Спектрометрические блоки

 

3.1 Спектрометр с дисперсией по энергии (ППД). Спектрометр с дисперсией по энергии состоит из полупроводникового счетчика, электронной схемы регистрации импульсов со счетчика и многоканального анализатора амплитуды импульсов. В качестве счетчика для регистрации рентгеновских квантов используется полупроводниковый детектор - кристалл кремния с примесью лития. Такой детектор еще называется PIN-диодом, в соответствии с использованием кристалла с p-n областями, между которыми имеется широкая зона i собственной проводимости. Заряженная частица или квант, попадая в счетчике в область, обедненную носителями, расходует свою энергию на ионизацию. Образовавшиеся электроны и ионы движутся под действием внешнего электрического поля, создавая импульс во внешней электрической цепи. Величина импульса пропорциональна числу пар возникающих зарядов, которое пропорционально энергии кванта. Детектор, для уменьшения шумов, охлаждается термоэлементами.

Энергетическое разрешение детектора E/DE» 24 на линии 5,9 кэВ.

 

 

а) б)

Рис. 7 а) Принципиальная схема ППД спектрометра. б) К_a и К_b линии марганца, излучаемые изотопом Fe⁵⁵, полученные на ППД спектрометре.

 

На рис.7 изображены спектральные линии К_a и К_b марганца, излучаемые изотопом железа Fe⁵⁵.

Энергетическая область эффективности данного спектрометра примерно равна: 1,5 – 30 кэВ. В области ~ 1 кэВ проявляются шумы аппаратуры.

3.2. Кристалл-дифракционный спектрометр (КДС). Спектрометр с дисперсией по длине волны представляет собой систему, состоящую из плоского кристалл-анализатора, разлагающего в спектр падающее излучение и пропорционального счетчика в качестве детектора квантов. Пропорциональный счетчик представляет собой газонаполненную разрядную камеру, в которой возникают импульсы тока при попадании в нее рентгеновского кванта, вызывающего ионизацию атомов газа. Величина электрических импульсов пропорциональна энергии рентгеновских квантов. Схема КДС представлена на рис.8а.

 

а) б)

в)

 

 

Рис.8 а) Схема КДС; б) спектр L – серии серебра; в) отражение фотонов от кристалла-анализатора.

 

Для регистрации спектра рентгеновского излучения, возбуждаемого a-частицами при столкновении их с атомами образца в нашей конструкции использован кристалл-дифракционный спектрометр с плоским кристаллом по схеме Соллера. В этих спектрометрах первичное, возбуждающее излучение, попадая на исследуемый образец, вызывает флуоресцентное излучение, которое коллиматором Соллера формируется в параллельный пучок, направляемый затем на кристалл-анализатор.

Если на кристалл-анализатор под углом q падает параллельный пучок фотонов с интенсивностью I₀ (рис. 8в), то от кристалла отражается излучение I с длиной волны l (Å) (или с энергией Е(кэВ) = 12,4/l). Диффракционное отражение происходит при выполнении условия Вульфа-Брэгга:

 

2d sinq = nl (n = 1, 2, 3...), (10)

 

где d - межплоскостное расстояние для отражающей плоскости кристалла, n - порядок отражения, q - угол скольжения. Вращая кристалл-анализатор (изменяя q), проходят спектр. Регистрирующее устройство, которым является пропорциональный счетчик, последовательно фиксирует узкие участки спектра. Энергетическое разрешение КДС определяется типом кристалл-анализатора (в данном случае LiF и пиро-графит) и рядом других факторов и равно l/Dl=E/DE=50 в области ~ 4 Å (~ 3 кэВ) и равно 100 в области ~ 2 Å (~6 кэВ). Энергетическая область эффективности данного спектрометра равна примерно (0.2 ‑ 20 кэВ).

 

Глава III
Учебный лабораторный комплекс
Рентгеновский спектрометр (УЛК РС).

Учебный лабораторный комплекс УЛК РС представляет собой действующую модель двух рентгеновских спектрометров (в технике такими устройствами являются тренажеры), функционально не отличающуюся от своих прототипов – научных установок. УЛК РС состоит из прибора-имитатора и персонального компьютера. Компьютер управляет прибором, включая и выключая различные блоки установки, выводит на экран по команде спектры различных элементов, предлагает пользователю математический инструмент для обработки спектров и методический аппарат для выявления физических закономерностей, полученных в результате эксперимента.

 

Приборная часть.

 

Модель спектрометра состоит из:

1. Рентгеновской трубки и источника a-частиц.

2. Диска с набором мишеней-образцов.

3. КДС спектрометра.

4. ППД спектрометра.

 

а) б)

Рис.9 а) спектрометрический блок УЛК РС. б) геометрия основных узлов прибора.

 

На рис. 9 представлены фотография прибора и геометрия расположения основных блоков.

Геометрия расположения блоков спектрометра имеет трехмерную конфигурацию, изображенную на рис. 9а. 1 - Рентгеновская трубка и источник a-частиц. 2 – Диск с образцами. 3 – КДС, 4 – ППД. Основные узлы расположены по координатным осям правой тройки, повернутой вокруг оси Х на 135⁰ по часовой стрелке.

Плоскость мишени (на торце диска) расположена в начале координат под углом 45⁰ к оси Х'. На оси Х' находятся источники первичного излучения. На осях Z' и Y' соответственно КДС и ППД.

Первичное излучение (фотоны, a-частицы) попадает на образец и возбуждает в нем вторичное излучение, которое затем регистрируется под углом 90⁰ относительно направления возбуждающего пучка с помощью ППД или КДС.

На передней панели прибора имеется цифровой индикатор, указывающий номер образца, кнопки со световыми диодами-индикаторами для включения различных узлов прибора и кнопка включения питания установки. Сигналы со спектрометра передаются в компьютер через последовательный порт.

Для записи спектра под индикатором имеется кнопка «набор спектра».