Röntgenspektrianalyysillä on tärkeä paikka kaikkien materiaalien tutkimusmenetelmien joukossa. Sitä käytetään laaj alti eri tekniikan aloilla, koska se on mahdollista nopealla ohjauksella tuhoamatta testinäytettä. Aika yhden kemiallisen alkuaineen määrittämiseen voi olla vain muutama sekunti, tutkittavien aineiden tyypeille ei käytännössä ole rajoituksia. Analyysi suoritetaan sekä laadullisesti että määrällisesti.
Röntgenspektrianalyysin ydin
Röntgenspektrianalyysi on yksi fysikaalisista menetelmistä materiaalien tutkimiseen ja hallintaan. Se perustuu ajatukseen, joka on yhteinen kaikille spektroskopian menetelmille.
Röntgenspektrianalyysin ydin on aineen kyky lähettää ominaista röntgensäteilyä, kun atomeja pommittavat nopeat elektronit tai kvantit. Samanaikaisesti niiden energian on oltava suurempi kuin energia, joka tarvitaan elektronin vetämiseen atomin kuoresta. Tällainen isku ei johda vain tyypillisen säteilyspektrin ilmestymiseen,koostuu pienestä määrästä spektriviivoja, mutta myös jatkuvia. Havaittujen hiukkasten energiakoostumuksen arviointi mahdollistaa päätelmien tekemisen tutkittavan kohteen fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksista.
Aineen vaikutustavasta riippuen tallennetaan joko samantyyppisiä tai muita hiukkasia. On myös röntgenabsorptiospektroskopiaa, mutta se toimii useimmiten apuvälineenä perinteisen röntgenspektroskopian keskeisten kysymysten ymmärtämisessä.
Ainetyypit
Röntgenspektrianalyysin menetelmät antavat meille mahdollisuuden tutkia aineen kemiallista koostumusta. Tätä menetelmää voidaan käyttää myös nopeana ainetta rikkomattomana testausmenetelmänä. Seuraavan tyyppisiä aineita voidaan sisällyttää tutkimukseen:
- metallit ja seokset;
- kivet;
- lasi ja keramiikka;
- neste;
- hioma-aineet;
- kaasut;
- amorfiset aineet;
- polymeerit ja muut orgaaniset yhdisteet;
- proteiinit ja nukleiinihapot.
Röntgenspektrianalyysin avulla voit myös määrittää seuraavat materiaalien ominaisuudet:
- vaihekokoonpano;
- yksikiteiden, kolloidisten hiukkasten suunta ja koko;
- seosten tilakaaviot;
- atomirakenne ja kidehilan siirtymä;
- sisäiset jännitykset;
- lämpölaajenemiskerroin ja muut ominaisuudet.
Tämän menetelmän perusteellatuotannossa käytetään röntgensäteen vikojen havaitsemista, jonka avulla voit havaita erityyppisiä epähomogeenisuuksia materiaaleista:
- kuoret;
- ulkomaalaiset inkluusiot;
- huokoset;
- halkeamia;
- Vialliset hitsit ja muut viat.
Analyysityypit
Röntgensäteiden tuottomenetelmästä riippuen erotetaan seuraavat röntgenspektrianalyysityypit:
- Röntgenfluoresoiva. Primääriröntgensäteily (korkeanenergiset fotonit) kiihottaa atomeja. Tämä kestää noin mikrosekunnin, jonka jälkeen he siirtyvät rauhalliseen perusasentoon. Ylimääräinen energia vapautuu sitten fotonin muodossa. Jokainen aine emittoi näitä hiukkasia tietyllä energiatasolla, mikä mahdollistaa sen tarkan tunnistamisen.
- Röntgenradiometrinen. Aineen atomit viritetään radioaktiivisen isotoopin gammasäteilyllä.
- Elektronistin. Aktivointi suoritetaan fokusoidulla elektronisäteellä, jonka energia on useita kymmeniä keV.
- Määritys ionivirityksellä (protonit tai raskaat ionit).
Yleisin röntgenspektrianalyysimenetelmä on fluoresenssi. Röntgenviritystä, kun näytettä pommitetaan elektroneilla, kutsutaan suoraksi, ja kun sitä säteilytetään röntgensäteillä, sitä kutsutaan toissijaiseksi (fluoresoivaksi).
Röntgenfluoresenssianalyysin perusteet
Röntgenfluoresenssimenetelmää laajastikäytetään teollisuudessa ja tieteellisessä tutkimuksessa. Spektrometrin pääelementti on primäärisäteilyn lähde, jota käytetään useimmiten röntgenputkina. Tämän säteilyn vaikutuksesta näyte alkaa fluoresoida ja lähettää viivaspektrin röntgensäteitä. Yksi menetelmän tärkeimmistä ominaisuuksista on, että jokaisella kemiallisella alkuaineella on omat spektriominaisuudet riippumatta siitä, onko se vapaassa vai sitoutuneessa tilassa (osana mitä tahansa yhdistettä). Viivojen kirkkauden muuttaminen mahdollistaa sen pitoisuuden kvantifioinnin.
Röntgenputki on ilmapallo, jonka sisään syntyy tyhjiö. Putken toisessa päässä on katodi volframilangan muodossa. Se lämmitetään sähkövirralla lämpötiloihin, jotka varmistavat elektronien emission. Toisessa päässä on anodi massiivisen metallikohteen muodossa. Katodin ja anodin välille syntyy potentiaaliero, jonka seurauksena elektronit kiihtyvät.
Ladatut hiukkaset, jotka liikkuvat suurella nopeudella, osuvat anodiin ja kiihdyttävät jarrutuksen. Putken seinämässä on läpinäkyvä ikkuna (useimmiten se on valmistettu berylliumista), jonka läpi röntgensäteet poistuvat. Röntgenspektrianalyysilaitteiden anodi on valmistettu useista metallityypeistä: volframi, molybdeeni, kupari, kromi, palladium, kulta, renium.
Säteilyn hajoaminen spektriksi ja sen rekisteröinti
Spektrissä on 2 tyyppistä röntgensäteiden dispersiota - a alto ja energia. Ensimmäinen tyyppi on yleisin. A altodispersion periaatteella toimivissa röntgenspektrometreissä on analysaattorikiteitä, jotka sirottavat a altoja tietyssä kulmassa.
Yksikiteitä käytetään hajottamaan röntgensäteet spektriksi:
- litiumfluoridi;
- kvartsi;
- hiili;
- hapan kalium- tai talliumftalaatti;
- pii.
Ne toimivat diffraktiohileinä. Massa-monialkuaineanalyysissä instrumentit käyttävät sarjaa sellaisia kiteitä, jotka kattavat lähes kokonaan koko kemiallisten alkuaineiden valikoiman.
Röntgenkameroita käytetään röntgenkuvan tai valokuvafilmille kiinnitetyn diffraktiokuvion saamiseksi. Koska tämä menetelmä on työläs ja vähemmän tarkka, sitä käytetään tällä hetkellä vain vikojen havaitsemiseen metallien ja muiden materiaalien röntgenanalyysissä.
Proportio- ja tuikelaskureita käytetään emittoituneiden hiukkasten ilmaisimina. Jälkimmäisellä tyypillä on korkea herkkyys kovan säteilyn alueella. Anturin fotokatodille putoavat fotonit muunnetaan sähköjännitepulssiksi. Signaali menee ensin vahvistimeen ja sitten tietokoneen tuloon.
Soveltamisala
Röntgenfluoresenssianalyysiä käytetään seuraaviin tarkoituksiin:
- haitallisten epäpuhtauksien määrittäminen öljystä jaöljytuotteet (bensiini, voiteluaineet ja muut); raskasmetallit ja muut vaaralliset yhdisteet maaperässä, ilmassa, vedessä, ruoassa;
- kemianteollisuuden katalyyttien analyysi;
- kidehilan jakson tarkka määritys;
- suojapinnoitteiden paksuuden havaitseminen ainetta rikkomattomalla menetelmällä;
- raaka-aineiden lähteiden määrittäminen, joista tuote on valmistettu;
- aineen mikrotilavuuksien laskenta;
- kivien pää- ja epäpuhtauskomponenttien määritys geologiassa ja metallurgiassa;
- kulttuuri- ja historiallisesti arvokkaiden esineiden (kuvakkeet, maalaukset, freskot, korut, astiat, koristeet ja muut eri materiaaleista valmistetut esineet) tutkiminen, niiden päivämäärä;
- koostumuksen määritys oikeuslääketieteellistä analyysiä varten.
Näytteen valmistelu
Tutkimusta varten vaaditaan alustavasti näytteen valmistelu. Niiden on täytettävä seuraavat röntgenanalyysin ehdot:
- Yhdenmukaisuus. Tämä ehto voidaan täyttää yksinkertaisimmin nestemäisten näytteiden os alta. Kun liuos kerrostetaan välittömästi ennen tutkimusta, se sekoitetaan. Säteilyn lyhyta altoalueella olevien kemiallisten elementtien homogeenisuus saavutetaan jauhamalla jauheeksi ja pitkän aallonpituuden alueella sulattamalla vuon kanssa.
- Kestää ulkoisia vaikutuksia.
- Sopi näytelatauskoon kanssa.
- Kiinteiden näytteiden optimaalinen karheus.
Koska nestemäisillä näytteillä on useita haittoja (haihtuminen, tilavuuden muutos kuumennettaessa, saostuminensakka röntgensäteilyn vaikutuksesta), on edullista käyttää kuiva-ainetta röntgenspektrianalyysiin. Jauhenäytteet kaadetaan kyvettiin ja puristetaan. Kyvetti asennetaan pidikkeeseen sovittimen kautta.
Kvantitatiivista analyysiä varten suositellaan jauhenäytteen puristamista tableteiksi. Tätä varten aine jauhetaan hienoksi jauheeksi, ja sitten puristimella valmistetaan tabletteja. Hauraiden aineiden kiinnittämiseksi ne asetetaan boorihapon alustalle. Nesteet kaadetaan kyvetteihin pipetillä ja samalla tarkistetaan, ettei kuplia ole.
Näytteiden valmistuksen, analyysitekniikan ja optimaalisen tilan valinnan, standardien valinnan ja niihin analyyttisten kaavioiden rakentamisen suorittaa röntgenspektrianalyysin laboratorioassistentti, jonka tulee tuntea fysiikan, kemian perusteet, spektrometrien suunnittelu ja tutkimusmetodologia.
Laadullinen analyysi
Näytteiden kvalitatiivisen koostumuksen määrittäminen suoritetaan tiettyjen näytteiden kemiallisten alkuaineiden tunnistamiseksi. Kvantifiointia ei tehdä. Tutkimus suoritetaan seuraavassa järjestyksessä:
- näytteiden valmistelu;
- spektrometrin valmistelu (lämmittäminen, goniometrin asennus, aallonpituusalueen asettaminen, skannausaskel ja valotusaika ohjelmassa);
- näytteen nopea skannaus, saatujen spektrien tallentaminen tietokoneen muistiin;
- tuloksena olevan spektrihajotelman purkaminen.
Säteilyn intensiteetti kullakin hetkelläskannaus näytetään tietokoneen näytöllä kaavion muodossa, jonka vaaka-akselia pitkin aallonpituus piirretään, ja pystyakselia pitkin - säteilyn intensiteetti. Nykyaikaisten spektrometrien ohjelmisto mahdollistaa saadun tiedon automaattisen dekoodauksen. Kvalitatiivisen röntgenanalyysin tulos on luettelo näytteestä löydetyistä kemikaaliriveistä.
virheet
Väärin tunnistettuja kemiallisia alkuaineita voi usein esiintyä. Tämä johtuu seuraavista syistä:
- hajallaan olevan bremsstrahlungin satunnaiset poikkeamat;
- hajaviivat anodimateriaalista, taustasäteily;
- instrumenttivirheet.
Suurin epätarkkuus paljastuu näytteiden tutkimuksessa, joissa hallitsevat orgaanista alkuperää olevat kevyet alkuaineet. Metallien röntgenspektrianalyysiä suoritettaessa sironneen säteilyn osuus on pienempi.
Kvantitatiivinen analyysi
Ennen kvantitatiivisen analyysin suorittamista tarvitaan spektrometrin erityinen asetus - sen kalibrointi standardinäytteillä. Koenäytteen spektriä verrataan kalibrointinäytteiden säteilytyksestä saatuun spektriin.
Kemiallisten alkuaineiden määrityksen tarkkuus riippuu monista tekijöistä, kuten:
- elementtien välinen viritysefekti;
- taustasirontaspektri;
- laitteen resoluutio;
- spektrometrin laskentaominaisuuden lineaarisuus;
- Röntgenputkispektri ja muut.
Tämä menetelmä on monimutkaisempi ja vaatii analyyttisen tutkimuksen, jossa otetaan huomioon etukäteen kokeellisesti tai teoreettisesti määritetyt vakiot.
Arvollisuus
Röntgenmenetelmän etuja ovat:
- rikkomattoman testauksen mahdollisuus;
- korkea herkkyys ja tarkkuus (epäpuhtauksien määritys jopa 10-3%);
- laaja valikoima analysoituja kemiallisia alkuaineita;
- helppo näytteen valmistus;
- monipuolisuus;
- automaattisen tulkinnan mahdollisuus ja menetelmän korkea suorituskyky.
Epäkohdat
Röntgenspektrianalyysin haittoja ovat seuraavat:
- suuremmat turvallisuusvaatimukset;
- henkilökohtaisen valmistumisen tarve;
- kemiallisen koostumuksen vaikea tulkinta, kun joidenkin alkuaineiden tunnusviivat ovat lähellä;
- tarve valmistaa anodeja harvinaisista materiaaleista taustan ominaissäteilyn vähentämiseksi, joka vaikuttaa tulosten luotettavuuteen.
