Рентгеновская спектральная аппаратура. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Рентгеновская спектральная аппаратура - аппаратура для рентгеновской спектроскопии и рентгеноспектрального анализа, в к-рой рентг. излучение исследуемого объекта (или рентг. излучение непрерывного спектра, прошедшее через исследуемый объект) разлагается в спектр, регистрируется и анализируется. С помощью Р. с. а., напр., исследуют тонкую структуру рентг. спектров, определяют элементный состав вещества, осуществляют диагностику высокотемпературной плазмы (по рентг. спектрам многозарядных ионов).

Рентгеновская спектральная аппаратура принципиально отличается от оптич. спектральной аппаратуры, т. к. прозрачных для рентг. излучения оптич. материалов не существует и в Р. с. а. не используется линзовая оптика. Отражение рентг. излучения основано на эффекте полного внеш. отражения (см. Рентгеновская оптика ),а в дисперсионных системах используется дифракция рентг. лучей. В Р. с. а. диспергирующие и фокусирующие элементы объединены. Для рентг. излучения с длиной волны l < 2 А вся оптич. часть Р. с. а. должна быть помещена в вакуум, высокая энергия квантов рентг. излучения (10²-10⁶ эВ) позволяет проводить его регистрацию в счётном режиме.

Рентгеновскую спектральную аппаратуру классифицируют по способу разложения излучения в спектр, типу рентг. источника и способу регистрации излучения. В дисперсионной Р. с. а. для разложения излучения в спектр используют диф-ракц. решётки и кристаллы-анализаторы, в недис-персионной - нужный узкий участок спектра выделяют сцинтилляц. счётчиком или пропорциональным счётчиком и полупроводниковым детектором с амплитудным анализатором импульсов. Источниками рентг. излучения могут служить высокотемпературная плазма, синхротроны, рентг. трубки, причём с помощью Р. с. а. исследуют как спектры испускания (флуоресцентные спектры), так и спектры поглощения (абсорбционные). По способу регистрации излучения Р. с. а. разделяют на спектрографы с фоторегистрацией (применяются в осн. в рентг. спектроскопии) и спектрометры с регистрацией детекторами рентг. квантов. По области спектра Р. с. а. делится на коротковолновую (с длиной волны l - 0,1 : 2 А), длинноволновую (l ~ 2 : 20 A) и ультрадлпнноволновую (l ~ 20:100A) аппаратуру.

Рис. 1. Схема рентгеновского спектрометра с вогнутой дифракционной решёткой: G - дифракционная решётка; S - щель; I - источник излучения; f- фокальная окружность; О' - её центр; О - центр окружности, по которой изогнут кристалл, или центр вогнутой дифракционной решётки; D - детектор; l₁, l₂ - дисперсионные лучи (l₂ > l₁)·

В дисперсионной Р. с. а. в ультрадлинноволновой области спектра излучение разлагают в спектр с помощью вогнутых дпфракц. решёток скользящего падения (рис. 1). Разрешение спектрометров с дифракц. решёткой, как правило, ограничивается шириной входной щели и равно

где S - ширина щели, d - период решётки, т - порядок дифракции, R - радиус_о решётки.

В области спектра с l < 20 А излучение разлагают в спектр с помощью кристаллов-анализаторов (табл.), в них происходит дифракция рентгеновских лучей на атомной структуре.

В случае более ДВ-излучения дифракция происходит при отражении излучения от поверхности кристалла, в случае КВ-излучения - при его прохождении через кристалл. В первом случае отражающие атомные плоскости должны быть расположены вдоль, во втором - перпендикулярно поверхности кристалла. В Р. с. а. используются плоские (рис. 2), выпуклые (рис. 3) и вогнутые кристаллы-анализаторы. Схемы с выпуклыми и плоскими кристаллами позволяют исследовать излучение в широком диапазоне спектра, но являются дефокусирующими. Для повышения светосилы в спектрометрах с плоским кристаллом служит многопластинчатый коллиматор Соллера (рис. 4), ограничивающий угл. расходимость падающего на кристалл излучения от 1° до неск. угл. минут. В фокусирующей Р. с. а. применяются вогнутые кристаллы с цилиндрич. и сферич. поверхностями. В методах Иоганна (рис. 5), Кошуа (рис. 6) и Дю-Монда (рис. 7) плоская кристаллич. пластинка изгибается по цилиндрич. поверхности радиуса R, а щель располагается на фокальной окружности радиуса r = Л/2; эти методы дают довольно острую (но не строго точную) фокусировку спектральных линий. В методе Иоганссо-на (рис. 8) после предварит. изгиба пластинки кристалла по радиусу R её шлифуют, доводя до цилиндрич. поверхности радиуса r = R/2, что обеспечивает точную фокусировку спектра на фокальную окружность. В методе Гамоша (рис. 9) применяются цилиндрически изогнутые кристаллы, а щель и плоскость регистрации располагаются на оси цилиндрич. поверхности. Фокусировка в этом случае осуществляется в направлении, перпендикулярном направлению дисперсии. Спектральное разрешение в кристаллич. спектрометрах ограничивается разрешением выбранного кристалла-анализатора.

Рис. 2. Схема рентгеновского спектрометра с плоским кристаллом: К - кристалл-анализатор (остальные обо-; значения см. на рис. 1).

Рис. 3. Схема рентгеновского спектрометра с выпуклым кристаллом (обозначения на рис.3- 9 те же, что на рис. 1 и 2).

Рис. 4. Схема рентгеновского спектрометра с плоским кристаллом и коллиматором Соллера (С).

В качестве детекторов в Р. с. а. используются рентг. фотоплёнка, газовые детекторы (ионизационные камеры, пропорциональные счётчики, Гейгера счётчики), сцинтилляиионные детекторы, полупроводниковые детекторы и др. (см. Детекторы частиц). Выбор детектора зависит от характера решаемой задачи, спектрального диапазона, требований к чувствительности, пространственному или временному разрешению и др. причин. Недисперсионная Р. с. а. основана на особенностях поглощения рентг. лучей в веществе и работы нек-рых детекторов рентг. излучения. В ультрадлинноволновой области спектра монохроматизация излучения (l/Dl - - 10) обеспечивается сочетанием тонких поглощающих фильтров из разл. материалов и зеркал скользящего падения, а также с помощью многослойных интерференц. зеркал. В ДВ- и KB- областях для выделения сравнительно узких участков спектра применяется неск. пар сбалансиров. фильтров с одинаковым коэф. пропускания во всей области спектра, за исключением узкой области между краями поглощения элементов, из к-рых сделаны фильтры каждой пары. Фотометры с такими фильтрами и радиоактивным изотопом в качестве источника первичного излучения служат для флуоресцентного и абсорбционного рентг. излучения (сцинтилляц. и пропорц. счётчики, полупроводниковые детекторы); возможен такой режим работы, когда амплитуда регистрируемого импульса пропорц. энергии рентг. кванта. С использованием амплитудного анализатора импульсов детектора можно проводить измерения интенсивности излучения в зависимости от энергии квантов

. Такие детекторы регистрируют непосредственно рентг. излучение и могут работать в качестве спектрометров, характеризующихся очень высокой светосилой, но сравнительно небольшим спектральным разрешением (для пропорц. счётчика

для полупроводникового детектора

они применяются в рентгеновском спектральном анализе.

Рентгеновские спектрометры, выпускаемые пром-стыо и предназначенные для рентгеновского спектрального анализа, разделяются на простые (одноканальные), регистрирующие узкий участок спектра, в к-ром находится аналитич. линия определ. элемента, двухка-нальные и многоканальные (квантометры). Т. н. микроанализаторы позволяют производить локальный спектральный анализ; в них обеспечена возможность либо непрерывного изменения частоты излучения, направленного в определ. точку образца, либо сканирования излучения определ. частоты вдоль одного пространственного направления образца. Возбуждение первичного рентг. излучения образца в микроанализаторах осуществляется электронным пучком (зондом) диаметром ок. 1 мкм, а разложение излучения в спектр - светосильными спектрометрами с изогнутыми кристаллами или вогнутыми дифракц. решётками, а также бескрпс-тальными спектрометрами с полупроводниковыми детекторами рентг. излучения. Анализ регистрируемого излучения (рентгеноспектральный электронно-зондо-вый микроанализ) позволяет получать увеличенное изображение сканируемой поверхности в рентг. излучении определ. элемента и даёт возможность с достаточно высокой точностью получать данные об элементном составе объектов с чувствительностью ок. 10^-15 г.

Литература по рентгеновской спектральной аппаратуры

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.