CC BY
30
14. Fernandes R.L., Lie Algebroids, Holonomy and Characteristic Classes // Adv. in Math. - 2002. - № 170. - P. 119-179.
15. Fernandes R.L. Invariants of Lie algebroids // Differential Geom. Appl. - 2003. - V 19. - P. 223-243.
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕНТГЕНООПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ЭБ РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТИОГО МИКРОАНАЛИЗА
© Николаев В.И.*, Чижова Е.В.4
ЗАО «Научные приборы», г. Санкт-Петербург
В работе рассмотрены перспективы метода трехмерного рентгеноф-луоресцентного микроанализа (ЗБ-микро РФА). Описаны варианты схем ЗБ-микро РФА. Показаны пути оптимизации рентгенооптической схемы метода и возможность создания на ее базе приборов для научных и промышленных целей.
Метод ЗБ-мнкро РФА является одним из новых методологических направлений в развитии традиционного метода рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) - современного неразрушающего аналитического метода определения химического состава вещества. Отличительной особенностью метода ЗБ-микро РФА является возможность определения элементного состава малого объема вещества в приповерхностной области материалов в пределах глубины выхода рентгенофлуоресцентного излучения из образца.
Метод получил быстрое развитие в течение последнего десятилетия благодаря применению синхротронного излучения и появлению капиллярной рентгеновской оптики. К настоящему времени реализованы компактные схемы ЗБ-микро РФА с рентгеновскими трубками в качестве источника первичного излучения.
Сфера применения метода ЗБ-микро РФА может охватывать широкий круг научных и промышленных интересов.
Развитие возможностей проведения анализа с разрешением по глубине актуально для исследований слоистых структур. В настоящее время для изучения слоистых структур применяются такие методы как рентгенофлуорес-центный метод анализа с полным внешним отражением (РФА ПВО), метод обратного резерфордовского рассеяния (ОРР), метод вторично-ион-ной масс-
* Заместитель технического директора, кандидат физико-математических наук.
* Инженер, аспирант Института аналитического приборостроения РАН.
спектрометрии (ВИМС), метод протонно-индуцированного рентгеновского излучения (ПИРИ). Однако если последовательность исследуемых слоев меняется вдоль поверхности образца, проведение количественного микроанализа невозможно по причине незнания точной модели системы. В этом случае наиболее информативным является метод ЗБ-микро РФА.
Особенности метода ЗБ-микро РФА определяют потенциальную возможность создания хорошо обоснованного аналитического метода принципиально нового уровня. В связи с этим разработка новых приборных и методических принципов для реализации метода ЗБ-микро РФА носит весьма перспективный характер.
Главной задачей в развитии метода является создание оптимальной схемы рентгеновского микрозонда.
Для фокусировки первичного пучка в практике традиционного рент-генофлуоресцентного микроанализа с синхротронными источниками возбуждения использовались разнообразные варианты рентгеновской оптики: монокапилляры, поликапилляры, изогнутые кристаллы, преломляющие линзы. Для источников с высокой расходимостью излучения, например -рентгеновских трубок, оптимальным вариантом является использование поликапиллярной рентгеновской оптики.
В конфокальном ЗБ-микро РФА помимо оптики, фокусирующей первичное излучение, используется дополнительный оптический элемент, установленный между образцом и детектором, обеспечивающий локальность отбора флуоресцентного излучения из объема образца. В идеале предполагается, что излучение флуоресценции и рассеянное излучение регистрируются только из объема, определяемого областью перекрытия оптических фокусов элементов рентгеновской оптики - так называемого конфокального объема. На рис. 1 схематично представлен принцип конфокального ЗБ-микро РФА.
Выбор оптических устройств для канала детектирования ограничен необходимостью обеспечения достаточно большого угла сбора рентгеноф-луоресцентного излучения и широкого энергетического диапазона пропускания. Поэтому для этой цели целесообразно использовать поликапиллярные конические коллиматоры.
К настоящему времени реализовано немало попыток создания конфокальных схем ЗБ-микро РФА, в основном заключающихся в применении различных комбинаций рентгеновской оптики в каналах возбуждения и детектирования и геометрии схем измерений [1-6].
В традиционном методе РФА одним из основных критериев оптимизации схемы анализа является достижение максимального значения аналитического сигнала, зависящее, главным образом, от геометрии схемы, параметров источника первичного излучения и детектора, условий возбуждения. Для улучшения отношения «сигнал-шум» применяются различные методы математической обработки зарегистрированных спектров.
источник
излучения
оптически и .элемент
е канале
возбуждения
оптическии элемент
область
обр
детектирования
в канале
о
детектор
микроанализа
Рис. 1. Конфокальная схема ЗБ-микро РФА
ЗБ-микро РФА может быть реализован методом «края ножа» [7]. В этой схеме между образцом и детектором располагается острый край сильно поглощающего материала. Переход «свет-тень» содержит информацию о распределении данного элемента в приповерхностном слое образца. Для измерения этого распределения на детекторе установлена щель, которая вместе с детектором перемещается в направлении, перпендикулярном к оси флуоресцентного излучения.
Известны методы оптимизации ЗБ-микро РФА легких элементов, основанные на использовании дополнительного источника возбуждения для повышения интенсивности первичного излучения [8, 9] и вакуумировании [10] области анализа.
Схема ЗБ-микро РФА, описанная в [11], основана на применении системы зеркал Киркпатрика - Бозе в канале возбуждения и поликапиллярной рентгеновской оптики в канале детектирования.
В работе [12] продемонстрирована возможность реализации метода ЗБ-микро РФА в условиях геометрии полного внешнего отражения флуоресцентного излучения (аналогично методу РФА ПВО). Изменение значений углов регистрации дает возможность проведения селективных по глубине измерений.
Реализованная в [1З] схема позволила авторам исследовать процессы на границе раздела сред «твердое вещество-жидкость». В [14] предложен оригинальный способ реализации метода ЗБ-микро РФА на основе сочетания принципов рентгеновской томографии и техники конфокального ЗБ-микро РФА.
В настоящей работе в качестве фокусирующей системы в канале возбуждения схемы ЗБ-микро РФА предложена комбинация «диафрагма -
поликапиллярная линза», позволяющая проводить исследование объектов с различными размерами. Для реализации этого подхода на входе поликапиллярной линзы устанавливается диафрагма или коллиматор, ограничивающие рабочую область линзы.
Уменьшая ширину щели коллиматора перед линзой, можно повышать пространственную локальность метода за счет получения более параллельного пучка первичного излучения. При отодвигании линзы от поверхности образца размер пятна излучения на образце меняется, тем самым обеспечивая анализ областей объекта с заданными размерами.
Особенностью такой системы фокусирования для ЗБ-микро РФА является сохранение общей интенсивности сигнала при изменении анализируемого объема.
Ключевым моментом реализации такой схемы является взаимное совмещение оптических осей системы «источник - линза», осложняемое низкими значениями угла полного внутреннего отражения материала поликапиллярной линзы. Поэтому для наиболее эффективного использования рентгеновской трубки совместно с поликапиллярной линзой необходимо оптимизировать параметры их сопряжения.
Рис. 2. Рентгеновский аналитический микроскопРАМ-З0ц
Так как метод ЗБ-микро РФА подразумевает исследование областей внутри объекта, актуальной задачей становится получение информации о внутренней структуре исследуемого объекта. Введение в схему ЗБ-микро РФА дополнительного канала регистрации рентгенографических изображений на просвет позволяет решить эту проблему.
Для получения рентгенографического изображения исследуемый объ-ект размещается на прозрачном для рентгеновского излучения окне столи-
ка, под которым располагается «точечный» фотодиод или CCD матрица. Преимуществом применения CCD детектора является отсутствие необходимости проведения поточечного сканирования объекта, связанного с временными затратами.
Оптимизация параметров рентгенооптической схемы и методов 3D-микро РФА способствует преодолению ограничений, накладываемых на метрологические характеристики метода.
Растущий интерес к 3D-MHKpo РФА обуславливает потребность разработки новых подходов для приборной реализации метода.
Метод 3D-MHKpo РФА реализуется на основе разработанного в ЗАО «Научные приборы» микрозонда-микроскопа РАМ-30д (рис. 2), предназначенного для исследований объектов методами оптической микроскопии, локального элементного микроанализа, проведения элементного картирования и рентгенографических исследований.
Список литературы:
1. Perez R.D., Sanchez H.J., Perez C.A., Rubio M. Latest developments and opportunities for 3D analysis of biological samples by confocal д-XRF // Radiation Physics and Chemistry. - 2010. - V 79. - P. 195-200.
2. Woll A.R., Mass J., Bisulca C., Huang R., Bilderback D.H., Gruner S., Gao N. Development of confocal X-ray fluorescence (XRF) microscopy at the Cornell high energy synchrotron source // Appl. Phys. - 2006. - V 83 A. - P. 235238.
3. Xiaoyan L., Zhihong W., Tianxi S., Qiuli P., Xunliang D. Characterization and applications of a new tabletop confocal micro X-ray fluorescence setup // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. - 2008. - V 266 B. -P. 2638-2642.
4. Nakano K., Tsuji K. Development of confocal 3D micro XRF spectrometer and its application to rice grain // Bunseki Kagaku. - 2006. - V 55. - № 6. -P. 427-432.
5. Perez R.D., Rodriguez S.M., Sanchez H.J., Rubio M., Perez C.A. 3D analysis of biological samples by confocal ^XRF [Электронный ресурс] // LNLS Activity report 2007. Brazilian Synchrotron Light Laboratory. - P. 1-2. - Режим доступа: www.lnls.br/ar2007/web/index.html (дата обращения: 06.07.09).
6. Malzer W. 3D micro X-ray fluorescence analysis // The Rigaku Journal. - 2006. - V 23. - P. 40-47.
7. Bjeoumikhov A., Bjeoumikhova S., Wedell R., Gubzhokov R., Margu-shev Z. A new method of depth sensitive micro-X-ray fluorescence analysis // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. - 2006. - V. 248 B. - P. 142-149.
8. Tsuji K., Nakano K., Ding X. Development of confocal micro X-ray fluorescence instrument using two X-ray beams // Spectrochim. Acta. - 2007. -V. 62 B. - P. 549-553.
9. Tsuji K., Nakano K. Development of confocal 3D micro-XRF spectrometer with dual Cr-Mo excitation// X-Ray Spectrom. - 2007. - V 36. - P. 145-149.
10. Kanngiepier В., Malzer W., Rodriguez A.F., Reiche I. Three-dimensional micro-XRF investigations of paint layers with a tabletop setup // Spectro-chim. Acta. - 2005. - V 60 B. - P. 41-47.
11. Tianxi S., Xunliang D., Zhiguo, L., Guanghua, Z., Yude L., Xiangjun W., Dongliang C, Qing X., Quanru L., Yuying H., Xiaoyan L., Hongbo S. Characterization of a confocal three-dimensional micro X-ray fluorescence facility based on polycapillary X-ray optics and Kirkpatrick-Baez mirrors // Spectro-chim. Acta. - 2008. - V 63 B. - P. 76-80.
12. Tsuji K., Delalieux F. Feasibility study of three-dimensional XRF spectrometry using д-X-ray beams under grazing-exit conditions // Spectrochim. Acta. - 2003. - V 58 B. - P. 2233-2238.
13. Tsuji K., Yonehara T., Nakano K.. Application of confocal 3D micro-XRF for solid/liquid interface analysis //Analytical sciences. - 2008. - V. 24. -P. 99-103.
14. Vincze L. Confocal X-ray Fluorescence Imaging and XRF Tomography for Three-Dimensional Trace Element Microanalysis // Microsc. Microanal. -2005. - V. 11. Suppl 2. - P. 682-683.
НЕЛИНЕЙНАЯ ТЕРМОСТИМУЛИРОВАННАЯ ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ В МАТЕРИАЛАХ С ВОДОРОДНЫМИ СВЯЗЯМИ
© Фазылов К.К.*
Карагандинский экономический университет Казпотребсоюза, Республика Казахстан, г. Караганда
Исследование электрофизических свойств материалов с водородными связями актуально в связи с широким их применением в современной изоляционной технике и оптоэлектронике.
Как экспериментально и теоретически показано в работе [1], материалы с водородными связями можно квалифицировать как протонные полупроводники и диэлектрики, имеющие общий механизм электропереноса.
Нелинейная теория термодеполяризации материалов с водородными связями в квадратичном приближении была предложена в работе [2]. В [3] исследуются размерные эффекты, возникающие в слоях нанометровой крупности при низких температурах.
* Доцент кафедры Высшей математики, кандидат физико-математических наук.
