ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 1, с. 116-121
УДК 543.427.4:550.4.02:550.4.07
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЖЕСТКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИНИМАЛЬНЫХ ПРЕДЕЛОВ ОБНАРУЖЕНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТОДОМ РФА-СИ © 2015 г. А. А. Легкодымов1, К. Э. Купер1, В. П. Назьмов1, Ю. П. Колмогоров2
E-mail: a_legkodymov@mail.ru
На новой станции, использующей синхротронное излучение (СИ) из 7-полюсного вигглера накопителя ВЭПП-4М в Сибирском центре синхротронного и терагерцевого излучения (СЦСТИ) в 2014 г. проведены первые эксперименты по исследованию элементного состава проб на основе анализа спектров их рентгенофлуоресценции. В качестве образцов использовались российские и международные стандарты магматических горных пород и озерных отложений (AGV-1, BCR-1, СВТ-16А, DNC-1, BIR-1, СГД-1А, G-2, БИЛ-1). Получены предварительные результаты по минимальным пределам обнаружения тяжелых и редкоземельных элементов (Z = 55—66) по линиям К-серий характеристического излучения, возбуждаемого фотонами с энергией 56 и 69.2 кэВ. Результаты эксперимента лежат в диапазоне от 0.5 до 2 ppm (г • т—1).
DOI: 10.7868/S0367676515010202
ВВЕДЕНИЕ
Определение редкоземельных элементов (РЗЭ) в геологических пробах имеет большое значение. Это связано с ростом потребности в РЗЭ в современной индустрии. РЗЭ — это важный компонент при производстве лазеров, катализаторов, магнитов, флуоресцентных и сверхпроводящих материалов. Кроме того, РЗЭ содержат ценную информацию
0 породообразующих геологических процессах, которую используют в геохимических исследованиях, поэтому важно уметь определять их концентрации как в производстве высокотехнологичных материалов, так и в природных образцах при геологоразведке месторождений РЗЭ. Одним из традиционных методов определения элементного состава в геологических пробах является рентгенофлуоресцентный анализ на синхротрон-ном излучении (РФА-СИ). Актуальность применения РФА-СИ для этих целей обусловлена высокой экспрессностью и чувствительностью метода, а также простотой выполнения. В настоящее время исследования концентрации тяжелых и РЗЭ методом РФА-СИ проводятся во многих мировых синхротронных центрах, таких как APS (США), ESRF (Франция), SPring-8 (Япония) и др. [1—3].
В Сибирском центре синхротронного и тера-герцевого излучения (СЦСТИ) большим коллек-
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск.
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии и минералогии имени В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск.
тивом исследователей из разных научных групп проводятся работы по использованию РФА-СИ на специализированной станции "Элементного анализа" накопителя ВЭПП-3. Рабочий диапазон энергии фотонов для этой станции ограничен техническими характеристиками накопителя ВЭПП-3 и используемым на станции оборудованием и составляет от 10 до 40 кэВ [4, 5]. В этом диапазоне РФА тяжелых и редкоземельных элементов возможен только по линиям L-серий (от 4.6 до 10.1 кэВ). Излучение К-серии таких элементов, как Ti, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, попадает в указанный диапазон и накладывается на линии La, Lß, Ly РЗЭ, что сильно усложняет определение последних непосредственно в горных породах. Использование фотонов с энергией более 50 кэВ, возбуждающих линии K-се-рии РЗЭ, позволяет решить эту проблему. Кроме того, уменьшается поглощение рентгеновского излучения в матрице образца, что сильно упрощает расчет при проведении количественного элементного анализа.
В связи с модернизацией накопителя ВЭПП-4 для экспериментов в области физики высоких энергий исследовательские работы по элементному анализу в СЦСТИ с использованием жесткого рентгеновского диапазона были прекращены и до настоящего времени не проводились. Однако, с вводом в эксплуатацию в 2014 г. станции СИ "Фазово-контрастная томография и РФА" на накопителе ВЭПП-4М появилась возможность продолжить работы по элементному анализу в диапазоне энергий фотонов от 30 до 100 кэВ.
В этой связи на новой станции были проведены предварительные исследования по определению минимальных пределов обнаружения (MDL)
тяжелых и редкоземельных элементов. Полученные результаты приведены в данной работе.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Работы были выполнены на новой станции СИ "Фазово-контрастная томография и РФА" созданной для проведения научных экспериментов в жестком рентгеновском диапазоне. СИ, используемое на станции, генерировалось в 7-по-люсном вигглере, установленным в прямолинейном промежутке накопителя ВЭПП-4М. Рабочая энергия электронного сгустка в накопителе составляла 4 ГэВ при среднем токе электронов около 10 мА. Магнитное поле в вигглере было установлено близко к максимально возможному расчетному значению и составляло 1.2 Тл. Эти параметры позволили обеспечить высокий поток рентгеновских фотонов с энергией более 50 кэВ.
На рис. 1 представлена расчетная спектральная плотность потока фотонов СИ при проведении эксперимента, и ее сравнение со спектральной плотностью потока фотонов, используемой на станции "Элементного анализа" расположенной на накопителе ВЭПП-3. Вычисления спектрального распределения плотности потоков фотонов СИ на станции "Фазово-контрастная томография и РФА" проводились с учетом алюминиевого фильтра толщиной 2 мм, установленного для предотвращения перегрева рентгенооптических элементов, использовавшихся во время проведения эксперимента. Приведенные спектры на рис. 1 отнормированы на 1 мА тока накопителей. Плотность потока фотонов из накопителя ВЭПП-4М превышает плотность потока фотонов из накопителя ВЭПП-3 более чем на 2 порядка величины в диапазоне энергий фотонов от 56 до 70 кэВ, что делает накопитель ВЭПП-4М более привлекательным для данного рода экспериментов.
Энергия возбуждающего флуоресценцию излучения выбиралась с помощью двухкристально-го монохроматора, работающего в параллельной (бездисперсионной) оптической схеме (п, — п). В качестве энергодиспергирующих элементов применялись монокристаллы кремния с кристаллографической плоскостью (111). Монохроматор позволял выбирать требуемую энергию рентгеновских фотонов в диапазоне от 30 до 100 кэВ. Разрешение монохроматора ЬЕ/Е составляло порядка 10-3, что определялось его расстоянием до точки излучения СИ (Ь1 = 17м), размером входного коллиматора (^ = 1 мм) и кристаллографической плоскостью энергодиспергирующих элементов. Геометрия станции представлена на рис. 2.
Расстояние от монохроматора до образца составляло около Ь2 = 15 м, что позволило, используя набор рентгеновских щелей, избавиться от паразитных рефлексов, возникающих от кристал-
Плотность потока фотонов,
Рис. 1. Расчетные спектральные плотности потоков
фотонов ВЭПП-3 и ВЭПП-4М, нормированные на
1 мА тока накопителей.
лов кремния при брэгговском отражении. Для регистрации спектров флуоресценции использовался кремниевый дрейфовый детектор фирмы АМРТЕК (толщина кристалла 81 — 500 мкм, площадь 25 мм2), разрешение детектора ЬЕ = 125 эВ на энергии фотонов 5.9 кэВ. Детектор устанавливался под 90 градусов к возбуждающему пучку в плоскости линейной поляризации СИ. Это оптимальный выбор направления детектирования, при котором фон от упругого и комптоновского рассеяния первичного излучения минимален. Вид установки РФА-СИ показан на рис 3. Для локализации интересующей области монохроматический пучок перед образцом ограничивался танталовой диафрагмой диаметром 2 мм. Расстояние от диафрагмы до образца составляет 50 мм. На приемную часть детектора устанавливался конусообразный защитный экран, имеющий в центре отверстие диаметром 3 мм. Экран, блокируя попадание излучения на краевые области детектора, позволяет снизить фон, обусловленный неполным сбором заряда в детекторе, а также поглощает внешнее фоновое рассеяние. Расстояние от детектора до образца составляет 5 мм.
В качестве образцов использовали российские и международные стандарты AGV-1, ВСЯ-1, СВТ-16А, DNC-1, В1Я-1, СГД-1А, G-2 магматических горных пород, а также пробы ила озера Байкал — БИЛ-1. Образцы прессовались в тонкие таблетки с поверхностной плотностью 100 мг • см-2. Таблетки упаковывались в специально изготовленные кюветы, состоящие из трех фторопластовых колец. На кольца (как на пяльцы) натягивалась майларовая пленка толщиной 5 мкм, практически герметизировавшая образец.
118
ЛЕГКОДЫМОВ и др.
Блок диафрагм
X-Y подвижка Образец
Щели (гориз. и верт.)
/X
Фильтр (поглотитель)
ВЭПП-4М
Рис. 2. Схема эксперимента РФА-СИ на станции "Фазово-контрастная томография и РФА" накопителя ВЭПП-4М.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Примеры полученных спектров, по которым определялись минимальные пределы обнаруже-
X-Y
перемещатель
Рис. 3. Вид установки РФА-СИ на станции "Фазово-контрастная томография и РФА" накопителя ВЭПП-4М.
ния РЗЭ, представлены на рис. 4 и 5. Значение MDL рассчитывали по формуле (1) [6].
MDL = 3C0^ = 3C.&, r VF
(1)
±0 -VÍJQ
где Ib — счет фона (background count); Ip — счет сигнала (peak count); C0 — концентрация элемента в стандартном образце (CO); Fb — скорость счета фона, Гц; F0 — скорость счета пика, Гц; t — время измерения, с.
На основании анализа полученных спектров были определены минимальные пределы обнаружения РЗЭ при энергиях возбуждения 56 и 69.2 кэВ. Результаты представлены в таблицах 1 и 2. Анализ спектров проводился с помощью программы AXIL (QAXS). Из рис. 4 и 5 видно хорошее разделение линий Ка1 (34719 эВ) и Ка2 (34278 эВ) для церия, что находится в хорошем согласии с теоретическим энергетическим разрешением детектора, составляющем 290 эВ для энергии возбуждения 35 кэВ. Расчетное значение энергетического разрешения детектора было получено из формулы (2) [6]
AE = 2.35VFsE,
(2)
где Е = 0.12 ( фактор Фано для кремния); б = 3.6 эВ (энергия образования электрон дырочной пары в кремнии); Е = 35 кэВ (энергия падающего излучения).
При энергии возбуждения 56 кэВ минимальный предел обнаружения для редкоземельных элементов La, Се, Рг, Nd, 8ш оказался в 4 раза выше, чем при энергии 69.2 кэВ за счет большего сечения фотоэффе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.