RU161079U1 - Устройство для контрастного анализа элементного состава вещества с помощью рентгеновского излучения - Google Patents

Устройство для контрастного анализа элементного состава вещества с помощью рентгеновского излучения Download PDF

Info

Publication number
RU161079U1
RU161079U1 RU2015132833/28U RU2015132833U RU161079U1 RU 161079 U1 RU161079 U1 RU 161079U1 RU 2015132833/28 U RU2015132833/28 U RU 2015132833/28U RU 2015132833 U RU2015132833 U RU 2015132833U RU 161079 U1 RU161079 U1 RU 161079U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sample
radiation
energy
ray
mosaic crystal
Prior art date
Application number
RU2015132833/28U
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Сергеевич Кубанкин
Андрей Николаевич Олейник
Рамазан Магомедшапиевич Нажмудинов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ")
Priority to RU2015132833/28U priority Critical patent/RU161079U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU161079U1 publication Critical patent/RU161079U1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/223Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material by irradiating the sample with X-rays or gamma-rays and by measuring X-ray fluorescence

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

Устройство для анализа элементного состава вещества с помощью рентгеновского излучения, включающее источник излучения, образец с механизмом крепления и его перемещения, два детектора рентгеновского излучения для регистрации спектра излучения, прошедшего через образец, отличающееся тем, что устройство содержит вторичный излучатель в виде мозаичного кристалла, жестко закрепленного в подставке с возможностью ее перемещения, кроме того, детекторы рентгеновского излучения расположены симметрично под одним и тем же углом относительно направления брэгговского отражения от мозаичного кристалла.

Description

Устройство для контрастного анализа элементного состава вещества с помощью рентгеновского излучения
Устройство для контрастного анализа элементного состава вещества с помощью рентгеновского излучения относится к инструментам исследования материалов для определения их элементного состава, структуры, качества изготовления, как при научно-исследовательской деятельности, так и в промышленности, с использованием для достижения этих целей рентгеновского излучения, получаемого с помощью рентгеновской трубки или источника синхротронного излучения.
Известны многие способы и устройства для анализа состава вещества с применением рентгеновского излучения.
Так, в устройстве для рентгенофлуоресцентного анализа (SU №1217081, публ. 23.04.1991), содержащего рентгеновскую трубку, вторичную мишень в форме кольца, держатель пробы, фильтр, и детектор рентгеновского излучения, первичное широкополосное излучение от рентгеновской трубки при попадании на массивную вторичную мишень вызывает генерацию характеристического рентгеновского излучения, которое и облучает образец. Вторичная мишень имеет известный элементный состав и структуру для распространения спектральной линии излучения с определенной энергией в определенном диапазоне. Образец облучается вторичным излучением, с помощью детектора анализируется флуоресценция образца или поглощение вторичного излучения в нем.
Это стандартная основа подавляющего большинства устройств анализа элементного состава вещества с применением рентгеновского излучения. Большая часть устройств направлена на усовершенствование каких-либо элементов с целью изменения или улучшения характеристик устройства. Например, ключевую роль играет длина волны излучения, которым облучается образец, поскольку этим параметром определяется количество возможных определенных элементов в образце, глубина сканирования. Желательно, иметь источник излучения с плавно перестраиваемой длиной волны.
В техническом решении по патенту SU №1406468, публ. 30.06.1988, используется конструкция с шестью сменными вторичными излучателями, что позволяет облучать образец шестью разными длинами волн, с возможностью их смены в ходе облучения, что позволяет расширить диапазон энергии падающего излучения, и соответственно расширить число возможных идентифицируемых элементов.
В патенте US №20140270063, публ. 18.09.2014 предлагается оригинальный подход к анализу: кристаллы-монохроматоры применяются не только для получения первичного узкополосного пучка для облучения образца, но и для отражения из рассеянных образцом фотонов определенной энергии, которые потом попадают в детектор излучения. Можно подбором монохроматора и настройкой положения кристалла добиться, чтобы энергия отраженных фотонов была близка к энергии характеристического излучения искомого элемента в образце. Таким образом, можно получить достоверную информацию о наличии элемента в образце, используя системы, предназначенные только для подсчета квантов, без определения их энергии. В некоторых патентах (US №20130170613, публ. 2013-07-04) предлагается использовать кристаллы-монохроматоры только для анализа рассеянного образцом излучения, а для облучения образца использовать первичное излучение от источника.
В большинстве устройств, используются энергодисперсионные детекторы, позволяющие определять энергию фотонов и обладающие хорошим энергетическим разрешением и позволяющие при хорошей калибровке идентифицировать характеристические линии элементов в образце при облучении широкополосным излучением. Например, предлагается использование волновода рентгеновского излучения для локализации облучаемой части образца и положения энергодисперсионного детектора для анализа рассеянного излучения (WO №2010026750, публ. 11.03.2010 г.).
Перечисленные выше устройства, основаны на анализе излучения с образца, однако, также можно исследовать элементный анализ состава образца, исследуя поглощение облучаемого излучения в образце (US №6249564, публ. 19.06.2001 г.).
Известен эффект фотопоглощения, заключающийся в аномальном поглощении рентгеновского излучения определенной энергии, зависящей от элементного состава образца. В публикации US №H922 H, публ. 07.05.1991 г.предлагается устройство, использующее этот эффект. Образец облучается последовательно фотонами большей и большей энергии, и по резкому снижению интенсивности флуоресценции образца (что эквивалентно близости энергии падающего излучения к энергии края фотопоглощения какого-либо элемента в образце) судят о наличии и количестве того или иного элемента в образце.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство, представленное в патенте US №3100261, публ. 06.08.1963 г., включающее образец, который подвергается облучению первичным широкополосным рентгеновским излучением из мощной рентгеновской трубки. Характеристическое излучение элементов образца распространяется во все стороны. За образцом расположены два фильтра, представляющие собой тонкие пластины известного состава. Материал фильтров подбирается так, чтобы характеристическая линия искомого элемента в образце была между краями фотопоглощения элементов, из которых состоят фильтры. За каждым фильтром расположен счетчик фотонов, пропорциональная камера. В случае если есть разница между показаниями счетчика, то это указывает на наличие искомого элемента в образце.
К недостаткам устройства следует отнести невозможность идентификации локального расположении элемента в образце, его концентрации, необходимость смены фильтров для поиска каждого конкретного элемента в образце.
Задачей предлагаемого технического решения является создание устройства для анализа элементного состава с возможностью идентификации большого количества элементов в образце без смены вторичного излучателя, с использованием эффекта фотопоглощения.
Для решения поставленной задачи, предлагается устройство для контрастного анализа элементного состава вещества с помощью рентгеновского излучения, включающее источник излучения (например, рентгеновскую трубку), фильтры рентгеновского излучения, образец с механизмом крепления и его перемещения, два детектора рентгеновского излучения для регистрации спектра излучения прошедшего через образец, причем, устройство вместо фильтров рентгеновского излучения содержит вторичный излучатель в виде мозаичного кристалла, жестко закрепленного в подставке с возможностью ее перемещения, кроме того, детекторы рентгеновского излучения расположены симметрично под одним и тем же углом относительно направления брэгговского отражения от мозаичного кристалла.
Отличительными признаками устройства является то, что оно:
- содержит вторичный излучатель в виде мозаичного кристалла, с помощью которого регулируется энергия вторичного излучения, путем его перемещения и поворота;
- детекторы рентгеновского излучения расположены симметрично под одним и тем же углом относительно направления брэгговского отражения от мозаичного кристалла, что позволяет по разнице в получаемых спектрах флуоресценции от образца судить о наличии или отсутствии искомого элемента.
Указанная совокупность существенных признаков обеспечивает решение поставленной задачи следующим образом. Спектр отраженного от мозаичного кристалла излучения не является моноэнергетичным и распространяется в угловом диапазоне, определяемом степенью разориентации блоков мозаичного кристалла. Энергия вторичного излучения от мозаичного кристалла имеет угловую зависимость, т.е. под каждым углом будут распространяться фотоны с определенной энергией. При падении на образец фотоны с разной энергией будут облучать разные участки образца. Для каждого элемента можно подобрать такое положение мозаичного кристалла, что фотоны отраженные от мозаичного кристалла под углом, определяемым условием Брэгга будут иметь энергию Е вблизи края фотопоглощения элемента, содержащегося в образце. Учитывая, что спектр отражения имеет угловую зависимость, то под некоторым углом -α от зеркального отражения будут распространяться фотоны с энергией Е-ΔЕ, меньше края фотопоглощения, а под углом+α будут распространяться фотоны с энергией Е+ΔЕ.
Если элемент содержится в образце, и энергия падающего излучения близка к энергии фотопоглощения элемента, то в показаниях двух детекторов, стоящих под углами+α и - α, будет существенная разница из поглощения излучения с энергией Е в образце. Перемещая образец, таким образом, сканируя его, можно получить функцию распределения элемента в образце.
Технический результат заключается в возможности осуществления элементного анализа образца с применением рентгеновского излучения с возможностью построения функции распределения элемента в образце.
Полезная модель поясняется чертежами.
Фиг. 1. Общий вид устройства.
Фиг. 2. Отражение первичного излучения от монокристалла (А) и от
мозаичного кристалла (Б).
Фиг. 3. Схематичное изображение прохождения отраженного от мозаичного кристалла излучения через образец.
Устройство содержит: источник первичного излучения 1, мозаичный кристалл 2, образец 3 с механизмом крепления и его перемещения4, два детектора рентгеновского излучения 5а, 5б (Фиг. 1).
Первичный источник излучения 1 может быть широкополосным, если излучение распространяется в широком диапазоне углов, то источник коллимируется, таким образом, чтобы площадь мозаичного кристалла 2, облучаемая пучком составляла порядка нескольких мм2. Мозаичный кристалл 2 должен быть жестко закреплен в подставке (на Фиг.не показано), его положение относительно падающего первичного пучка определено с точностью до 0.1°. Подставка с мозаичным кристаллом 2 должна обеспечивать его поворот на 0.1° с точностью до 0.01°. Такая точность определяется условием Брэгга.
Поворот на 0.1° мозаичного кристалла 2, позволяет изменять энергию брэгговского отраженного излучения на 4 - 16 эВ, при энергии первичного пучка в диапазоне 5 - 20 кэВ.
Если значение энергии края фотопоглощения находящегося в образце 3 элемента близко к значению энергии излучения отраженного под брэгговским углом, то учитывая угловую зависимость энергии распространяющегося от мозаичного кристалла 2, мы получим спектр от детектора 5а, с энергией фотонов выше края фотопоглощения. У детектора 5б в спектре не будет событий, так как энергия падающего излучения меньше края фотопоглощения элемента из образца 3 и будет полностью поглощаться.
Образец 3 может представлять собой тонкую пластину или пленку толщиной до 100 μm. Образец 3 крепится к механизму крепления и перемещения4 болтовым соединением или с помощью зажимов. Механизм крепления и его перемещения4 обеспечивает перемещение образца 3 в двух перпендикулярных направлениях в плоскости, нормаль которой совпадает с направлением распространения пучка под брэгговским углом. Диапазон перемещения должен составлять величину порядка размеров самого образца 3, точность перемещения до 0.1 мм.
В динамике устройство работает следующим образом. Первичное широкополосное коллимированное излучение падает на мозаичный кристалл 3, от которого отражается некоторая часть излучения в конусе с углом раствора 2α, (2α порядка нескольких градусов) (Фиг. 2) и с центром в направлении брэгговского отражения. Диапазон энергии отраженного излучения зависит от того, с какой кристаллографической плоскостью взаимодействует первичное излучение и от того какова энергия первичного излучения. Характерный диапазон энергии отраженного излучения 300 эВ - 5 КэВ. Положение мозаичного кристалла 2 и кристаллографическая плоскость выбирается таким образом, чтобы энергия отраженного под брэгговским углом излучения была близка энергии края фотопоглощения искомого элемента в образце 3.
Этим вторичным излучением облучается образец 3. За образцом 3, в направлениях распространения±α от брэгговского угла расположены два детектора 5а, 5б. О наличии или отсутствии искомого элемента судят по разности спектров двух детекторов. Если спектры отличаются наличием провала в одном из спектров в области энергии меньшей края фотопоглощения, то наличие искомого элемента в облучаемой области образца 3 подтверждается. Далее образец 3 перемещается и таким образом, изменяется, облучаемая область (Фиг. 3). При таком же времени экспозиции, снимаются спектры излучения.
Так сканируется весь образец 3, при одинаковом времени экспозиции и интенсивности падающего излучения при каждом шаге сканирования. В результате, мы получаем двумерную картину расположения искомого элемента в образце 3.
Если необходимо сканировать образец для поиска другого элемента, необходимо перемещением, поворотом или сменой мозаичного кристалла поменять энергию излучения распространяющегося под брэгговским углом, так чтобы она была близка к энергии края фотопоглощения искомого элемента.
Пример конкретного использования.
При использовании мозаичного кристалла характерная величина отклонения угла от брэгговского определяется разориентацией кристаллографических плоскостей мозаичного кристалла. В случае использования в качестве мозаичного кристалла пиролитического графита, характерная величина разориентации составляет около 0.5°. Тогда характерное отклонение энергии отраженного излучения от брэгговской составляет до 0.6 кэВ для энергии брэгговского отражения 5 кэВ. Таким образом, с помощью такого мозаичного кристалла мы можем облучать образец излучением 5±0.6 кэВ. Для энергии падающего излучения 20 кэВ разброс энергии излучения составляет 20
Figure 00000002
1.8 кэВ. В первом случае, по фотопоглощению К-линии можно идентифицировать наличие в образце следующие элементы: титан, ванадий, по фотопоглощению L- линии - теллур, цезий, олово, йод, ксенон. Во втором случае, по фотопоглощению К-линии, можно идентифицировать наличие ниобия, молибдена, технеция, по L- линии, франция, радия, актиния, тория, урана, палладия.
Предлагаемое устройство может использоваться при исследованиях качества производства продукции, определения наличия тяжелых элементов в продуктах питания, строительных материалах, определения степени чистоты материалов и наличия в них микропримесей.

Claims (1)

  1. Устройство для анализа элементного состава вещества с помощью рентгеновского излучения, включающее источник излучения, образец с механизмом крепления и его перемещения, два детектора рентгеновского излучения для регистрации спектра излучения, прошедшего через образец, отличающееся тем, что устройство содержит вторичный излучатель в виде мозаичного кристалла, жестко закрепленного в подставке с возможностью ее перемещения, кроме того, детекторы рентгеновского излучения расположены симметрично под одним и тем же углом относительно направления брэгговского отражения от мозаичного кристалла.
    Figure 00000001
RU2015132833/28U 2015-08-06 2015-08-06 Устройство для контрастного анализа элементного состава вещества с помощью рентгеновского излучения RU161079U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015132833/28U RU161079U1 (ru) 2015-08-06 2015-08-06 Устройство для контрастного анализа элементного состава вещества с помощью рентгеновского излучения

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015132833/28U RU161079U1 (ru) 2015-08-06 2015-08-06 Устройство для контрастного анализа элементного состава вещества с помощью рентгеновского излучения

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU161079U1 true RU161079U1 (ru) 2016-04-10

Family

ID=55659903

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015132833/28U RU161079U1 (ru) 2015-08-06 2015-08-06 Устройство для контрастного анализа элементного состава вещества с помощью рентгеновского излучения

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU161079U1 (ru)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Minniti et al. Characterization of the new neutron imaging and materials science facility IMAT
US8477904B2 (en) X-ray diffraction and computed tomography
JP7418208B2 (ja) X線分光計及びその使用方法
JP6039093B2 (ja) 結晶学的結晶粒方位マッピング機能を有する実験室x線マイクロトモグラフィシステム
Priyada et al. Intercomparison of gamma scattering, gammatography, and radiography techniques for mild steel nonuniform corrosion detection
Baechler et al. New features in cold neutron radiography and tomography: Part i: Thinner scintillators and a neutron velocity selector to improve the spatial resolution
Rivers High-speed tomography using pink beam at GeoSoilEnviroCARS
Szwedowski-Rammert et al. Laboratory based GIXRF and GEXRF spectrometers for multilayer structure investigations
JP5081556B2 (ja) デバイシェラー光学系を備えたx線回折測定装置とそのためのx線回折測定方法
RU137951U1 (ru) Устройство для рентгеновского микроанализа
Samadi et al. Optimization of a phase-space beam position and size monitor for low-emittance light sources
RU161079U1 (ru) Устройство для контрастного анализа элементного состава вещества с помощью рентгеновского излучения
Adams et al. X-ray imaging
Baker et al. Scintillator efficiency study with MeV x-rays
JP6202484B2 (ja) 中性子撮像装置及びその使用方法
Terada et al. High‐energy X‐ray microprobe system with submicron resolution for X‐ray fluorescence analysis of uranium in biological specimens
Hampai et al. Shaped X-ray beams by channeling in polycapillary optics
JP6395275B2 (ja) X線撮像装置及びその使用方法
RU2119660C1 (ru) Устройство для определения состава и структуры неоднородного объекта (варианты)
Gan et al. Progress in commissioning a neutron/X-ray radiography and tomography systems at IAEA NSIL
Samadi et al. Experimental comparison of three methods to measure electron source properties for synchrotron radiation
Gutekunst et al. Implementing dark-field contrast imaging in computer tomography with simple setup Talbot-Lau-Interferometer
Ziok et al. U and Pu gamma-ray measurements of spent fuel using gamma-ray mirror band-pass filter
JPH08145916A (ja) 小角散乱x線装置
Gilbert et al. Quantitative uranium elemental reconstruction using spectral x-ray radiography

Legal Events

Date Code Title Description
PD1K Correction of name of utility model owner