Рентгеноспектралният анализ заема важно място сред всички методи за изследване на материали. Той се използва широко в различни области на технологиите поради възможността за експресен контрол без унищожаване на тестовата проба. Времето за определяне на един химичен елемент може да бъде само няколко секунди, практически няма ограничения за вида на изследваните вещества. Анализът се извършва както в качествен, така и в количествен аспект.
Същността на рентгеновия спектрален анализ
Рентгеновият спектрален анализ е един от физическите методи за изследване и контрол на материали. Тя се основава на идея, обща за всички методи на спектроскопия.
Същността на рентгеновия спектрален анализ се крие в способността на веществото да излъчва характерно рентгеново лъчение, когато атомите са бомбардирани от бързи електрони или кванти. В същото време тяхната енергия трябва да бъде по-голяма от енергията, която е необходима за изваждане на електрон от обвивката на атома. Такова въздействие води не само до появата на характерен радиационен спектър,състояща се от малък брой спектрални линии, но също така и непрекъсната. Оценката на енергийния състав на откритите частици дава възможност да се направят изводи за физичните и химичните свойства на изследвания обект.
В зависимост от метода на действие върху веществото се записват или частици от същия тип, или други. Съществува и рентгенова абсорбционна спектроскопия, но тя най-често служи като спомагателен инструмент за разбиране на ключовите въпроси на традиционната рентгенова спектроскопия.
Видове вещества
Методите за рентгенов спектрален анализ ни позволяват да изследваме химичния състав на веществото. Този метод може да се използва и като метод за експресно безразрушително изпитване. Следните видове вещества могат да бъдат включени в изследването:
- метали и сплави;
- скали;
- стъкло и керамика;
- флуид;
- абразиви;
- газове;
- аморфни вещества;
- полимери и други органични съединения;
- протеини и нуклеинови киселини.
Рентгенов спектрален анализ също ви позволява да определите следните свойства на материалите:
- фазова композиция;
- ориентация и размер на единични кристали, колоидни частици;
- диаграми на състоянието на сплав;
- атомна структура и дислокация на кристалната решетка;
- вътрешни напрежения;
- коефициент на топлинно разширение и други характеристики.
Въз основа на този метод впроизводството използва рентгеново откриване на дефекти, което ви позволява да откривате различни видове нехомогенности в материалите:
- черупки;
- чужди включвания;
- пори;
- пукнатини;
- Неизправни заварки и други дефекти.
Видове анализ
В зависимост от метода за генериране на рентгенови лъчи се разграничават следните видове рентгенов спектрален анализ:
- Рентгенова флуоресцентна. Атомите се възбуждат от първично рентгеново лъчение (високоенергийни фотони). Това продължава около микросекунда, след което те се преместват в спокойна, основна позиция. След това излишната енергия се излъчва под формата на фотон. Всяко вещество излъчва тези частици с определено ниво на енергия, което прави възможно точното му идентифициране.
- Рентгенов радиометричен. Атомите на материята се възбуждат от гама лъчение от радиоактивен изотоп.
- Електронна сонда. Активирането се извършва от фокусиран електронен лъч с енергия от няколко десетки keV.
- Изследване с йонно възбуждане (протони или тежки йони).
Най-често срещаният метод за рентгенов спектрален анализ е флуоресценцията. Рентгеново възбуждане, когато проба е бомбардирана с електрони, се нарича директно, а когато се облъчва с рентгенови лъчи, се нарича вторично (флуоресцентно).
Основи на рентгеновия флуоресцентен анализ
Рентгенов флуоресцентен метод широкоизползвани в промишлеността и научните изследвания. Основният елемент на спектрометъра е източникът на първично лъчение, което най-често се използва като рентгенови тръби. Под въздействието на това излъчване пробата започва да флуоресцира, излъчвайки рентгенови лъчи от линейния спектър. Една от най-важните характеристики на метода е, че всеки химичен елемент има свои собствени спектрални характеристики, независимо дали е в свободно или свързано състояние (като част от всяко съединение). Промяната на яркостта на линиите дава възможност да се определи количествено нейната концентрация.
Рентгеновата тръба е балон, вътре в който се създава вакуум. В единия край на тръбата има катод под формата на волфрамов проводник. Нагрява се с електрически ток до температури, които осигуряват излъчването на електрони. В другия край има анод под формата на масивна метална мишена. Между катода и анода се създава потенциална разлика, поради което електроните се ускоряват.
Заредени частици, движещи се с висока скорост, удрят анода и възбуждат спирачния лъч. В стената на тръбата има прозрачен прозорец (най-често е от берилий), през който излизат рентгеновите лъчи. Анодът в устройствата за рентгенов спектрален анализ е изработен от няколко вида метал: волфрам, молибден, мед, хром, паладий, злато, рений.
Разлагане на излъчване в спектър и неговата регистрация
В спектъра има 2 вида рентгенова дисперсия - вълнова и енергийна. Първият тип е най-често срещаният. Рентгеновите спектрометри, работещи на принципа на вълновата дисперсия, имат анализаторни кристали, които разпръскват вълни под определен ъгъл.
Единичните кристали се използват за разлагане на рентгеновите лъчи в спектър:
- литиев флуорид;
- кварц;
- въглерод;
- кисел калиев или талиев фталат;
- силикон.
Те играят ролята на дифракционни решетки. За масов многоелементен анализ инструментите използват набор от такива кристали, които почти напълно покриват цялата гама от химически елементи.
Рентгеновите камери се използват за получаване на рентгенова снимка или дифракционна картина, фиксирана върху фотографски филм. Тъй като този метод е трудоемък и по-малко точен, в момента се използва само за откриване на дефекти при рентгенов анализ на метали и други материали.
Пропорционалните и сцинтилационните броячи се използват като детектори на излъчени частици. Последният тип има висока чувствителност в областта на твърдото излъчване. Фотоните, попадащи върху фотокатода на детектора, се превръщат в импулс на електрическо напрежение. Сигналът първо отива към усилвателя, а след това към входа на компютъра.
Обхват на приложение
Рентгенов флуоресцентен анализ се използва за следните цели:
- определяне на вредни примеси в маслото ипетролни продукти (бензин, смазочни материали и други); тежки метали и други опасни съединения в почвата, въздуха, водата, храната;
- анализ на катализатори в химическата промишленост;
- прецизно определяне на периода на кристалната решетка;
- откриване на дебелината на защитните покрития чрез неразрушаващ метод;
- определяне на източниците на суровини, от които е направен артикулът;
- изчисляване на микрообеми материя;
- определяне на основните и примесните компоненти на скалите в геологията и металургията;
- проучване на предмети с културно-историческа стойност (икони, картини, фрески, бижута, съдове, орнаменти и други предмети от различни материали), тяхната датировка;
- определяне на състава за криминалистичен анализ.
Приготвяне на проба
За изследването е необходима предварителна подготовка на пробата. Те трябва да отговарят на следните условия за рентгенов анализ:
- Еднородност. Това условие може да бъде изпълнено най-лесно за течни проби. При стратифициране на разтвора непосредствено преди изследването той се смесва. За химичните елементи в късовълновата област на излъчване хомогенността се постига чрез смилане на прах, а в областта на дългите вълни чрез сливане с поток.
- Устойчив на външни влияния.
- Поставя се с размер за зареждане на проби.
- Оптимална грапавост на твърдите проби.
Тъй като течните проби имат редица недостатъци (изпаряване, промяна в обема им при нагряване, утаяванеутайка под действието на рентгеново лъчение), за предпочитане е да се използва сухо вещество за рентгенов спектрален анализ. Праховите проби се изсипват в кювета и се пресоват. Кюветата се монтира в държача през адаптера.
За количествен анализ се препоръчва прахообразните проби да бъдат пресовани в таблетки. За да направите това, веществото се смила до състояние на фин прах и след това се правят таблетки върху пресата. За фиксиране на ронливи вещества те се поставят върху субстрат от борна киселина. Течностите се изсипват в кюветите с помощта на пипета, като се проверява липсата на мехурчета.
Подготовка на проби, избор на техника за анализ и оптимален режим, избор на еталони и изграждане на аналитични графики върху тях се извършва от лаборант за рентгенов спектрален анализ, който трябва да познава основите на физиката, химията, дизайна на спектрометрите и методологията на изследване.
Качествен анализ
Определянето на качествения състав на пробите се извършва за идентифициране на определени химични елементи в тях. Количественото определяне не се извършва. Изследването се извършва в следния ред:
- подготвяне на проби;
- подготвяне на спектрометъра (загряване, инсталиране на гониометъра, настройка на диапазона на дължината на вълната, стъпка на сканиране и време на експозиция в програмата);
- бързо сканиране на пробата, запис на получените спектри в паметта на компютъра;
- дешифриране на полученото спектрално разлагане.
Интензитет на радиация във всеки моментсканирането се извежда на монитора на компютъра под формата на графика, по хоризонталната ос на която е нанесена дължината на вълната, а по вертикалната ос - интензитета на излъчване. Софтуерът на съвременните спектрометри дава възможност за автоматично декодиране на получените данни. Резултатът от качествен рентгенов анализ е списък с линии от химикали, които са открити в пробата.
Грешки
Често могат да се появят фалшиво идентифицирани химически елементи. Това се дължи на следните причини:
- случайни отклонения на разсеяното спирачно лъчение;
- бездомни линии от анодния материал, фоново излъчване;
- грешки на инструмента.
Най-голяма неточност се разкрива при изследването на проби, в които доминират леки елементи от органичен произход. При извършване на рентгенов спектрален анализ на метали, делът на разсеяното лъчение е по-малък.
Количествен анализ
Преди извършване на количествен анализ е необходима специална настройка на спектрометъра - калибрирането му с помощта на стандартни проби. Спектърът на тестовата проба се сравнява със спектъра, получен при облъчване на калибриращи проби.
Точността на определяне на химичните елементи зависи от много фактори, като:
- междуелементен възбуждащ ефект;
- фонов спектър на разсейване;
- разделителна способност на устройството;
- линейност на броителната характеристика на спектрометъра;
- Спектър на рентгенова тръба и други.
Този метод е по-сложен и изисква аналитично изследване, като се вземат предвид константите, определени предварително експериментално или теоретично.
Достойнство
Предимствата на рентгеновия метод включват:
- възможност за неразрушително изпитване;
- висока чувствителност и точност (определяне на примеси до 10-3%);
- широк набор от анализирани химични елементи;
- лесна подготовка на пробата;
- универсалност;
- възможност за автоматична интерпретация и висока производителност на метода.
Недостатъци
Сред недостатъците на рентгеновия спектрален анализ са следните:
- повишени изисквания за безопасност;
- нужда от индивидуално дипломиране;
- трудно тълкуване на химичния състав, когато характерните линии на някои елементи са близки;
- необходимост от производство на аноди от редки материали за намаляване на фоновата характеристика на радиацията, която влияе върху надеждността на резултатите.
