Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Разработка портативной рентгеноспектральной аппаратуры, основы методического и метрологического обеспечения ее применения

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Разработка портативной рентгеноспектральной аппаратуры, основы методического и метрологического обеспечения ее применения"

5 Г Б ОД

На правах рукописи

БУКИН Кирилл Викторович

1ЗРАБОТКА ПОРТАТИВНОЙ РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ, )СНОВЫ МЕТОДИЧЕСКОГО И МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ

пециальность 04.00,12 - "Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена на кафедре ядерной геофизики и радиоэкологии геологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербург.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор В.С.Нахабцев.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор А.П.Очкур;

кандидат геолого-минерапогических наук, доцент Ю.О.Козында.

Ведущая организация - Государственное научно-производственное предприятие "Геологоразведка".

_ (5*

Защита состоится " 2О тэдб г. в ib часов на засе-

дании Диссертационного совета Д.063.15.02 в С.-Петербургском государственном горном институте им. Г.В.Плеханова по адресу: 199026, С.Петербург, В.О., 21 линия, д.2, в ауд.732.0 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГГИ.

Автореферат разослан и-о^яЦи? 1996 г.

Ученый секретарь, доцент

Л/Югрлаю

А.Г.Марченко

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность рабшы. При геологических, геохимических, экологи-вских исследованиях, в горном деле и металлургии одним из наиболее ффективных методов определения вещественного состава исследуе-юго объекта является рентгенофлуоресцентный анализ (РФА). В случае озможности отбора и подготовки проб анализируемого вещества необ-одимым требованиям обычно удовлетворяет рентгеноспектральный туоресцентный анализ (РСФА), основанный на использовании крис-алл-дифракционной аппаратуры.

Серийно выпускаемые в настоящее время портативные рентгено-пектральные кристалл-дифракционные анализаторы ("Спектроскан", ^Р-104", "СПАРК-Г, "СПАРК-2", "РАПАЛ-04", "РАПАЛ-10", "АРС-1М" /краина), "Рог^аэрес" (США) и др.) в лучшем случае могут быть приме-ены для элементного анализа только в условиях полевой лаборатории и е пригодны для измерений без отбора проб. Это связано с относитель-о большими габаритами, массой и энергопотреблением и, как правило, необходимостью предварительной пробоподготовки из-за использова-ия острофокусных рентгеновских трубок и рентгенооптических схем с зогнутыми кристаллами-анализаторами.

Для опробования различных природных (горные породы, руды, по-вы, природные воды, биологические объекты) и техногенных (сплавы, точные воды, продукты переработки обогатительных комбинатов и т.д.) бразований на месте залегания (нахождения) без разрушения анализи-уемого материала для РФА используют рентгенорадиометрические напизаторы на базе сцинтилляционных, пропорциональных или полу-роводниковых детекторов (ППД). Первые два обладают низким энерге-ическим разрешением и применимы только для анализа достаточно олыиих содержаний определяемых элементов ввиду их невысокой из-ирательности. Современные ППД, обладающие хорошими аналитичес-ими характеристиками только при глубоком охлаждении, широкого при-(енения для опробования в "полевых" условиях не получили из-за несо-ершенства малогабаритных охлаждающих систем. Кроме того, в носи-1ых рентгенофлуоресцентных анализаторах для возбуждения флуорес-.ентного излучения определяемых элементов обычно используют ра-.ионуклиды, которые могут явиться источниками радиоактивного зара-сения окружающей среды. В связи с этим по-прежнему остается акту-льной проблема создания носимой малогабаритной кристалл-:ифракционной аппаратуры, пригодной для многоэлементного РФА без тбора и подготовки проб.

Для эффективной работы такой аппаратуры необходима разработка ютодики выполнения измерений. РФА без отбора проб характеризуется

сильным влиянием на результаты помех, связанных с невозможностью дополнительной тщательной подготовки исследуемого объекта к измерениям. Точность анализа определяется, с одной стороны, способами измерений, позволяющими исключить влияние мешающих факторов, сопровождающих анализ in situ, таких как изменение вещественного состава и плотности среды, эффект гетерогенности и неровности поверхности и т.д., а, с другой стороны, степенью пригодности используемой аппаратуры для реализации этих способов. Поэтому методическое обеспечение измерений тесно взаимосвязано с конструкцией используемой аппаратуры и ее аналитическими возможностями. Такая взаимосвязь обуславливает необходимость разработки аппаратурно-методического комплекса, предназначенного для многокомпонентного, высокочувствительного РФА без отбора и подготовки проб, с аналитическими и эксплуатационными характеристиками, лучшими, чем у существующих комплексов на базе сцинтилляционных, газонаполненных пропорциональных и полупроводниковых детекторов.

Цель работы: создание аппаратурно-методического комплекса для чувствительного, избирательного и многоэлементного РСФА исследуемого объекта непосредственно на месте его залегания (нахождения) бе; отбора проб.

Для этого в рамках настоящей работы необходимо было решил следующие аадани:

1. Определить принципы построения портативного носимого рент-геноспектрального кристалл-дифракционного анализатора, предназначенного для измерений in situ.

2. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать и создать действующий макет рентгенооптической схемь рентгеноспектрального датчика. Выявить ее основные аналитические возможности - энергетическое разрешение и светосилу.

3. Создать рентгеновский излучатель с требуемыми техническимк характеристиками.

4. Разработать алгоритм работы и изготовить блок обработки и уп> равления анализатора.

5. Создать действующий опытный образец портативного анализато' ра и разработать техническую документацию для его промышленной освоения.

6. Провести исследования основных причин возникновения помех \ на их основе выработать методические приемы для устранения, умень шения или учета мешающих факторов.

7. Обосновать критерии для оптимизации условий измерений i предложить пути их реализации.

8. Оценить возможность разработанного аппаратурно-этодического комплекса для решения разнообразных аналитических щач, возникающих при геологических, геохимических, экологических ¡следованиях, в металлургии и т.д.

Научная новизна.

1. Разработаны принципы построения портативных кристалл-1фракционных датчиков, пригодных для одновременного многоэлемен-ого анализа без отбора проб, на основе предложенной модифициро-1НН0Й рентгенооптической схемы Соллера, обеспечивающей компактов расположение основных узлов рентгеноспектрального датчика и источающей свойственные традиционным рентгенооптическим схемам эллера, Иоганна, Иоганссона, Кошуа и т.д. сложные гониометрические ютемы. Использованные технические решения защищены патентом эссийской Федерации (решение о выдаче патента РФ Государственно-| Комитета по изобретениям и товарным знакам от 05 июня 1995 года ) заявке № 5047404/25 "Портативный рентгеноспектральный датчик и юсобы его реализации").

2. Развиты теоретические и экспериментальные основы РСФА, поюлившие:

а) получить аналитические выражения для расчета характеристик ;нтгенооптической схемы Соллера, таких как:

- форма аппаратурной линии и энергетическое разрешение;

- светосила;

- влияние на результаты измерений наложения линий определяемо-| и мешающих элементов;

б) предложить новые помехоустойчивые способы измерений:

- способ учета влияния изменения зазора между исследуемым Зъектом и рентгеноспектральным датчиком на результаты измерений, ггорый позволяет проводить анализ без предварительного выравнива-1Я анализируемой поверхности (патент РФ № 1625231 "Способ рентге-зспектрального кристалл-дифракционного определения элементного >става вещества");

- способы регистрации рассеянного излучения для снижения влия-1Я матричных эффектов и повышения точности измерений;

- способы снижения уровня фонового излучения и флуоресценции зшающих элементов;

- способы учета и исключения влияния изменения формы и разме-)В проб (толщины и площади их поверхности).

Практическая значимость рабогы. Разработанный аппаратурно-этодический комплекс решает проблему создания малогабаритного эсимого аналитического прибора для чувствительного РСФА непосред-

ственно на месте залегания (нахождения) исследуемых веществ, благодаря чему существенно расширяется круг решаемых задач в тех областях науки и техники, где необходим многоэлементный экспресс-анализ вещества. Комплекс защищен патентами РФ и характеризуется повышенной точностью и надежностью. Его серийный выпуск дешевле аналогичных отечественных и зарубежных разработок, а в рыночных условиях его коммерческая реализация способна принести валютные поступления.

Реализация результатов рабшы. Разработанная аппаратура применялась

- для оперативного контроля шихты, предназначенной к переплавке, на заводе "Ижорастапь" (Санкт-Петербург);

- для анализа пульпы в потоке на Норильском ГОК;

- в учебном процессе на кафедре ядерной геофизики и радиоэкологии геологического факультета СПбГУ для проведения экспериментальных исследований по курсовым и дипломным работам и для учебно-производственной практики студентов геофизических специальностей при литогеохимической, биогеохимической и экологической съемках е Карелии.

Комплект анализатора передан в ИМГРЭ (Москва), а рентгеноспек-тральные датчики в Гипроцветмет (Москва) и Опытно-методическую экспедицию объединения "Центргеофизика" (Г.Александров, Владимирская область).

Автором подготовлено техническое задание на опытно-конструкторскую разработку аппаратуры, в соответствии с которым разработана рабочая документация для выпуска опытной партии промышленных образцов прибора и согласован вопрос с ГНПГ "Геологоразведка" (Санкт-Петербург) о подготовке прибора к заводскому производству и заключении соответствующих лицензионных соглашений.

Защищаемые положения.

1. Разработанные принципы построения малогабаритной рентгено-спектральной аппаратуры для одновременного многоэлементного анализа, позволяющие создать носимый, отвечающий современным требованиям прибор для определения вещественного состава различных при' родных и техногенных образований in situ без отбора проб, обеспечива ющий повышенную точность, избирательность, чувствительность, пред ставительность измерений и характеризующийся надежностью и экологической безопасностью.

- 72. Развитие теоретических и экспериментальных основ РСФА, обес-ечивающих разработку новых помехоустойчивых способов анализа и ыбор оптимальных условий измерений.

Апробация райшы. Созданная аппаратура экспонировалась на выс-авке "Экология большого города", проведенной в мае 1993 г. в выста-очном комплексе "Ленэкспо" (Санкт-Петербург).

Результаты реализации разработанного аппаратурно-методического омплекса на заводе "Ижорасталь" изложены в докладе "Портативная ентгеноспектральная аппаратура и ее применение в металлургическом роизводстве" на семинаре "Современное оборудование, проектирова-ие, технология и компьютерное управление в сталеплавильном произ-одстве" (Санкт-Петербург, пос. Ольгино, 26-28 мая 1993 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы, получе-ы патент РФ и решение о выдаче патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех пав и заключения, содержит 190 страниц, включая 15 таблиц, 49 рисун-ов, 2 приложения и список литературы из 64 наименований.

Исследования по теме диссертации выполнены автором на кафедре дерной геофизики и радиоэкологии геологического факультета Санкт-1етербургского государственного университета в течении 1992-96 годов од руководством доктора технических наук, профессора В.С.Нахабцева, ^втор считает долгом выразить ему свою глубокую благодарность. На |азных этапах в исследованиях принимали участие инженеры А.Г.Волков Е.В.Данилова. Техническое задание на малогабаритный рентгеновский злучатель разработанной аппаратуры реализовано в ЦНИИ Робототехника" (Санкт-Петербург) группой специалистов под руковод-твом В.Г.Гука. Неоценимую помощь в экспериментальных работах, а акже при оформлении текста и графических материалов диссертации втору оказала инженер Н.Е.Романова. При обработке эксперименталь-ого материала было использовано программное обеспечение, создан-ое сотрудниками кафедры ядерной геофизики и радиоэкологии про-зессором ГАИванюковичем, старшим научным сотрудником I.Н.Барановым и инженером Л.К.Еремеевой. Особая помощь получена т старшего научного сотрудника А.П.Розуванова, который консультиро-ал автора по вопросам, касающихся электронных узлов анализатора. С |укописью диссертации ознакомился и сделал ценные замечания канди-1ат физико-математических наук А.В.Бахтиаров. Пользуясь случаем, хо-ется выразить искреннюю признательность им, а также всем сотрудни-ам кафедры и других организаций (принимавшим участие в работе), за юстоянную поддержку и помощь.

- 8 -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении изложено состояние проблемы, обосновывается актуальность, научная новизна и практическая значимость исследований, сформулированы цель, задачи работы и основные положения, выносимые на защиту.

В пщшой пдаве рассмотрены принципы построения разработанной портативной рентгеноспектральной аппаратуры "Эланс", состоящей из двух основных частей - рентгеноспектрапьного датчика (РСД) и блока управления и обработки (БОУ). Прибор комплектуется блоком питания и может подключаться к персональному компьютеру типа IBM PC.

В конструкцию РСД заложен кристалл-дифракционный принцип выделения вторичных видов излучения от анализируемой среды, которому присуща относительно малая светосила. Поэтому источником первичного излучения в РСД является маломощная рентгеновская трубка типа БХ-10 с прострельным анодом, входящая в состав рентгеновского излучателя "РИМ-1", который обеспечивает ее питание напряжением до 40 кВ и током до 500 мкА.

Каждый измерительный канал РСД построен по модифицированной рентгенооптической схеме (РОС) Соллера и содержит плоский кристалл-анализатор и многопластинчатый коллиматор, расположенный между кристаллом-анализатором и детектором излучения. Отличие от традиционной схемы Соллера заключается в отсутствии первичного коллиматора, который располагается между исследуемым объектом и кристаллом-анализатором. Эта особенность РОС создает условия для компактного расположения основных узлов РСД и значительно упрощает его конструкцию. Масса РСД составляет 7 кг, диаметр - 183 мм, высота - 600 мм, а потребляемая им мощность - не более 50 Вт при напряжении питания 12 В. Конструкция РСД обеспечивает пылевлагозащищенность, радиационную безопасность и виброустойчивость.

Плоский кристалл-анализатор и широкая апертура выхода первичного излучения обеспечивают большую площадь участка (100+450 мм2), с которого детектором воспринимается анализируемое излучение, и слабую зависимость интенсивности регистрируемого вторичного излучения от неровностей поверхности, что создает благоприятные предпосылки для представительного и помехоустойчивого РСФА без отбора проб in situ.

Наличие четырех однотипных измерительных каналов позволяет одновременно определять четыре компоненты анализируемой среды.

Существенной особенностью РОС РСД является возможность качественной или полуколичественной оценки состава исследуемого объек-

з. Такая оценка достигается при сканировании интересующего участка пектра вторичного излучения путем вращения кристалла-анализатора.

Разрешение ДЕ и светосила е РОС являются факторами, определя-нцими такие важные характеристики элементного анализа, как избира-ельность и чувствительность. Предел обнаружения элемента Стт, ха-актеризующий чувствительность измерений, связан с обоими парамет-ами, как известно, следующим соотношением:

Стш ~ ^/АЕ/с .

Для РОС Соллера разрешение и светосила определяются при про-их равных условиях типом кристалла-анализатора (его коэффициентом тражения и мозаичностью) и расстоянием между пластинами коллима-ора. Для определения влияния этих характеристик на основные анали-ические параметры РОС получено выражение, описывающее форму юнохроматической линии спектра:

F(G) = I0

Г-1

dp, + b

+(о-ов)[ф[э-евст+ь/|)^(е'ев;ь/|

ьл^.фГе-ев-ь/Р

+о

ф| G +9(9-т i-

(1)

де lo - интенсивность падающего на кристалл излучения; 0 и GB - текущий и брегговский углы, соответственно; сг = 8Qcr/2,36 - параметр нормального распределения; Г и 50сг - коэффициент отражения и ширина дифракционного максимума кристалла-анализатора, соответственно; I, dpi и b - длина, толщина пластин коллиматора и расстояние между

ними, соответственно; Ф(х) - интеграл вероятности;

' (Gs-0)2N

ф(0) = ехр

2ст2

Выражение (1) позволяет

- рассчитать энергетическое разрешение, которое, как показано в аботе, достаточно точно аппроксимируется выражением:

ДЕ = E-cfg0-^59gr +(b /I)5 ; - оценить взаимное влияние наложения соседних линий;

- вычислить фактор, определяющий светосилу РОС и обусловленный характеристиками кристалла-анализатора (Г, 50сг) и коллиматора Соллера (I, dpi, b);

- найти оптимальную длину многопластинчатого коллиматора при регистрации линий различной энергии.

БОУ анализатора "Эланс" выполняет функции управления РСД; усиления, формирования и амплитудной селекции импульсов, поступающих с РСД параллельно по четырем входам; накопления и хранения информации; а также, при необходимости, передачи хранимой информации во внешнее устройство. БОУ отвечает требованиям, предъявляемым к полевым носимым приборам, то есть ударопрочен, пыпевлагозащищен, имеет малые габариты (320х320х 140мм), массу (около 6 кг), энергопотребление (15 Вт), прост в обращении и включает четыре усилителя, восемь дифференциальных дискриминаторов (два на каждый измерительный канал), встроенный контроллер для управления (ВКУ).

Работа с анализатором осуществляется в нескольких программных режимах, которые позволяют проводить измерения, эталонирование, контроль данных, вводить и редактировать необходимые рабочие параметры, автоматически регулировать усиление, рассчитывать содержания определяемых элементов и т.д. Энергонезависимая память БОУ может хранить информацию по 4000 злементоопределениям.

Вторая ЕДава_посвящена особенностям методики РСФА с аппаратурой "Эланс". Точность РСФА определяется, с одной стороны, способами измерений, позволяющими исключить влияние таких мешающих факторов, как изменение вещественного состава и плотности среды, эффект гетерогенности и т.д., а, с другой стороны, степенью пригодности используемой аппаратуры для реализации этих способов. Следовательно, методическое обеспечение измерений прямо связано с конструкцией аппаратуры и ее аналитическими возможностями.

Анализатор "Эланс" предназначен в первую очередь для РСФА различных объектов без отбора проб, при котором наиболее существенными помехами обычно являются неоднородность этих объектов по вещественному составу и неровность их поверхности.

Вместе с тем, аппаратура "Эланс" может быть использована для РСФА в условиях стационарной или полевой лаборатории, когда возможна предварительная подготовка анализируемого объекта. В этог^ случае остаются актуальными мешающие факторы, традиционные для РСФА, такие как:

- матричные эффекты;

- наложение линий определяемого и мешающих элементов, а также

- фотопиков и пиков вылета этих линий;

-11 -

- фоновая составляющая аппаратурного спектра.

Влияние неровностей анализируемого объекта на результаты изме->ений обусловлено изменением зазора между входным окном РСД и 1сследуемым участком поверхности, и, как следствие, нарушением гео-1етрических условий измерений и изменением расстояний, проходимых 1ервичным и вторичным излучением. В работе предложен эффективный :пособ учета такого влияния, состоящий в том, что при измерениях од-ювременно регистрируются флуоресцентное и рассеянное излучения |дним каналом. Причем, флуоресцентное излучение выделяется первым юрядком отражения кристалла-анализатора, а рассеянное - вторым и 1ысшими. Этим достигается полная идентичность геометрических усло-1ИЙ измерений регистрируемых излучений. В качестве аналитического |араметра в данном способе используется спектральное отношение п :коростей счета флуоресцентного и рассеянного излучений. Показано, то при увеличении зазора от 0 до 10 мм потоки флуоресценции и рас-¡еянного излучений падают в 1,4+1,8 раза, в то время как величина л вменяется в пределах всего 1+5%.

Особое внимание уделяется способам анализа ненасыщенных по олщине образцов. Рассмотрен способ учета влияния изменения погло-цающих свойств промежуточных по толщине проб, заключающийся в юполнительном измерении флуоресценции подложки Р,1- с помощью сдельного измерительного канала.

Для насыщенной подложки:

де - поток флуоресценции подложки без пробы;

ЭШ ср(_ ¡Шц/1

и - массовые коэффициенты ослабления первичного излучения и флуоресценции элемента подложки в пробе;

<р[_ и 4/1. - углы падения первичного и отбора вторичного излучений для измерительного канала подложки;

рв И Ое —

плотность и толщина пробы.

Таким образом, измерив поток Р,1, можно определить величину проведения а'р6с!6, характеризующего поглощающие свойства пробы. Зкончательное выражение для расчета содержания элемента в пробе Сд 1меет вид:

Сд

К,-Мв

1-

¡)Г

- 12 -.

где дополнительно к введенным выше обозначениям:

Р,А - поток флуоресценции определяемого элемента пробы; К - постоянная величина, включающая атомные константы определяемого элемента; Мс - масса анализируемого участка пробы;

Бд - площадь участка подложки, с которого флуоресценция регистрируется соответствующим измерительным каналом; к ~ а/а' - коэффициент пропорциональности, подбираемый эмпирически или теоретически;

а =

Sinф sin у

¡I, и ¡r¡ - массовые коэффициенты ослабления первичного излучения и флуоресценции определяемого элемента в пробе;

<р и «у - углы падения первичного и отбора вторичного излучения для измерительного канала определяемого элемента.

Существенную помеху при РСФА представляет фон, основной составляющей которого является рассеянное на исследуемой среде первичное тормозное излучение рентгеновской трубки, имеющее энергию равную энергии аналитической линии, на выделение которой настроен измерительный канал РСД. Радикальным средством устранения этой компоненты фона является монохроматизация первичного излучения с помощью кристалл-дифракционных монохроматоров, вторичных мишеней-излучателей и селективных фильтров. Однако эти способы на 1,5+3 порядка снижают интенсивность возбуждающего излучения, а, следовательно, и аналитической линии, в силу чего пригодны лишь при использовании мощных потоков первичного излучения. Снизить фон тормозного излучения можно путем фильтрации первичного излучения. Использование фильтрации основано, как известно, на различной пропускающей способности материалом фильтра мягкой и жесткой компонент первичного тормозного излучения. Этот прием позволяет увеличить контрастность аналитической линии в несколько раз за счет уменьшения фона тормозного излучения в области этой линии (мягкая компонента), в то время как интенсивность возбуждающего излучения, имеющего энергию большую потенциала возбуждения определяемого элемента, уменьшается значительно слабее. Показано, что оптимальным материалом фильтра является алюминий, а для анализа элементов, флуоресценция которых меньше 8 кэВ, предпочтительным может оказаться применение фильтров из органических веществ - полиэтилен, капрон, лавсан и т.д.

+

Второй составляющей фона, регистрируемого измерительным кана-юм РСД, является диффузно-рассеянное на кристалле-анализаторе вторичное излучение анализируемой среды. Способом уменьшения этой доставляющей фона является использование узкого коллиматора первичного излучения или диафрагмы. Оба эти способа основаны на ограничении потока вторичного излучения от неинформативных участков 1нализируемой среды. Применение диафрагмы увеличивает контрастность в 1,5 раза, а узкого коллиматора - в 2,5 раза. Эти же способы иожно эффективно использовать для снижения влияния наложения пи-сов определяемого и мешающего элементов, а также для устранения сияния изменения формы и размеров ограниченных по объему образцов.

Дополнительными источниками фона являются:

- флуоресценция и рассеянное излучение от конструктивных дета-1ей датчика (кристалл-анализатор, пластины коллиматора, корпус детектора и его входное окно);

- электронные шумы, наводки и помехи, возникающие в спектрометрических трактах измерительных каналов.

В случае заметного ухудшения качества анализа из-за этих причин необходимо принимать меры к их устранению или уменьшению:

1. Выбирать материал для изготовления пластин коллиматора или юкрыть их тонким слоем материала соответствующего состава.

2. Выбирать оптимальный тип кристалла-анализатора для выделе-жя флуоресценции определяемого элемента.

3. Своевременно выявлять и устранять причины возникновения до-юлнительного фона, связанного с появлением электронных шумов, на-юдок и помех в электрических цепях спектрометрических трактов.

Оставшийся после принятия указанных мер фон необходимо опре-1елять и учитывать. При измерениях с РСД "Эланс" фон под линией во многих случаях целесообразно определять по формуле:

Пр,ь = аьпв + Ьь ,

де аь и Ьь - постоянные коэффициенты для каждой аналитической лиши, а пв - скорость счета, обусловленная попаданием в чувствительный >бъем детектора рассеянных на исследуемой среде квантов с энергией юльшей, чем у аналитической линии, на которую настроен измеритель-1ый канал. Это позволяет избежать уменьшения количества одновременно определяемых элементов, так как измерение интенсивности ана-ттической линии пр и рассеянного пробой излучения п8 производится >дним измерительным каналом. Получаемые в большинстве случаев за-1исим0сти Пр,ь(п6) достаточно точно аппроксимируются прямой линией.

Способы РСФА, как известно, призваны обеспечить устранение и учет мешающих факторов, к основным из которых относится матричный эффект. Учитывая назначение и характеристики аппаратуры "Эланс" наиболее целесообразными для реализации РСФА являются способы стандарта-фона и множественной регрессии, которые относительно просты и универсальны. Способ стандарта-фона обеспечивает наилучшую точность измерений при проведении анализа малых количеств определяемого элемента в относительно легкой матрице. Кроме учета матричных эффектов этот способ позволяет автоматически вводить поправки на нестабильность работы рентгеновского излучателя и изменение воздушного зазора между исследуемой поверхностью и датчиком. Недостатком способа является увеличение погрешности определения больших содержаний анализируемого элемента в тяжелых средах.

При использовании способа стандарта-фона для устранения дополнительной погрешности, обусловленной статистическими флукгуациями рассеянного излучения необходимо создать условия измерения скорости счета пЕ такие, чтобы последняя была максимальной и по крайне мере в несколько раз превышала величину пр. В работе рассмотрены возможные способы измерения рассеянного излучения при использовании аппаратуры "Эланс":

1. Регистрация величины пе вторым амплитудным окном каждого измерительного канала. В этом способе в качестве меры интенсивности рассеяния служит поток рассеянных от среды фотонов, претерпевших на атомах кристалла-анализатора дифракционное и диффузное взаимодействие.

2. Регистрация рассеянного излучения с помощью мишени, содержащей тяжелый элемент, который частично или полностью замещает кристалл-анализатор.

3. Способ аналогичный предыдущему, но для регистрации п6 вместо кристалла-анализатора устанавливают мишень-рассеиватель из легких элементов.

4. Регистрация некогерентно рассеянного характеристического излучения рентгеновской трубки с помощью измерительного канала, настроенного на соответствующий максимум энергетического распределения.

5. Регистрация рассеянного излучения отдельным энергодисперсионным каналом.

Экспериментально исследованы первые четыре способа, и показано, что наибольшими значениями ns характеризуется способ с использованием мишени. Соизмеримые пе достигаются третьим способом. Значительно меньшие (на 1+1,5 порядка) скорости счета регистрируются

|ри использовании кристалла-анализатора (1 и 4 способы). Повышению значения п6 в этом случае характерны для кристаллов-анализаторов . высокой отражающей способностью (пирографит), а также при таком тле 9, при котором второй порядок отражения приходится на максимум >ассеянного излучения.

При анализе тяжелых веществ (стали, сплавы, рудные концентраты | т.п.) целесообразно применять способ множественной регрессии. Ос-ювными предпосылками для реализации этого способа являются:

1. Возможность измерения всех основных элементов, составляющих юследуемое вещество и определяющих матричные эффекты;

2. Достаточно узкие диапазоны содержаний определяемых элемен-

ов;

3. Наличие сильных межэлементных влияний.

Кроме рассмотренных способов при измерениях с аппаратурой Эланс" возможно использование других способов количественного 'СФА. Однако дать готовые рекомендации по применению этих спосо-юв не представляется возможным, так как круг аналитических задач, юшаемых с аппаратурой "Эланс" чрезвычайно широк.

Важным этапом подготовки прибора "Эланс" к анализу является оп-имизация аппаратурных условий измерения определяемых элементов, юторая заключается в выборе:

- материала анода рентгеновской трубки;

- типа кристалла-анализатора и порядка отражения для выделения [налитической линии;

- материала и толщины фильтра первичного излучения;

- величины анодного тока и напряжения;

- времени единичного измерения;

- длины коллиматора Соллера;

- энергетических интервалов регистрации флуоресценции пР и рас-:еянного средой излучения ns.

Показано, что универсальными критериями при выборе этих условий шляются:

- энергетическое разрешение РОС - ДЕ;

- регистрируемая скорость счета, обусловленная интенсивностью шапитического излучения - пР;

- контрастность Кд аналитического сигнала - отношение скоростей ;чета, обусловленных интенсивностью линий пр и фоном под ней пр,ь.

Выбор какого-либо одного критерия для оптимизации во многих :лучаях не представляется возможным, так как оптимальное условие по щному критерию часто не удовлетворяет по другому критерию. Поэтому |ри выборе оптимальных условий измерений следует руководствоваться

не каким-то одним критерием, а погрешностью измерений в целом, обусловленной для каждой конкретной аналитической задачи разными причинами. В работе рассмотрены зависимости указанных характеристик анализа (АЕ, пр и Ка) от условий измерений. Часть этих зависимостей с достаточной точностью описывается теоретически, а другая группа включает зависимости, которые хотя и могут быть оценены теоретически, но часто в связи со сложностью вычислений и учетом многих факторов должны быть уточнены экспериментальным путем. Показано, что при оптимизации условий измерений почти все способы, улучшающие контрастность аналитической линии и • качество ее выделения (энергетическое разрешение) приводят к уменьшению регистрируемой скорости счета. Исключение составляет, например, фильтрация первичного излучения при регистрации "мягких" линий (< 6 кэВ), когда одновременно снижается скорость счета и контрастность, а также увеличение анодного напряжения, при котором все аналитические параметры измерений только улучшаются. Поэтому для решения конкретной аналитической задачи с целью обеспечения требуемых характеристик результатов измерений необходимо проводить подготовительные работы по выбору оптимальных условий этих измерений.

В тр&тьей главе кратко рассмотрены примеры использования аппаратуры "Эланс" для решения различных аналитических задач;

Наиболее полно рассмотрена методика анализа порошковых проб на Си, РЬ и Аз. Результаты подготовительных работ выявили оптимальные аналитические линии определяемых элементов, тип кристалла-анализатора для выделения этих линий, толщину алюминиевого фильтра первичного излучения и время измерения одной пробы. Для нахождения содержаний определяемых элементов использовался способ стандарта-фона. Скорость счета пс регистрировалась вторым амплитудным окном каждого измерительного канала. Влияние флуоресценции РЬ на регистрируемую интенсивность линии АэКа учитывалось путем вычитания определенной доли интенсивности РЫР-линии. Для градуировки аппаратуры и установления всех необходимых коэффициентов проведены измерения 27 государственных стандартных образцов почв, донных отложений горных пород и т.д. Пределы обнаружения при времени замера одной пробы 600 с, определенные путем многократных измерений "пустых" образцов, составили: для Си - 17 г/т, 1п - 14 г/т, РЬ - 12 г/т, Аэ 6 г/т, а относительная погрешность определения содержаний этих элементов в ГСО СКР-3 (Сси=310 г/т, 0^=610 г/т, Срь=280 г/т, 0/^=50 г/т), соответственно: 6%, 3,5%, 7% и 18%.

Аппаратура "Эланс" применялась для оперативного контроля шихты на заводе "Ижорасталь", в ходе которого экспрессно оценивалось со-

эржание Сг, \Л/, Мо и ЫЬ в металлургическом сырье непосредствен-э на месте его нахождения (во дворе цеха). При необходимости уточ-эния измеренных содержаний путем учета межэлементных влияний их асчет производился способом множественной регрессии. В результате эоведенных работ была показана перспективность применения аппараты "Эланс" для улучшения качества выплавляемой стали и уменьше-ия количества бракованных плавок.

Замена ППД на РСД "Эланс" при аналитическом контроле медно-икелевой пульпы в потоке на Норильском ГОК обеспечило лучшую кон-эастность аналитических линий N1 и Си и меньшую в 2+3 раза погреш-эсть определения их содержаний, что стало возможным благодаря /чшему по сравнению с ППД энергетическому разрешению РОС РСД, эторое дополнительно не ухудшается механическими (вибрация, шум) и зпловыми нагрузками. Внедрение РСД на пульпопроводе Норильского ЭК избавило от необходимости дозаправки датчиков жидким азотом и иквидировало опасность загрязнения окружающей среды радиоактив-ыми нуклидами.

Оценка пригодности аппаратуры "Эланс" для определения содер-аний Аи в рудах и горных породах была проведена при измерении пре-аратов, подготовленных к РСФА по методике с предварительной, экст-акцией этого металла. Достигнутая контрастность аналитической линии оставила 1,6 при измерении 8 мкг золота, что позволило определять го с порогом обнаружения 1 мкг при времени измерений 500 с или в ересчете на содержание в руде с Стт=0,2+0,3 г/т.

Преимущество разработанной аппаратуры по сравнению с крис-тп-дифракционной аппаратурой на основе фокусирующих рентгенооп-^ческих схем показано на примере анализа античных монет с микроре-ьефом поверхности, который по известным причинам нельзя ликвиди-овать. Состав монетных сплавов оценивался по содержанию Си, РЬ, е и Эл. При этом устранение влияния непостоянства формы площади нализируемой поверхности монет осуществлялось с помощью узкого оллиматора, расположенного у анода рентгеновской трубки и ограни-ивающего апертуру выхода первичного излучения. Выделение анапити-еских линий СиКа, гпКа, РЫа и РеКа производилось традиционным утем, то есть с помощью кристалла-анализатора и многопластинчатого оллиматора, а измерение К-серии флуоресценции Бп - с помощью Рс1-1ишени, установленной на место кристалла-анализатора. Воспроизво-имость результатов измерений составила около 5 отн.%, что значи-ельно меньше 60+70 отн.%, получаемых с аппаратурой АР-104.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итогом представленных исследований является разработка и создание аппаратурно-методического комплекса, призванного обеспечить возможность проведения многоэлементного РСФА с повышенной чувствительностью и точностью различных природных и техногенных образований в условиях их непосредственного местонахождения без отбора проб. Основные результаты работ могут быть сформулированы следующим образом:

1. Разработанная РОС, позволяющая компактно расположить основные узлы рентгеноспектрального датчика (рентгеновский излучатель и измерительные каналы) и исключающая свойственные традиционным РОС сложные гониометрические механизмы, создает благоприятные предпосылки для представительного, многоэлементного и избирательного РСФА;

2. Обоснованы технические требования к источнику первичного излучения - рентгеновскому излучателю с трубкой прострельного типа;

3. Определен принцип построения носимого рентгеноспектрального кристалл-дифракционного прибора, который включает рентгеноспект-ральный датчик, блок обработки и управления, с возможностью подключения персонального 1ВМ-совместимого компьютера;

4. Получены теоретические выражения, позволяющие рассчитать форму монохроматической линии, энергетическое разрешение и светосилу рентгенооптической схемы Соллера, а также оценить влияние на результаты измерений наложения линий определяемого и мешающего элементов;

5. Предложен способ, который применительно к разработанной аппаратуре позволяет компенсировать влияние неровностей исследуемого объекта и зазора между ним и датчиком вплоть до 10 мм, что особенно важно для анализа без отбора проб при эксплуатации датчика в качестве носимого прибора;

6. Показано, что эффективным способом для увеличения контрастности линии является фильтрация первичного излучения, которую целесообразно проводить алюминиевой фольгой (в области энергий аналитических линий 8+15 кэВ) или органическими материалами (в области -< 8 кэВ);

7. Разработаны способы регистрации рассеянного от среды излучения для улучшения помехоустойчивости анализа и повышения его точности;

- 198. Предложены методические приемы для учета и (или) исключения пияния на результаты анализа ограниченных по объему проб изменения х формы и размеров (толщины, площади поверхности);

9. На примерах решения различных задач выявлены аналитические озможности разработанной аппаратуры и степень ее пригодности, как ля измерений in situ, так и в лабораторных условиях. В большинстве лучаев аппаратура "Эланс" по своим возможностям не уступает, а неедко и превосходит энергодисперсионные анализаторы на основе ППД серийно выпускаемые портативные кристалл-дифракционные приборы создает им серьезную конкуренцию.

Важными характеристиками, определяющими перспективность но-имых приборов для РСФА без отбора проб, являются:

- габариты и масса аппаратуры;

- простота ее эксплуатации;

- надежность;

- уровень обеспечиваемого сервиса при управлении и обработке змеренных данных.

Благодаря проведенным исследованиям удалось наметить пути лучшения указанных эксплуатационных характеристик и потребительс-их качеств анализатора "Эланс":

1. Модификация конструкции рентгеновского излучателя, заключающаяся в монтаже его блока электроники не в самом РСД, а за его пределами в виде автономного блока, что позволит уменьшить высоту дат-ика с 600 мм до 470 мм.

2. Замена пропорциональных счетчиков с боковым входным окном СИ-12Р, СРМ-19) на счетчики с торцевым окном (например, микростри-ювые пропорциональные детекторы), что дает возможность уменьшить диаметр РСД со 183 мм до 145 мм и увеличить количество измеритель-1ых каналов до 6+7, повышая тем самым до 6+7 число одновременно тределяемых элементов.

Совокупность усовершенствований по п.п.1 и 2 позволит снизить iaccy РСД с 7 кг до 5 кг. 3. Включение в состав РСД энергодисперсион-юго измерительного канала на базе пропорционального счетчика для 'величения

- регистрируемой интенсивности рассеянного излучения ns,

- информации об исследуемом объекте и улучшения качества ана-шза за счет применения дополнительных методических приемов.

4. Построение БОУ анализатора на базе быстродействующего ана-юго-цифрового преобразователя и сочлененного с ним портативного юмпьютера типа "Notebook", что создает предпосылки для

- 20- улучшения сервиса при подготовительных операциях и измерениях с диализатором,

- роста возможностей автоматической обработки информации и применения дополнительных методических приемов,

- увеличения объема хранимой информации и т.д.

5. Дополнительная стабилизация потока и спектрального распределения первичного излучения во времени, которая может быть достигнута путем введения "глубокой" обратной связи. В качестве контролируемой величины в этом случае предполагается использовать не анодные напряжение и ток рентгеновской трубки, которые, как правило, не удается измерить непосредственно, а плотность потока коротковолновой компоненты обратно рассеянного от анода первичного рентгеновского излучения. Его величину можно надежно измерять с помощью счетчика Гейгера-Мюллера, включенного в конструкцию рентгеновского излучателя. Причем счетчик должен быть расположен так, чтобы не препятствовать размещению измерительных каналов РСД и обеспечить максимальную скорость счета импульсов. Дополнительная стабилизация первичного потока позволит уменьшить время выхода аппаратуры в рабочий режим и повысить точность измерений.

Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Нахабцев B.C., Волков А.Г., Коробейникова Л.П., Букин К.В. Патент Российской Федерации № 1625231, зарегистрирован в Государственном Комитете по изобретениям и товарным знакам 25.08.1993; "Способ рентгеноспектрального кристалл-дифракционного определения элементного состава вещества".

2. Нахабцев B.C., Букин К.В. Малогабаритный рентгеновский излучатель РИМ-1. №214-В94. Деп. от 25 января 1994г ВИНИТИ.

3. Нахабцев B.C., Букин К.В. Портативный рентгеноспектральный датчик "Эланс". №1005-В94. Деп. от 25 апреля 1994г ВИНИТИ.

4. Нахабцев B.C., Букин К.В., Волков А.Г. Решение о выдаче патента Российской Федерации по заявке №5047404/25 от 5.06.1995; "Портативный рентгеноспектральный датчик и способы его реализации".