тел: (495) 600-40-84

Рентгенофлуоресцентный анализ нержавеющей стали-304 с использованием дрейфового кремниевого детектора (SDD) и детекторов с PIN диодом (модели XPIN6 и XPIN13)

В данной статье рассматривается вопрос об оптимальном выборе детектора для задачи элементного анализа безъалюминиевых металлов/сплавов. Рассматриваются детекторы с PIN-диодом и дрейфовый кремниевый детектор (SDD). Полученные результаты показывают, что оба типа детекторов одинаково приемлемы для рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) большинства безъалюминиевых металлов/сплавов. В качестве образца для исследований использовалась нержавеющая сталь-304. Для данной задачи PIN детектор оказался более предпочтительным ввиду его более низкой стоимости в сравнении с SDD детектором.

Сравнение характеристик SDD и PIN детекторов

Ниже приведена сравнительная таблица по основным параметрам энергодисперсионных детекторов двух типов: PIN и SDD.

Тип детектора/

Характеристики

Площадь рабочей области

Разрешение (линия Fe55)

Температура внутренней поверхности детектора

Ограничение входной скорости счёта

Стоимость

SDD

10-50 мм2

120-160 эВ

от -20 до -40 °С

≈500 тыс. отсчётов/сек

Более дорогой

PIN

5-15 мм2

150-220 эВ

от -20 до -40 °С

≈100 тыс. отсчётов/сек

Менее дорогой

Табл.1 Сравнительная таблица основных параметров SDD и PIN детекторов

Типичный SDD детектор превосходит по производительности детектор с PIN-диодом. SDD детектор имеет лучшее разрешение, а также способен зарегистрировать большее количество рентгеновских квантов за заданный промежуток времени. Энергетическое разрешение является важным параметром, так как позволяет разделить фотоны от различных химических элементов, что влияет на достоверность результатов. Повышенная скорость счёта позволяет собрать более точную статистику за определённый временной интервал. Однако PIN детектор имеет преимущество в отношении цены. Данный тип детекторов обычно используется для бюджетных РФА приложений.

 Схема установки

Установка для РФА имела стандартную конфигурацию (рис.1).
XRF setup.JPG

Рис.1 Слева изображена схема установки для РФА анализа с изображением наиболее важных её частей. Справа показана фотография установки. 

В качестве источника рентгеновского излучения использовалась трубка производства Moxtek серии Ultra-Lite (50 кВ, 4 Вт) с вольфрамовым анодом и толщиной бериллиевого окна 250 мкм. Высоковольтное напряжение было установлено на уровне 50 кВ, ток анода – 15-20 мкА. Расстояние от источника до образца составило 25 мм. На передней стороне источника был закреплён рентгеновский фильтр из меди толщиной 70 мкм. Детектор располагался на расстоянии 25 мм от образца (в каждом эксперименте). Толщина рентгеновского окна обеих моделей PIN детектора составила 25 мкм, у SDD детектора – 12 мкм. Сигнал от детекторов обрабатывался процессором спектрометрических импульсов MXDPP-50 производства Moxtek. Используемые рентгеновские источники и детекторы были оснащены латунными коллиматорами, покрытые алюминием. Толщина коллиматора составила 11 мм, диаметр – 3.8 мм. Алюминиевый слой выполнял функцию устранения паразитного сигнала от латуни.

Медный фильтр поглощает большую часть рентгеновских квантов с энергиями менее 15 кэВ от источника, что позволяет добиться наилучшего соотношения сигнал-шум в этой области. Однако данный фильтр не препятствует прохождению L-линии от вольфрама (порядка 8.3 кэВ). L-линия вольфрама улучшает анализ никеля и элементов с более низким атомным числом, однако может быть причиной паразитных пиков в спектре. На рис. 2 показан спектр от образца из чистой пластмассы, содержащий рассеянную L-линию вольфрама и тормозное излучение от источника. 

Spectra from a plastic sample.JPG

Рис.2 Спектр от пластмассы, не содержащей примесей.

В ходе эксперимента сравнивались показатели производительности трёх типов детекторов: SDD, XPIN6 и XPIN13. Подробная сравнительная характеристика приведена в табл.2

Характеристика/Тип детектора

SDD

XPIN6

XPIN13

Площадь рабочей области, мм2

20

6

13

Толщина активной области диода, мкм

500

625

625

Разрешение (линия Fe55), ширина на полувысоте, эВ

150

165

200

Количество отсчётов за 30 сек. (спектр нержавеющей стали), тыс.

349

117

131

Мертвое время, %

26

22

25

Время формирования импульса (MXDPP), мксек.

8

20

20

Ток анода источника, мкА

20

20

15

Температура детектора, °С

-45

-35

-35

Табл.2 Сравнительная характеристика детекторов SDD, XPIN6 и XPIN13.

Из табл.2 следует, что SDD детектор имеет лучшее разрешение, более высокую скорость формирования импульса и большую площадь рабочей области. Скорость счёта SDD детектора примерно в 3 раза выше, чем у PIN детектора. 

Результаты РФА анализа

Нержавеющая сталь - 304 включает в себя кроме железа следующие элементы: <0.03% углерода, <1% кремния, <0.045% фосфора, <0.03% серы, 17.5-20% хрома, 8-11% никеля. Используемая установка не позволяла регистрировать элементы с атомным числом ниже кальция. Удалось проанализировать только элементы с атомным числом выше хрома. Каждый детектор в течение 30 сек. регистрировал сигнал от образца нержавеющей стали-304. На рис. 3 показаны три спектра, полученные детекторами SDD, XPIN6 и XPIN13, где видны основные элементы. На рис.4 показан тот же спектр, только для выделенной области от 5 до 9 кэВ.
Spectra collected from 304 stainless sample.JPG
Рис.3 Спектр, полученный от нержавеющей стали-304 при времени измерения порядка 30 сек. На изображении указаны пики, которые соответствуют основным элементам, содержащимся в образце. Ось Y (число отсчётов) имеет логарифмическую шкалу. 

Spectra rom a 304 stainless steel, ROI from 5 to 9 keV.JPG

Рис.4 Спектр, полученный от нержавеющей стали-304, выделена область от 5 до 9 кэВ.

Из графика видно, что все элементы хорошо идентифицируются. Количественный анализ проводился методом фундаментальных параметров (МФП). Вводными параметрами для данного метода являются настройки источника, характеристики детектора и полученный спектр. Алгоритм программы рассчитывает по этим данным концентрации элементов. В табл. 3 показаны все требуемые параметры для расчёта по МФП. При использовании каждого детектора при условии правильного ввода параметров в программу пользователь получает приблизительно одинаковые результаты (табл.4). В табл. 4 показаны результаты при времени измерения 10 и 30 сек. Для промышленных приложений стоит ориентироваться на режим анализа за 10 сек. При 30-м измерении существенного качественного улучшения результатов не наблюдается. Более высокая скорость счёта SDD детектора не столь необходима для идентификации элементов с концентрациями порядка 0.1% при времени измерения порядка 10 сек. Технические возможности PIN детекторов достаточны для определения нержавеющей стали.

Характеристика источника

Значение

Материал анода

вольфрам

Высоковольтное напряжение

49.3 кВ

Толщина бериллиевого окна

250 мкм

Расстояние от источника до образца

25 мм

Параметры рентгеновского фильтра

Медь, толщина 75 мкм

Характеристика/Тип детектора

SDD

XPIN6

XPIN13

Толщина активной области, мкм

500

625

625

Толщина нечувствительного слоя, мкм

0.15

0.15

0.15

Толщина бериллиевого окна, мкм

12

25

25

Расстояние от образца до детектора, мм

25

25

25

Фильтр

-

-

-

Табл. 3 Технические данные, необходимые для количественного расчёта (определения концентраций элементов в материале) методом фундаментальных параметров. Область интереса в программе была установлена в интервале от 2 до 40 кэВ .


Cr

Mn

Fe

Ni

Mo

Co

Cu

Общее кол-во отсчётов, тыс.

Табличные значения концентраций, %

17.5-

20

<2

Основной

8-11

-

-

-

SDD-30 сек.

18.3

1.5

71.8

7.7

0.09

0.03

0.59

349

PIN6-30 сек

18.3

1.7

71.5

8.0

0.12

0.03

0.31

117

PIN13-30 сек

18.5

1.7

71.3

8.1

0.12

0.02

0.16

131

SDD-10 сек

18.5

1.7

71.0

7.9

0.09

0.03

0.58

117

PIN6-10 сек

18.5

1.4

71.5

7.8

0.11

0.02

0.08

51

PIN13-10 сек

18.4

1.4

71.7

7.6

0.13

0.03

0.64

61
















Табл. 4. Результаты расчёта концентраций элементов в образце нержавеющей стали-304 методом фундаментальных параметров при мертвом времени в 30%. 

Выводы

Оба типа детекторов (PIN и SDD) применимы для идентификации большинства безъалюминиевых металлов/сплавов, таких как, например, нержавеющая сталь-304. Детектор с PIN диодом наиболее приемлем для данных приложений ввиду более низкой стоимости.