RU109294U1 - Устройство для разделения когерентно и некогерентно рассеянного рентгеновского излучения на основе сцинтилляционного счетчика - Google Patents

Abstract

Устройство для разделения когерентно и некогерентно рассеянного рентгеновского излучения на основе сцинтилляционного счетчика, содержащее рентгеновскую трубку, селективный фильтр первичного излучения, держатель образца, сцинтилляционный счетчик с кристаллом-сцинтиллятором NaJ·T1 и систему регистрации, отличающееся тем, что перед рентгеновской трубкой установлен фильтр первичного излучения из соединения бария с легкими элементами, который имеет поверхностную плотность по барию 0,18-0,25 г/см2, а сумма углов падения первичного и отбора вторичного излучения от поверхности образца составляет 139,5±1°.

Description

Полезная модель относится к области аналитической химии и технической физики и тем областям науки и техники, где требуется анализ и идентификация материалов (объектов), таких, например, как горные породы, органические соединения, полимеры и изделия из них, а также для количественного анализа 2-х компонентных систем на основе этих элементов. Полезная модель может быть использована в разведочной геофизике для опробования кернов и геофизических скважин, при поиске, разведки и разработке рудных месторождений, в горнодобывающей и горно-перерабатывающей промышленности при опробовании скважин, стенок горных выработок, качества руд, угля и других полезных ископаемых в вагонетках и на ленте транспортера. Кроме того, она может быть применена для экспрессного распознавания материалов при таможенном досмотре, при покусковой и порционной сепарации разнообразных материалов разной формы и т.д.

Предлагаемая полезная модель основана на раздельном измерении интенсивности когерентно и некогерентно рассеянного рентгеновского излучения с использованием одного детектора с невысоким энергетическим разрешением.

Аналогом предлагаемого устройства можно считать лабораторный рентгеновский спектрометр с волновой или энергетической дисперсией, спектральное разрешение которого в среднем диапазоне энергий рентгеновского спектра достаточно для разделения когерентно и некогерентно рассеянных на образце линий характеристического спектра анода рентгеновской трубки. Такой спектрометр состоит из рентгеновской трубки с интенсивными характеристическими линиями материала анода, и диспергирующего устройства, выделяющего из облучаемого объекта когерентно и некогерентно рассеянные характеристические линии. Интенсивность этих линий определяется отношением массовых коэффициентов когерентно и некогерентно рассеянного излучения к массовому коэффициенту ослабления. Поскольку массовый коэффициент когерентного рассеяния возрастает с увеличением Z_эфф образца, а массовый коэффициент некогерентного рассеяния практически не зависит от Z_эфф, отношение интенсивностей когерентно и некогерентно рассеянной линии будут увеличиваться с увеличением Z_эфф, и по величине этого отношения можно найти эффективный атомный номер исследуемого объекта.

Принципиальная возможность такого подхода на спектрометре с волновой дисперсией была впервые показана в работе [1] при определении отношения С:Н в нефти, непосредственно связанному с ее Z_эфф, по отношению интенсивности когерентно и некогерентно рассеянной Lα линии вольфрамового анода.

Основными недостатками аналога является сложность и высокая стоимость необходимого оборудования, а также невозможность его использования в производственных условиях (при опробовании геофизических скважин, анализе на ленте транспортера или покусковой сепарации).

Известно устройство для анализа (сортировки) руд тяжелых элементов, основанные на определении Zэфф объекта по отношению интенсивностей рассеянного средой излучения двух различных энергий [2]. Устройство состоит из двух источников излучения с разной энергией, детектора (сцинтилляционного счетчика) и схемы регистрации рассеянного излучения. При рассеянии излучения с большей энергией преобладает некогерентное рассеяние, а для излучения с меньшей энергией преобладает фотоэлектрическое поглощение, возрастающее с увеличением эффективного атомного номера. Реализующее этот способ устройство включает два источника (радиоизотопа или рентгеновских трубки), детектор и схему регистрации. Отношение интенсивностей рассеянного излучения в области большей энергии к интенсивности излучения с меньшей энергией будет возрастать с увеличением Z_эфф среды, что и позволяет оценить его величину. Недостатком известного устройства является его малая чувствительность к изменению Z_эфф и, следовательно, низкая точность измерений, а также необходимость наличия двух источников излучения, что усложняет устройство и удорожает его стоимость.

Известен датчик для измерения и контроля эффективного атомного номера материала [3], наиболее близкий к заявленной полезной модели, принятый в качестве прототипа. Известное устройство включает источник характеристического или смешанного рентгеновского излучения, селективный фильтр, поглощающий К_β линию характеристического спектра источника, газоразрядный пропорциональный или сцинтилляционный счетчик и блок регистрации. Рабочее тело счетчика состоит из материала, край поглощения которого расположен между энергиями когерентно и некогерентно рассеянной К_α линии первичного излучения. При этом в амплитудном распределении счетчика возникают два пика: основной пик, включающий все некогерентно рассеянное излучение К_α линии первичного излучения и часть когерентно рассеянного излучения той же линии и пик вылета, включающий оставшуюся часть только когерентно рассеянного излучения. Энергия пика вылета равна разности энергий основного пика и флуоресцентного излучения рабочего тела счетчика. Для криптона, предложенного в прототипе в качестве рабочего тела счетчика, разность энергий этих пиков составляет 12.6 кэВ. По отношению интенсивностей пиков судят об отношении интенсивностей когерентно и некогерентно рассеянного излучения, непосредственно связанного с эффективным атомным номером исследуемого материала.

Недостатком известного устройства является высокая стоимость используемых специальных рентгеновских трубок с анодами из иттрия (для криптонового счетчика) или лантана, церия или неодима (для ксенонового или сцинтилляционного счетчика), не выпускаемых промышленностью. Кроме того, применение в качестве излучателей вторичных мишеней требует использования трубок большой мощности с водяным охлаждением, что приводит при работе с ними в ряде случаев к трудоемкости и существенным неудобствам при эксплуатации.

Техническим результатом заявленной полезной модели является ее удешевление и снижение трудоемкости при ее использовании за счет разделения когерентно и некогерентно рассеянного излучения простого и дешевого устройства на основе рентгеновских трубок малой мощности с любыми анодами при анодных напряжениях порядка 45-50 кВ и газоразрядного пропорционального детектора с ксеноновым наполнением.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для разделения когерентно и некогерентно рассеянного рентгеновского излучения на основе сцинтилляционного счетчика, содержащее рентгеновскую трубку, селективный фильтр первичного излучения, держатель образца, сцинтилляционный счетчик с кристаллом-сцинтиллятором NaJ·T1 и систему регистрации, отличающееся тем, что перед рентгеновской трубкой установлен фильтр первичного излучения из соединения бария с легкими элементами, который имеет поверхностную плотность по барию 0,18-0,25 г/см², а сумма углов падения первичного и отбора вторичного излучения от поверхности образца составляет 139.5±1°.

Заявленная полезная модель иллюстрируется Фиг.1-4.

На Фиг.1 приведена схема заявленной полезной модели.

На Фиг.2 приведено пропускание бариевого селективного фильтра с поверхностной плотностью 0.2 г/см².

На Фиг.3 приведена схема расположения выделяемых участков спектров, краев поглощения и Кα линии йода в спектре рассеянного излучения, зарегистрированного счетчиком.

На Фиг.4 приведена зависимость отношения интенсивности когерентного рассеяния к некогерентному R2 от отношения пика вылета сцинтилляционного счетчика к основному пику R1.

Заявленное устройство для разделения когерентно и некогерентно рассеянного излучения, приведенное на Фиг.1, включает рентгеновскую трубку (1) анодом (2) и окном (3), селективный фильтр первичного излучения из соединения бария (4), сцинтилляционный счетчик с кристаллом NaJ·T1 (6) и регистрирующее устройство (7). Угол рассеяния θ, равный сумме углов падения первичного излучения φ и отбора рассеянного излучения ψ от поверхности образца, составляет 139.5°.

Работа заявленной полезной модели осуществляется следующим образом:

Рентгеновское излучение анода рентгеновской трубки (2) проходит через селективный фильтр из соединения бария (4) и падает на образец (5).

Селективный фильтр (4), подавляющий коротковолновую и длинноволновую компоненту первичного спектра, служит для выделения эффективного участка спектра первичного излучения.

Пропускание селективного фильтра приведено на Фиг.2. Как следует из Фиг.2, область пропускания фильтра расположена в пределах от 20 до 37.45 кэВ (К-край поглощения бария).

Рассеянное на образце (5) излучение, содержащее когерентную и некогерентную компоненты, регистрируется сцинтилляционным счетчиком с кристаллом NaJ·T1 (6) и поступает в регистрирующее устройство (7), образуя амплитудный спектр.

Амплитудный спектр импульсов на выходе сцинтилляционного счетчика с кристаллом NaJ·T1 (6) состоит из двух участков - основного пика и пика вылета. Положение пика вылета (Е_пв) соответствует разности энергий регистрируемого излучения (Е_ри) и флуоресцентного излучения рабочего тела счетчика (Е_фи), т.е. Е_пв=Е_ри-Е_фи. Излучение с энергией выше края поглощения селективного фильтра из соединения бария (1) (37.45 кэВ) эффективно ослабляется селективным фильтром и в амплитудном спектре практически отсутствует. Фильтр первичного излучения подавляет также длинноволновую часть спектра с энергией менее 20 кэВ.

Некогерентная компонента спектра, возникающая в объекте при комптоновском рассеянии первичного излучения на свободных или слабо связанных электронах, характеризуется энергией, определяемой выражением

где Е₀ - энергия, эквивалентная массе покоя электрона (511 кэВ) и θ - угол рассеяния, равный сумме углов падения первичного и отбора вторичного излучения. Для излучения с энергией, отвечающей К краю бария 37.45 кэВ и угле рассеяния θ 139.5° комптоновский сдвиг Е_кг-Е_нк составляет около 4.28 кэВ, т.е. коротковолновая граница некогерентного спектра будет сдвинута от края поглощения бария до 33.17 кэВ, что совпадает с К-краем поглощения йода.

Участок когерентно рассеянного излучения, выделяемый краями поглощения йода (33.17 кэВ) и бария (37.45 кэВ), образует, кроме пика полного поглощения с соответствующей энергией, пик вылета с границами 37.45-28.61=8.84 кэВ и 33.17-28.61=4.56 кэВ (28.61 кэВ - энергия Кα линии йода).

В пик полного поглощения попадает как когерентного, так и некогерентно рассеянное излучение, в то время как пик вылета образуется только когерентно рассеянным излучением.

Как когерентно, так и некогерентно рассеянное излучение с энергией, менее энергии К-края йода (33.17 кэВ), остается в пике полного поглощения и не попадает в пик вылета.

Расположение когерентно и некогерентно рассеянных участков спектра и краев поглощения приведено на Фиг.3, где:

(1) - энергия края поглощения бария - верхняя граница основного пика когерентно рассеянного излучения (37.45 кэВ);

(2) - энергия края поглощения йода (3.59 кэВ), совпадающая с некогерентной составляющей верхней границей основного пика когерентно рассеянного излучения;

(3) - (4) - пик вылета когерентно рассеянного участка спектра с границами 4.56 кэВ и 8.84 кэВ;

На Фиг.4 для сцинтилляционного счетчика с кристаллом NaJ·T1 толщиной 0.5 мм приведена зависимость отношения интенсивностей когерентно рассеянного излучения к некогерентно рассеянному R2 от отношения пика вылета к основному пику R1, которое непосредственно измеряется схемой регистрации.

Как следует из фиг.4, эта зависимость четко выражена в широком диапазоне R2, что свидетельствует о целесообразности применения предлагаемого устройства для решения самых разнообразных задач, связанных с одновременной регистрацией когерентно и некогерентно рассеянного излучения.

По сравнению с уровнем техники и прототипом заявленная полезная модель дешевле и менее трудоемка в эксплуатации; она имеет меньшую, по сравнению с прототипом, стоимость; не требует специальных рентгеновских трубок или монохроматизации первичного излучения.

Особую значимость заявленное устройство приобретает для экспрессного распознавания материалов при таможенном досмотре, что имеет практическую ценность при существующей для населения угрозе терроризма, а также возможность ее использования в разнообразных отраслях и сферах, где требуется быстрый и качественный анализ и идентификация материалов (объектов), в т.ч. при покусковой и порционной сепарации разнообразных материалов разной формы.

Источники информации.

1. С.W.DWIGGINS, Jr.Quantitative Determination of Low Atomic Number Elements Using Intensity Ratio of Coherent to Incoherent Scattering of X-Rays Determination of Hydrogen and Carbon // Petroleum Research Center, Bureau of Mines, U.S. Department of the Interior, Bartlesville, O/c/a. // Analyt. Chemistry. 1961. V.33, P.67.

2. G01N_23_22_GB_№2083618_82_Способ и устройство для анализа содержания тяжелого элемента в руде_OUTOCUMPU OY. Великобритания, Заявка №2083618. Публикация 1982 г., 24 марта, №4856.

3. Патент РФ №100626 на полезную модель (заявка: 2010121547/28, 28.05.2010. G01N 23/22. Опубликовано 20.12.2010 г. Бюл. №31). (прототип).

Claims (1)

1. Устройство для разделения когерентно и некогерентно рассеянного рентгеновского излучения на основе сцинтилляционного счетчика, содержащее рентгеновскую трубку, селективный фильтр первичного излучения, держатель образца, сцинтилляционный счетчик с кристаллом-сцинтиллятором NaJ·T1 и систему регистрации, отличающееся тем, что перед рентгеновской трубкой установлен фильтр первичного излучения из соединения бария с легкими элементами, который имеет поверхностную плотность по барию 0,18-0,25 г/см², а сумма углов падения первичного и отбора вторичного излучения от поверхности образца составляет 139,5±1°.