CC BY
47
вочник [Текст] / М.А. Блохин, И.Г. Швейцер. — М.: Металлургия, 1982. — 374 с.
4. База данных Национального института стандартов и технологий США NIST [Электронный ресурс] http://www.nist.gov/pml/data/xcom/index.cfm
5. Блохин, М.А. Физика рентгеновских лучей [Текст] / M .А. Блохин. - М.: ГИТТЛ, 1957. - 518 с.
6. Фесенко, A.B. Определение основных и неосновных компонентов сплавов золота при криминалистическом исследовании [Текст] / A.B. Фесенко, Н.Г. Миловзоров // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва
им. Д.И. Менделеева). - 2002. - Т. Х1У1. - № 4. -С. 81-87.
7. ОСТ 41-08-212-04. Управление качеством аналитических работ. Нормы погрешности при определении химического состава минерального сырья и классификация методик лабораторного анализа по точности результатов [Текст]. — Москва, 2004. — 24 с.
8. ОСТ 41-08-205-04. Управление качеством аналитических работ. Методики количественного химического анализа. Разработка, аттестация, утверждение [Текст]. — Москва, 2004. — 106 с.
УДК 543.427.4
Е.В. Чижоба, H.H. Ершов
РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ФОКУСИРОВКИ ПЕРВИЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНОМ МИКРОАНАЛИЗАТОРЕ
На сегодняшний день наиболее эффективным способом фокусировки излучения в области энергий рентгенофлуоресцентного анализа является использование поликапиллярной рентгеновской оптики, физические и технологические принципы которой впервые были предложены и развиты М.А. Кумаховым в середине 80-х годов [1,2]. Поликапиллярная оптикапозволяетпередаватьэнергиювпшроком диапазоне и фокусировать рентгеновское излучение в пучки различных диаметров. Возможности капиллярной оптики для решения задач рентгеновского анализа, в частности рентгенофлуоресцентного микроанализа, достаточно подробно изучены [3,4].
Поликапиллярная рентгеновская линза представляет собой монолитный блок из нескольких сотен тысяч стеклянных микрокапилляров, имеющих сечение, переменное по длине. В каждом из них происходит распространение рентгеновских лучей за счет эффекта полного внешнего отражения, а фокусировка излучения осуществляется за счет формы линзы. Современные поликапиллярные системы позволяют фокусировать рентгеновское излучение в пятно диаметром до 20 мкм с коэффициентом усиления интенсивности излучения до 10000.
Важное значение для реализации оптимальной схемы формирования рентгеновского микрозонда на основе поликапиллярной оптики имеет взаимное совмещение оптических осей системы рентгеновский источник — линза, определяемое низкими значениями критического угла полного внешнего отражения поликапиллярной рентгеновской оптики. При выборе параметров сопряжения капиллярной линзы с рентгеновской трубкой одним из важных аспектов является неравномерность пространственного распределения потока рентгеновского излучения, вызванная неравномерным поглощением рентгеновских лучей на поверхности и в толще анода [5].
В настоящей работе приведены результаты теоретических исследований по определению параметров оптимального сопряжения системы рентгеновская трубка-поликапиллярная линза в рентгенофлуоре-сцентном микроанализаторе РАМ-30ц, который разрабатывается в ЗАО «Научные приборы» и предназначен для исследований объектов методами оптической микроскопии, локального элементного микроанализа, проведения элементного картирования и рентгенографических исследований [6].
у Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки Г 2012
Характеристики системы рентгеновская трубка-поликапиллярная рентгеновская линза
В рентгенофлуоресцентном микроанализаторе в качестве источника первичного излучения используется микрофокусная рентгеновская трубка с молибденовым анодом типа БСВ-30. Для фокусировки первичного потока используется поликапиллярная рентгеновская линза, рассчитанная и изготовленная в соответствии с параметрами источника первичного излучения по особому техническому заданию. Монолитная поликапиллярная линза модели 57тЫ)7 заполнена гелием, входное и выходное окна линзы выполнены из бериллиевой фольги. Геометрические и физические параметры линзы приведены соответственно в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Геометрические параметры линзы модели 57mls07
Параметр Значение
Фокусное расстояние, мм:
переднее 61,0 ±1,0
заднее^ 11,0 + 0,1
ДлинаХ, мм 96,8
Оптическая длина, мм
я=А+/2 + Ь 168,8 ± 1,0
Диаметр капиллярной структуры, мм:
входной 5,6
выходной 2,1
максимальный 7,1
Входной угол ал, рад 0,085
Таблица 2
Физические параметры линзы модели 57т1в07 в различных энергетических д иапазонах
Диапазон энергии, кэВ Размер пятна в фокусе (FWHM), мкм Усиление плотности потока в фокусе (К^), разы
3-5 32 600
5-7 33 3376
7-10 36 6135
10-15 34 6832
15-20 28 7232
20-25 25 3818
25-30 26 948
30-38 29 179
FWHM (англ. full width at half maximum) — полная ширина на половине амплитуды
Моделирование расходимости и интенсивности первичного потока
Для определения оптимальных параметров сопряжения элементов системы фокусировки необходимаинформация о выходныхпараметрах рентгеновской трубки БСВ-30, а именно — о зависимости интенсивности рентгеновского излучения от угла отбора. На основе технических характеристик рентгеновской трубки и закономерностей распределения потока рентгеновского излучения [5] нами проведено моделирование расход имости и интенсивности первичного потока (рис. 1,в). С этой целью мы рассчитывали изменение интенсивности первичного потока в диапазоне углов отбора излучения 3° — 15° для рабочих напряжений рентгеновской трубки БСВ-30 (рис. 1,6).
а)
Угол отбора излучения, град
Энергия, кэВ
Рис. 1. Расчетные зависимости интенсивности первичного потока рентгеновского излучения от угла отбора и энергии потока; а — при значениях энергии, кэВ: 5 (2), 10 (.2), 15 (3), 20(4), 25(5), 30(6), 35(^, 40(5); б—при значениях угла отбора, град: 3(/),6(7),**), 12(*), 15(5)
На рис. 1 ,а стрелкой отмечена нижняя граница оптимального значения угла отбора, соответствующая снижению максимального значения относительной интенсивности излучения менее чем на 10 %.
Энергетический расчет системы рентгеновская трубка-поликапиллярная линза
Для оценки изменения характеристик сфокусированного первичного потока на основе данных о коэффициенте усиления рентгеновской линзы К^, (см. табл. 2), определяемом в работе [7] как отношение интенсивности потока рентгеновского излучения в фокусе линзы (рис. 2,а) к интенсивности потока прямого пучка (рис. 2,6), измеренного с помощью диафрагмы диаметром 5 мкм, нами проведено моделирование пропускания линзы.
Для коэффициента пропускания поликапиллярной рентгеновской линзы справедливо выражение
= = ¿у^ЧЛ (1)
где — линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения воздухом; Б — площади фокуса поликапиллярной рентгеновской линзы и диафрагмы, соответственно; О — телесный угол, под которым
а)
К
б)
X
к -МЛ+ь
Из
видна диафрагма; Овх — входной телесный угол поликапиллярной рентгеновской линзы.
Для расчета значений телесных углов были использованы формулы
О-Зь
Цх=2я[1-со8(ал/2)],
(2)
(3)
где Я =/, +/2 + Ь.
Результаты расчета коэффициента пропускания поликапиллярной рентгеновской линзы модели 51тк07 представлены на рис. 3 ,а.
Смоделированный спектр рентгеновского излучения рентгеновской трубки БСВ-30 (для условий 1/ш = 45 кВ, /ан = 1 мА) в фокусе поликапиллярной линзы, расположенной под углом отбора рентгеновского излучения 9°, представлен на рис. 3,6.
а)
20
Энергия, кэВ
б)
Рис. 2. Схема для определения интенсивности потока рентгеновского излучения в фокусе линзы (а) и без линзы (б):
1 — фокус рентгеновской трубки (точечный источник); 2— фокус линзы; 3—детектор; 4— диафрагма (диаметр 5 мкм); 5— гелий; 6 — воздух; 7— окна из бериллия
15 20 15 зо Энергия, кэВ
Рис. 3. Расчетные спектры пропускания капиллярной линзы (а) и излучения рентгеновской трубки (б) с использованием линзы (7) и без ее использования (2). Угол отбора излучения 9°
Научно-технические ведомости СП6ГПУ. Физико-математические науки Г 2012
Рис. 4. Область сопряжения поликапиллярной рентгеновской линзы модели 51т1$07 с
рентгеновской трубкой БСВ-30: 1 — рентгеновская трубка; 2 — поток рентгеновских лучей; 3— область установки линзы от ал(шк1) до ад(1пах). Значения углов: 0^= 6', а^ = 18"; сс^ = 0^ +
+ ®вк = 9 ' ал(тах) = ^юах — ^вх =
Как видно из результатов моделирования, оптимальное расположение поликапиллярной линзы относительно центральной оси выходного окна рентгеновской трубки находится в
диапазоне углов отбора от 9 до 15°. При этом увеличение интегральной интенсивности потока излучения на выходе линзы достигает 25 %. На рис. 4 показана область сопряжения поликапиллярной рентгеновской линзы модели 51тЫ)7 с рентгеновской трубкой БСВ-30.
Итак, с целью оптимизации условий формирования первичного потока рентгеновского излучения в рентгенофлуоресцентном микроанализаторе проведены расчет расходимости и моделирование интенсивности потока первичного рентгеновского излучения на выходе рентгеновской трубки БСВ-30, смоделирована энергетическая зависимость системы рентгеновская трубка-поликапиллярная линза. На основе расчетных данных определены параметры сопряжения рентгеновской трубки с поликапиллярной рентгеновской линзой. Полученные результаты использованы при разработке системы формирования рентгеновского микрозонда в разрабатываемом ЗАО «Научные приборы» рентгенофлуоресцентном микроанализаторе РАМ-ЗОц.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аркадьев, В.А. Многократное отражение рентгеновского излучения на изогнутой поверхности [Текст] / В.А. Аркадьев, М.А. Кумахов // Поверхность. Физика, химия, механика.— 1986.— № 10.— С. 25-32.
2. Knmakhov, MA Multiple reflection from surface X-Ray optics [Text] / M.A. Kumakhov, F.F. Komarov // Physics Reports -1990-Vol. 191- No 5 - P. 289-350.
3. Haschke, M. Examination of polycapillary lenses for their use in micro-XRF spectrometers [Text] / M. Haschke, M. Haller// X-Ray Spectrometry-2003 -Vol. 32.-P. 239-247.
4. Matsuda, A. X-ray energy dependence of the properties of the focused beams produced by polycapillary
X-Ray lens [Text] / A. Matsuda, Y. Nodeia, К Nakano [et aL] //Analytical sciences - 2008.-Vol. 24 - P. 843-846.
5. Хараджа, Ф.Н. Общий курс рентгенотехники [Текст] / Ф.Н. Хараджа.— М., JL: Госэнершиддат, 1956-564 с.
6. Бахвалов, А.С. Приборы для рентгенофлуоресце-нгного микроанализа и алеменшого картирования [Текст]/ АС. Бахвалов, В.И. Николаев, Б.В. Чижова// Сб. науч. тр. П Междунар. науч-пракп конф., СПб, 8—10 дек. 2009г — СПб: Изд-во СПБГПУ, 2009.- С. 95-96.
7. Романов, А.Ю. Исследование рентгеноопти-ческих свойств оптики Кумахова [Текст] / А.Ю. Романов, И.В. Дмитриев, А.Ю. Акулов // Инженерная физика.— 2004.— №1.— С. 43—47.
