PRoAtom - Использование рентгеновских излучателей в рентгенофлуоресцентных анализаторах

В.В.Березкин, В.З.Завелев, С.А.Колосков, В.Ю.Родионов, Н.В.Сергеев, К.И.Щекин

В докладе приведены результаты исследования с целью создания переносного рентгенофлуоресцентного анализатора с полупроводниковым Si-PIN детектором и малогабаритным рентгеновским излучателем. Описаны структурная схема и конструкция прибора, даны основные технические характеристики.

Полученные экспериментальные результаты при анализе сталей и сплавов подтвердили обоснованность выбранных технических решений и позволили сделать вывод о том, что создан новый класс переносной рентгенофлуоресцентной аппаратуры.

Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) является мощным средством определения элементного состава и неразрушающего контроля материалов и изделий. С его помощью экспрессно и с большой эффективностью решаются многие аналитические задачи в разных областях науки и техники, при этом наряду с лабораторными приборами создаются и успешно эксплуатируются переносные (портативные) приборы.

В работе [1] описаны переносные анализаторы ПРИМ-1 и ПРИМ-1М, разработанные и серийно выпускаемые для идентификации различны материалов, в т.ч. металлов и сплавов. В таможенной службе РФ указанные приборы используются для определения марок металлов и сплавов, для оценки качественного и количественного состава материалов на местах досмотра (в вагонах, кузовах автомобилей, трюмах судов, на досмотровых площадках и т.д.). Приборы ПРИМ-1, ПРИМ-1М позволяют идентифицировать группы элементов от кальция (ПРИМ-1М – от алюминия) до урана. Эти приборы являются радиоизотопными, т.е. содержат в своем составе радионуклидные источники возбуждения характеристического излучения. Последнее требует соответствующее оформление при эксплуатации анализаторов ПРИМ-1, ПРИМ-1М органами Госатомнадзора РФ. Кроме того, аппаратуру с рентгеновскими излучателями выгодно отличает значительно более простые, по сравнению с приборами, оснащенными радиоизотопными источниками, условия эксплуатации и хранения излучателя.

Указанные обстоятельства поставили на повестку дня вопрос о замене радионуклидных источников на альтернативные средства возбуждения, и в первую очередь на малогабаритный рентгеновский излучатель (РИ) с низким энергопотреблением.

При выборе направлений исследований с целью создания переносного РФ-анализатора с рентгеновским излучателем были поставлены следующие условия:

– прибор должен включать спектрометр рентгеновского излучения с Si-PIN детектором и РИ, при этом должна быть обеспечена биологическая защита персонала от воздействия рентгеновского излучения;

– диапазон определяемых элементов должен быть от Ca до Ba по K-серии характеристического излучения и от La до U по L-серии;

– время измерения должно быть не более 60 с.;

– время установления рабочего режима не более 5 мин;

– время непрерывной работы в автоматическом (носимом) режиме не менее 2 час.;

– диапазон рабочих температур – от 20⁰С до +40⁰С;

– масса: диагностика с РИ – не более 3 кг.; носимого спектрометра с ЭВМ типа Notebook и источником питания – не более 10 кг.

В результате исследования был создан образец переносного РФ-анализатора с РИ, структурная схема которого показана на рис. 1. Общий вид прибора показан на рис. 2.

Конструктивно анализатор состоит из двух частей: датчика, в котором смонтирован детектор с предусилителем и установлен РИ в виде моноблока и электронно-измерительной части (усилитель – формирователь – АУП - ЭВМ) с блоком питания (аккумулятором).

В ходе испытаний образца анализатора мощность экспозиционной дозы на поверхности датчика при максимальных режимах работы РИ (38 кВ, 100мкА) составила 0,47 мбэр/час, что удовлетворяет санитарным требованиям. Мощность дозы на расстоянии 1 м. соответствовала уровню естественного фона. Диапазон определяемых элементов соответствовал сформулированным выше требованиям.

Результаты анализов образцов латуни и нержавеющей стали даны в табл. 1, 2.

Таблица 1. Результаты анализа латуней

Марка	Состав по ГОСТ 15527-70, %		Измеренный состав, %
	Медь	Цинк	Медь	Цинк
Л96	95,0-97,0	3,0-5,0	95,64	4,36
Л63	62,0-66,0	34,0-38,0	65,85	34,15
Л90	88,0-91,0	9,0-12,0	90,59	9,41
Л68	67,0-70,0	30,0-33,0	69,46	30,54

Таблица 2. Результаты анализа нержавеющей стали марки 12X18H10T

Элемент	Состав по паспорту, %	Измеренный состав, %
Титан	Не более 0,8	0,6
Хром	17,0-19,0	17,75
Железо	Основа	70,81
Никель	9,0-11,0	10,84

Таким образом, разработан и изготовлен прибор нового типа – переносной РФ-анализатор с малогабаритным рентгеновским излучателем в виде моноблока.

Испытания подтвердили большие аналитические возможности созданной аппаратуры.

Рис. 1. Структурная схема прибора

Рис. 2. Общий вид прибора

В заключение авторы выражают благодарность руководству АОЗТ «Южполиметалл-Холдинг» за спонсирование настоящих исследований, УГПУ-УПИ (О. Игнатьев) за разработку и изготовление спектрометра с Si-PIN детектром и ООО «Флэш-Электроникс» (С. Федоровский) за разработку и изготовление моноблочного рентгеновского излучателя.

Литература: В.В. Березкин, А.А. Вайгачев, В.З. Завелев, С.А. Колосков, В.Ю. Родионов, К.И. Щекин. Рентгенорадиометрические анализаторы «ПРИМ-1» и «ПРИМ-1М» и их исследование для идентификации металлов и сплавов // Аналитическая диагностика и средства автоматизации Минатома России для нефтегазового комплекса. ВНИИТФА-ГЦИПК. 1999.

По материалам XIII ежегодного семинара «Спектрометрический анализ, аппаратура и обработка данных на ПЭВМ»