Tubo de rayos X y analizador de fluorescencia de rayos X que utiliza radiación de excitación selectiva.

Un dispositivo analizador de fluorescencia de rayos X que comprende un tubo de rayos X y un detector de radiación fluorescente,

de los cuales el tubo de rayos X comprende un cátodo, un ánodo con una superficie (402) receptora de electrones y una ventana (403) que está orientada hacia la superficie del ánodo receptora de electrones;

caracterizado porque el ánodo del tubo de rayos X comprende:

• sobre la superficie del ánodo receptora de electrones, una capa (104) de material anódico, y

• con más profundidad en el ánodo que dicha capa de material anódico, en la dirección de llegada de los electrones, un bloque de material atenuador (405) para ralentizar los electrones y que únicamente se genere una pequeña radiación de frenado;

en el que el número atómico de dicho material atenuador es menor que la tercera parte del número atómico del material anódico.

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DESCRIPCIÓN

Tubo de rayos X y analizador de fluorescencia de rayos X que utiliza radiación de excitación selectiva Campo técnico La presente invención versa en general sobre la tecnología de analizadores de fluorescencia de rayos X. La invención versa especialmente sobre la tarea de someter a la muestra a analizar a una radiación de excitación de un intervalo de energía seleccionado.

Antecedentes de la invención El uso de un análisis de fluorescencia de rayos X para detectar y medir la presencia de metales preciosos como el oro y/o metales del grupo del platino, en una muestra requiere que la radiación de excitación sea suficientemente energética, porque dichos metales tienen sus picos característicos de fluorescencia de rayos X relativamente lejos en el eje de energía. En realidad, pasa lo mismo con todos los constituyentes de la muestra que tengan energía de fluorescencia de rayos X suficientemente elevadas, pero los metales preciosos tienen importancia particular porque la fluorescencia de rayos X es una técnica analítica importante que ha de usarse para clasificar menas a escala industrial.

Tradicionalmente, se usa un tubo de rayos X en un analizador de fluorescencia de rayos X para producir la radiación de excitación deseada. Se hace que los electrones emitidos desde un cátodo aceleren y hagan impacto en un ánodo. Cuando los electrones acelerados interactúan con los átomos del ánodo, se produce una radiación de rayos X de alta intensidad con energías características del material del ánodo. Además, se produce lo que se denomina radiación de frenado, que es radiación de rayos X con una distribución continua de energías. La radiación de frenado de energía más alta se produce a energías más altas que los picos característicos, correspondiendo la energía de corte de radiación de frenado a la tensión usada para acelerar los electrones (por ejemplo, un tubo de rayos X que use una tensión de aceleración de 60 kV puede producir fotones de radiación de frenado de energía no mayor que 60 keV) . Para analizar elementos pesados como los metales preciosos mencionados más arriba mediante fluorescencia de rayos X, normalmente se necesita para la excitación la parte más energética de la radiación de frenado. Se conocen pocos materiales anódicos, o ninguno, que tengan energías características lo suficientemente elevadas que pudieran ser usadas como radiación de excitación y que evitasen el solapamiento con las energías características de los elementos que han de medirse.

En un análisis de fluorescencia de rayos X en el que se necesite una radiación de excitación muy energética, el extremo inferior de la radiación de frenado (y, en realidad, hasta los picos característicos del material anódico) es únicamente una molestia. Los fotones de la radiación de excitación son dispersados por el material de la muestra, y un número muy significativo de ellos se abre camino hasta el detector, creando un ruido de fondo de espectro continuo. Especialmente, la electrónica de procesamiento de señales acoplada a un detector de energía dispersiva es sobrecargada innecesariamente por la radiación dispersa de excitación que no lleva ninguna información significativa del material de la muestra.

En la Fig. 1 se ilustra esquemáticamente un analizador XRF de la técnica anterior. La configuración del analizador ilustrado usa un tubo de rayos X del tipo denominado de ventana lateral. Los electrones se desprenden de un cátodo 101 y son acelerados hacia un ánodo 102 con una alta tensión acoplada entre los electrodos. En consecuencia, se genera un haz de rayos X 103 que sale del tubo de rayos X a través de una ventana 104 en su lateral. Se necesita una unidad 105 de calentamiento para calentar el cátodo 101, y una unidad 106 de enfriamiento aleja por transferencia el calor generado en el ánodo 102 por aquella parte de la energía de los electrones acelerados que no salió del tubo de rayos X en forma de rayos X. Se coloca un filtro 107, al que convencionalmente se denomina filtro primario, en la trayectoria del haz de rayos X 103 para dar forma a su espectro de energía. El haz filtrado de la radiación 108 de excitación hace impacto en la muestra 109, cuya composición de elementos ha de analizarse. En consecuencia, se produce radiación fluorescente 110. Un detector 111 recibe parte de la radiación fluorescente 110 y produce una señal de medición, que se procesa adicionalmente en la electrónica 112 de procesamiento.

Suponiendo que el analizador esté construido para analizar elementos pesados en la muestra 109, el propósito principal del filtro primario 107 es absorber aquella parte del haz generado de rayos X 103 que es demasiado suave para ser usada como radiación de excitación o, más específicamente, los de los rayos X generados que se solaparían con los picos característicos del o de los materiales de la muestra a analizar. La Fig. 2 ilustra una comparación esquemática del haz generado originalmente de rayos X 103 y del haz filtrado de la radiación 108 de excitación. Primordialmente, la larga â??colaâ?? que en el diagrama superior representa el extremo suave de la radiación de frenado falta en el diagrama inferior. Sin embargo, también disminuye la intensidad total de los rayos X de energía máxima. Esta comparación subraya un importante inconveniente de las soluciones de la técnica anterior: eliminar por filtrado simplemente los rayos X más suaves también afectará inevitablemente a la intensidad de los rayos X deseados, más intensos. Para producir una intensidad suficientemente elevada de la radiación de excitación en la disposición de la Fig. 1, debe operarse el tubo de rayos X con potencia muy alta, lo que significa, por ejemplo, usar cantidades de energía relativamente grandes tanto en la unidad 105 de calentamiento como en la unidad 106 de enfriamiento.

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La publicación JP 6 188092 A, de la técnica anterior, da a conocer una estructura de ánodo estratificado para garantizar un pozo pequeño en un dispositivo de rayos X de formación de imágenes. Otra publicación de la técnica anterior, el documento US 2008/084966 A1, da a conocer una estructura de ánodo estratificado en la que la radiación de frenado procedente de una primera capa crea una radiación característica en una segunda capa. Otra publicación de la técnica anterior, el documento US 2002/191747 A1, da a conocer una estructura de ánodo estratificado con capas de cobre y molibdeno. Otra publicación de la técnica anterior, el documento US 6 829 329 B1, da a conocer una geometría de ánodo de tipo sombrero, que debería reducir el fondo continuo causado por las partes internas del ánodo.

Sumario de la invención Según una realización ventajosa de la invención, se presentan un tubo de rayos X y un analizador de fluorescencia de rayos X en los que se puede producir con buena eficiencia un haz de radiación de excitación muy energética. Según otra realización ventajosa de la invención, se presentan un tubo de rayos X y un analizador de fluorescencia de rayos X en los que puede disminuirse la contribución de la radiación de excitación dispersa a la radiación detectada y analizada. Según otra realización ventajosa de la invención, se presentan un tubo de rayos X y un analizador de fluorescencia de rayos X que son aplicables al análisis industrial preciso de fluorescencia de rayos X de metales preciosos, por ejemplo, en la minería y en la industria de procesamiento de menas.

Se logran los objetivos de la presente invención usando soluciones estructurales que disminuyen la cantidad de radiación de frenado más suave que alcanza la muestra a analizar. Estas incluyen el uso de una capa delgada del material anódico pesado encima de un bloque de material atenuador más ligero, y un filtro primario configurado para atenuar el extremo más suave de la radiación de excitación hasta los picos característicos del material anódico. Es ventajoso disponer la dirección de propagación de los electrones acelerados, el haz de excitación y el haz de fluorescencia a ángulos esencialmente rectos entre sí para aprovechar los efectos de polarización. Un filtro secundario de rayos X de tipo paso bajo entre la muestra a analizar y el detector reduce adicionalmente la recepción no deseada de radiación de excitación dispersa en el detector. Otra solución estructura adicional es usar un detector de estado sólido a base de germanio, en el que la capa de detección de germanio es lo bastante delgada en la dirección de propagación de los rayos X fluorescentes como para dejar que la mayor parte de la radiación de excitación... [Seguir leyendo]

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1. Un dispositivo analizador de fluorescencia de rayos X que comprende un tubo de rayos X y un detector de radiación fluorescente, de los cuales el tubo de rayos X comprende un cátodo, un ánodo con una superficie (402) receptora de electrones y una ventana (403) que está orientada hacia la superficie del ánodo receptora de electrones; caracterizado porque el ánodo del tubo de rayos X comprende:

ï?­ sobre la superficie del ánodo receptora de electrones, una capa (104) de material anódico, y ï?­ con más profundidad en el ánodo que dicha capa de material anódico, en la dirección de llegada de los electrones, un bloque de material atenuador (405) para ralentizar los electrones y que únicamente se 10 genere una pequeña radiación de frenado;

en el que el número atómico de dicho material atenuador es menor que la tercera parte del número atómico del material anódico.

2. Un dispositivo analizador de fluorescencia de rayos X según la reivindicación 1 en el que:

ï?­ el dispositivo analizador de fluorescencia de rayos X comprende un bastidor de soporte para mantener una 15 relación espacial conocida entre el tubo de rayos X y una muestra a analizar y entre dicha muestra a analizar y el detector, ï?­ una dirección de propagación del haz de excitación fuera del tubo de rayos X y hacia dicha muestra a analizar mantiene un ángulo esencialmente recto con respecto a la dirección de propagación de los electrones acelerados dentro del tubo de rayos X, y ï?­ una dirección de propagación del haz de excitación desde dicha muestra a dicho detector de radiación fluorescente mantiene un ángulo esencialmente recto con respecto a dicha dirección de propagación del haz de excitación.

3. Un dispositivo analizador de fluorescencia de rayos X según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2 que comprende un filtro primario entre el tubo de rayos X y la muestra, estando configurado dicho filtro primario 25 esencialmente para absorber picos característicos de rayos X del material anódico del tubo de rayos X.

4. Un dispositivo analizador de fluorescencia de rayos X según la reivindicación 3 en el que el material anódico del tubo de rayos X es wolframio y el filtro primario comprende gadolinio.

5. Un dispositivo analizador de fluorescencia de rayos X según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 que comprende un filtro secundario de rayos X de tipo paso bajo entre la muestra a analizar y dicho detector.

6. Un dispositivo analizador de fluorescencia de rayos X según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 en el que dicho detector tiene una capa de detección fabricada de germanio, y una dimensión de la capa de detección en la dirección de propagación de los rayos X fluorescentes desde la muestra a analizar es menor que el grosor del germanio necesario para absorber el 50% de los rayos X a las energías del haz de excitación.

7. El uso de un tubo de rayos X para la generación de rayos X en un dispositivo analizador de fluorescencia de 35 rayos X, tubo de rayos X que comprende:

ï?­ un cátodo, ï?­ un ánodo con una superficie receptora de electrones, ï?­ una ventana que está orientada hacia la superficie del ánodo receptora de electrones, ï?­ sobre la superficie del ánodo receptora de electrones, una capa de material anódico, y ï?­ con más profundidad en el ánodo que dicha capa de material anódico, en la dirección de llegada de los electrones, un bloque de material atenuador;

en el que el número atómico de dicho material atenuador es menor que la tercera parte del número atómico del material anódico.