Analiza spectrală cu raze X ocupă un loc important printre toate metodele de studiu a materialelor. Este utilizat pe scară largă în diverse domenii ale tehnologiei datorită posibilității de control rapid fără distrugerea probei de testare. Timpul pentru determinarea unui element chimic poate fi de doar câteva secunde; practic nu există restricții cu privire la tipul de substanțe studiate. Analiza se realizează atât în termeni calitativi, cât și cantitativi.
Esența analizei spectrale cu raze X
Analiza spectrală cu raze X este una dintre metodele fizice pentru studiul și controlul materialelor. Se bazează pe o idee comună tuturor metodelor de spectroscopie.
Esența analizei spectrale cu raze X constă în capacitatea unei substanțe de a emite radiații de raze X caracteristice atunci când atomii sunt bombardați de electroni sau cuante rapizi. În același timp, energia lor trebuie să fie mai mare decât energia necesară pentru a scoate un electron din învelișul unui atom. Un astfel de impact duce nu numai la apariția unui spectru de radiații caracteristic,constând dintr-un număr mic de linii spectrale, dar și continue. Estimarea compoziției energetice a particulelor detectate face posibilă tragerea de concluzii despre proprietățile fizice și chimice ale obiectului studiat.
În funcție de metoda de acțiune asupra substanței, se înregistrează fie particule de același tip, fie altele. Există și spectroscopie de absorbție cu raze X, dar cel mai adesea servește ca instrument auxiliar pentru înțelegerea problemelor cheie ale spectroscopiei tradiționale cu raze X.
Tipuri de substanțe
Metodele de analiză spectrală cu raze X ne permit să studiem compoziția chimică a unei substanțe. Această metodă poate fi folosită și ca metodă de testare nedistructivă expresă. Următoarele tipuri de substanțe pot fi incluse în studiu:
- metale și aliaje;
- rocks;
- sticlă și ceramică;
- fluid;
- abrazive;
- gaze;
- substanțe amorfe;
- polimeri și alți compuși organici;
- proteine și acizi nucleici.
Analiza spectrală cu raze X vă permite, de asemenea, să determinați următoarele proprietăți ale materialelor:
- compoziția fazei;
- orientarea și dimensiunea monocristalelor, particule coloidale;
- diagrame de stare aliaj;
- structura atomică și dislocarea rețelei cristaline;
- stresuri interne;
- coeficient de dilatare termică și alte caracteristici.
Pe baza acestei metode înproducția folosește detectarea defectelor cu raze X, care vă permite să detectați diferite tipuri de neomogenități în materiale:
- scoci;
- incluziuni străine;
- pori;
- cracks;
- Suduri defecte și alte defecte.
Tipuri de analize
În funcție de metoda de generare a razelor X, se disting următoarele tipuri de analiză spectrală cu raze X:
- fluorescent cu raze X. Atomii sunt excitați de radiația primară de raze X (fotoni de în altă energie). Aceasta durează aproximativ o microsecundă, după care se mută într-o poziție calmă, de bază. Excesul de energie este apoi emis sub forma unui foton. Fiecare substanță emite aceste particule cu un anumit nivel de energie, ceea ce face posibilă identificarea cu acuratețe a acesteia.
- Radiometric cu raze X. Atomii materiei sunt excitați de radiația gamma de la un izotop radioactiv.
- Sonda de electroni. Activarea este efectuată de un fascicul de electroni focalizat cu o energie de câteva zeci de keV.
- Test cu excitație ionică (protoni sau ioni grei).
Cea mai comună metodă de analiză spectrală cu raze X este fluorescența. Excitația cu raze X atunci când o probă este bombardată cu electroni se numește directă, iar când este iradiată cu raze X se numește secundară (fluorescentă).
Fundamentals of X-ray Fluorescence Analysis
Metoda de fluorescență cu raze X pe scară largăutilizat în industrie și cercetare științifică. Elementul principal al spectrometrului este sursa de radiație primară, care este cel mai adesea folosită ca tuburi de raze X. Sub influența acestei radiații, proba începe să fluoresce, emițând raze X din spectrul de linii. Una dintre cele mai importante caracteristici ale metodei este că fiecare element chimic are propriile sale caracteristici spectrale, indiferent dacă este în stare liberă sau legată (ca parte a oricărui compus). Modificarea luminozității liniilor face posibilă cuantificarea concentrației acesteia.
Un tub cu raze X este un balon în interiorul căruia se creează un vid. La un capăt al tubului se află un catod sub forma unui fir de wolfram. Este încălzit de un curent electric la temperaturi care asigură emisia de electroni. La celăl alt capăt se află un anod sub forma unei ținte metalice masive. Se creează o diferență de potențial între catod și anod, datorită căreia electronii sunt accelerați.
Particulele încărcate care se mișcă cu viteză mare lovesc anodul și excită bremsstrahlung. Există o fereastră transparentă în peretele tubului (cel mai adesea este din beriliu) prin care ies razele X. Anodul din aparatele de analiză spectrală cu raze X este realizat din mai multe tipuri de metal: wolfram, molibden, cupru, crom, paladiu, aur, reniu.
Descompunerea radiației într-un spectru și înregistrarea acestuia
Există 2 tipuri de dispersie de raze X în spectru - unde și energie. Primul tip este cel mai comun. Spectrometrele cu raze X, care funcționează pe principiul dispersiei undelor, au cristale de analiză care împrăștie undele la un anumit unghi.
Cristale simple sunt folosite pentru a descompune razele X într-un spectru:
- fluorura de litiu;
- quartz;
- carbon;
- ftalat acid de potasiu sau taliu;
- silicon.
Ei joacă rolul rețelelor de difracție. Pentru analiza în masă cu mai multe elemente, instrumentele folosesc un set de astfel de cristale care acoperă aproape în întregime întreaga gamă de elemente chimice.
Camere cu raze X sunt folosite pentru a obține o radiografie sau un model de difracție fixat pe film fotografic. Deoarece această metodă este laborioasă și mai puțin precisă, în prezent este utilizată numai pentru detectarea defectelor în analiza cu raze X a metalelor și a altor materiale.
Contoarele proporționale și de scintilație sunt folosite ca detectoare de particule emise. Cel din urmă tip are o sensibilitate ridicată în regiunea radiațiilor dure. Fotonii care cad pe fotocatodul detectorului sunt convertiți într-un impuls de tensiune electrică. Semnalul ajunge mai întâi la amplificator, apoi la intrarea computerului.
Domeniul de aplicare
Analiza fluorescenței cu raze X este utilizată în următoarele scopuri:
- determinarea impurităților nocive din ulei șiproduse petroliere (benzină, lubrifianți și altele); metale grele și alți compuși periculoși în sol, aer, apă, alimente;
- analiza catalizatorilor din industria chimică;
- determinarea precisă a perioadei rețelei cristaline;
- detectarea grosimii straturilor de protecție printr-o metodă nedistructivă;
- determinarea surselor de materii prime din care este fabricat articolul;
- calcularea microvolumelor de materie;
- determinarea componentelor principale și a impurităților rocilor în geologie și metalurgie;
- studiul obiectelor cu valoare culturală și istorică (icoane, picturi, fresce, bijuterii, vesela, ornamente și alte obiecte din diverse materiale), datarea acestora;
- determinarea compoziției pentru analize criminalistice.
Pregătirea probei
Pentru studiu, pregătirea probei este necesară în mod preliminar. Acestea trebuie să îndeplinească următoarele condiții pentru analiza cu raze X:
- Uniformitate. Această condiție poate fi îndeplinită cel mai simplu pentru probele lichide. La stratificarea soluției imediat înainte de studiu, aceasta este amestecată. Pentru elementele chimice din regiunea de radiație cu lungime de undă scurtă, omogenitatea se realizează prin măcinare în pulbere, iar în regiunea cu lungime de undă lungă, prin fuziune cu flux.
- Rezistent la influențele externe.
- Se potrivește cu dimensiunea de încărcare a mostrei.
- Rugozitatea optimă a probelor solide.
Deoarece probele lichide au o serie de dezavantaje (evaporare, modificarea volumului lor la încălzire, precipitareprecipitat sub acțiunea radiațiilor X), este de preferat să se folosească substanță uscată pentru analiza spectrală cu raze X. Probele de pulbere sunt turnate într-o cuvă și presate. Cuva este instalată în suport prin adaptor.
Pentru analize cantitative, mostrele de pulbere se recomandă să fie presate în tablete. Pentru a face acest lucru, substanța este măcinată până la o stare de pulbere fină, apoi se fac tablete pe presă. Pentru a fixa substanțele friabile, acestea sunt așezate pe un substrat de acid boric. Lichidele sunt turnate în cuve cu ajutorul unei pipete, în timp ce se verifică absența bulelor.
Pregătirea probelor, selectarea unei tehnici de analiză și a modului optim, selectarea standardelor și construirea graficelor analitice pe acestea se realizează de către un asistent de laborator de analiză spectrală cu raze X care trebuie să cunoască elementele de bază ale fizicii, chimiei, proiectarea spectrometrelor și metodologia de cercetare.
Analiza calitativă
Determinarea compoziției calitative a probelor se realizează pentru identificarea anumitor elemente chimice din acestea. Cuantificarea nu se efectuează. Cercetarea se desfășoară în următoarea ordine:
- pregătirea mostrelor;
- pregătirea spectrometrului (încălzirea acestuia, instalarea goniometrului, setarea intervalului de lungimi de undă, pasul de scanare și timpul de expunere în program);
- scanare rapidă a probei, înregistrarea spectrelor obținute în memoria computerului;
- descifrând descompunerea spectrală rezultată.
Intensitatea radiației în fiecare momentscanarea este afișată pe monitorul computerului sub forma unui grafic, de-a lungul axei orizontale a cărei lungime de undă este trasată și de-a lungul axei verticale - intensitatea radiației. Software-ul spectrometrelor moderne face posibilă decodarea automată a datelor obținute. Rezultatul unei analize calitative cu raze X este o listă de linii de substanțe chimice care au fost găsite în probă.
Erori
Pot apărea adesea elemente chimice fals identificate. Acest lucru se datorează următoarelor motive:
- abateri aleatorii ale bremsstrahlung împrăștiate;
- linii parazite din materialul anodului, radiație de fundal;
- erori de instrument.
Cea mai mare inexactitate este relevată în studiul probelor, care sunt dominate de elemente ușoare de origine organică. Când se efectuează analiza spectrală cu raze X a metalelor, proporția de radiație împrăștiată este mai mică.
Analiza cantitativă
Înainte de a efectua o analiză cantitativă, este necesară o setare specială a spectrometrului - calibrarea acestuia folosind probe standard. Spectrul probei de testat este comparat cu spectrul obţinut din iradierea probelor de calibrare.
Acuratețea determinării elementelor chimice depinde de mulți factori, cum ar fi:
- efect de excitare interelement;
- spectru de împrăștiere a fundalului;
- rezoluție dispozitiv;
- liniaritatea caracteristicii de numărare a spectrometrului;
- Spectrul tubului cu raze X și altele.
Această metodă este mai complicată și necesită un studiu analitic, luând în considerare constantele determinate în prealabil experimental sau teoretic.
Demnitate
Avantajele metodei cu raze X includ:
- posibilitate de testare nedistructivă;
- sensibilitate mare și precizie (determinarea impurităților până la 10-3%);
- gamă largă de elemente chimice analizate;
- pregătire ușoară a probei;
- versatilitate;
- posibilitate de interpretare automată și performanță ridicată a metodei.
Defecte
Printre dezavantajele analizei spectrale cu raze X se numără următoarele:
- cerințe de siguranță sporite;
- nevoie de absolvire individuală;
- interpretare dificilă a compoziției chimice atunci când liniile caracteristice ale unor elemente sunt apropiate;
- necesitatea de a fabrica anozi din materiale rare pentru a reduce radiația caracteristică de fond care afectează fiabilitatea rezultatelor.
