ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Оборудование из "Аналитическая химия Том 2" Приборы РФС состоят из рентгеновского источника, держателя пробы и спектрометра. Первичное рентгеновское излучение от источника используют для возбуждения атомов в пробе. Спектрометр измеряет длину волны (или энергию) и интенсивность (флуоресцентного) излучения, испускаемого пробой. Поскольку устройство спектрометров с волновой и энергетической дисперсией совершешю различно, они будут рассмотрены по отдельности. Наиболее широко используемым источником первичного рентгеновского излучения в РФС являются рентгеновские трубки. В приборах с энергетической дисперсией можно использовать радиоизотопные источники. [c.68] Форма континуума зависит главным образом от величины приложенного высокого напряжения. На рис. 8.3-8 показан спектр рентгеновской трубки с родиевым анодом, работающей при 45 кВ. Тормозной континуум достигает максимума при 1,5Лтш (или при 2/3 тах)- Общая интенсивность континуума растет с ростом атомного номера мишени и линейно зависит от величины тока трубки. Толщина бериллиевого окна влияет на низкоэнергетическую часть спектра. Правильный выбор материала анода и рабочего напряжения позволяет оптимально возбуждать определенный набор элементов с помощью непре-рьшного излучения, а также с помощью характеристических линий трубки. Для возбуждения элементов с большим Z следует использовать большое ускоряющее напряжение. [c.70] Эффективность рентгеновской трубки весьма низка только 1% потребляемой мощности превращается в рентгеновское излучение, оставшаяся часть рассеивается в виде тепла. В РФС с волновой дисперсией используют трубки с входной мощностью ЗкВт (например, 100 мА при 30 кВ). Такая высокая мощность требует водяного охлаждения катода, чтобы избежать его плавления. Системы РФС с энергетической дисперсией имеют лучшую геометрическую эффективность и могут работать только при низких скоростях счета, так что часто используют маломощные ( 30 Вт или 1мА при 30 кВ) рентгеновские трубки с воздушным охлаждением. Для количественных измерений источники напряжения нагрева спирали и высокого напряжения должны бьггь очень стабильными, потому что любые изменения напряжения или тока будут менять интенсивность излучения трубки и, тем самым, интенсивность флуоресценции пробы. [c.70] Активность радиоизотопного источника выражают в беккерелях (1Бк = 1 распад/с = 2,7 10 Ки). Актлвность источника со временем уменьшается. После времени, равного периоду полураспада 1/2, интенсивность источника уменьшается до 50% первоначальной величины. В табл. 8.3-7 перечислены некоторые радиоактивные источники, обычно используемые в РФС. Рентгеновское излучение Ag-K от подходит для определения элементов от кальция до циркония по их К-линиям. По истечении трех лет источник необходимо заменить. [c.71] Соображения безопасности не позволяют использовать очень активные источники. Источники в РФ-спектроскопии обычно имеют активность от 100 до 300 МБк ( от 3 до 10 мКи). Из-за низкой геометрической эффективности спектрометра с волновой дисперсией эти источники могут применяться только в сочетании со спектрометром с энергетической дисперсией. Использование таких радиоактивных ис гочников позволяет создавать переносные приборы РФСЭД, которые могут работать в полевых условиях . [c.71] Пентаэритрит является органическим кристаллом. Для очень больших межплоскостных расстояний (когда не требуется особо большая дисперсия) используют не кристаллы, а синтетические многослойники (например, РХ-1 — коммерческое название одного из таких многослойников). Полезный диапазон элементов часто меньше, чем теоретический диапазон длин воли, потому что отра 1 ающая способность кристалла может стать очень низкой. [c.73] После выделения с помощью дифракции Брэгга рентгеновского излучения со специфической длиной волны, нам необходимо детектировать это излучение, т. е. определить интенсивность путем счета фотонов в течение определенного периода времени. Это может быть сделано с помощью пропорционального проточного счетчика или с помощью сцинтилляциониого счетчика. [c.74] Для коротковолнового рентгеновского излучения эффективность пропорционального счетчика становится крайне низкой. Фотоны с высокой энергией проходят через газ без поглощения. Поэтому для длины волны ниже 2 А используют сцинтилляционный счетчик (рис. 8.3-12). В качестве сцинтиллятора используют активированный таллием монокристалл иодида натрия NaI(Tl). Поглощение кристаллом рентгеновско о излучения приводит к испусканию све-товьк фотонов с длиной волны 410 нм. Эти фотоны попадают на фотокатод фотоумножителя, где вновь образуются электроны, которые ускоряются первым динодом электронного умножителя. При ударе образуются два или более вторичных электрона, которые ускоряются ко второму диноду, где образуется еще больше электронов. На последнем диноде заряд достаточно велик для того, чтобы предусилитель мог преобразовать его в импульс напряжения. Сцинтилляционный счетчик также формирует один импульс для каждого рентгеновского фотона, попадающего в детектор, и амплитуда этого импульса также пропорциональна энергии фотона. [c.74] Обработка рентгеновского излучения детектором и электроникой занимает определенный период времени. После прибытия одного фотона система регистрации, как говорят, мертва в течение некоторого времени, потому что любой рентгеновский фотон, пришедший в это мертвое время , не будет зарегистрирован. Мертвое время имеет величину 200-300 не, что позволяет обрабатывать скорости счета вплоть до 10 импульсов в секунду. [c.75] На рис. 8.3-13 показан спектр с ВД геологического материала в области длин волн 0,69-0,98А(сканирование 2в от 28° до 40°, ЫР(220), 2 1 = 0,285 нм). В этом коротковолновом диапазоне наблюдается некоторое перекрывание пиков между К- и Ь-линиями. Отметим, что вертикальная шкала представлена в килоимпульсах в секунду. [c.76] В спектрометрах с энергетической дисперсией дисперсия (выделение специфичной энергии) и счет числа рентгеновских фотонов (обладающих этой специфичной энергией) выполняется в один этап. Спектрометры с энергетической дисперсией построены на основе полупроводникового кристалла, охлаждаемого жидким азотом. Используют монокристаллы легированного литием кремния 81(Ы) или высокочистого германия, ВЧСе. В этих кристаллах разность энергии между валентной зоной и зоной проводимости составляет величину порядка 4эВ. При комнатной температуре некоторое число электронов находится в зоне проводимости, так что кристалл является (полу)проводником. При охлаждении кристалла до температуры жидкого азота (—196° С) почти все электроны остаются в валентной зоне и при наложении на кристалл напряжения ток протекать не может. Литий вводят в кристалл кремния, чтобы скомпенсировать примесные носители заряда. [c.78] О Спектрометры с энергетической дисперсией измеряют все рентгеновские фотоны. испускаемые пробой, (квази)одновременно в спектрометрах с волновой дисперсией регистрация осуществляется последовательно. [c.79] Каждый рентгеновский фотон, попадающий в детектор, вызывает один импульс напряжения. Однако, поскольку на детектор приходят рентгеновские фотоны с различной энергией, нужно измерить амплитуду импульса, которая пропорциональна энергии каждого фотона. Электронная схема, выполняющая эту задачу, состоит из трех частей линейный (импульсный) усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и память. Для иллюстрации их функций рассмотрим рентгеновский фотон Ре К-Ьз,2, который образует в детекторе 1662 электрона. Предусилитель преобразует этот заряд в напряжение, скажем, 32 мВ. Дальнейшее усиление в линейном усилителе приведет к колоколообразному импульсу амплитудой 3,20 В. Амплитуда импульса измеряется АЦП, приводя к цифровому значению 320. В результате содержимое памяти по адресу (или канала) 320 будет увеличено на единицу. При повторении этого процесса для каждого рентгеновского фотона, попавшего в детектор, в память будет записан спектр. Используют память с числом каналов 1024 (1К) или 2048 (2К) (здесь К — килобайт. — Перев.). Если каждый канал соответствует 20 эВ, это покрывает диапазон энергий от О до 20 или от О до 40кэВ. [c.79] Приборы РФСЭД имеют намного более простое механическое устройство, чем приборы РФСВД. В то же время высокая геометрическая эффективность полупроводникового детектора позволяет значительно большее разнообразие при возбуждении. Основная система включает рентгеновскую трубку низкой мощности и 81(Ь1)-детектор, оба расположенные под углом 45° к пробе. Чтобы изменить спектр трубки для оптимального возбуждения диапазона элементов, используют набор фильтров для первичного пучка. Для ограничения возбуждающего и флуоресцентного пучков в области образца применяют коллиматоры. Чтобы улучшить определение элементов с низким атомным номером 2, всю систему заполняют гелием или вакуумируют. [c.80] Более усовершенствованная система включает использование вторичной мишени (рис. 8.3-16,а). В таком приборе рентгеновская трубка облучает металлический диск (вторичная мишень). Затем флуоресцентное излучение мишени используют для возбуждения пробы. Преимуществом этой схемы является устранение непрерывного излучения рентгеновской трубки. Отсутствие этого континуума в возбуждающем излучении приводит к существенному снижению фона в спектре и таким образом к лучшему пределу обнаружения. Возбуждение в системе с вторичной мишенью является квазимонохроматическим. Меняя мишень, можно оптимально возбуждать различные диапазоны элементов. Низкая эффективность флуоресценции вторичной мишени означает, что требуется использовать рентгеновские трубки с более высокой мощностью. Рентгеновский спектр геологического стандарта, измеренный с помощью такой системы с энергетической дисперсией, приведен на рис. 8.3-17. В качестве вторичной мишени использовал молибден, спектр регистрировали с накоплением в течение 3000 с. Отметим значительные наложения пиков. Пики в области выше 16 кэВ связаны с упругим и неупругим рассеянием К-излучения Мо в пробе. [c.80] Вернуться к основной статье