Az XRF (röntgen-fluoreszcencia analízis) egy fizikai elemzési módszer, amely közvetlenül meghatározza a por, a folyékony és a szilárd anyagok szinte összes kémiai elemét.
A módszer előnyei
Ez a módszer univerzális, mivel a minta gyors és egyszerű előkészítésén alapul. A módszert széles körben alkalmazták az iparban, a tudományos kutatás területén. A röntgenfluoreszcencia elemzési módszer óriási lehetőségeket rejt magában, hasznos különféle környezeti objektumok nagyon összetett elemzésében, valamint a gyártott termékek minőségellenőrzésében, valamint a késztermékek és nyersanyagok elemzésében.
Előzmények
A röntgenfluoreszcencia analízist először 1928-ban írta le két tudós – Glocker és Schreiber. Magát az eszközt csak 1948-ban hozták létre Friedman és Burks tudósok. Detektornak egy Geiger-számlálót vettek, amely nagy érzékenységet mutatott az elem atommagjának rendszámához képest.
A kutatási módszerben szereplő héliumot vagy vákuumközeget 1960-ban kezdték el használni. A fényelemek meghatározására szolgáltak. Is elkezdett fluorid kristályokat használnilítium. Diffrakcióra használták őket. Ródium- és krómcsöveket használtak a hullámsáv gerjesztésére.
Si(Li) – a szilícium-lítium driftdetektort 1970-ben találták fel. Nagy adatérzékenységet biztosított, és nem igényelt kristályosítást. Ennek a műszernek az energiafelbontása azonban rosszabb volt.
A számítógépek megjelenésével az automatizált analitikai rész- és folyamatvezérlés átkerült a gépre. A vezérlés a műszeren lévő panelről vagy a számítógép billentyűzetéről történt. Az elemzők olyan népszerűvé váltak, hogy bekerültek az Apollo 15 és Apollo 16 küldetésekbe.
Jelenleg az űrállomások és az űrbe bocsátott hajók vannak felszerelve ezekkel az eszközökkel. Ez lehetővé teszi más bolygók kőzeteinek kémiai összetételének azonosítását és elemzését.
Method Essence
A röntgen-fluoreszcencia analízis lényege a fizikai elemzés elvégzése. Lehetőség van ily módon a szilárd anyagok (üveg, fém, kerámia, szén, kőzet, műanyag) és folyadékok (olaj, benzin, oldatok, festékek, bor és vér) elemzésére. A módszer lehetővé teszi nagyon kis koncentrációk meghatározását ppm szinten (egy rész per millió). Nagy, akár 100%-os minták is alkalmasak kutatásra.
Ez az elemzés gyors, biztonságos és nem károsítja a környezetet. Az eredmények nagy reprodukálhatóságával és az adatok pontosságával rendelkezik. A módszer lehetővé teszi a mintában lévő összes elem félkvantitatív, kvalitatív és kvantitatív kimutatását.
A röntgenfluoreszcens elemzési módszer lényegeegyszerű és érthető. Ha félretesszük a terminológiát, és megpróbáljuk egyszerűbben elmagyarázni a módszert, akkor kiderül. Az elemzés az atom besugárzásából származó sugárzás összehasonlítása alapján történik.
Van egy sor szabványos adat, amely már ismert. Az eredményeket ezekkel az adatokkal összehasonlítva a tudósok arra a következtetésre jutnak, hogy mi a minta összetétele.
A modern eszközök egyszerűsége és hozzáférhetősége lehetővé teszi, hogy víz alatti kutatásokban, űrkutatásban, valamint a kultúra és a művészetek területén végzett különféle tanulmányokban is használhatók.
Működési elv
Ez a módszer a spektrum analízisén alapul, amelyet a vizsgálandó anyag röntgensugárzással történő exponálásából nyernek.
A besugárzás során az atom gerjesztett állapotba kerül, amihez az elektronok magasabb rendű kvantumszintekre való átmenete társul. Az atom nagyon rövid ideig, kb. 1 mikroszekundumig marad ebben az állapotban, majd ezután visszatér alapállapotába (csendes helyzetbe). Ekkor a külső héjakon elhelyezkedő elektronok vagy betöltik az üres helyeket, és a felesleges energiát fotonok formájában felszabadítják, vagy energiát adnak át a külső héjakon található egyéb elektronoknak (ezeket Auger elektronoknak nevezik). Ekkor minden atom egy fotoelektront bocsát ki, melynek energiája szigorú értékű. Például a vas, ha röntgensugárzásnak van kitéve, Kα-nak megfelelő fotonokat bocsát ki, vagyis 6,4 keV. Ennek megfelelően a kvantumok száma és az energia alapján meg lehet ítélni az anyag szerkezetét.
Sugárforrás
A fémelemzés röntgen-fluoreszcens módszere különböző elemek izotópjait és röntgencsöveket egyaránt felhasznál gyógyulási forrásként. Az egyes országokban eltérő követelmények vonatkoznak a kibocsátó izotópok exportjára és importjára, az ilyen berendezések gyártására szolgáló iparban pedig inkább röntgencsövet használnak.
Az ilyen csövek réz-, ezüst-, ródium-, molibdén- vagy más anódokkal vannak ellátva. Bizonyos helyzetekben az anód kiválasztása a feladattól függően történik.
Az áramerősség és a feszültség eltérő a különböző elemeknél. Elegendő 10 kV feszültségű könnyű, 40-50 kV nehéz, 20-30 kV közepes feszültségű elemeket vizsgálni.
A fényelemek vizsgálata során a környező légkör hatalmas hatással van a spektrumra. Ennek a hatásnak a csökkentése érdekében a mintát egy speciális kamrában vákuumba helyezik, vagy a teret héliummal töltik meg. A gerjesztett spektrumot egy speciális eszköz - egy detektor - rögzíti. A különböző elemek fotonjainak egymástól való elválasztásának pontossága attól függ, hogy mekkora a detektor spektrális felbontása. Most a legpontosabb a 123 eV-os felbontás. A röntgen-fluoreszcencia analízist egy ilyen hatótávolságú eszközzel akár 100%-os pontossággal végezzük.
Miután a fotoelektront feszültségimpulzussá alakították, amelyet speciális számlálóelektronika számlál, továbbítja a számítógépnek. A röntgen-fluoreszcencia analízist adó spektrum csúcsaiból könnyű minőségileg meghatározni, hogy melyika vizsgált mintában vannak elemek. A mennyiségi tartalom pontos meghatározásához szükséges a kapott spektrumot egy speciális kalibrációs programban tanulmányozni. A program előre elkészített. Ehhez prototípusokat használnak, amelyek összetétele előre nagy pontossággal ismert.
Leegyszerűsítve, a vizsgált anyag kapott spektrumát egyszerűen összehasonlítják az ismerttel. Így információt kapunk az anyag összetételéről.
Lehetőségek
Röntgen-fluoreszcens elemzési módszer lehetővé teszi a következők elemzését:
- minták, amelyek mérete vagy tömege elhanyagolható (100-0,5 mg);
- a határértékek jelentős csökkenése (1-2 nagyságrenddel alacsonyabb, mint az XRF);
- elemzés a kvantumenergia változásainak figyelembevételével.
A vizsgálandó minta vastagsága nem haladhatja meg az 1 mm-t.
Ilyen mintaméret esetén lehetőség van a mintában lévő másodlagos folyamatok elnyomására, amelyek között:
- többszörös Compton-szórás, amely jelentősen kiszélesíti a csúcsot a fénymátrixokban;
- fotoelektronok bremsstrahlung (hozzájárul a háttérfennsíkhoz);
- elemek közötti gerjesztés, valamint fluoreszcencia-abszorpció, amely elemközi korrekciót igényel a spektrumfeldolgozás során.
A módszer hátrányai
Az egyik jelentős hátrány a vékony minták elkészítését kísérő bonyolultság, valamint az anyag szerkezetére vonatkozó szigorú követelmények. A kutatáshoz a mintának nagyon finoman eloszlatottnak és nagyon egyenletesnek kell lennie.
További hátránya, hogy a módszer erősen kötődik a szabványokhoz (referenciaminták). Ez a funkció minden roncsolásmentes módszer velejárója.
A módszer alkalmazása
A röntgenfluoreszcencia analízis számos területen elterjedt. Nemcsak a tudományban vagy az iparban használják, hanem a kultúra és a művészetek területén is.
Használva:
- környezetvédelem és ökológia talaj nehézfémeinek meghatározására, valamint vízben, csapadékban, különféle aeroszolokban való kimutatására;
- ásványtan és geológia ásványok, talajok, kőzetek mennyiségi és minőségi elemzését végzi;
- vegyipar és kohászat - az alapanyagok, a késztermékek és a gyártási folyamat minőségének ellenőrzése;
- festékipar - ólomfesték elemzése;
- ékszeripar - mérje meg a nemesfémek koncentrációját;
- olajipar - határozza meg az olaj és az üzemanyag szennyezettségének mértékét;
- élelmiszeripar – mérgező fémek azonosítása az élelmiszerekben és az összetevőkben;
- mezőgazdaság - nyomelemek elemzése különböző talajokban, valamint mezőgazdasági termékekben;
- régészet - elemanalízist, valamint a leletek keltezését végezze;
- művészet - szobrokat, festményeket tanulmányoznak, tárgyakat vizsgálnak és elemeznek.
Szellemtelepülés
Röntgen-fluoreszcencia analízis GOST 28033 - 89 1989 óta szabályozza. DokumentumAz eljárással kapcsolatos minden kérdés regisztrálva van. Bár az évek során számos lépést tettek a módszer fejlesztésére, a dokumentum továbbra is releváns.
A GOST szerint a vizsgált anyagok arányait megállapították. Az adatok táblázatban jelennek meg.
1. táblázat. Tömegfrakciók aránya
| Meghatározott elem | Tömegtört, % |
| Kén | 0,002-től 0,20-ig |
| Szilícium | "0,05" 5,0 |
| Molibdén | "0,05" 10,0 |
| Titán | "0, 01 " 5, 0 |
| Kob alt | "0,05" 20,0 |
| Chrome | "0,05" 35,0 |
| Nióbium | "0, 01 " 2, 0 |
| Mangán | "0,05" 20,0 |
| Vanádium | "0, 01 " 5, 0 |
| Tungsten | "0,05" 20,0 |
| foszfor | "0,002 " 0,20 |
Alkalmazott felszerelés
Röntgen-fluoreszcencia spektrális analízist végeztünkspeciális berendezések, módszerek és eszközök. A GOST-ban használt berendezések és anyagok között szerepel:
- többcsatornás és pásztázó spektrométerek;
- csiszoló és csiszológép (csiszoló és csiszológép, 3B634 típus);
- felületi csiszoló (3E711B modell);
- csavarvágó eszterga (16P16 modell).
- vágókorongok (GOST 21963);
- elektrokorund csiszolókorongok (kerámia kötés, 50-es szemcseméret, St2 keménység, GOST 2424);
- csiszolópapír (papíralap, 2. típus, BSh-140 (P6), BSh-240 (P8), BSh200 (P7), elektrokorund - normál, szemcseméret 50-12, GOST 6456);
- technikai etil-alkohol (rektifikált, GOST 18300);
- argon-metán keverék.
A GOST elismeri, hogy más anyagok és berendezések is használhatók a pontos elemzéshez.
Előkészítés és mintavétel a GOST szerint
A fémek röntgen-fluoreszcencia analízise az elemzés előtt speciális minta-előkészítést igényel a további kutatáshoz.
Az előkészítés a megfelelő sorrendben történik:
- A besugárzandó felület ki van élezve. Ha szükséges, törölje le alkohollal.
- A mintát szorosan a vevő nyílásához nyomják. Ha a mintafelület nem elegendő, akkor speciális határolókat használnak.
- A spektrométer a használati utasításnak megfelelően üzemkész.
- A röntgenspektrométer kalibrálása szabványos mintával történik, amely megfelel a GOST 8.315 szabványnak. Homogén minták is használhatók a kalibráláshoz.
- Az alapfokú érettségire legalább öt alkalommal kerül sor. Ebben az esetben ez a spektrométer különböző napokon történő működése során történik.
- Ismételt kalibráláskor kétféle kalibrálási sorozat használható.
Eredmények elemzése és feldolgozása
A röntgen-fluoreszcencia analízis módszere a GOST szerint két párhuzamos méréssorozat elvégzését foglalja magában, hogy minden egyes vezérelt elemről analitikus jelet kapjunk.
Az elemzési eredmény értékének és a párhuzamos mérések eltérésének kifejezése megengedett. Mértékegységekben a skálák a kalibrációs jellemzők segítségével kapott adatokat fejezik ki.
Ha a megengedett eltérés meghaladja a párhuzamos méréseket, akkor az elemzést meg kell ismételni.
Egy mérés is lehetséges. Ebben az esetben párhuzamosan két mérést végeznek az elemzett tétel egy mintájára vonatkozóan.
A végeredmény két párhuzamosan végzett mérés számtani átlaga, vagy egy mérés eredménye önmagában.
Az eredmények függősége a minta minőségétől
Röntgen-fluoreszcencia analízis esetén a határérték csak arra az anyagra vonatkozik, amelyben az elemet észlelték. A különböző anyagok esetében az elemek mennyiségi kimutatásának határai eltérőek.
Az elem rendszáma nagy szerepet játszhat. Ha egyéb dolgok megegyeznek, a könnyű elemek meghatározása nehezebb, a nehéz elemek pedig könnyebben meghatározhatók. Ezenkívül ugyanazt az elemet könnyebb azonosítani egy könnyű mátrixban, mint egy nehéz mátrixban.
Ennek megfelelően a módszer csak annyiban függ a minta minőségétől, ameddig az elem összetételében szerepelhet.