Диспергирующие и детектирующие устройства рентгеновских спектрометров

Методы возбуждения рентгеновских спектров. Принцип действия рентгеновской трубки.

Образование электронной вакансии и возбуждение рентгеновского спектра может происходить:

· при мощной электронной бомбардировке анализируемого вещества в вакууме;

· при облучении в-ва потоком рентгеновских квантов, имеющих необходимую энергию, испускаемых при опред. условиях анодом рентгеновской трубки;

· при облучении анализируемого в-ва γ-излучением, испускаемым радиоактивным источником.

Рентгеновская трубка представляет собой стеклянный или металлостеклянный баллон, в котором расположены 2 электрода и создается вакуум 10^-4-10^-6мм. рт. ст.. На трубку подается высокое напряжение от стабилизирующего источника постоянного тока мощностью около 5 кВт.

На катод 2 от отдельного источника подается ток накала. Накаляясь, катод испускает электроны, которые благодаря разности потенциалов, приложенных между катодом и анодом, разгоняются до скорости, сопоставимой со скоростью света. Эти электроны имеют энергию до 100 кэВ и бомбардируют анод (мишень), который изготовлен из вольфрама, Мо, Рt или Сu, т. е. из металлов, имеющих высокую Т_пл. и хорошую теплопроводность. На анод может быть помещен анализируемый образец. Возникающее при бомбардировке анода рентгеновское излучение – полихроматическое.

Спектр излучения включает не только дискретные характеристические линии атомов, входящих в состав анода или образца, но и широкую непрерывную составляющую - тормозное излучение.

Тормозное излучениевозникает в следствие того, что часть бомбардировочных электронов попадает между атомами материала анода или анализ. в-ва и непрерывно теряет свою энергию в результате перемещения вглубь анода.

Вторая часть электронов, идущих от катода, проникает внутрь материала анода и выбивает из него электроны. В атомах, подвергшихся бомбардировке, на соответствующих электронных орбиталях возникают электронные вакансии.

Т. к. система стремится иметь минимальный запас энергии, на образовавшийся вакантный уровень переходят электроны с более высокой электронной орбитали. Такой переход сопровождается испусканием кванта излучения с длиной волны, соответствующей разности энергий электронных уровней, участвующих в данном переходе (характеристическое излучение), и появлением в спектре соответствующей линии (характ. линии).

Рентгеновский спектрометр состоит из источника возбуждения, анализатора и детектора излучения.

Источники возбуждения – рентгеновская трубка и радиоактивные источники (дают менее интенсивное излучение, чем рентгеновские трубки). Он состоит либо из одного только излучателя (долгоживущего радиоактивного изотопа, испускающего либо γ-кванты низкой энергии, либо γ- и β-частицы большой энергии) и мишени (в-ва, которое испускает своё рентген. излучение). Материал мишени выбирается в зависимости от номера элемента, определяемого в пробе. Для возбуждения наиболее тяжелых элементов используется γ-излучение Со-57, а для возбуждения элементов с порядковым номером меньше23 – изотоп Fе-55.

Анализаторы – фильтры и кристалланализаторы (кристаллы 20×40×1(мм) из кварца, топаза, фторида лития или др. материалов с известным межплоскостным расстоянием, изогнутые крист. с радиусом кривизны, при к-ром ур-ние Брегге выполняется при попадании на него расходящихся рентг. пучков).

Принцип действия фильтра основан на том, что он поглощает характеристическое рентг. излучение образца, мешающее определению интенсивности характеристических линий определяемого элемента, а также тормозное излучение.

Принцип действия кристалланализатора состоит в разложении полихроматического рентг. излучения на монохроматические компоненты.

Ур-ние Брегге: nλ=2dsinθ, где λ-длина волны характеристического изл-ния, d-расстояние между плоскостями кристалла.

Пучок рентгеновского излучения сложного состава падает на кристалл под углом скольжения θ к его атомным плоскостям. При этом под углом θ’=θ отражается монохроматический пучок с длиной волны λ,удовлетворяющей уравнению Брегге.

Рентгеновские лучи, не удовлетворяющие этому ур-нию, рассеиваются и частично поглощаются кристаллом. Изменяя θ можно из полихроматического пучка выделить все монохроматические волны, входящие в его состав.

Детекторы – газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера, сцинтилляционные счетчики, фотопластинки, чувствительные в рентгеновской области.

Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера (инерционный детектор, т. е. медленнодействующий):

В стекл. колбе 1, наполненной инертным газом под давлением 10-20 мм. рт. ст., находятся цилиндрический катод 2 и по его оси метал. нить – анод 3. Ист. напряжения 4 создает постоянное эл. поле между анодом и катодом. Счетчик подключен к электрической схеме 6. Рентгеновский квант, попавший в счетчик, ионизирует инертный газ. Образовавшиеся свободные электроны ускоряются эл. полем в направлении анода и производят дополнительную ионизацию газа, вызывая появление новых электронов. Число ионизированных частиц быстро нарастает от катода к аноду. Каждый рентгеновский квант образует лавину электронов, к-рая приводит к кратковременной вспышке самостоятельного эл. тока в счетчике (разряду). На сопротивлении 5 происходит падение напряжения, регистрируемое измерительной схемой 6. она дает показания пропорциональные общему числу квантов, попавших на счетчик за все время регистрации сигнала. Амплитуда импульса не зависит от энергии кванта.

Сцинтилляционный счетчик

3

4

1 2 5 6

1- источник постоянного напряжения, 2 - ФЭУ, 3 – пластинка фосфоресцирующего кристалл. в-ва, которая вплотную прилежит к фотокатоду 4 умножителя. Рентг. квант, попадая на пластинку 3, вызывает в кристалле кратковременную вспышку света, к-рая попадая на фотокатод 4 выбивает из него электроны. В эл. цепи ФЭУ возникает фототок. Сигнал, получаемый на ФЭУ, попадает на усилитель 5, а усиленный сигнал измеряется электронно-измерительной схемой 6.

Амплитуда импульса тем больше, чем ярче световая вспышка на кристалле 3, к-рая пропорциональна энергии (частоте) рентг. кванта. Число вспышек за время регистрации сигнала пропорционально числу рентгеновских квантов, попавших на фосфоресцирующую пластинку 3.

Сцинтилляционный счетчик позволяет дифференцировать излучение компонентов пробы по частотам без использования анализатора, разделяя импульсы, имеющие разные характеристики, и благодаря этому непосредственно измерять интенсивность отдельных спектральных линий.

На использовании таких счетчиков основана работа безкристального рентгеновского анализатора (БРА).

Дата добавления: 2015-06-04