МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РЕНТГЕНОВСКОГО АБСОРБЦИОННОГО КОНТРОЛЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СРЕД, ОСНОВАННЫЕ НА МОНОХРОМАТИЗАЦИИ ЗОНДИРУЮЩЕГО ПУЧКА ГЕНЕРИРУЮЩЕГО ИСТОЧНИКА

Введение 3
Глава 1. Численное моделирование характеристик пучков рентгеновского излучения от генерирующего источника 29
1.1. Численное моделирование спектров источников РИ 31
1.2. Преимущества использования пучков монохроматического РИ 36
Глава 2. Модуль монохроматизации рентгеновского излучения на основе активного кварцевого элемента 47
2.1. Изготовление экспериментального образца акустомонохроматора на основе
кристаллического кварца 48
2.2. Описание экспериментальной схемы для исследований процесса дифракции пучков рентгеновского излучения при использовании акустомонохроматора. 52
2.3. Юстировка кристаллов в креплении гониометра 57
2.4. Экспериментальные исследования процесса дифракции 60
Глава 3. применение пучков монохроматического рентгеновского излучения от акустомонохроматоров в абсорбционном контроле 72
3.1. Устройство для рентгеновского абсорбционного элементного анализа 73
3.2. Источник излучения с линейчатым спектром для контроля компонентного
состава многокомпонентных жидкостей 80
Заключение 96
Приложение А 99
Приложение Б 125
Приложение В 133
Приложение Г 134
Приложение Д 135
Приложение Е 136
Список литературы
Купить

Повышение эффективности лабораторных исследований и промышленного производства в таких ведущих отраслях народного хозяйства, как атомная энергетика, нефтегазовая, горнодобывающая, металлургическая, химическая промышленность и ряд других во многом зависит от совершенствования технологических процессов. Оптимизация технологических процессов в свою очередь определяется качеством и эффективностью аналитической техники, в том числе и лабораторной. Многие задачи технологического контроля могут быть решены с помощью экспрессных и высокопроизводительных методов лабораторного анализа отобранных технологических образцов. При этом требования к чувствительности и точности таких анализов постоянно растут. Кроме того, широкий ряд задач требует контроля непосредственно на производстве, в ходе технологического процесса. Также стоит отметить, что с ходом технологического прогресса требования к точности такого контроля достигают уровней, еще недавно предъявляемых к лабораторным исследованиям.
Кроме контроля технологических процессов остро стоят задачи борьбы с контрафактными медикаментами и охраны окружающей среды, которые не могут быть решены без создания высокочувствительных аналитических комплексов.
Отдельно стоит задача элементного анализа сверхчистых элементов, которая сопряжена с рядом подзадач по обеспечению сохранности первичного состава проб на стадиях пробоподготовки и исследования.
Решение указанных задач возможно только при наличии методов и аппаратуры, дающих возможность получить в достаточном объеме и необходимого качества аналитическую информацию о контролируемых средах, которые чаще всего характеризуются многокомпонентностью, широким диапазоном атомных номеров, большой изменчивостью физико-химических свойств. Применение для этого химических методов затруднено из-за недостаточной экспрессности и производительности, а также ввиду сложности их автоматизации.
Обобщение сформулированных проблем позволяет сделать вывод о больших потенциальных возможностях для их решения ядерно-физических методов анализа и особенно методов, основанных на применении рентгеновского излучения (РИ), которые обладают экспрессностью, универсальностью и возможностью автоматизации основных аналитических операций.
Спектр рентгеновских исследований, используемых сейчас в различных областях науки, промышленности и медицины, необычайно широк. С момента открытия РИ в 1895 году и до настоящего времени методы его использования непрерывно совершенствовались. Первоначально, исследования с применением РИ основывались на получении обычных теневых снимков, и использовались для целей обычной двухмерной визуализации в медицинской диагностике и дефектоскопии. Однако к настоящему времени, к уже упомянутым направлениям добавились такие как рентгенофлуоресцентный и рентгеноструктурный анализы, рентгеновские томография и топография, различные виды рентгеновской абсорбционной спектроскопии; РИ применяется в биологических исследованиях, например для целей дешифровки структуры белковых молекул и т.д.
В настоящее время, применение пучков МРИ востребовано широким кругом аналитических задач. Такие пучки оказываются востребованы, например, в диагностике материалов с низким линейным коэффициентом поглощения. Так в работах [3-5] показаны преимущества применения МРИ с энергиями от 5 до 25 кэВ в абсорбционной томографии и топографии некоторых кристаллических материалов (таких как природный алмаз), в работе [6] -
необходимость применения МРИ в биологических исследованиях. Авторы работы [6] отмечают, что использование абсорбционного и рефракционного методов рентгенодиагностики на пучках МРИ в таких исследованиях позволяет получать гораздо более качественные изображения по сравнению с рентгенограммами, выполненными на стандартных рентгеновских аппаратах, что и обуславливает преимущества применения таких пучков. В работе [6] применение РИ в биологических исследованиях рассматривается прежде всего для рентгенографии макрообъектов, однако МРИ находи широкое применение и в исследованиях микроскопических объектов, например в дешифровке белковых кристаллов методами рентгеноструктурного анализа [7-9]. При этом для таких исследований особо подчеркивается необходимость использования пучков РИ с высокой интенсивностью [10].
Другим направлением исследований, требующим применения высокоинтенсивных пучков МРИ, является так называемая рентгеновская абсорбционная спектроскопия (X-ray absorption spectroscopy, XAS). В настоящее время под этим термином подразумевается набор методик для исследования так называемой «тонкой структуры края поглощения» с целью определения атомной структуры вещества, состоящего из атомов разных химических элементов. Суть этих методик сводится к тому, что исследуемый образец последовательно облучается набором линий МРИ с энергиями в районе края поглощения атомов одного из химических элементов входящих в его состав, благодаря чему получают энергетическую зависимость коэффициента поглощения РИ. Такая зависимость будет содержать осцилляции, которые обусловлены интерференционными эффектами при рассеянии электромагнитной волны, испускаемой атомом, поглотившем квант РИ на соседних атомах. Анализ таких спектров позволяет сделать выводы об атомной структуре вещества: определить координационные числа, межатомные расстояния и т.д. Область интереса при этом составляет порядка 1000 эВ за краем поглощения. В XAS выделяют два основных направления: EXAFS-спектроскопия (Extended X-Ray Absorption Fine Structure) и XANES- или NEXAFS-спектроскопия (X-ray Absorption Near Edge Structure или Near Edge X-ray Absorption Fine Structure, соответственно). Разница между этими направлениями заключается в той области спектра поглощения, которая анализируется в том или ином методе. С физической же точки зрения, разница заключается в преобладании эффектов однократного (EXAFS) или многократного (XANES) рассеяния. Требования к интенсивности излучения для данных методик настолько высоки, что исследования с их использованием в настоящее время практически полностью проводятся только на источниках синхротронного излучения (СИ) [11-15].
Несмотря на высокий интерес к использованию пучков МРИ в различных областях науки, их применение в настоящее время сталкивается с существенными ограничениями. Главным препятствием к более активному внедрению методов, основанных на применении МРИ является тот факт, что при монохроматизации первичного пучка РИ стандартными методами интенсивность итогового зондирующего пучка оказывается существенно снижена, что ведет к значительному увеличению времени рентгеновского исследования, уменьшению эффективности использования зондирующего пучка, а, зачастую, и к полной невозможности проведения многих исследований на стандартных лабораторных генерирующих источниках. Так монохроматизация пучка излучения рентгеновской трубки путем дифракции на стандартном кристаллическом монохроматоре, обеспечивает достаточную интенсивность только на энергиях, соответствующих линиям характеристического излучения материала анода трубки. Интенсивность же монохроматических линий, полученных вне пиков характеристического излучения низка и не обеспечивает необходимых для приложений параметров [22]. Подобная проблема актуальна и при использовании методов фильтрации для получения МРИ, поскольку позволяет добиться приемлемого уровня интенсивности только на линиях характеристического излучения. Так, в работах [21, 23] говорится, что традиционная методика мамографического рентгеновского исследования включает в себя генерацию пучка РИ на мощной молибденовой трубке, после чего такое излучение пропускается через фильтр, также выполненный из молибдена. Кванты РИ, получаемые таким образом, имеют энергию ~ 17 кэВ, что не всегда оказывается достаточно. Отдельно подчеркивается, что для получения оптимального соотношения сигнал/шум требуется изменять энергию квантов РИ от 17 до 25 кэВ в зависимости от размеров объекта исследования и других параметров эксперимента, приведенная же методика не позволяет варьировать значение энергии получаемых фотонов, что вынуждает проводить исследования только на фиксированной энергии составляющей примерно 17 кэВ.
Очевидным решением могло бы быть использование рентгеновских трубок с анодами, выполненными из различных материалов, линии характеристического излучения которых перекрывают диапазон необходимых энергий. Помимо очевидных недостатков, связанных с необходимостью держать целый парк генерирующих источников на основе рентгеновских трубок с различными анодами существует и другая, технологическая проблема, решение которой не найдено до сих пор. Заключается она в том, что в настоящее время невозможно изготовить аноды рентгеновских трубок, обеспечивающие генерацию характеристического излучения в диапазонах примерно от 22 до 59 кэВ (что соответствует характеристическим линиям Ag и W, соответственно [24]) при условии сохранения стандартных для рентгеновских трубок интенсивностей генерирующего электронного пучка. Это физическими свойствами материалов лежащих в диапазоне атомных номеров от 47 (Ag) до 74 (W), в первую очередь одновременно низкими теплопроводностью и температурой плавления, что приводит к быстрому разрушению анода под действием тепловой энергии, выделяемой в процессе генерации РИ [25]. Очевидно, уменьшение интенсивности генерирующего пучка ведет к пропорциональному уменьшению интенсивности генерируемого им РИ. Для решения данной проблемы в работе [26] предложено использовать аноды из композитных материалов, представляющих собой легкую углеродную матрицу, легированную в приповерхностном слое (порядка 20 мкм) атомами металлов из ряда лантаноидов, такими как церий, празеодим, гадолиний, с поверхностной плотностью от 5 до 10 мг/см2. Предполагается, что за счет углерода, обладающего хорошей теплопроводностью и способностью выдерживать высокие температуры в вакууме в виде графитовой фольги, силицированного графита или стеклографита, можно решить проблему тепловых нагрузок на анод. Отмечается, что стеклографит является вакуумоплотным при низкой плотности ~ 1,2 г/см3. В работе сделан вывод о том, что создание рентгеновских трубок с подобными анодами позволило бы «устранить дефицит монохроматичных источников рентгена в области30...50 кэВ». Последнее утверждение можно рассматривать как преждевременное. Во-первых, коммерчески доступных трубок с такими анодами на рынке по-прежнему нет. Во- вторых, тот факт, что для генерации характеристического излучения используется анод не из самого металла, а матрицы легированной им, ведет к снижению интенсивности такого излучения.
Несмотря на то, что для некоторых приложений лабораторные генерирующие источники обеспечивают необходимую интенсивность МРИ, даже при использовании стандартных методов монохроматизации, при условии работы на характеристической линии материала анода рентгеновской трубки, даже и в этом случае сталкиваются с проблемой значительного увеличения времени измерения, необходимого для набора нужной статистики, вследствие низкой интенсивности МРИ. Например, в работе [4] для томографических исследований использовали характеристическое Ка излучение молибдена, выделяемое из спектра рентгеновской трубки обычным кристаллическим монохроматором. При этом длительность одного эксперимента с кристаллическим образцом составляла около 3-х часов. Подобные проблемы отмечены и в работах [2, 5]. В работе же [6], где исследования проводились с использованием СИ, подобной проблемы не возникало.
Начиная с девяностых годов двадцатого века, был разработан ряд технических решений для МФР на основе различных физических принципов. Такие решения включают допплеровские ультразвуковые, диэлькометрические, кориолисовы, радиационные и другие расходомеры. Преимущества и целесообразность внедрения МФР обоснована, например, в статье [40]. Также, подтверждением высокой актуальности вопросов создания многофазных расходомеров служит то, что за последние примерно 15 лет высокий интерес к этой теме наблюдается как со стороны научного сообщества [41-46], так и отраслевых изданий [39, 47-56]. Заметным толчком к развитию заинтересованности в средствах МФР непосредственно в России стало принятие в 2005 году ГОСТ Р 8.615-2005 ГСИ «Измерения количества извлекаемых из недр нефти и нефтяного газа. Общие метрологические и технические требования» [57].
Как отмечалось выше, существует множество различных подходов к решению задач МФР. Однако, один из передовых подходов, позволяющий осуществлять невозмущающий, или, иначе говоря, неинтрузивный контроль компонентного состава многокомпонентной среды, интересный с точки зрения данной работы, основан на анализе прошедшего через объект исследования проникающего излучения, например, рентгеновского, гамма или нейтронного. Применение рентгеновских трубок в качестве источника излучения способно обеспечить значительно более высокий поток излучения в заданных энергетических областях (на три-четыре порядка при ширине энергетической линии 10 эВ). Другим неоспоримым преимуществом генерирующих рентгеновских систем является радиационная безопасность на этапах монтажа, транспортировки, установки и технического обслуживания оборудования. К настоящему времени высказан ряд предложений по применению рентгеновских трубок в системах МФР. Как правило, в большинстве случаев предлагается облучать исследуемый поток при двух различных рабочих напряжениях трубки, меняя тем самым энергетический состав спектра излучения, и добиваться таким образом «дуальности» измерений. Такой способ получил название двухэнергетического. Двухэнергетические рентгеновские способы и устройства для определения компонентного состава текучей среды с использованием рентгеновских трубок в качестве источника проникающего излучения описаны в патентах [60, 61]. Существенным недостатком известных технических решений, реализующих способ двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии, является регистрация излучения со сложной спектральной структурой и расчет концентраций компонент потока многофазной жидкости по модели справедливой для моноэнергетического излучения, что приводит к увеличению систематических и статистических ошибок. По-видимому, этим и объясняется отсутствие коммерчески доступных устройств для МФР на основе двухэнергетического способа.
Тем не менее, попытки создания устройств МФР на основе рентгеновских трубок, в том числе и с применением новых способов «дуальных» измерений, продолжаются до настоящего времени и не теряют своей актуальности. Работы в данном направлении привели к созданию устройства «X-ray based densitometer for multiphase flow measurement» [62], запатентованному в 2012 году компанией Roxar, с источником FluorX [63, 64] для генерации рентгеновского пучка с квазилинейчатым спектром вторичной флуоресценции, являющимся по своей сути рентгеновской трубкой с вторичной мишенью. Данное устройство, однако, также не лишено недостатков, главным из которых является уменьшение интенсивности характеристических линий за счет переизлучения. Как подчеркивалось выше, в результате переизлучения теряется около 3-х порядков в интенсивности, по сравнению с первичной флуоресценцией. Последнее ведет к снижению интенсивности практически до уровня устройств на основе радиоактивных изотопов. К недостаткам также относится наличие фонового излучения, которое состоит из рассеянного тормозного излучения со сплошным спектром и характеристического Кр излучения. Интенсивность фонового излучения сравнима с интенсивностью полезного характеристического Ка излучения, что приводит к нежелательной загрузке детектора. Наличие столь интенсивного фонового излучения ведет к увеличению ошибок. Как следствие, представленное устройство хоть и способствует улучшению радиационной безопасности, но не обеспечивает значительного увеличения точности и экспрессности измерений по сравнению с устройствами на основе технологии Vx.
Таким образом, вопрос разработки новых систем бессепарационной радиационной МФР и их составляющих, в первую очередь радиационных плотномеров и концентратомеров остается актуальным. Последний вопрос особенно остро стоит именно в Российской Федерации в связи с тем, что в соответствии с энергетической стратегией России на период до 2020 г. [65] долгосрочными ориентирами определены энергетическая и экологическая безопасность. Под энергетической безопасностью понимается минимальная опасность внешних и внутренних угроз энергоснабжения страны, которые могут нарушить устойчивое развитие. Рассматривая в этом контексте нефтегазодобывающую промышленность, отмечают низкий уровень техники и технологии промыслов, обуславливающий высокие издержки производства, высокую аварийность и экологические проблемы, а также технологическую зависимости от импорта [41]. Говоря о системах МФР, для иллюстрации последнего факта достаточно указать, что все коммерчески доступные устройства, либо напрямую импортируются из-за рубежа (например, Phasetester от Schlumberger, MPFM 2600 от Roxar), либо производятся в России по лицензии с небольшими модификациями на основе зарубежных технологий (например, ОЗНА Vx от ОЗНА). Последнее напрямую угрожает независимости энергетического сектора страны, что было наглядно продемонстрировано в последние годы с введением рядом стран санкций против нефтегазового сектора Российской Федерации, ограничивающих импорт высокотехнологичных устройств.
Следовательно, ниша по созданию источника МРИ с перестраиваемой энергией, или с линейчатым спектром, обеспечивающим относительно высокую интенсивность, для применения в устройствах МФР остается открытой.
Таким образом, из вышесказанного следует, что сейчас весьма остро стоит вопрос о создании таких источников МРИ, которые отвечали бы требованиям относительной компактности и дешевизны, и/или разработки методов повышения интенсивности МРИ, получаемого от стандартных источников. Создание же специализированных источников такого излучения, или излучения с линейчатым спектром востребовано не только для научных исследований и лабораторного анализа, но и для решения некоторых реальных технологических задач.
В настоящее время большое внимание уделяется попыткам создания источников МРИ на базе малогабаритных ускорителей электронов. Предлагается, например, проводить монохроматизацию тормозного излучения пучка электронов с энергией до 10 МэВ с использованием стандартных кристаллических монохроматоров. При этом за счет увеличения интенсивности генерируемого излучения в расчете на один электрон возможно получать большую интенсивность конечного пучка РИ [66, 67]. В другом направлении работ предлагается использовать эффект параметрического рентгеновского излучения. Суть данного эффекта заключается в интерференции электромагнитных волн излучаемых атомами кристаллической решетки, возбуждаемых пролетающей заряженной частицей. В другом подходе эффект может быть описан как дифракция виртуального поля фотонов движущейся заряженной частицы на кристаллических плоскостях мишени [68]. Рассмотрению возможности создания такого источника посвящен ряд работ [23, 69-72]. Также для создания подобных источников рассматривается эффект излучения релятивистских электронов с энергиями порядка 20 МэВ при каналировании в кристаллах [1]. Еще в одном способе используются электроны с энергией несколько десятков МэВ, на которых рассеивается лазерное излучение. В результате комптоновского рассеяния генерируется монохроматический пучок фотонов с энергией до 100 кэВ [11]. Несмотря на перспективность источников в рассмотренных работах, их применение, по большому счету, к настоящему времени так и не вышло за рамки экспериментальных исследований и предложений. Широкому внедрению в лабораторном анализе и контроле технологических процессов, по -видимому, в значительной мере мешает тот факт, что стоимость таких источников оказывается много больше стоимости генерирующих источников на базе рентгеновских трубок. Хотя во многих приложениях применение таких источников выглядит весьма заманчиво, в силу того, что они способны занять некий «промежуточный» уровень между рентгеновскими трубками и источниками СИ по показателям яркости создаваемых пучков и стоимости источника.
В работах [82-95] наблюдалось ослабление аномального прохождения (pt > 10) рентгеновских лучей через кристалл при воздействии ультразвуковой (УЗ) волны с волновым вектором, перпендикулярным отражающим плоскостям. Экспериментальные и теоретические результаты этих работ показали высокую чувствительность интенсивности аномального прохождения к акустическим деформациям. На этой основе были разработаны прецизионные методы измерения динамических параметров кристаллов для рентгеновского и нейтронного излучений. В ходе этих исследований был обнаружен и исследован эффект осцилляции интенсивности рентгеновского рефлекса при изменении амплитуды возбужденных в кристалле акустических колебаний. Наблюдаемый эффект позволяет локально и с высокой чувствительностью проводить измерение амплитуды ультразвука. Определенный интерес представляет экспериментальное рассмотрение «зануления» аномально проходящих пучков через кристалл при воздействии на кристалл акустического волнового поля. На основе этого явления была предложена электронная система, с помощью которой в режиме накопления рентгеновских квантов можно восстановить периодические импульсные электрические сигналы, передаваемые на кристалл.
Однако с точки зрения создания активных рентгенооптических элементов интерес случай pt ~ 1. В работах [88-90] наблюдалось изменение интенсивности Лауэ-дифрагированного рентгеновского излучения при наложении переменного электрического напряжения резонансной частоты на пьезокристал. Результаты этих исследований показали, что наличие акустических полей приводит к увеличению интенсивности отраженных пучков, и увеличение интенсивности не зависит от моды осцилляций, а зависит от амплитуды.
Начиная с 1980 г. авторами [91-102] были проведены всесторонние исследования посвященные управлению в пространстве и во времени параметрами рентгеновских пучков при наличии внешних воздействий на рассеиватель. Фактически этими работами было задано новое направление в физике рентгеновских лучей. В этих работах впервые для рентгеновских лучей наблюдалось явление полной переброски рентгеновских лучей из направления прохождения в направление отражения при дифракции на акустической сверхрешетке в случае Лауэ-геометрии. Была показана возможность фокусировки и дефокусировки пучков РИ при определенных параметрах внешних полей. Экспериментально было показано, что с помощью температурного градиента или УЗ колебаний можно в пространстве и во времени управлять фокусным расстоянием от -да до +да. Проводились исследования и по управляемому изменению интенсивности пучков РИ в широких пределах частот пьезопреобразавателя. В этих работах впервые осуществлена высокочастотная - низкочастотная (двойная) модуляция пучков РИ, когда на кристалл подаются УЗ колебания, модулированные по разным законам.
Авторы работ [88, 89] впервые наблюдали явление полной переброски рентгеновских лучей из первоначального направления в направление отражения в монокристаллах кварца, находящихся под действием температурного градиента или акустической волны в случае Лауэ. Первые теоретические расчеты [89, 90] с целью объяснить экспериментальные данные были выполнены в приближении плоской рентгеновской волны. В дальнейшем теоретически исследовано явление полной переброски рентгеновского пучка со сферическим фронтом волны в кристаллах с помощью внешних возбуждений [91]. В работе [92] экспериментально исследована угловая ширина полностью перебрасываемого рентгеновского пучка в зависимости от толщины исследуемого монокристалла. В работе [93] экспериментально исследована зависимость полуширины кривой качания от величины внешних воздействий. Показано, что с помощью кривых качания, измеренные в различных областях кристалла, можно определить радиус изгиба отражающих атомных плоскостей и тем самым определить градиент деформации в кристалле.
Одной из важных проблем в процессе управления РИ является его фокусировка. В работах [94-96] экспериментально показано, что с помощью акустических полей и температурного градиента (ТГ) можно управлять местоположением фокуса в пространстве, а также преобразовывать сферическую волну в плоскую.
Управление параметрами дифрагированного рентгеновского пучка, в других аспектах, таких как временная и пространственная модуляция, было представлено в работах [98-110]. В работе [98] была исследована картина акустических мод УЗ колебаний в кристаллическом кварце. Аналогичная работа была выполнена и авторами статей [99, 100]. На кристаллические образцы кварца с толщинами от 0,8 мм до 1,6 мм, был направлен узкий пучок РИ (0,05 мм). В зависимости от того, на какой гармонике был возбужден кварц, на рефлексе получалось соответствующее количество полос. Полосы были получены и топографически, и с помощью сцинтилляционного счетчика. Высокочастотная- низкочастотная (двойная) модуляция дифрагированного РИ с целью передачи электрических сигналов низкой частоты осуществлена авторами работ [101-106]. Суть такой передачи заключалась в том, что с помощью модулированного электрического сигнала, который передается на кристалл -модулятор кварца, интенсивность дифрагированного рентгеновского пучка претерпевает изменение по закону изменения амплитуды модулированного электрического сигнала. Также был разработан принципиально новый способ определения добротности монокристаллов с помощью РИ.
Для получения рентгеновских пучков с заданными параметрами применяются и другие методы. В частности, в статье [111] предлагается использовать эффект пьезоквазимозаичности для повышения светосилы. В работе [112] были разработаны зеркала, действующие на принципе полного внутреннего отражения рентгеновских лучей. Благодаря технологическому прогрессу искусственно были получены зеркала с периодичной многослойной структурой [113]. Сейчас разрабатываются новые технологии для получения эллиптических, параболических, цилиндрических зеркал с целью увеличения их светосилы [114]. Для фокусировки рентгеновских пучков используются френелевские зонные пластины [115]. Однако отметим, что в этих работах для повышения эффективности вышеуказанных рентгенооптических элементов существенным препятствием являются технологические трудности, связанные со структурой, обуславливающей необходимость тонкой и точной обработкой материалов. Особенно их эффективность ограничивается из -за поглощения рентгеновских лучей. Еще одним недостатком таких элементов рентгеновской оптики является то, что изготовленные подобным образом элементы предназначены для строго определенного случая.
С этой точки зрения, элементы рентгеновской оптики с применением УЗ волн, выгодно отличаются от вышеупомянутых, т.к. изменяя параметры УЗ полей можно в широком диапазоне изменять параметры пучка РИ.
Таким образом, повышение эффективности рентгеновских исследований в настоящее время является актуальной задачей, которую можно решить путем разработки и внедрения методов рентгеновских исследований на пучках МРИ. При этом, проблема низкой интенсивности пучка РИ после монохроматизации может быть решена путем разработки новых элементов рентгеновской оптики, в частности, основанной на кристаллах, находящихся под внешним возбуждающим воздействием.
Целью данной работы является разработка методов повышения чувствительности рентгеновского абсорбционного анализа для контроля многокомпонентных сред и устройств для их реализации на основе современных устройств рентгеновской оптики.
Результатами работы являются: программный код для численного моделирования взаимодействия пучков электронного и фотонного излучений с аморфными мишенями, позволяющий рассчитывать спектральные характеристики пучков РИ; прототипы активных монохроматоров (акустомонохроматоров), позволяющих получать пучки МРИ с интенсивностью примерно в 5 раз выше, чем при использовании традиционных монохроматоров, устройство для рентгеновского абсорбционного элементного анализа , обеспечивающее чувствительность на уровне 10-4 по массовому содержанию; устройство для контроля компонентного состава многокомпонентных сред , обеспечивающее определение компонент смеси с концентрацией до 0,1% за время одиночного измерения 1 секунда.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, 6 приложений и списка цитируемой литературы, содержащего 152 библиографические ссылки. Общий объем диссертации составляет 156 страниц и включает 47 рисунков и 5 таблиц.
Во введении обосновывается актуальность темы исследования, проводится обзор научных областей, в которых востребовано применение пучков монохроматического излучения, рассмотрены методы получения пучков монохроматического и квазимонохроматического излучения, а также обзор работ, посвященных дифракции рентгеновского излучения в кристаллах с инициированной внешними воздействиями сверхрешеткой.
В первой главе описан программный код, выполненный с использованием инструментария GEANT4, для численного моделирования спектральных характеристик РИ. С использованием разработанного кода проведен расчет типовых спектров генерирующих источников на базе рентгеновских трубок. Для типового рентгеновского абсорбционного исследования рассчитаны такие параметры как контраст, и сигнал/шум, а также поглощенной дозы излучения в исследуемом объекте, на основании чего показано преимущество использования МРИ.
Во второй главе описан модуль для монохроматизации РИ на основе активного кварцевого элемента. Приведены результаты экспериментальных исследований дифракции РИ на таком монохроматоре. Исследованы частотные и амплитудные зависимости интенсивности дифрагированного рентгеновского излучения в присутствии электромагнитного возбуждения кристалла и показана возможность увеличения интенсивности излучения в 5 раз при использовании адаптивной рентгеновской оптики по сравнению с традиционными монохроматорами.
В третьей главе предложены устройства для рентгеновского абсорбционного анализа на основе разработанного акустического монохроматора . Методом численного моделирования на основе разработанного в первой главе программного кода оценена чувствительность предложенного устройства для элементного абсорбционного анализа, которая составила не менее 10 -4 по массе. Описано устройство для контроля компонентного состава многокомпонентных сред, обеспечивающее определение компонент смеси с концентрацией до 0,1% за время одиночного измерения 1 секунда .
В Заключении излагаются основные результаты диссертации.
В приложении А приведено описание программного кода реализованного в рамках первой главы диссертации. В приложении Б приведены чертежи модуля для монохроматизации РИ на основе активного кварцевого элемента, описанного во второй главе. В приложениях В, Г, Д, Е копии полученных при выполнении работы патентов и свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Купить