Способ неразрушающей мессбауэровской спектроскопии

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕЙ МЕССБАУЭРОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Холмецкий Александр ЛеонидовичЦончев Румен(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ неразрушающей мессбауэровской спектроскопии, заключающийся в облучении исследуемого образца сколлимированным пучком резонансных гамма-квантов, доплеровской модуляции энергии гамма-квантов по заданному закону и регистрации распределения интенсивностей рассеянных в резонансный детектор гамма-квантов по этому же закону, отличающийся тем, что коллимируют рассеянные в резонансный детектор гаммакванты с обеспечением равенства углов падения и рассеивания гамма-квантов, доплеровскую модуляцию энергии производят за счет изменения направления при фиксированной величине скорости движения гамма-резонансной пары относительно исследуемого образца. 9831 1 2007.10.30 Способ относится к ядерно-физическим методам исследования вещества, в частности,к гамма-резонансной спектроскопии, и может найти применение в научных и прикладных исследованиях материаловедения, химии, геофизики, биологии и т.д. Известен способ мессбауэровской спектроскопии с регистрацией прошедшего через поглотитель излучения 1, использующий доплеровскую модуляцию энергии гамма-излучения по заданному закону и регистрацию распределения интенсивностей детектируемых гамма-квантов по этому же закону. При этом для модуляции энергии гамма-квантов производится периодическое изменение величины скорости при возвратно-поступательном движении источника излучения относительно исследуемого образца. Недостатком известного способа является невозможность проведения неразрушающих измерений, поскольку в геометрии пропускания необходима предварительная подготовка образца с толщиной порядка 50 мкм, обеспечивающей относительную прозрачность резонансного гамма-излучения. Наиболее близким к заявляемому является способ неразрушающей мессбауэровской спектроскопии 2, заключающийся в облучении исследуемого образца сколлимированным пучком резонансных гамма-квантов, доплеровской модуляции энергии гамма-квантов по заданному закону при периодически изменяющейся величине относительной скорости, и регистрации распределения интенсивностей рассеянных от образца гамма-квантов по этому же закону. При этом модуляция энергии гамма-квантов производится путем периодического изменения величины скорости при ее фиксированном пространственном направлении при возвратно-поступательном движении источника излучения относительно исследуемого образца. Недостатком известного способа является низкая производительность неразрушающих гамма-резонансных измерений. Действительно при неразрушающих измерениях используется геометрия обратного рассеяния, когда источник излучения и детектор расположены по одну сторону от исследуемого образца. В этом случае величина резонансного эффекта(1)( ) оказывается примерно одинаковой как в геометрии рассеяния, так и геометрии пропускания. (Здесь (о) - интенсивность регистрируемых событий в резонансе- интенсивность фоновых событий при рассогласовании резонансных условий). Однако скорость счета рассеянных гамма-квантов значительно меньше, чем скорость счета прямых гаммаквантов в геометрии пропускания - на порядок и более. Типичное время накопления мессбауэровского спектра в геометрии пропускания составляет несколько часов. Следовательно, время измерений в геометрии рассеяния может составлять несколько дней, что крайне ограничивает возможности практических применений неразрушающей мессбауэровской спектроскопии. Оценим аналитически интенсивности (0) идля бесконечно толстого рассеивателя, на который падает гамма-излучение интенсивности 0 нормально к его поверхности. Для этого определим связь между интенсивностью рассеянного излучения и сечением рассеяния. С этой целью выделим на глубине рассеивателя х слой толщиной . Интенсивность излучения, рассеянного этим слоем в приближении однократного рассеяния,равна 3(2)-,где- объемная концентрация центов рассеяния- сечение рассеяния на углы/2( / - интенсивность падающего на слойизлучения,0 - линейный коэффициент ослабления,(а) (здесь а - полное сечение поглощения). Подставим (3) в (2) и проинтегрируем полученное выражение по х от 0 до 2 Когда излучение падает на рассеиватель в виде широкого пучка и регистрируется детектором в конечный телесный угол, можно записать 0 / 2,(4) где- коэффициент, зависящий от геометрических параметров (диаметра источника,детектора, площади исследуемого образца, расстояния до образца и др.)(/ ) ,- телесный угол регистрации рассеянного излучения. Данное при ближение справедливо, когда средняя глубина проникновения излучения в рассеиватель много меньше расстояния между детектором и источником до образца. Для низкоэнергетического резонансного излучения это приближение всегда на практике выполнимо. Запишем с учетом (4) выражения для интенсивностей (0) ирассеянного в детектор излучения с учетом основных процессов взаимодействия низкоэнергетических гаммаквантов с веществом фотопоглощения, комптоновского рассеяния и гамма-резонансного взаимодействия. Тогда выражение для (0) принимает вид 000 к.м.0 к 0( 0)(5) 22 2 где- эффективность регистрации гамма-излучения детектором ,- вероятности эффекта Мессбауэра для ядер источника и образца соответственно 0 - объемная концентрация резонансных ядер в образце- объемная концентрация нерезонансных ядеротносительное содержание резонансного изотопа в естественной смеси изотопов (для железа 2,2 )- сечение резонансного рассеяния а - эффективное сечение резонансного поглощения к - сечение комптоновского рассеяния для резонансных гаммаквантов к.м. - сечение комптоновского рассеяния для нерезонансных квантов( ф.м.к.м. )0 ( фк )(6) ф.м., ф - сечения фотопоглощения для нерезонансных и резонансных квантов соответственно 0. Здесьи- линейные коэффициенты ослабления для нерезонансного и резонансного излучений. Запишем соответствующее выражение для 0 к.м.0 к 0(7) 2 2 и подставим (5) и (7) в (1). В результате получим следующее выражение для величины резонансного эффекта в геометрии рассеяния (полагая, что обычно хорошо выполнимо на практике)0 ..к .м .0 к Численные оценки по формуле (8) при типичных сечениях взаимодействия низкоэнергетических гамма-квантов с веществом показывают, чтоимеет порядок величины около 0,1, что сравнимо со случаем геометрии пропускания. В то же время, для мессбауэровской спектроскопии на железе (которая составляет свыше 90 всех случаев ее практического применения), когда линия резонансного взаимодействия (14,4 кэВ) имеет значительно меньшую энергию, чем основная фоновая линия 123 кэВ, можно принять, что кк.м., фф.м., отношение 3(9) 0 2 2 ф Поскольку для гамма-квантов энергией 14,4 кэВ сечение комптоновского рассеяния в железе к более чем на два порядка меньше сечения фотопоглощения ф 4, то из формулы (9) получаем, что в геометрии рассеяния отношение /0 составляет менее 1 . В то же время, в геометрии пропускания интенсивностии 0 имеют одинаковый порядок величины. Следовательно, производительность гамма-резонансных измерений, определяемая как 3(10)2,значительно, в десятки раз, снижается в измерениях по геометрии рассеяния. Для повышения производительности мессбауэровских измерений могут быть использованы так называемые резонансные детекторы, отличительной особенностью которых является резонансная зависимость эффективности регистрации гамма-квантов от их энергии. В основе метода резонансного детектирования лежит тот факт, что для большинства резонансных ядер переход из возбужденного в основное состояние сопровождается не только переизлучением тождественного резонансного гамма-кванта, но и характеристического рентгеновского излучения и конверсионных электронов соответствующего атома. Например, для самого распространенного мессбауэровского изотопа, железа-57, вероятность излучения конверсионного электрона составляет около 90 . Такие электроны имеют малый пробег в веществе, и регистрация гамма-резонансных спектров по конверсионным электронам (электронная мессбауэровская спектроскопия) позволяет исследовать структуру тонких (до 0,1 мкм) поверхностных слоев материалов. Очевидно, что производительность измерений в геометрии рассеяния тем выше, чем больше телесный угол регистрации излучения. Если исследуемый образец достаточно тонкий, то при регистрации конверсионных электронов его помещают во внутренний объем детектора, реализуя максимально возможный телесный угол регистрации 4. Такой метод повышения производительности измерений в электронной мессбауэровской спектроскопии весьма эффективен, поскольку детектор низкоэнергетических электронов может иметь очень малую эффективность регистрации прямых потоков резонансных и нерезонансных гамма-квантов, и их вклад в фоновую компоненту детектора оказывается незначительным. Для дальнейшего повышения эффективности электронных измерений исследуемый образец делают многослойным. Тогда при заданной суммарной толщине образца мы значительно увеличиваем площадь поверхности, с которой могут выделать наружу электроны конверсии. Далее, пусть многослойный образец состоит не из естественного железа, а из чистого 57 (резонансного изотопа). В этом случае эффективная толщина образца по резонансному поглощению увеличивается примерно в 50 раз (содержание 57 в естественной смеси изотопов равно 2,2 ). При этом суммарная линейная толщина образца может быть выбрана столь малой, что конкурирующие нерезонансные процессы взаимодействия гамма-излучения с веществом (фотоэффект и комптоновское рассеяние) становятся пренебрежимыми. В этих условиях детектор практически регистрирует лишь конверсионные электроны, рождаемые в образце резонансными гаммаквантами. При этом события регистрации электронов конверсии можно одновременно рассматривать как и события регистрации резонансных гамма-квантов. Другими словами,этот детектор можно представить не как детектор электронов, а как детектор гаммаквантов. Пусть теперь исследуемый образец содержит единственную линию резонансного поглощения при энергии 0. Тогда полученный детектор гамма-излучения имеет важную особенность эффективность регистрации всех нерезонансных квантов у него близка к нулю, а эффективность регистрации резонансных гамма-квантов с энергией 0 может достигать значений, сравнимых с единицей. При этом ширина пика эффективности регистрации 4 9831 1 2007.10.30 сравнима с естественной шириной резонансных линий. Гамма-детектор с этими свойствами называется резонансным, а помещенный в нем поглотитель называют конвертором. Отношение эффективности регистрации в резонансе 0 к эффективности регистрации вне резонансаназывают абсолютной селективностьюрезонансного детектора. Для разработанных резонансных сцинтилляционных детекторов (в которых вещество конвертора растворено в веществе органического сцинтиллятора) величинаможет достигать значений 50 и более 3. Далее возьмем мессбауэровский источник, излучающий на этой же линии Е 0. Тогда при относительном покое источника и резонансного детектора последний будет регистрировать лишь резонансные гамма-кванты этого источника из всего излучаемого им спектра. Источник мессбауэровского излучения и РД с совпадающими линиями испускания и поглощения Е 0 называют гамма-резонансной парой (ГРП). При использовании ГРП в геометрии пропускания, источник и РД покоятся относительно друг друга, а в возвратно-поступательное движение приводится исследуемый образец (поглотитель). Особенностью таких измерений является то, что величина резонансного эффектаявляется быстро насыщающейся функцией . Поэтому посравнению с обычными детекторами, производительность измерений возрастает не столь значительно(обычно в 1,5-2 раза). В геометрии рассеяния величина резонансного эффекталинейно возрастает с ростом, и принципиально возможно многократное повышение производительности измерений при использовании РД. Однако при покоящемся в лаборатории образце (неразрушающих мессбауэровских измерениях) в движение необходимо приводить одновременно источник и резонансный детектор так, чтобы их относительная скорость оставалась равной нулю. До настоящего времени считалось, что возможен единственный вариант таких измерений,когда источник и детектор совершают возвратно-поступательное движение вдоль линии,параллельной плоскости образца. При этом источник излучения и РД должны быть закреплены на жестком движущемся механическом каркасе. Предположим, что резонансная линия в образце сдвинута на некоторое значение скорости(пусть для определенности положительное) по отношению к линии гамма-пары. Тогда резонансное рассеяние наступит, когда скорость каркаса станет равной,где- угол между осью падающего пучка гамма-квантов и скоростью каркаса , причем при положительномрезонанс наступит, когда источник движется навстречу образцу. Соответственно резонансно рассеянные образцом гамма-кванты будут иметь такой же положительный сдвигпо отношению к линии гамма-пары. Следовательно, для его компенсации в резонансном детекторе нужно, чтобы РД в этот момент времени имел отрицательную проекцию скорости на ось рассеянного пучка, т.е. двигался от образца, что и реализуется в данном случае. Заметим, что для полной компенсации доплеровского сдвига в рассеянном излучении, угол его падения на образец должен быть равен углу рассеяния в резонансный детектор. С этой целью производится коллимация как падающего, так и рассеянного излучения с помощью многощелевых коллиматоров, обеспечивающих максимальную интенсивность облучения при минимальной расходимости пучка гамма-квантов. Однако при возвратно-поступательном движении каркаса с источником и РД, в нем неизбежно возникают механические вибрации и акустические волны, которые приводят к расстройке резонанса гамма-пары. В результате этого, даже при отсутствии мессбауэровских ядер в образце, фоновая линия мессбауэровского спектра искажается за счет этих вибраций, и измерение спектров становится невозможным. Поэтому до настоящего времени неразрушающие измерения с ГРП не были реализованы на практике. В то же время,резонансные детекторы в геометрии рассеяния потенциально способны многократно повысить величину резонансного эффекта по сравнению с обычными детекторами. 9831 1 2007.10.30 Действительно, запишем выражения для интенсивностей (0) ипри использовании резонансного детектора, имеющего эффективность регистрации 0 для резонансного излучения идля нерезонансного излучения. В результате получим 00200 к.м.0 к 0(12) 2 2 Подставляя (11) и (12) в выражение (1) для величины резонансного эффекта, получаем 20 ,(13) где 0/ - абсолютная селективность резонансного детектора. Из сравнения формул(13) и (8) видно, что применение резонансного детектора в геометрии рассеяния позволяет враз повысить величину резонансного эффекта. Тогда отношение производительностей измерений при использовании резонансногои нерезонансногодетекторов,равно Принимая 50 и типичное значение 0,8 для гамма-резонансной спектроскопии на железе при комнатной температуре 5, мы получаем раз при прочих равных условиях. Таким образом, применение резонансных детекторов способно уменьшить время накопления мессбауэровских спектров в геометрии рассеяния с нескольких суток до нескольких минут. Однако отмеченные выше технические трудности в применении резонансных детекторов в геометрии рассеяния не преодолены до настоящего времени. Действительно, в силу крайне высокой чувствительности резонансного детектора к малейшим смещениям гамма-резонансной линии источника, необходимо обеспечение жесткой (близкой к идеальной) механической связи между источником и детектором. Очевидно, что такая жесткая связь не может быть реализована при возвратно-поступательном движении гаммарезонансной пары относительно образца. Задачей заявляемого способа является повышение производительности и точности неразрушающих гамма-резонансных измерений. Поставленная задача решается тем, что в способе неразрушающей мессбауэровской спектроскопии, заключающемся в облучении исследуемого образца сколлимированным пучком резонансных гамма-квантов, доплеровской модуляции энергии гамма-квантов по заданному закону и регистрации распределения интенсивностей рассеянных в резонансный детектор гамма-квантов по этому же закону, коллимируют рассеянные в резонансный детектор гамма-кванты с обеспечением равенства углов падения и рассеяния гаммаквантов, а доплеровскую модуляцию энергии производят за счет изменения направления при фиксированной величине скорости движения гамма-резонансной пары относительно исследуемого образца. Существенное отличие заявляемого способа от известного состоит в том, что при изменении скорости гамма-резонансной пары по направлению, а не величине, в соединительном узле источника и резонансного детектора практически отсутствуют паразитные механические и акустические вибрации и тем самым обеспечивается необходимое условие относительной неподвижности источника и детектора при модуляции энергии гаммаизлучения между источником и исследуемым образцом. Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3. 9831 1 2007.10.30 Фиг. 1 содержит блок-схему устройства для реализации заявляемого способа и вид сбоку на геометрию измерений. На фиг. 2 приведена эта же геометрия измерений при виде сверху. На фиг. 3 приведена возможная схема оптического соединения вращающегося резонансного сцинтиллятора и фотоумножителя (ФЭУ). Схема фиг. 1 содержит два вращающихся ротора 1 и 2, управляемые синхронизированными моторами 7 и 8, источник излучения 3, резонансный сцинтиллятор 4, исследуемый образец 5, подвижный стержень 6, систему коллимации излучения 9, фотоумножитель 10, подшипники 11, 12, датчик угла поворота роторов 13 и устройство накопления 14,причем частота вращения роторов 1 и 2 одинакова и постоянна, источник излучения 3, резонансный сцинтиллятор 4 и система коллимации 9 установлены на подвижном стержне 6, стержень 6 через подшипники 11 и 12 соединен с роторами 1, 2, фотоумножитель 10 оптически соединен с резонансным сцинтиллятором 4, выход фотоумножителя 10 подключен к инкрементному входу устройства накопления 14, а выход датчика угла поворота роторов 13 соединен с адресным входом устройства накопления 14. На фиг. 2 в плоскостипоказаны роторы 1, 2, источник излучения 3, резонансный сцинтиллятор 4, исследуемый образец 5, подвижный стержень 6 и подшипники 11, 12. На фиг. 3 изображены ближайший к детектору ротор 2, подвижный стержень 6, подшипник 12 и оптически соединенные друг с другом резонансный сцинтиллятор 4, фотоумножитель 10 и световод 15. Способ реализуется следующим образом (фиг. 1). Излучение источника 3 падает под некоторым угломпо отношению к нормали образца 5, и рассеивается под этим же угломв резонансный сцинтиллятор 4. Равенство углов падения и рассеивания обеспечивается коллимационной системой излучения 9, вы полненной в виде многощелевого коллиматора. При этом оси источника 3, сцинтиллятора 4, а также падающий и рассеянный пучки лежат в плоскости ху. В этих условиях доплеровский сдвиг Е энергии Е между резонансными линиями источника и исследуемого образца определяется по формуле(16) Е/Е,где- проекция линейной скорости вращения источника на плоскость ху. Из фиг. 2 на ходим, что(17),где- модуль линейной скорости вращения, и- частота вращения роторов. Из формул(16) и (17) получаем закон модуляции энергии падающего на образец излучения(19) где 0 постоянная для данной геометрии величина. Таким образом, мы получили гармонический закон модуляции энергии гамма-квантов (18) за счет изменения направления векторапри его фиксированной величине. Полученная формула (18) отражает суть заявляемого способа, когда энергия гамма-квантов модулируется при постоянном значении модуля скорости . Поскольку рассеянное от образца излучение регистрируется резонансным детектором под этим же углом , а мгновенные скорости источника и детектора одинаковы, то относительный доплеровский сдвиг между линиями излучения источника и детектора равен нулю. Кроме того, при вращении источника 3 и сцинтиллятора 4 с постоянной угловой частотой, механических вибраций и акустических волн в соединяющем их стержне 6 не возникает. В этом случае условие относительного покоя между источником и детектором реализуется с высокой точностью, достаточной для обеспечения статистической погрешности фоновой линии мессбауэровских спектров менее 0,1 . 7 9831 1 2007.10.30 Для измерения распределения интенсивностей регистрируемых событий в зависимости от мгновенной относительной скорости между источником и образцом (мессбауэровского спектра), ротор 2 на фиг. 1 снабжен датчиком угла поворота 13, который задает адрес регистрирующего канала устройства накопления 14. Инкрементный вход устройства накопления 14 соединен с выходом резонансного детектора, включающим в себя сцинтиллятор 4 и фотоумножитель 10. Степень дискретизации показаний датчика угла поворота 13 определяется требуемым числом каналов накоплениямессбауэровского спектра. При типичном значении 512, датчик 13 должен срабатывать при изменении угла поворота на величину 360/5120,7, что легко реализуемо на практике. Накапливаемый мессбауэровский спектр имеет гармоническую шкалу скоростей, определяемую законом модуляции (18). Для линеаризации этой шкалы разработаны соответствующие технические методы (см., например, 6). При применении резонансного сцинтилляционного детектора в устройстве для реализации заявляемого способа достаточно закрепить на подвижном стержне не весь детектор в целом, а только тонкий резонансный сцинтиллятор 4 (фиг. 3), а фотоумножитель 10 и последующие регистрирующие схемы расположить вне движущегося стержня. Оптическое соединение между движущимся резонансным сцинтиллятором 4 и неподвижным фотоумножителем 10 производится с помощью световода 15, радиус внешней грани которого не меньше радиуса окружности, по которой движется сцинтиллятор. Оценим требуемую линейную скорость вращения роторов и параметры системы коллимации излучения. Будем исходить из того, что при измерении мессбауэровских спектров соединений железа, требуемый диапазон изменения скорости составляет 10 мм/с. Следовательно, в формуле (19) параметр 010 мм/с. При угле падения излучения 30,0,5. Отсюда из (19) получаем линейную скорость вращения 20 мм/с. При радиусе роторовоколо 1 см, частота их вращения равна/20,3 Гц. Обратное значение к этой частоте определяет длительность одного цикла накопления информации(около 3 с). Требуемую расходимость падающего на образец и рассеянного от образца пучков гамма-излученияоценим из условия, чтобы соответствующая этой расходимости неопределенность в эффекте Доплера не превышала ширины одного скоростного канала 0/ при максимальном значении 1. Отсюда получаем равенство-0/, или/. Тогда/. При выбранных значениях 30 и 512 получаем 1,110-3. Когда длина коллиматора равна 10 см, полученное значение расходимости пучка реализуется при ширине каждой щели многощелевого коллиматора около 0,1 мм. При изготовлении коллиматора из меди, достаточная толщина стенок между щелями также составляет около 0,1 мм. Следовательно, при типичном диаметре источника излучения около 1 см, щелевой коллиматор 9 должен содержать стопку из 50 медных пластинок, разделенных расстоянием около 0,1 мм. В заключение сравним производительность неразрушающих мессбауэровских измерений по известному способу и по заявляемому способу. При этом учтем, что при заявляемом способе коллимируется не только падающее излучение (как в известном способе), но и рассеянное излучение тоже. При этом потеря интенсивности при оцененных выше параметрах системы коллимации может составлять от 10 до 100 раз по сравнению с известным способом. Величина резонансного эффекта увеличивается в 40 раз по сравнению с известным способом. Тогда из формулы (10) получаем повышение производительности измерений в несколько десятков раз по сравнению с известным способом. В результате время неразрушающих мессбауэровских измерений сокращается с нескольких суток до нескольких часов и становится сравнимым со временем измерения в геометрии пропускания, сохраняя при этом свое преимущество неразрушаемость образца. 9831 1 2007.10.30 Источники информации 1. Высокоэкспрессный персональный мессбауэровский спектрометр / А.Л. Холмецкий, М. Машлан, О.В. Мисевич и др. // ПТЭ. - 1995. -2. - С. 206-208. 2. . , В. ,,.144 (2002) 371. 3. Холмецкий А.Л., Мисевич О.В. Мессбауэровские концентратомеры. - Мн. Университетское, 1992. - С. 96 (Параграф 1.4). 4. Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия / Под ред. К. Зигбана Пер. с англ. - М. Атомиздат, 1969. 5. . , . .. ,1978 (. /.-2). 6. , . , ,.. . .., 84 (1994) 120-123. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9