[发明专利]跨限X射线吸收浓度分析仪

说明书

本发明涉及一种利用跨限X射线吸收法测量溶液中元素浓度的分析仪，特别适用于多组分稀土元素体系的在线测量。

在稀土生产厂和核燃料后处理厂等工厂中，迅速测量溶液中各金属元素的浓度，是关系到生产过程中有效进行工艺控制的重要监测技术。多年来，已研制出多种利用γ吸收法、X射线吸收法和X射线荧光法测量浓度的监测系统，但对多组分稀土元素体系的快速在线测量问题，至今尚未得到完满的解决。联邦德国和日本的原子能研究部门于七十年代后期开始相继研究用K限和L限X吸收计来作为核燃料后处理厂工艺过程中钚和铀的控制分析手段，已取得良好的结果。日本Shotaro    HAYASHI等人于1985年公开了一种K吸收限浓度分析仪，该仪器由X射线源、样品容器、需要在低温下保存和使用的Ge探测系统、多道分析器和微机组成。它的X射线源包括X光管、低压电源稳压器、控制器、高压电源和冷却系统。该分析仪设备复杂、造价昂贵、运行和维护费用高，很难用于多元体系各组分的在线分析。

本发明的目的在于提供一种结构简单、使用方便、维护量小、造价低廉并可用于多元体系各组分在线分析的浓度分析仪。

X射线通过物质时，射线被物质吸收的吸收系数可比γ射线大得多，因此它比γ吸收有更高的灵敏度。X射线吸收法已广泛应用于工业过程的检测和控制。由于原子外层电子的能级结构，使得元素对X射线的吸收有下述特点：一般吸收系数随着X射线能量的增加而减小，但当X射线的能量略大于某元素内层电子的电离能时，吸收系数有显著的增加，因此吸收系数对能量的曲线在各层电子能级处有阶跃变化。对应于K、L壳层电子电离能的阶跃称为K吸收限和L吸收限。也就是说，低于此限能量的X射线不能被该层电子吸收，而在吸收限高低两边的吸收系数有很大差别。如果用两种能量的X射线来测量一个元素，一种的能量略大于此元素的吸收限，第二种略小于此吸收限，两种射线的能量非常接近，所以任何其他元素对这两种X射线的吸收系数都相差不大，只有被测元素相差相当大，因此可以用两种（单色）射线的吸收差来特效地测量此元素，这种方法我们称为跨限X射线吸收法。表1列举Fe、Cu、Ag、Sn、Nd诸元素的K吸收限能量及其两边的质量吸收系数值。本发明的元素浓度分析仪就是利用X吸收的这个特性对元素浓度作定量分析的。

表1    K吸收限参数

元素    Fe    Cu    Ag    Sn

原子序数    26    29    47    50

K限    Kev    7.111    8.980    25.52    29.19

μ    高边    431.5    296.5    55.32    44.57

cm²/g 低边 47.15 34.93 9.126 7.677

对某个元素的分析，涉及到测吸收限高边（H）和低边（L）的透射X射线强度，据射线衰减规律推导出：

C＝K₀+K₁Ln（I_L/I_H）

式中：C-元素浓度，

I_L-吸收限低边的透射X射线强度，

I_H-吸收限高边的透射X射线强度，

K₀、K₁-方程系数（对具体分析对象，由标定试验求得）

对于多元体系，每个元素对其他元素吸收边透射强度的测量都有贡献，因此互为干扰元素。然而，由于干扰元素在被测元素吸收限两边的吸收系数的差异小得多，因而可以通过校正使此方法有很好的选择性和较强的抗干扰能力，适于对多元体系各组分的分析。由于微机技术的发展，用数学计算法来校正成为可行，最常用的是经验系数法。设多元体系各组分浓度为：C₁，C₂，……Cj，在i组分吸收限两侧测得的射线强度比Ri＝Ln（I_L/I_H）i＝f（C₁，C₂，…Cj），用经验校正系数Kij表示j元素对i元素的吸收影响，那么i元素的浓度可以表示为：

Ci＝K₀+Ki₁R₁+Ki₂R₂+……+KijRj

各组分的各项校正系数通过标定试验和解方程计算求得。