Методы и средства рентгеновского абсорбционного контроля многокомпонентных сред, основанные на монохроматизации зондирующего пучка генерирующего источника

Повышение эффективности лабораторных исследований и промышленного
производства в таких ведущих отраслях народного хозяйства, как атомная
энергетика, нефтегазовая, горнодобывающая, металлургическая, химическая
промышленность и ряд других во многом зависит от совершенствования
технологических процессов. Оптимизация технологических процессов в свою
очередь определяется качеством и эффективностью аналитической техники, в том
числе и лабораторной. Многие задачи технологического контроля могут быть
решены с помощью экспрессных и высокопроизводительных методов
лабораторного анализа отобранных технологических образцов. При этом
требования к чувствительности и точности таких анализов постоянно растут.
Кроме того, широкий ряд задач требует контроля непосредственно на
производстве, в ходе технологического процесса. Также стоит отметить, что с
ходом технологического прогресса требования к точности такого контроля
достигают уровней, еще недавно предъявляемых к лабораторным исследованиям.
Кроме контроля технологических процессов остро стоят задачи борьбы с
контрафактными медикаментами и охраны окружающей среды, которые не могут
быть решены без создания высокочувствительных аналитических комплексов.
Отдельно стоит задача элементного анализа сверхчистых элементов,
которая сопряжена с рядом подзадач по обеспечению сохранности первичного
состава проб на стадиях пробоподготовки и исследования.
Решение указанных задач возможно только при наличии методов и
аппаратуры, дающих возможность получить в достаточном объеме и
необходимого качества аналитическую информацию о контролируемых средах,
которые чаще всего характеризуются многокомпонентностью, широким
диапазоном атомных номеров, большой изменчивостью физико-химических
свойств. Применение для этого химических методов затруднено из-за
недостаточной экспрессности и производительности, а также ввиду сложности их
автоматизации.
Обобщение сформулированных проблем позволяет сделать вывод о
больших потенциальных возможностях для их решения ядерно-физических
методов анализа и особенно методов, основанных на применении рентгеновского
излучения (РИ), которые обладают экспрессностью, универсальностью и
возможностью автоматизации основных аналитических операций.
Спектр рентгеновских исследований, используемых сейчас в различных
областях науки, промышленности и медицины, необычайно широк. С момента
открытия РИ в 1895 году и до настоящего времени методы его использования
непрерывно совершенствовались. Первоначально, исследования с применением
РИ основывались на получении обычных теневых снимков, и использовались для
целей обычной двухмерной визуализации в медицинской диагностике и
дефектоскопии. Однако к настоящему времени, к уже упомянутым направлениям
добавились такие как рентгенофлуоресцентный и рентгеноструктурный анализы,
рентгеновские томография и топография, различные виды рентгеновской
абсорбционной спектроскопии; РИ применяется в биологических исследованиях,
например для целей дешифровки структуры белковых молекул и т.д.
Несмотря на все разнообразие методик, используемых в анализе с
применением пучков РИ, любое рентгеновское исследование можно разбить на
три этапа: генерация пучка РИ, его формирование и зондирование объекта
исследования; регистрация излучения, провзаимодействовавшего с объектом
исследования, и несущего в себе информацию об объекте; обработка информации.
Стоит отметить, что для получения качественных данных о строении и
характеристиках объекта, необходимо модернизировать процессы на всех трех
этапах. При этом такая модернизация подразумевает под собой как
совершенствование аппаратуры, так и развитие методических приемов анализа.
Это включает в себя, например, разработку новых детекторов РИ и
спектрометрических систем, разработку новых программных методов
(математические модели, алгоритмы и методы обработки информации), а также
модернизацию источников РИ с целью оптимизации характеристик
зондирующего пучка.
Отметим здесь, что для решения задач по модернизации источников РИ есть
два основных пути: во-первых, разработка принципиально новых источников РИ,
генерирующих пучок с необходимыми характеристиками, и, во-вторых,
модификация первичного пучка РИ до или после его взаимодействия с объектом
исследования. К последнему относится применения различных фильтров РИ,
вторичных мишеней, кристаллов-анализаторов и других элементов рентгеновской
оптики, позволяющих отражать, фокусировать и дефокусировать пучки РИ,
выделять отдельные монохроматические линии из непрерывного спектра РИ и
т.д. При этом нужно отметить, что наиболее популярным направлением
модернизации источников РИ является увеличение мощности и яркости самого
источника и/или концентрация максимального потока излучения на объекте
исследования.
Заметим, что такой путь не всегда является оптимальным и даже
возможным, поскольку ведет к пропорциональному увеличению дозовой нагрузки
на объект исследования, что критично, например, при исследованиях в биологии
и медицине. Кроме того, простое увеличение интенсивности излучения в
зондирующем пучке предъявляет повышенные требования к быстродействию
детектирующих систем, что зачастую ведет к увеличению стоимости всей
рентгеновской установки, а иногда и вовсе ограничивает допустимую мощность
применяемого источника РИ.
Таким образом, для повышения эффективности рентгеновских
исследований остается открытой ниша по повышению качества получаемых
экспериментальных данных за счет внедрения более совершенных методов
облучения объекта исследования и разработки источников РИ с необходимыми
для такого внедрения характеристиками зондирующего пучка.
Одним из таких методов является модификация спектрального состава
зондирующего пучка. Дело в том, что для любого исследования существует
некоторая оптимальная область энергий РИ, в основном обеспечивающих
получение данных об объекте исследования. Излучение с меньшей энергией
поглощается объектом исследования, увеличивая дозовую нагрузку и не
обеспечивая полезного вклада в получаемые данные; излучение же с большей
энергией, во-первых, понижает чувствительность системы детектирования, и, во-
вторых, дает вклад в дозовую нагрузку на объект исследования [1]. Последнее
является следствием малой, в общем случае, разницы в поглощении
высокоэнергетического излучения разными по форме или составу частями
объекта исследования.
Важность оптимизации спектрального состава РИ при проведении
экспериментальных исследований подчеркнута, например, в работе [2]. В этой
работе для целей повышения чувствительности рентгенофлуоресцентного анализа
рассмотрены два метода возбуждения пробы: метод фильтрации зондирующего
пучка и метод вторичных мишеней.
Метод фильтрации заключается в том, что перед объектом, на пути пучка
первичного излучения устанавливают фильтр из легкого материала, часто в роли
такого материала выступает алюминий. При прохождении фильтра более
«мягкое» излучение поглощается в большей степени, что ведет к «ужесточению»
пучка, т.е. «сдвига» средней энергии фотонов в сторону высоких энергий. Меняя
толщину и материал фильтра можно варьировать «порог» спектра со стороны
низких энергий. При этом вопрос негативного влияния, оказываемого излучением
со слишком высокой энергией, в общем случае, остается нерешенным. Более того,
такое влияние может даже усиливаться за счет относительного повышения
интенсивности жесткого РИ.
В другой разновидности метода для фильтрации пучка РИ используют тот
же материал, из которого выполнен анод рентгеновской трубки, или близкий к
нему. В таком случае, за счет того, что линия характеристического излучения
лежит до края поглощения, она поглощается относительно слабо по сравнению с
более жестким излучением, следующим за линией. Варьируя толщину фильтра и
значение напряжения между катодом и анодом трубки можно получать пучки РИ,
в которых значительная часть фотонов сосредоточена вблизи линии
характеристического излучения. Недостатком такого варианта реализации метода
фильтрации является значительное снижение общей интенсивности пучка.
Суть метода вторичных мишеней сводится к тому, что на пути первичного
пучка РИ устанавливается мишень из материала более легкого, чем материал
анода рентгеновской трубки. При этом характеристические линии материала
анода должны находиться близко за краем поглощения материала вторичной
мишени. Поскольку возбуждение вторичной мишени происходит пучком
электронейтральных частиц, спектр РИ от нее не будет содержать тормозного
излучения. Спектр РИ, в данном случае, будет представлять собой сумму
близкорасположенных характеристических линий материала вторичной мишени и
рассеянного тормозного и характеристического излучения из первичного пучка,
доля которого в спектре, однако, будет невелика, по сравнению с тормозным
излучением в первичном пучке. Подбирая материалы вторичной мишени и анода
рентгеновской трубки, можно получать спектры РИ содержащие
преимущественно излучение из области оптимальных для данного эксперимента
энергий. Таким образом, метод вторичных мишеней, по своей сути, является
методом получения квазимонохроматического РИ заданной энергии.
В работе [2] делается вывод о предпочтительности метода фильтрации для
достижения предела обнаружения (иначе говоря, чувствительности) порядка
n×10-4, т.е. нескольких сотых долей процента. При этом подчеркивается, что при
необходимости достижения более высоких пределов обнаружения практически
единственным путем является использование вторичных мишеней в сочетании с
мощными (до 3-х кВт) рентгеновскими трубками, ввиду более высокой
контрастности вторичных спектров, получаемых таким методом [2, с. 79]. В этой
же работе подчеркивается, что главным недостатком метода вторичных мишеней
является серьезная потеря (3 порядка) в интенсивности пучка РИ в процессе
«переизлучения». Тем не менее, преимущества использования пучка
монохроматического рентгеновского излучения (МРИ), и даже
квазимонохроматического, оказываются настолько велики при необходимости
получения более точных данных, что в данном случае соответствует определению
концентраций от 10-4 и ниже, что перекрывают проблемы потери интенсивности.
Дополнительное преимущество применения пучков МРИ заключается в
возможности простой интерпретации спектров, особенно при анализе
многокомпонентных сред. Последнее становится возможно благодаря точно
известному спектральному составу первичного излучения, что дает возможность
значительно уменьшить погрешность анализа при математической обработки
данных, полученных в результате рентгеновского исследования, за счет
исключения необходимости аппроксимации спектра рентгеновской трубки
аналитическим выражением или экспериментально определенной зависимостью.
В настоящее время, применение пучков МРИ востребовано широким
кругом аналитических задач. Такие пучки оказываются востребованы, например,
в диагностике материалов с низким линейным коэффициентом поглощения. Так в
работах [3–5] показаны преимущества применения МРИ с энергиями от 5
до 25 кэВ в абсорбционной томографии и топографии некоторых
кристаллических материалов (таких как природный алмаз), в работе [6] –
необходимость применения МРИ в биологических исследованиях. Авторы работы
[6] отмечают, что использование абсорбционного и рефракционного методов
рентгенодиагностики на пучках МРИ в таких исследованиях позволяет получать
гораздо более качественные изображения по сравнению с рентгенограммами,
выполненными на стандартных рентгеновских аппаратах, что и обуславливает
преимущества применения таких пучков. В работе [6] применение РИ в
биологических исследованиях рассматривается прежде всего для рентгенографии
макрообъектов, однако МРИ находи широкое применение и в исследованиях
микроскопических объектов, например в дешифровке белковых кристаллов
методами рентгеноструктурного анализа [7–9]. При этом для таких исследований
особо подчеркивается необходимость использования пучков РИ с высокой
интенсивностью [10].
Другим направлением исследований, требующим применения
высокоинтенсивных пучков МРИ, является так называемая рентгеновская
абсорбционная спектроскопия (X-ray absorption spectroscopy, XAS). В настоящее
время под этим термином подразумевается набор методик для исследования так
называемой «тонкой структуры края поглощения» с целью определения атомной
структуры вещества, состоящего из атомов разных химических элементов. Суть
этих методик сводится к тому, что исследуемый образец последовательно
облучается набором линий МРИ с энергиями в районе края поглощения атомов
одного из химических элементов входящих в его состав, благодаря чему
получают энергетическую зависимость коэффициента поглощения РИ. Такая
зависимость будет содержать осцилляции, которые обусловлены
интерференционными эффектами при рассеянии электромагнитной волны,
испускаемой атомом, поглотившем квант РИ на соседних атомах. Анализ таких
спектров позволяет сделать выводы об атомной структуре вещества: определить
координационные числа, межатомные расстояния и т.д. Область интереса при
этом составляет порядка 1000 эВ за краем поглощения. В XAS выделяют два
основных направления: EXAFS-спектроскопия (Extended X-Ray Absorption Fine
Structure) и XANES- или NEXAFS-спектроскопия (X-ray Absorption Near Edge
Structure или Near Edge X-ray Absorption Fine Structure, соответственно). Разница
между этими направлениями заключается в той области спектра поглощения,
которая анализируется в том или ином методе. С физической же точки зрения,
разница заключается в преобладании эффектов однократного (EXAFS) или
многократного (XANES) рассеяния. Требования к интенсивности излучения для
данных методик настолько высоки, что исследования с их использованием в
настоящее время практически полностью проводятся только на источниках
синхротронного излучения (СИ) [11–15].
В большом количестве работ отмечается необходимость применения МРИ в
медицинской диагностике. Так в работах [16–22] показано преимущество
использования пучков МРИ для целей рентгеновской визуализации, в том числе
при проведении ангиографии [1, 17, 18], компьютерной томографии [20],
маммографии [21] и т.д. При этом в работе [16] отмечается, что в случае
применения МРИ дозовая нагрузка на объект исследования может быть
значительно снижена (до двух раз) по сравнению с применением
немонохроматизированного пучка.
Рассмотренные выше работы позволяют сделать вывод о перспективности
методов исследований, основанных на применении пучков МРИ, для целей
повышения чувствительности рентгеновского анализа.
Несмотря на высокий интерес к использованию пучков МРИ в различных
областях науки, их применение в настоящее время сталкивается с существенными
ограничениями. Главным препятствием к более активному внедрению методов,
основанных на применении МРИ является тот факт, что при монохроматизации
первичного пучка РИ стандартными методами интенсивность итогового
зондирующего пучка оказывается существенно снижена, что ведет к
значительному увеличению времени рентгеновского исследования, уменьшению
эффективности использования зондирующего пучка, а, зачастую, и к полной
невозможности проведения многих исследований на стандартных лабораторных
генерирующих источниках. Так монохроматизация пучка излучения
рентгеновской трубки путем дифракции на стандартном кристаллическом
монохроматоре, обеспечивает достаточную интенсивность только на энергиях,
соответствующих линиям характеристического излучения материала анода
трубки. Интенсивность же монохроматических линий, полученных вне пиков
характеристического излучения низка и не обеспечивает необходимых для
приложений параметров [22]. Подобная проблема актуальна и при использовании
методов фильтрации для получения МРИ, поскольку позволяет добиться
приемлемого уровня интенсивности только на линиях характеристического
излучения. Так, в работах [21, 23] говорится, что традиционная методика
мамографического рентгеновского исследования включает в себя генерацию
пучка РИ на мощной молибденовой трубке, после чего такое излучение
пропускается через фильтр, также выполненный из молибдена. Кванты РИ,
получаемые таким образом, имеют энергию ≈ 17 кэВ, что не всегда оказывается
достаточно. Отдельно подчеркивается, что для получения оптимального
соотношения сигнал/шум требуется изменять энергию квантов РИ от 17 до 25 кэВ
в зависимости от размеров объекта исследования и других параметров
эксперимента, приведенная же методика не позволяет варьировать значение
энергии получаемых фотонов, что вынуждает проводить исследования только на
фиксированной энергии составляющей примерно 17 кэВ.
Как уже говорилось выше, вопрос оптимальной энергии фотонов РИ
актуален для любого типа рентгеновских исследований, а при использовании
МРИ он приобретает решающее значение. Иначе говоря, для проведения
широкого ряда экспериментальных исследований требуется метод получения
МРИ с возможностью перестройки его энергии, который при этом обеспечивал
бы достаточную интенсивность излучения. Стандартные же методики получения
МРИ от современных лабораторных генерирующих источников позволяют
генерировать пучки с достаточной интенсивностью только с энергиями квантов
соответствующими пикам характеристического излучения.
Очевидным решением могло бы быть использование рентгеновских трубок
с анодами, выполненными из различных материалов, линии характеристического
излучения которых перекрывают диапазон необходимых энергий. Помимо
очевидных недостатков, связанных с необходимостью держать целый парк
генерирующих источников на основе рентгеновских трубок с различными
анодами существует и другая, технологическая проблема, решение которой не
найдено до сих пор. Заключается она в том, что в настоящее время невозможно
изготовить аноды рентгеновских трубок, обеспечивающие генерацию
характеристического излучения в диапазонах примерно от 22 до 59 кэВ (что
соответствует характеристическим линиям Ag и W, соответственно [24]) при
условии сохранения стандартных для рентгеновских трубок интенсивностей
генерирующего электронного пучка. Это физическими свойствами материалов
лежащих в диапазоне атомных номеров от 47 (Ag) до 74 (W), в первую очередь
одновременно низкими теплопроводностью и температурой плавления, что
приводит к быстрому разрушению анода под действием тепловой энергии,
выделяемой в процессе генерации РИ [25]. Очевидно, уменьшение интенсивности
генерирующего пучка ведет к пропорциональному уменьшению интенсивности
генерируемого им РИ. Для решения данной проблемы в работе [26] предложено
использовать аноды из композитных материалов, представляющих собой легкую
углеродную матрицу, легированную в приповерхностном слое (порядка 20 мкм)
атомами металлов из ряда лантаноидов, такими как церий, празеодим, гадолиний,
с поверхностной плотностью от 5 до 10 мг/см2. Предполагается, что за счет
углерода, обладающего хорошей теплопроводностью и способностью
выдерживать высокие температуры в вакууме в виде графитовой фольги,
силицированного графита или стеклографита, можно решить проблему тепловых
нагрузок на анод. Отмечается, что стеклографит является вакуумоплотным при
низкой плотности ≈ 1,2 г/см3. В работе сделан вывод о том, что создание
рентгеновских трубок с подобными анодами позволило бы «устранить дефицит
монохроматичных источников рентгена в области30…50 кэВ». Последнее
утверждение можно рассматривать как преждевременное. Во-первых,
коммерчески доступных трубок с такими анодами на рынке по-прежнему нет. Во-
вторых, тот факт, что для генерации характеристического излучения используется
анод не из самого металла, а матрицы легированной им, ведет к снижению
интенсивности такого излучения.
Несмотря на то, что для некоторых приложений лабораторные
генерирующие источники обеспечивают необходимую интенсивность МРИ, даже
при использовании стандартных методов монохроматизации, при условии работы
на характеристической линии материала анода рентгеновской трубки, даже и в
этом случае сталкиваются с проблемой значительного увеличения времени
измерения, необходимого для набора нужной статистики, вследствие низкой
интенсивности МРИ. Например, в работе [4] для томографических исследований
использовали характеристическое Kα излучение молибдена, выделяемое из
спектра рентгеновской трубки обычным кристаллическим монохроматором. При
этом длительность одного эксперимента с кристаллическим образцом составляла
около 3-х часов. Подобные проблемы отмечены и в работах [2, 5]. В работе же [6],
где исследования проводились с использованием СИ, подобной проблемы не
возникало.
Здесь следует отметить, что большинство проблем в рентгеновской
диагностике можно решить, если использовать источники СИ в рентгеновском
диапазоне. Использование источников СИ и обычных кристаллических
монохроматоров позволяют получать пучки МРИ с высокой интенсивности и
возможностью выбора энергии излучения в широком диапазоне. Последнее
возможно ввиду сверхвысокой интенсивности первичного пучка СИ. Также,
пучки СИ обладают такими важными достоинствами как малая угловая
расходимость и наличие поляризации пучка излучения. Все это ведет к тому, что
круг задач, которые можно решать с помощью источников СИ, настолько широк,
что в настоящее время для этой цели создаются [27–29] крупные ускорительные
комплексы уже 4-го поколения. Однако число каналов СИ на уже существующих
ускорителях совершенно недостаточно для выполнения всех заявок на проведение
исследовательских и технологических работ. Достаточно сказать, что на
территории РФ существует только два центра в Новосибирске (институт ядерной
физики им. Г.И. Будкера) и Москве (Российский научный центр «Курчатовский
институт»), удовлетворяющие современным требованиям источников СИ. Кроме
того, источники СИ никогда не смогут удовлетворить спрос на средства контроля
технологических процессов непосредственно на производстве по очевидным
причинам. Из вышесказанного следует, что за счет только синхротронов
обеспечить спрос на источники МРИ в настоящий момент невозможно.
Что касается применения РИ и гамма-излучения для решения прикладных
технологических задач, рентгеновский абсорбционный анализ занимает здесь
особое место. Такой вид анализа нашел широчайшее применение в
дефектоскопии, создании различных досмотровых систем и т.д. Однако
отдельную группу, интересную с точки зрения данной работы, представляют
собой методы, которые по измерениям коэффициентов поглощения излучения
при нескольких различных энергиях позволяют оценить ряд характеристик
исследуемого объекта. При этом наиболее широкое распространение получили
так называемые «дуальные» методы, в которых анализ проводится по двум
измерениям. Подобные методы получили распространение в целом ряде
прикладных задач, таких как контроль толщин слоев многослойных изделий,
определение концентраций компонент многокомпонентных смесей, концентраций
кислот на химических производствах, распознавание вещества анализируемого
объекта и т.д.[30–36]. Особенность таких исследований заключается в
необходимости наличия некоторых априорных знаний (гипотез) об объекте
контроля, например количество слоев или компонент, линейные коэффициенты
ослабления каждой из них и т.д. Отметим, что при решении реальных
технологических задач исследователь как правило, обладает такими знаниями.
Еще одной особенностью является сложность интерпретации и обработки
результатов таких измерений. Решению этого вопроса посвящен ряд работ, в т.ч.
диссертация [37]. Использование в таких измерениях интенсивных пучков РИ с
линейчатым спектром или пучков МРИ с возможностью перестройки энергии
потенциально ведет к улучшению качества собираемых в ходе исследования
данных и упрощает их обработку, в т.ч. за счет уменьшения влияния рассеянного
излучения.
Одной из прикладных областей, в которых в настоящее время наиболее
востребовано применение подобных пучков излучения является многофазная
расходометрия, главной задачей которой является измерение потока, прошедшего
за единицу времени контрольный участок, для каждой компоненты
многокомпонентной смеси. Заметим здесь, что строго говоря, под многофазной
расходометрией должно пониматься разрешение данных об исследуемом потоке
именно по фазам (твердой, жидкой, газообразной). Однако на практике,
исследователей, как правило, интересует разрешение по различным компонентам
потока, которые могут представляться как разными фазами (например, жидкость
и газ, жидкость и твердый осадок) так и одной (например, две или более
различные несмешивающиеся жидкости). Наиболее же часто сталкиваются с
задачей компонентного разделения смеси, содержащей и несколько фаз, и
несколько компонент в одной или более фазах. Таким образом, правильнее было
бы использовать, например, название «компонентный анализ потоков
многофазной жидкости». Тем не менее, следуя сложившейся традиции, здесь и в
дальнейшем, будем использовать устоявшийся термин «многофазная
расходометрия» (МФР), помня, однако, о том, что, в сущности, объектом интереса
здесь зачастую выступает компонентный анализ многокомпонентной и/или
многофазной среды.
Стоит отметить, что особое внимание вопросам МФР в настоящее время
уделяется в такой важной отрасли народного хозяйства, как нефтегазовая
промышленность, где вопрос корректного измерения и учета количества и
параметров добываемой скважинной продукции является одной из важнейших
технических проблем на протяжении нескольких десятилетий. Данная проблема
осложняется тем, что с ходом технологического прогресса, постепенно
сформировались такие требования к предлагаемым решениям как необходимость
измерений в реальном времени, отсутствие в средстве измерения механически
двигающихся деталей, отсутствие «ручного» управления процессом и
возможность автоматизации основных операций, а также, особенно актуальное в
последнее время, бессепарационность измерений. Подробный обзор
существующих в МФР проблем и их решений приведен в работе [38].
Отметим, что главной задачей здесь, как правило, является измерение
раздельных дебетов 3 основных составляющих скважинной жидкости:
непосредственно нефти, воды и газа [39]. При этом вплоть до начала двадцать
первого века практически единственным применяемым в реальной
промышленности способом таких измерений оставалось использование пробных
сепараторов, в которых в идеальном случае происходит полное разделение
поступающего потока на три составляющих, каждый из которых в дальнейшем
измеряется классическими методами однофазной расходометрии. Такой подход,
являющейся адаптацией однофазной расходометрии к использованию для анализа
многокомпонентных сред, обладает рядом серьезных недостатков, к которым,
помимо увеличения капитальных издержек, экологических рисков, а также
больших размеров установок, обусловленных необходимостью использования
пробных сепараторов, является также недостаточная точность получаемых
данных обусловленная, с одной стороны, невозможностью полного разделения
фаз (или компонент) за ограниченное время работы пробного сепаратора, что
приводит к наличию другой фазы в исследуемом потоке и, как следствие,
увеличению ошибки измерения, а с другой, невозможностью учета динамики
потока [39]. Последнее обусловлено тем, что типичное время работы такого
сепаратора составляет несколько часов, и полученные в итоге данные являются
усредненными по этому времени.
Начиная с девяностых годов двадцатого века, был разработан ряд
технических решений для МФР на основе различных физических принципов.
Такие решения включают допплеровские ультразвуковые, диэлькометрические,
кориолисовы, радиационные и другие расходомеры. Преимущества и
целесообразность внедрения МФР обоснована, например, в статье [40]. Также,
подтверждением высокой актуальности вопросов создания многофазных
расходомеров служит то, что за последние примерно 15 лет высокий интерес к
этой теме наблюдается как со стороны научного сообщества [41-46], так и
отраслевых изданий [39, 47–56]. Заметным толчком к развитию
заинтересованности в средствах МФР непосредственно в России стало принятие в
2005 году ГОСТ Р 8.615-2005 ГСИ «Измерения количества извлекаемых из недр
нефти и нефтяного газа. Общие метрологические и технические требования» [57].
Как отмечалось выше, существует множество различных подходов к
решению задач МФР. Однако, один из передовых подходов, позволяющий
осуществлять невозмущающий, или, иначе говоря, неинтрузивный контроль
компонентного состава многокомпонентной среды, интересный с точки зрения
данной работы, основан на анализе прошедшего через объект исследования
проникающего излучения, например, рентгеновского, гамма или нейтронного.
Именно на этом подходе основана одна из передовых технологий
бессепарационной расходометрии – технология Vx [58], разработанная фирмой
Schlumberger совместно с Framo Engineering. Суть технологии заключается в
измерении скорости и, следовательно, потока смеси прошедшей по трубе, для
чего применяется труба Вентури, и, отдельно, массовых долей (концентраций)
компонент потока. Для решения второй задачи применяется гамма-плотномер
(гамма-концентратомер) с радиоактивным источником Ва133 активностью 10 мКи.
Суть способа измерения концентраций заключается в следующем: излучение двух
разных энергий, в данном случае 32 и 81 кэВ, проходя через многофазную среду,
ослабляется в различной степени в зависимости от состава среды. Анализ степени
поглощения на двух энергиях позволяет контролировать состав среды в
трехкомпонентном приближении, т.е. позволяет решить основную задачу
многофазной расходометрии [39]. Данная технология является основой устройств
PhaseWatcher и PhaseTester, выпускаемых компанией Schlumberger [52]. В
многофазных расходомерах MPFM Roxar [53] от компании Roxar, основанных на
том же принципе, для определения концентрации компонент используется гамма-
плотномер с радиоактивным источником Cs137 активностью 2 мКи. Такой способ
«дуальной» абсорбциометрии получил название двухфотонного. Основными
недостатками подобных устройств являются использование опасных
радиоактивных источников гамма-излучения и их высокая стоимость. Другим
недостатком устройств на основе радиоактивных источников является низкий
уровень потока излучения, порядка 10 3 фотон/сек в 10-4 стерадиан. Поскольку
количество зарегистрированных квантов излучения непосредственно влияет на
статистическую ошибку, это ведет либо к невысокой точности измерений, либо к
увеличению времени измерения. Последнее требует от устройств, например,
PhaseTester или PhaseWatcher, около 1 часа на одно измерение с
удовлетворительной статистической неопределенностью [59]. При этом прямое
усреднение по длительному промежутку времени существенно увеличивает
систематическую ошибку из-за множества нелинейных факторов. Так,
коммерчески доступные устройства обеспечивают точность даже стендовых
измерений не выше 5%, в реальности же пользователи отмечают еще меньшие
точности. Подобная проблема сохраняется для всех устройств МФР на основе
радиоактивных изотопов. Для достижения нормативных значений погрешности
измерения дебита в реальной ситуации (2,5%) в первую очередь, необходимо
сокращать время «мгновенного» измерения, что возможно в случае
использования источника, способного обеспечить большую интенсивность
излучения, в применяемом радиационном плотномере. Поскольку, в плотномере
устройств от Schlumberger для анализа состава многокомпонентной среды
используется излучение с энергиями 32 и 81 кэВ, можно говорить о возможности
использования в качестве источника излучения генерирующего рентгеновского
источника.
Применение рентгеновских трубок в качестве источника излучения
способно обеспечить значительно более высокий поток излучения в заданных
энергетических областях (на три-четыре порядка при ширине энергетической
линии 10 эВ). Другим неоспоримым преимуществом генерирующих
рентгеновских систем является радиационная безопасность на этапах монтажа,
транспортировки, установки и технического обслуживания оборудования. К
настоящему времени высказан ряд предложений по применению рентгеновских
трубок в системах МФР. Как правило, в большинстве случаев предлагается
облучать исследуемый поток при двух различных рабочих напряжениях трубки,
меняя тем самым энергетический состав спектра излучения, и добиваться таким
образом «дуальности» измерений. Такой способ получил название
двухэнергетического. Двухэнергетические рентгеновские способы и устройства
для определения компонентного состава текучей среды с использованием
рентгеновских трубок в качестве источника проникающего излучения описаны в
патентах [60, 61]. Существенным недостатком известных технических решений,
реализующих способ двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии,
является регистрация излучения со сложной спектральной структурой и расчет
концентраций компонент потока многофазной жидкости по модели справедливой
для моноэнергетического излучения, что приводит к увеличению
систематических и статистических ошибок. По-видимому, этим и объясняется
отсутствие коммерчески доступных устройств для МФР на основе
двухэнергетического способа.
Тем не менее, попытки создания устройств МФР на основе рентгеновских
трубок, в том числе и с применением новых способов «дуальных» измерений,
продолжаются до настоящего времени и не теряют своей актуальности. Работы в
данном направлении привели к созданию устройства «X-ray based densitometer for
multiphase flow measurement» [62], запатентованному в 2012 году компанией
Roxar, с источником FluorX [63, 64] для генерации рентгеновского пучка с
квазилинейчатым спектром вторичной флуоресценции, являющимся по своей
сути рентгеновской трубкой с вторичной мишенью. Данное устройство, однако,
также не лишено недостатков, главным из которых является уменьшение
интенсивности характеристических линий за счет переизлучения. Как
подчеркивалось выше, в результате переизлучения теряется около 3-х порядков в
интенсивности, по сравнению с первичной флуоресценцией. Последнее ведет к
снижению интенсивности практически до уровня устройств на основе
радиоактивных изотопов. К недостаткам также относится наличие фонового
излучения, которое состоит из рассеянного тормозного излучения со сплошным
спектром и характеристического Kβ излучения. Интенсивность фонового
излучения сравнима с интенсивностью полезного характеристического K α
излучения, что приводит к нежелательной загрузке детектора. Наличие столь
интенсивного фонового излучения ведет к увеличению ошибок. Как следствие,
представленное устройство хоть и способствует улучшению радиационной
безопасности, но не обеспечивает значительного увеличения точности и
экспрессности измерений по сравнению с устройствами на основе технологии Vx.
Таким образом, вопрос разработки новых систем бессепарационной
радиационной МФР и их составляющих, в первую очередь радиационных
плотномеров и концентратомеров остается актуальным. Последний вопрос
особенно остро стоит именно в Российской Федерации в связи с тем, что в
соответствии с энергетической стратегией России на период до 2020 г. [65]
долгосрочными ориентирами определены энергетическая и экологическая
безопасность. Под энергетической безопасностью понимается минимальная
опасность внешних и внутренних угроз энергоснабжения страны, которые могут
нарушить устойчивое развитие. Рассматривая в этом контексте
нефтегазодобывающую промышленность, отмечают низкий уровень техники и
технологии промыслов, обуславливающий высокие издержки производства,
высокую аварийность и экологические проблемы, а также технологическую
зависимости от импорта [41]. Говоря о системах МФР, для иллюстрации
последнего факта достаточно указать, что все коммерчески доступные
устройства, либо напрямую импортируются из-за рубежа (например, Phasetester
от Schlumberger, MPFM 2600 от Roxar), либо производятся в России по лицензии с
небольшими модификациями на основе зарубежных технологий (например,
ОЗНА Vx от ОЗНА). Последнее напрямую угрожает независимости
энергетического сектора страны, что было наглядно продемонстрировано в
последние годы с введением рядом стран санкций против нефтегазового сектора
Российской Федерации, ограничивающих импорт высокотехнологичных
устройств.
Следовательно, ниша по созданию источника МРИ с перестраиваемой
энергией, или с линейчатым спектром, обеспечивающим относительно высокую
интенсивность, для применения в устройствах МФР остается открытой.
Таким образом, из вышесказанного следует, что сейчас весьма остро стоит
вопрос о создании таких источников МРИ, которые отвечали бы требованиям
относительной компактности и дешевизны, и/или разработки методов повышения
интенсивности МРИ, получаемого от стандартных источников. Создание же
специализированных источников такого излучения, или излучения с линейчатым
спектром востребовано не только для научных исследований и лабораторного
анализа, но и для решения некоторых реальных технологических задач.
В настоящее время большое внимание уделяется попыткам создания
источников МРИ на базе малогабаритных ускорителей электронов. Предлагается,
например, проводить монохроматизацию тормозного излучения пучка электронов
с энергией до 10 МэВ с использованием стандартных кристаллических
монохроматоров. При этом за счет увеличения интенсивности генерируемого
излучения в расчете на один электрон возможно получать большую
интенсивность конечного пучка РИ [66, 67]. В другом направлении работ
предлагается использовать эффект параметрического рентгеновского излучения.
Суть данного эффекта заключается в интерференции электромагнитных волн
излучаемых атомами кристаллической решетки, возбуждаемых пролетающей
заряженной частицей. В другом подходе эффект может быть описан как
дифракция виртуального поля фотонов движущейся заряженной частицы на
кристаллических плоскостях мишени [68]. Рассмотрению возможности создания
такого источника посвящен ряд работ [23, 69–72]. Также для создания подобных
источников рассматривается эффект излучения релятивистских электронов с
энергиями порядка 20 МэВ при каналировании в кристаллах [1]. Еще в одном
способе используются электроны с энергией несколько десятков МэВ, на которых
рассеивается лазерное излучение. В результате комптоновского рассеяния
генерируется монохроматический пучок фотонов с энергией до 100 кэВ [11].
Несмотря на перспективность источников в рассмотренных работах, их
применение, по большому счету, к настоящему времени так и не вышло за рамки
экспериментальных исследований и предложений. Широкому внедрению в
лабораторном анализе и контроле технологических процессов, по-видимому, в
значительной мере мешает тот факт, что стоимость таких источников оказывается
много больше стоимости генерирующих источников на базе рентгеновских
трубок. Хотя во многих приложениях применение таких источников выглядит
весьма заманчиво, в силу того, что они способны занять некий «промежуточный»
уровень между рентгеновскими трубками и источниками СИ по показателям
яркости создаваемых пучков и стоимости источника.
Как отмечалось выше, альтернативный подход может быть реализован с
помощью модификации существующих источников РИ, например, за счет
элементов рентгеновской оптики. Большую популярность приобрели
исследования по увеличению эффективности рентгеновского анализа на
лабораторных источниках за счет применения фокусирующей поликапиллярной
оптики – рентгеновских линз и полулинз [73, 74]. Такие линзы представляют
собой специальным образом скомпонованную сборку из большого числа
стеклянных капилляров, или каналов, в которых за счет эффекта полного
отражения распространяется («каналирует») рентгеновское излучение. С
помощью такой оптики можно получать квазипараллельный пучок РИ, или
фокусировать его на объекте исследования, тем самым повышая поток РИ
проходящий через объект и/или устраняя проблемы, связанные с расходимостью
пучка. Активные исследования такой оптики проводятся в лаборатории XLab
LNF-INFN, где в настоящее время показаны преимущества систем, основанных на
применении поликапиллярной оптики, для рентгеновского элементного анализа и
рентгеновской визуализации, в том числе томографической [75–79]. Показаны и
преимущества применения такой оптики для исследований на пучках МРИ
[80, 81]. Позитивный эффект от применения такой оптики основан на увеличении
интегральной интенсивности РИ проходящего через объект исследования, однако
спектр такого излучения по-прежнему остается широким, так как данный тип
оптики не обладает свойством селективности по энергии РИ. Заметим, однако,
что некоторая модификация спектра все же происходит за счет изменения
критического угла захвата излучения в процесс каналлирования в зависимости от
энергии. Тем не менее, данные работы показывают, что используя элементы
рентгеновской оптики можно значительно повысить качество результатов
рентгеновских исследований, используя при этом стандартные лабораторные
генерирующие источники РИ.
Классическим способом получения пучков МРИ является дифракция
пучков, обладающих широким спектром на кристаллах. Однако, как сказано
выше, при этом происходит серьезное подавление интенсивности, обусловленное,
в том числе, и низким коэффициентом отражения традиционных кристаллических
монохроматоров. Решением указанной проблемы, может стать использование
адаптивной рентгеновской оптики в виде монохроматоров с инициированной в
них сверхрешеткой. Такие монохроматоры представляют собой стандартные
кристаллические монохроматоры с накладываемыми на них разнообразными
внешними воздействиями. Такими воздействиями могут быть постоянные
электрические поля, упругие деформации, температурный градиент, акустические
поля и т.д.
Использование подобных элементов позволяет увеличить светимость
монохроматических источников РИ основанных на дифракции, осуществлять
управление и транспортировку пучков РИ с минимальными потерями. Кроме
того, при контролируемом внешнем воздействии, появляется возможность
управления во времени и в пространстве интенсивностью отраженного пучка.
Следует отметить, что возможности подобной адаптивной рентгеновской оптики
на основе кристаллов с наложенными внешними воздействиями не
ограничиваются только монохроматизацией РИ. В настоящее время на основе
таких кристаллов может быть изготовлен целый ряд оптических элементов.
Все исследования таких кристаллов можно условно разделить на два
направления: исследования, при которых наличие внешних воздействий приводит
к уменьшению, и исследования, при которых наблюдается увеличение
интенсивности дифрагированного рентгеновского пучка. Первый случай
реализуется в толстых кристаллах (μt ≥ 10, где μ – коэффициент линейного
поглощения для излучения заданной энергии, t – толщина кристалла); второй же
случай наблюдается при условии μt ≈ 1. Данные условия определяются, в первую
очередь, величиной линейного и интерференционного коэффициентов
поглощения РИ и их отношением.
В работах [82–95] наблюдалось ослабление аномального прохождения
(μt ≥ 10) рентгеновских лучей через кристалл при воздействии ультразвуковой
(УЗ) волны с волновым вектором, перпендикулярным отражающим плоскостям.
Экспериментальные и теоретические результаты этих работ показали высокую
чувствительность интенсивности аномального прохождения к акустическим
деформациям. На этой основе были разработаны прецизионные методы
измерения динамических параметров кристаллов для рентгеновского и
нейтронного излучений. В ходе этих исследований был обнаружен и исследован
эффект осцилляции интенсивности рентгеновского рефлекса при изменении
амплитуды возбужденных в кристалле акустических колебаний. Наблюдаемый
эффект позволяет локально и с высокой чувствительностью проводить измерение
амплитуды ультразвука. Определенный интерес представляет экспериментальное
рассмотрение «зануления» аномально проходящих пучков через кристалл при
воздействии на кристалл акустического волнового поля. На основе этого явления
была предложена электронная система, с помощью которой в режиме накопления
рентгеновских квантов можно восстановить периодические импульсные
электрические сигналы, передаваемые на кристалл.
Однако с точки зрения создания активных рентгенооптических элементов
интерес случай μt ≈ 1. В работах [88–90] наблюдалось изменение интенсивности
Лауэ-дифрагированного рентгеновского излучения при наложении переменного
электрического напряжения резонансной частоты на пьезокристал. Результаты
этих исследований показали, что наличие акустических полей приводит к
увеличению интенсивности отраженных пучков, и увеличение интенсивности не
зависит от моды осцилляций, а зависит от амплитуды.
Начиная с 1980 г. авторами [91–102] были проведены всесторонние
исследования посвященные управлению в пространстве и во времени
параметрами рентгеновских пучков при наличии внешних воздействий на
рассеиватель. Фактически этими работами было задано новое направление в
физике рентгеновских лучей. В этих работах впервые для рентгеновских лучей
наблюдалось явление полной переброски рентгеновских лучей из направления
прохождения в направление отражения при дифракции на акустической
сверхрешетке в случае Лауэ-геометрии. Была показана возможность фокусировки
и дефокусировки пучков РИ при определенных параметрах внешних полей.
Экспериментально было показано, что с помощью температурного градиента или
УЗ колебаний можно в пространстве и во времени управлять фокусным
расстоянием от -∞ до +∞. Проводились исследования и по управляемому
изменению интенсивности пучков РИ в широких пределах частот
пьезопреобразавателя. В этих работах впервые осуществлена высокочастотная-
низкочастотная (двойная) модуляция пучков РИ, когда на кристалл подаются УЗ
колебания, модулированные по разным законам.
Авторы работ [88, 89] впервые наблюдали явление полной переброски
рентгеновских лучей из первоначального направления в направление отражения в
монокристаллах кварца, находящихся под действием температурного градиента
или акустической волны в случае Лауэ. Первые теоретические расчеты [89, 90] с
целью объяснить экспериментальные данные были выполнены в приближении
плоской рентгеновской волны. В дальнейшем теоретически исследовано явление
полной переброски рентгеновского пучка со сферическим фронтом волны в
кристаллах с помощью внешних возбуждений [91]. В работе [92]
экспериментально исследована угловая ширина полностью перебрасываемого