Rentgeno spindulių spektrinė analizė užima svarbią vietą tarp visų medžiagų tyrimo metodų. Jis plačiai naudojamas įvairiose technologijų srityse dėl greito valdymo galimybės nesunaikinant bandinio. Vieno cheminio elemento nustatymo laikas gali būti tik kelios sekundės, tiriamų medžiagų rūšiai praktiškai nėra jokių apribojimų. Analizė atliekama tiek kokybine, tiek kiekybine prasme.
Rentgeno spindulių spektrinės analizės esmė
Rentgeno spindulių spektrinė analizė yra vienas iš fizikinių medžiagų tyrimo ir kontrolės metodų. Jis pagrįstas idėja, bendra visiems spektroskopijos metodams.
Rentgeno spindulių spektrinės analizės esmė slypi medžiagos gebėjime skleisti būdingą rentgeno spinduliuotę, kai atomai yra bombarduojami greitųjų elektronų arba kvantų. Tuo pačiu metu jų energija turi būti didesnė už energiją, reikalingą elektronui ištraukti iš atomo apvalkalo. Toks poveikis lemia ne tik būdingo spinduliuotės spektro atsiradimą,susidedantis iš nedidelio skaičiaus spektrinių linijų, bet ir ištisinis. Aptiktų dalelių energetinės sudėties įvertinimas leidžia daryti išvadas apie tiriamo objekto fizines ir chemines savybes.
Priklausomai nuo poveikio medžiagai metodo, registruojamos arba to paties tipo, arba kitos dalelės. Taip pat yra rentgeno spindulių sugerties spektroskopija, tačiau ji dažniausiai naudojama kaip pagalbinė priemonė norint suprasti pagrindinius tradicinės rentgeno spindulių spektroskopijos klausimus.
Medžiagų rūšys
Rentgeno spindulių spektrinės analizės metodai leidžia ištirti medžiagos cheminę sudėtį. Šis metodas taip pat gali būti naudojamas kaip greitas neardomasis bandymo metodas. Į tyrimą gali būti įtrauktos šių tipų medžiagos:
- metalai ir lydiniai;
- uolai;
- stiklas ir keramika;
- skystis;
- abrazyvai;
- dujos;
- amorfinės medžiagos;
- polimerai ir kiti organiniai junginiai;
- b altymai ir nukleorūgštys.
Rentgeno spindulių spektrinė analizė taip pat leidžia nustatyti šias medžiagų savybes:
- fazinė kompozicija;
- pavienių kristalų, koloidinių dalelių orientacija ir dydis;
- lydinio būsenos diagramos;
- atominė struktūra ir kristalinės gardelės dislokacija;
- vidiniai įtempiai;
- šilumos plėtimosi koeficientas ir kitos charakteristikos.
Remiantis šiuo metodugamyboje naudojamas rentgeno spindulių defektų aptikimas, kuris leidžia aptikti įvairių tipų medžiagų nehomogeniškumą:
- kriauklės;
- užsienio inkliuzai;
- poros;
- įtrūkimai;
- Netinkamos suvirinimo siūlės ir kiti defektai.
Analizės tipai
Priklausomai nuo rentgeno spindulių generavimo metodo, išskiriami šie rentgeno spindulių spektrinės analizės tipai:
- Rentgeno fluorescencinė lempa. Atomai sužadinami pirmine rentgeno spinduliuote (didelės energijos fotonais). Tai trunka apie mikrosekundę, po kurios jie pereina į ramią, pagrindinę padėtį. Tada energijos perteklius išspinduliuojamas fotono pavidalu. Kiekviena medžiaga išskiria šias daleles su tam tikru energijos lygiu, todėl jas galima tiksliai identifikuoti.
- Rentgeno radiometrinis. Medžiagos atomai sužadinami radioaktyvaus izotopo gama spinduliuote.
- Elektroninis zondas. Suaktyvinimas atliekamas sufokusuotu elektronų pluoštu, kurio energija yra kelios dešimtys keV.
- Tyrimas su jonų sužadinimu (protonais arba sunkiaisiais jonais).
Dažniausias rentgeno spindulių spektrinės analizės metodas yra fluorescencija. Rentgeno spindulių sužadinimas, kai mėginys bombarduojamas elektronais, vadinamas tiesioginiu, o švitinamas rentgeno spinduliais – antriniu (fluorescenciniu).
Rentgeno spindulių fluorescencinės analizės pagrindai
Rentgeno spindulių fluorescencijos metodas plačiai naudojamasnaudojami pramonėje ir moksliniuose tyrimuose. Pagrindinis spektrometro elementas yra pirminės spinduliuotės š altinis, kuris dažniausiai naudojamas kaip rentgeno vamzdeliai. Šios spinduliuotės įtakoje mėginys pradeda fluorescuoti, skleisdamas linijinio spektro rentgeno spindulius. Viena iš svarbiausių metodo ypatybių yra ta, kad kiekvienas cheminis elementas turi savo spektrines charakteristikas, nepriklausomai nuo to, ar jis yra laisvoje, ar surištoje būsenoje (kaip bet kurio junginio dalis). Pakeitus linijų ryškumą, galima kiekybiškai įvertinti jo koncentraciją.
Rentgeno vamzdis yra balionas, kurio viduje sukuriamas vakuumas. Viename vamzdžio gale yra katodas volframo vielos pavidalu. Jis šildomas elektros srove iki temperatūros, kuri užtikrina elektronų emisiją. Kitame gale yra masyvaus metalinio taikinio pavidalo anodas. Tarp katodo ir anodo susidaro potencialų skirtumas, dėl kurio elektronai pagreitėja.
Dideliu greičiu judančios įkrautos dalelės atsitrenkia į anodą ir sužadina strigimą. Vamzdžio sienelėje yra permatomas langelis (dažniausiai jis pagamintas iš berilio), pro kurį išeina rentgeno spinduliai. Rentgeno spindulių spektrinės analizės prietaisų anodas pagamintas iš kelių tipų metalų: volframo, molibdeno, vario, chromo, paladžio, aukso, renio.
Spinduliavimo skaidymas į spektrą ir jo registracija
Spektre yra 2 rentgeno spindulių sklaidos tipai – bangos ir energijos. Pirmasis tipas yra labiausiai paplitęs. Rentgeno spindulių spektrometrai, veikiantys bangų dispersijos principu, turi analizatoriaus kristalus, kurie išsklaido bangas tam tikru kampu.
Pavieniai kristalai naudojami rentgeno spinduliams skaidyti į spektrą:
- ličio fluoridas;
- kvarcas;
- anglis;
- rūgštinis kalio arba talio ftalatas;
- silicis.
Jie atlieka difrakcijos gardelių vaidmenį. Masinei kelių elementų analizei prietaisai naudoja tokių kristalų rinkinį, kuris beveik visiškai apima visą cheminių elementų spektrą.
Rentgeno kameros naudojamos rentgenogramai arba fotojuostoje užfiksuotam difrakcijos modeliui gauti. Kadangi šis metodas yra daug pastangų reikalaujantis ir ne toks tikslus, šiuo metu jis naudojamas tik metalų ir kitų medžiagų rentgeno analizės defektams aptikti.
Proporciniai ir scintiliaciniai skaitikliai naudojami kaip išmetamų dalelių detektoriai. Pastarasis tipas turi didelį jautrumą kietosios spinduliuotės srityje. Ant detektoriaus fotokatodo krentantys fotonai paverčiami elektros įtampos impulsu. Signalas pirmiausia patenka į stiprintuvą, o tada į kompiuterio įvestį.
Taikymo sritis
Rentgeno fluorescencinė analizė naudojama šiais tikslais:
- kenksmingų priemaišų aliejuje nustatymas irnaftos produktai (benzinas, tepalai ir kt.); sunkieji metalai ir kiti pavojingi junginiai dirvožemyje, ore, vandenyje, maiste;
- chemijos pramonės katalizatorių analizė;
- tikslus kristalinės gardelės periodo nustatymas;
- apsauginių dangų storio nustatymas neardomuoju metodu;
- žaliavų, iš kurių gaminama prekė, š altinių nustatymas;
- medžiagos mikrotūrių apskaičiavimas;
- uolienų pagrindinių ir priemaišų komponentų nustatymas geologijoje ir metalurgijoje;
- kultūrinės ir istorinės vertės objektų (ikonų, paveikslų, freskų, papuošalų, indų, papuošalų ir kitų iš įvairių medžiagų pagamintų daiktų) tyrimas, jų datavimas;
- sudėtis nustatymas teismo ekspertizei.
Pavyzdžio paruošimas
Tyrimui iš anksto būtina paruošti mėginį. Jie turi atitikti šias rentgeno analizės sąlygas:
- Vienodumas. Šią sąlygą paprasčiausiai galima įvykdyti skystiems mėginiams. Prieš pat tyrimą stratifikuojant tirpalą, jis sumaišomas. Cheminių elementų, esančių trumpojo bangos ilgio spinduliuotės srityje, homogeniškumas pasiekiamas susmulkinant į miltelius, o ilgosios bangos – sulydant su srautu.
- Atsparus išoriniams poveikiams.
- Tink su pavyzdiniu kroviklio dydžiu.
- Optimalus kietųjų mėginių šiurkštumas.
Kadangi skysti mėginiai turi nemažai trūkumų (garavimas, tūrio kitimas kaitinant, krituliainuosėdos veikiant rentgeno spinduliuotei), rentgeno spindulių spektrinei analizei geriau naudoti sausąsias medžiagas. Miltelių mėginiai supilami į kiuvetę ir presuojami. Kiuvetė įstatoma į laikiklį per adapterį.
Kiekybinei analizei miltelių mėginius rekomenduojama suspausti į tabletes. Norėdami tai padaryti, medžiaga sumalama iki smulkių miltelių, o tada ant preso gaminamos tabletės. Norėdami pritvirtinti purias medžiagas, jos dedamos ant boro rūgšties pagrindo. Skysčiai pilami į kiuvetes pipete, tikrinant, ar nėra burbuliukų.
Mėginių paruošimą, analizės technikos ir optimalaus režimo parinkimą, etalonų parinkimą ir analitinių grafikų ant jų konstravimą atlieka rentgeno spektrinės analizės laborantas, turintis išmanyti fizikos, chemijos pagrindus., spektrometrų konstrukcija ir tyrimo metodika.
Kokybinė analizė
Kokybinės mėginių sudėties nustatymas atliekamas siekiant nustatyti tam tikrus juose esančius cheminius elementus. Kiekybinis įvertinimas neatliekamas. Tyrimas atliekamas tokia tvarka:
- pavyzdžių ruošimas;
- spektrometro paruošimas (jo pašildymas, goniometro montavimas, bangos ilgio diapazono nustatymas, nuskaitymo žingsnis ir ekspozicijos laikas programoje);
- greitas mėginio nuskaitymas, gautų spektrų įrašymas į kompiuterio atmintį;
- iššifruoja gautą spektrinį skaidymą.
Spinduliavimo intensyvumas kiekvieną akimirkąskenavimas rodomas kompiuterio monitoriuje grafiko pavidalu, išilgai horizontalios ašies brėžiamas bangos ilgis, o išilgai vertikalios ašies – spinduliavimo intensyvumas. Šiuolaikinių spektrometrų programinė įranga leidžia automatiškai iššifruoti gautus duomenis. Kokybinės rentgeno analizės rezultatas yra mėginyje rastų cheminių medžiagų eilučių sąrašas.
Klaidos
Dažnai gali atsirasti klaidingai identifikuotų cheminių elementų. Taip yra dėl šių priežasčių:
- atsitiktiniai išsibarsčiusių bremsstrahlung nukrypimai;
- klaidžiojančios linijos nuo anodo medžiagos, foninė spinduliuotė;
- priemonės klaidos.
Didžiausias netikslumas atsiskleidžia tiriant mėginius, kuriuose vyrauja organinės kilmės lengvieji elementai. Atliekant metalų rentgeno spektrinę analizę, išsklaidytos spinduliuotės dalis yra mažesnė.
Kiekybinė analizė
Prieš atliekant kiekybinę analizę, reikalingas specialus spektrometro nustatymas – jo kalibravimas naudojant standartinius mėginius. Bandinio spektras lyginamas su spektru, gautu apšvitinus kalibravimo mėginius.
Cheminių elementų nustatymo tikslumas priklauso nuo daugelio veiksnių, tokių kaip:
- tarpelementų sužadinimo efektas;
- fono sklaidos spektras;
- įrenginio skiriamoji geba;
- spektrometro skaičiavimo charakteristikos tiesiškumas;
- Rentgeno vamzdžių spektras ir kt.
Šis metodas yra sudėtingesnis ir reikalauja analitinio tyrimo, atsižvelgiant į iš anksto eksperimentiškai arba teoriškai nustatytas konstantas.
Orumas
Rentgeno metodo pranašumai:
- neardomojo bandymo galimybė;
- didelis jautrumas ir tikslumas (priemaišų nustatymas iki 10-3%);
- platus analizuojamų cheminių elementų asortimentas;
- lengvas mėginio paruošimas;
- universalumas;
- automatinio interpretavimo galimybė ir didelis metodo našumas.
Defektai
Rentgeno spindulių spektrinės analizės trūkumai yra šie:
- padidinti saugos reikalavimai;
- reikia individualaus baigimo;
- sudėtingas cheminės sudėties aiškinimas, kai kai kurių elementų charakteristikos linijos yra artimos;
- būtinybė gaminti anodus iš retų medžiagų, kad būtų sumažinta foninė spinduliuotė, kuri turi įtakos rezultatų patikimumui.
