A röntgen spektrális elemzés fontos helyet foglal el az anyagok tanulmányozásának valamennyi módszere között. Széles körben használják a technológia különböző területein, mivel a tesztminta tönkretétele nélkül expresszálható. Egy kémiai elem meghatározásának ideje csak néhány másodperc lehet, gyakorlatilag nincs korlátozás a vizsgált anyagok típusára vonatkozóan. Az elemzést minőségi és mennyiségi szempontból egyaránt elvégezzük.
A röntgen spektrális elemzés lényege
A röntgen spektrális elemzés az anyagok tanulmányozásának és ellenőrzésének egyik fizikai módszere. Az összes spektroszkópiai módszerre jellemző elképzelésen alapul.
A röntgenspektrális elemzés lényege az anyag azon képességében rejlik, hogy jellegzetes röntgensugárzást bocsát ki, amikor az atomokat gyors elektronok vagy kvantumok bombázzák. Ugyanakkor energiájuknak nagyobbnak kell lennie, mint az az energia, amely ahhoz szükséges, hogy egy elektront kihúzzanak az atom héjából. Egy ilyen hatás nemcsak jellegzetes sugárzási spektrum megjelenéséhez vezet,kis számú spektrumvonalból áll, de folytonos is. A detektált részecskék energiaösszetételének becslése lehetővé teszi a vizsgált tárgy fizikai és kémiai tulajdonságaira vonatkozó következtetések levonását.
Az anyagra gyakorolt hatásmódtól függően az azonos típusú vagy más részecskéket rögzítik. Létezik röntgenabszorpciós spektroszkópia is, de ez leggyakrabban segédeszközként szolgál a hagyományos röntgenspektroszkópia kulcsfontosságú kérdéseinek megértéséhez.
Az anyagok típusai
A röntgenspektrális elemzés módszerei lehetővé teszik egy anyag kémiai összetételének tanulmányozását. Ez a módszer kifejezett roncsolásmentes vizsgálati módszerként is használható. A következő típusú anyagokat lehet bevonni a vizsgálatba:
- fémek és ötvözetek;
- sziklák;
- üveg és kerámia;
- folyékony;
- csiszolóanyag;
- gázok;
- amorf anyagok;
- polimerek és egyéb szerves vegyületek;
- fehérjék és nukleinsavak.
A röntgen spektrális elemzés lehetővé teszi az anyagok következő tulajdonságainak meghatározását is:
- fázisösszetétel;
- egykristályok, kolloid részecskék orientációja és mérete;
- ötvözet állapotdiagramok;
- atomi szerkezet és a kristályrács elmozdulása;
- belső feszültségek;
- hőtágulási együttható és egyéb jellemzők.
Ezen a módszeren alapulA gyártás röntgensugaras hibadetektálást alkalmaz, amely lehetővé teszi az anyagok különböző típusú inhomogenitásának kimutatását:
- héjak;
- külföldi zárványok;
- pórusok;
- repedések;
- Hibás hegesztések és egyéb hibák.
Elemzéstípusok
A röntgensugarak előállításának módszerétől függően a röntgensugarak spektrális elemzésének következő típusai különböztethetők meg:
- Röntgen fluoreszkáló. Az atomokat primer röntgensugárzás (nagy energiájú fotonok) gerjeszti. Ez körülbelül egy mikromásodpercig tart, majd nyugodt, alaphelyzetbe költöznek. A felesleges energia ezután foton formájában kibocsátásra kerül. Mindegyik anyag bizonyos energiaszinttel bocsátja ki ezeket a részecskéket, ami lehetővé teszi azok pontos azonosítását.
- Röntgen-radiometrikus. Az anyag atomjait egy radioaktív izotóp gamma-sugárzása gerjeszti.
- Elektronszonda. Az aktiválást egy fókuszált elektronsugár hajtja végre, amelynek energiája több tíz keV.
- Vizsgálat iongerjesztéssel (protonok vagy nehézionok).
A röntgenspektrumelemzés leggyakoribb módszere a fluoreszcencia. A röntgensugaras gerjesztést, amikor egy mintát elektronokkal bombáznak, közvetlennek, röntgensugárzással besugárzott gerjesztést másodlagosnak (fluoreszcensnek) nevezünk.
A röntgenfluoreszcencia-elemzés alapjai
Röntgen-fluoreszcencia módszer széles körbeniparban és tudományos kutatásban használják. A spektrométer fő eleme a primer sugárzás forrása, amelyet leggyakrabban röntgencsőként használnak. Ennek a sugárzásnak a hatására a minta fluoreszkálni kezd, és röntgensugarakat bocsát ki a vonalspektrumból. A módszer egyik legfontosabb jellemzője, hogy minden kémiai elemnek megvannak a maga spektrális jellemzői, függetlenül attól, hogy szabad vagy kötött állapotban van (bármely vegyület részeként). A vonalak fényerejének megváltoztatása lehetővé teszi a koncentráció számszerűsítését.
A röntgencső egy léggömb, amelyben vákuum keletkezik. A cső egyik végén egy volfrámhuzal formájú katód található. Elektromos árammal olyan hőmérsékletre hevítik, amely biztosítja az elektronok kibocsátását. A másik végén egy anód található egy masszív fém céltárgy formájában. A katód és az anód között potenciálkülönbség keletkezik, aminek következtében az elektronok felgyorsulnak.
A nagy sebességgel mozgó feltöltött részecskék eltalálják az anódot, és bremsstrahlungot gerjesztenek. A cső falában van egy átlátszó ablak (leggyakrabban berilliumból készül), amelyen keresztül a röntgensugárzás kilép. A röntgen-spektrumelemző eszközök anódja többféle fémből készül: wolfram, molibdén, réz, króm, palládium, arany, rénium.
Sugárzás spektrummá bontása és regisztrációja
A spektrumban kétféle röntgendiszperzió létezik – hullám és energia. Az első típus a leggyakoribb. A hullámdiszperziós elven működő röntgenspektrométerek elemzőkristályai vannak, amelyek bizonyos szögben szórják a hullámokat.
Egykristályokat használnak a röntgensugarak spektrumra bontására:
- lítium-fluorid;
- kvarc;
- szén;
- savas kálium- vagy tallium-ftalát;
- szilícium.
Ezek a diffrakciós rácsok szerepét töltik be. A többelemes tömeganalízishez a műszerek olyan kristályokat használnak, amelyek szinte teljesen lefedik a kémiai elemek teljes körét.
Röntgen-kamerákat használnak röntgenfelvételek készítésére, vagy fényképészeti filmre rögzített diffrakciós mintázat készítésére. Mivel ez a módszer munkaigényes és kevésbé pontos, jelenleg csak fémek és egyéb anyagok röntgenanalízisénél használják a hibák kimutatására.
Az arányos és szcintillációs számlálókat a kibocsátott részecskék detektoraiként használják. Ez utóbbi típus nagy érzékenységgel rendelkezik a kemény sugárzás területén. A detektor fotokatódjára eső fotonok elektromos feszültségimpulzussá alakulnak. A jel először az erősítőhöz, majd a számítógép bemenetéhez jut.
Alkalmazási kör
A röntgenfluoreszcencia analízist a következő célokra használják:
- káros szennyeződések meghatározása olajban éskőolajtermékek (benzin, kenőanyagok és mások); nehézfémek és egyéb veszélyes vegyületek a talajban, levegőben, vízben, élelmiszerben;
- katalizátorok elemzése a vegyiparban;
- a kristályrács periódusának pontos meghatározása;
- védőbevonatok vastagságának meghatározása roncsolásmentes módszerrel;
- az alapanyagok forrásainak meghatározása, amelyekből a cikk készül;
- anyag mikrotérfogatainak kiszámítása;
- kőzetek fő- és szennyezőkomponenseinek meghatározása a geológiában és a kohászatban;
- kulturális és történelmi értékű tárgyak (ikonok, festmények, freskók, ékszerek, edények, dísztárgyak és egyéb különféle anyagokból készült tárgyak) tanulmányozása, keltezése;
- összetétel meghatározása igazságügyi elemzéshez.
Mintaelőkészítés
A vizsgálathoz előzetesen minta-előkészítés szükséges. Az alábbi feltételeknek kell megfelelniük a röntgenanalízishez:
- Egységesség. Ez a feltétel a legegyszerűbben folyékony minták esetében teljesíthető. Amikor az oldatot közvetlenül a vizsgálat előtt rétegezzük, összekeverjük. A sugárzás rövid hullámhosszú tartományában lévő kémiai elemek homogenitása porrá őrléssel, a hosszú hullámhosszú tartományban pedig fluxussal való fúzióval érhető el.
- Külső hatásoknak ellenáll.
- A betöltő mintaméretéhez illeszkedik.
- A szilárd minták optimális érdessége.
Mivel a folyékony mintáknak számos hátránya van (párolgás, térfogatváltozás hevítéskor, csapadékröntgensugárzás hatására kicsapódik), célszerű a röntgenspektrum elemzéshez szárazanyagot használni. A pormintákat küvettába öntik és préselik. A küvetta az adapteren keresztül kerül a tartóba.
Kvantitatív elemzéshez a pormintákat javasoljuk tablettákká préselni. Ehhez az anyagot finom porrá őrlik, majd a présen tablettákat készítenek. A morzsalékos anyagok rögzítéséhez bórsavas hordozóra helyezik őket. A folyadékokat pipettával öntik a küvettákba, miközben ellenőrzik a buborékok hiányát.
A minták előkészítését, az elemzési technika és az optimális mód kiválasztását, a standardok kiválasztását és az ezekre vonatkozó analitikai grafikonok készítését röntgenspektrális analízis laboráns végzi, akinek ismernie kell a fizika, a kémia alapjait., a spektrométerek tervezése és a kutatási módszertan.
Kvalitatív elemzés
A minták minőségi összetételének meghatározása a bennük lévő egyes kémiai elemek azonosítása érdekében történik. A számszerűsítést nem végzik el. A kutatás a következő sorrendben történik:
- minták előkészítése;
- spektrométer előkészítése (bemelegítés, goniométer felszerelése, hullámhossz-tartomány beállítása, pásztázási lépés és expozíciós idő a programban);
- minta gyors pásztázása, a kapott spektrumok rögzítése a számítógép memóriájába;
- a kapott spektrális dekompozíció megfejtése.
A sugárzás intenzitása minden pillanatbanA szkennelés a számítógép monitorán grafikon formájában jelenik meg, amelynek vízszintes tengelye mentén a hullámhossz, a függőleges tengely mentén pedig a sugárzás intenzitása látható. A modern spektrométerek szoftvere lehetővé teszi a kapott adatok automatikus dekódolását. A kvalitatív röntgenanalízis eredménye a mintában talált vegyi anyagok sorainak listája.
Hibák
Gyakran előfordulhatnak tévesen azonosított kémiai elemek. Ennek a következő okai lehetnek:
- szórt bremsstrahlung véletlenszerű eltérései;
- kóbor vonalak az anód anyagából, háttérsugárzás;
- hangszerhibák.
A legnagyobb pontatlanság a minták vizsgálatánál derül ki, amelyekben a szerves eredetű könnyű elemek dominálnak. Fémek röntgenspektrális elemzésekor a szórt sugárzás aránya kisebb.
Kvantitatív elemzés
A kvantitatív elemzés elvégzése előtt a spektrométer speciális beállítására van szükség - kalibrálása standard minták segítségével. A vizsgálati minta spektrumát összehasonlítják a kalibrációs minták besugárzásából nyert spektrummal.
A kémiai elemek meghatározásának pontossága számos tényezőtől függ, például:
- elemközi gerjesztő hatás;
- háttérszórási spektrum;
- eszköz felbontása;
- a spektrométer számlálási jellemzőjének linearitása;
- Röntgencsöves spektrum és mások.
Ez a módszer bonyolultabb, és analitikus vizsgálatot igényel, figyelembe véve az előzetesen kísérletileg vagy elméletileg meghatározott állandókat.
Méltóság
A röntgen módszer előnyei a következők:
- roncsolásmentes tesztelés lehetősége;
- nagy érzékenység és pontosság (szennyeződésmeghatározás akár 10-3%);
- elemzett kémiai elemek széles választéka;
- egyszerű minta-előkészítés;
- sokoldalúság;
- automatikus értelmezés lehetősége és a módszer nagy teljesítménye.
Hibák
A röntgen-spektrumanalízis hátrányai közé tartozik a következő:
- fokozott biztonsági követelmények;
- egyéni érettségi szükséges;
- a kémiai összetétel nehéz értelmezése, ha egyes elemek jellemző vonalai közel vannak;
- szükséges, hogy ritka anyagokból anódokat gyártsanak az eredmények megbízhatóságát befolyásoló háttérjellemző sugárzás csökkentése érdekében.
