra (202) cobre a maior porção de um campo de visão do primeiro difrator de cristal

(601, 1501), e - o referido segundo difrator de cristal (1511) está localizado em outro ângulo de rotação em torno do referido primeiro eixo óptico (204).

19. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que uma resolução de energia do referido primeiro detector de radiação (602, 1505) é melhor do que 300 eV a uma energia de referência de 5,9 keV.

20. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a potência nominal de entrada do referido tubo de raios X (402) é de pelo menos 400 watts.

21. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que a classificação de potência de entrada do referido tubo de raios X (402) é de pelo menos 1 quilowatt, preferencialmente pelo menos 2 quilowatts, e mais preferencialmente pelo menos 4 quilowatts.

22. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o caminho óptico entre o referido tubo de raios X (402) e a referida unidade de manipulação de pasta (201) é direto sem difrator entre os mesmos.

23. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que: - o tubo de raios X (402) compreende um ânodo para gerar os referidos raios X incidentes (206), e

- a referida unidade de manipulação de pasta (201) é configurada para manter uma distância linear mais curta que é menor que 50 mm, de preferência menor que 40 mm, e mais preferencialmente menor que 30 mm entre a referida amostra (202) de pasta e o referido ânodo.

24. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que o referido tubo de raios X (402) é um tubo de raios X do tipo janela de extremidade.

25. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende: - um corpo de analisador (401), - uma parede frontal (303) do referido corpo de analisador (401), - uma abertura na referida parede frontal (303), e - um suporte (403) para segurar removivelmente a referida unidade de manipulação de pasta (201) contra um lado externo da referida parede frontal (303) e alinhado com a referida abertura na referida parede frontal (303).

26. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de que o referido tubo de raios X (402) e o referido primeiro difrator de cristal (601) estão ambos dentro do referido corpo do analisador, no mesmo lado da referida parede frontal (303).

27. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende uma placa de filtro (205) no caminho óptico entre o referido tubo de raios X (402) e a referida unidade de manipulação de pasta (201).

28. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que a referida placa de filtro (205) está localizada mais perto do referido tubo de raios X (402) do que da referida unidade de manipulação de pasta (201).

29. Analisador de fluorescência de raios X, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende uma placa calibradora (305) e um atuador (501) configurado para mover controladamente a referida placa calibradora (305) entre pelo menos duas posições, das quais uma primeira posição não é no caminho dos raios X incidentes (206) e uma segunda posição está no caminho dos raios X incidentes (206) e em um campo de visão do primeiro difrator de cristal (601).