Röntgenová spektrálna analýza zaujíma dôležité miesto medzi všetkými metódami štúdia materiálov. Je široko používaný v rôznych oblastiach techniky vďaka možnosti expresnej kontroly bez zničenia testovanej vzorky. Čas na určenie jedného chemického prvku môže byť len niekoľko sekúnd, neexistujú prakticky žiadne obmedzenia na typ skúmaných látok. Analýza sa vykonáva z kvalitatívneho aj kvantitatívneho hľadiska.
Podstata röntgenovej spektrálnej analýzy
Röntgenová spektrálna analýza je jednou z fyzikálnych metód na štúdium a kontrolu materiálov. Je založená na myšlienke spoločnej pre všetky metódy spektroskopie.
Podstata röntgenovej spektrálnej analýzy spočíva v schopnosti látky emitovať charakteristické röntgenové žiarenie, keď sú atómy bombardované rýchlymi elektrónmi alebo kvantami. Ich energia musí byť zároveň väčšia ako energia, ktorá je potrebná na vytiahnutie elektrónu z obalu atómu. Takýto dopad vedie nielen k vzniku charakteristického spektra žiarenia,pozostávajúce z malého počtu spektrálnych čiar, ale aj spojitých. Odhad energetického zloženia detekovaných častíc umožňuje vyvodiť závery o fyzikálnych a chemických vlastnostiach skúmaného objektu.
V závislosti od spôsobu pôsobenia na látku sa zaznamenávajú buď častice rovnakého typu, alebo iné. Existuje aj röntgenová absorpčná spektroskopia, ktorá však najčastejšie slúži ako pomocný nástroj na pochopenie kľúčových problémov tradičnej röntgenovej spektroskopie.
Typy látok
Metódy röntgenovej spektrálnej analýzy nám umožňujú študovať chemické zloženie látky. Túto metódu možno použiť aj ako expresnú nedeštruktívnu testovaciu metódu. Do štúdie môžu byť zahrnuté tieto typy látok:
- kovy a zliatiny;
- rocks;
- sklo a keramika;
- fluid;
- brúsivá;
- plyny;
- amorfné látky;
- polyméry a iné organické zlúčeniny;
- proteíny a nukleové kyseliny.
Röntgenová spektrálna analýza vám tiež umožňuje určiť nasledujúce vlastnosti materiálov:
- fázové zloženie;
- orientácia a veľkosť jednotlivých kryštálov, koloidné častice;
- diagramy stavu zliatin;
- atómová štruktúra a dislokácia kryštálovej mriežky;
- vnútorné napätia;
- koeficient tepelnej rozťažnosti a ďalšie charakteristiky.
Na základe tejto metódy vvýroba využíva röntgenovú detekciu chýb, ktorá umožňuje odhaliť rôzne typy nehomogenít v materiáloch:
- shells;
- zahraničné inklúzie;
- pores;
- cracks;
- Chybné zvary a iné chyby.
Typy analýzy
V závislosti od spôsobu generovania röntgenových lúčov sa rozlišujú tieto typy röntgenovej spektrálnej analýzy:
- Röntgenová fluorescenčná. Atómy sú excitované primárnym röntgenovým žiarením (vysokoenergetické fotóny). Toto trvá asi mikrosekundu, po ktorej sa presunú do pokojnej základnej polohy. Prebytočná energia je potom emitovaná vo forme fotónu. Každá látka emituje tieto častice s určitou úrovňou energie, čo umožňuje jej presnú identifikáciu.
- Röntgenové rádiometrické. Atómy hmoty sú excitované gama žiarením z rádioaktívneho izotopu.
- Elektrónová sonda. Aktivácia sa vykonáva fokusovaným elektrónovým lúčom s energiou niekoľkých desiatok keV.
- Skúška s iónovou excitáciou (protóny alebo ťažké ióny).
Najbežnejšou metódou röntgenovej spektrálnej analýzy je fluorescencia. Röntgenová excitácia, keď je vzorka bombardovaná elektrónmi, sa nazýva priama, a keď je ožiarená röntgenovými lúčmi, nazýva sa sekundárna (fluorescenčná).
Základy röntgenovej fluorescenčnej analýzy
Rôntgenová fluorescenčná metóda širokopoužívané v priemysle a vedeckom výskume. Hlavným prvkom spektrometra je zdroj primárneho žiarenia, ktorý sa najčastejšie používa ako röntgenové trubice. Pod vplyvom tohto žiarenia začne vzorka fluoreskovať a vyžarovať röntgenové lúče čiarového spektra. Jednou z najdôležitejších vlastností metódy je, že každý chemický prvok má svoje spektrálne charakteristiky bez ohľadu na to, či je vo voľnom alebo viazanom stave (ako súčasť akejkoľvek zlúčeniny). Zmena jasu čiar umožňuje kvantifikovať jeho koncentráciu.
Röntgenová trubica je balón, v ktorom sa vytvára vákuum. Na jednom konci trubice je katóda vo forme volfrámového drôtu. Ohrieva sa elektrickým prúdom na teploty, ktoré zabezpečujú emisiu elektrónov. Na druhom konci je anóda v podobe masívneho kovového terča. Medzi katódou a anódou vzniká potenciálny rozdiel, vďaka ktorému sú elektróny urýchľované.
Nabité častice pohybujúce sa vysokou rýchlosťou narážajú na anódu a vyvolávajú brzdné žiarenie. V stene trubice je priehľadné okienko (najčastejšie je vyrobené z berýlia), cez ktoré vychádzajú röntgenové lúče. Anóda v zariadeniach na röntgenovú spektrálnu analýzu je vyrobená z niekoľkých druhov kovov: volfrám, molybdén, meď, chróm, paládium, zlato, rénium.
Rozklad žiarenia na spektrum a jeho registrácia
V spektre sú 2 typy röntgenovej disperzie – vlnová a energetická. Prvý typ je najbežnejší. Röntgenové spektrometre fungujúce na princípe rozptylu vĺn majú kryštály analyzátora, ktoré rozptyľujú vlny pod určitým uhlom.
Jednotlivé kryštály sa používajú na rozklad röntgenového žiarenia na spektrum:
- fluorid lítny;
- quartz;
- carbon;
- kyselina ftalát draselný alebo tália;
- kremík.
Zohrávajú úlohu difrakčných mriežok. Na hromadnú viacprvkovú analýzu používajú prístroje sadu takýchto kryštálov, ktoré takmer úplne pokrývajú celú škálu chemických prvkov.
Röntgenové kamery sa používajú na získanie rádiogramu alebo difrakčného vzoru fixovaného na fotografický film. Keďže je táto metóda pracná a menej presná, v súčasnosti sa používa iba na detekciu chýb pri röntgenovej analýze kovov a iných materiálov.
Proporcionálne a scintilačné čítače sa používajú ako detektory emitovaných častíc. Posledný typ má vysokú citlivosť v oblasti tvrdého žiarenia. Fotóny dopadajúce na fotokatódu detektora sa premenia na elektrický napäťový impulz. Signál ide najskôr do zosilňovača a potom do vstupu počítača.
Rozsah aplikácie
Röntgenová fluorescenčná analýza sa používa na nasledujúce účely:
- stanovenie škodlivých nečistôt v oleji aropné produkty (benzín, mazivá a iné); ťažké kovy a iné nebezpečné zlúčeniny v pôde, vzduchu, vode, potravinách;
- analýza katalyzátorov v chemickom priemysle;
- presné určenie periódy kryštálovej mriežky;
- zisťovanie hrúbky ochranných náterov nedeštruktívnou metódou;
- určenie zdrojov surovín, z ktorých je položka vyrobená;
- výpočet mikroobjemov hmoty;
- určenie hlavných a prímesových zložiek hornín v geológii a metalurgii;
- štúdium predmetov kultúrnej a historickej hodnoty (ikony, maľby, fresky, šperky, riad, ozdoby a iné predmety z rôznych materiálov), ich datovanie;
- určenie zloženia pre forenznú analýzu.
Príprava vzorky
Pre štúdiu je predbežne potrebná príprava vzorky. Na röntgenovú analýzu musia spĺňať nasledujúce podmienky:
- Jednotnosť. Túto podmienku možno najjednoduchšie splniť pre kvapalné vzorky. Pri stratifikácii roztoku bezprostredne pred štúdiou sa zmieša. Pre chemické prvky v krátkovlnnej oblasti žiarenia sa homogenita dosiahne rozomletím na prášok a v dlhovlnnej oblasti fúziou s tavivom.
- Odolné voči vonkajším vplyvom.
- Prispôsobí sa veľkosti nakladača vzoriek.
- Optimálna drsnosť pevných vzoriek.
Keďže kvapalné vzorky majú množstvo nevýhod (vyparovanie, zmena ich objemu pri zahrievaní, zrážaniezrazenina pôsobením röntgenového žiarenia), je výhodné použiť na röntgenovú spektrálnu analýzu sušinu. Vzorky prášku sa nalejú do kyvety a stlačia sa. Kyveta sa inštaluje do držiaka cez adaptér.
Pre kvantitatívnu analýzu sa odporúča práškové vzorky zlisovať do tabliet. Na tento účel sa látka rozomelie na jemný prášok a potom sa na lise vyrobia tablety. Na fixáciu drobivých látok sa položia na substrát z kyseliny boritej. Kvapaliny sa nalievajú do kyviet pomocou pipety, pričom sa kontroluje neprítomnosť bublín.
Prípravu vzoriek, výber techniky analýzy a optimálneho režimu, výber štandardov a zostavenie analytických grafov na nich vykonáva laborant röntgenovej spektrálnej analýzy, ktorý musí poznať základy fyziky, chémie, dizajn spektrometrov a metodológia výskumu.
Kvalitatívna analýza
Stanovenie kvalitatívneho zloženia vzoriek sa vykonáva s cieľom identifikovať v nich určité chemické prvky. Kvantifikácia sa nevykonáva. Výskum sa vykonáva v nasledujúcom poradí:
- príprava vzoriek;
- príprava spektrometra (zahriatie, inštalácia goniometra, nastavenie rozsahu vlnovej dĺžky, krok skenovania a expozičný čas v programe);
- rýchle skenovanie vzorky, zaznamenanie získaných spektier do pamäte počítača;
- dešifrovanie výsledného spektrálneho rozkladu.
Intenzita žiarenia v každom okamihuskenovanie sa zobrazuje na monitore počítača vo forme grafu, pozdĺž ktorého horizontálnej osi je vynesená vlnová dĺžka a pozdĺž vertikálnej osi - intenzita žiarenia. Softvér moderných spektrometrov umožňuje automaticky dekódovať získané údaje. Výsledkom kvalitatívnej röntgenovej analýzy je zoznam línií chemikálií, ktoré sa našli vo vzorke.
Chyby
Často sa môžu vyskytnúť falošne identifikované chemické prvky. Je to z nasledujúcich dôvodov:
- náhodné odchýlky rozptýleného brzdného žiarenia;
- bludné čiary z materiálu anódy, žiarenie pozadia;
- chyby nástroja.
Najväčšia nepresnosť je odhalená pri štúdiu vzoriek, v ktorých dominujú ľahké prvky organického pôvodu. Pri vykonávaní röntgenovej spektrálnej analýzy kovov je podiel rozptýleného žiarenia menší.
Kvantitatívna analýza
Pred vykonaním kvantitatívnej analýzy je potrebné špeciálne nastavenie spektrometra - jeho kalibrácia pomocou štandardných vzoriek. Spektrum testovanej vzorky sa porovnáva so spektrom získaným ožiarením kalibračných vzoriek.
Presnosť určenia chemických prvkov závisí od mnohých faktorov, ako napríklad:
- interelement excitačný efekt;
- rozptylové spektrum na pozadí;
- rozlíšenie zariadenia;
- linearita počítacej charakteristiky spektrometra;
- Spektrum röntgenovej trubice a iné.
Táto metóda je zložitejšia a vyžaduje si analytickú štúdiu, berúc do úvahy vopred experimentálne alebo teoreticky určené konštanty.
Dignity
Výhody röntgenovej metódy zahŕňajú:
- možnosť nedeštruktívneho testovania;
- vysoká citlivosť a presnosť (určenie nečistôt do 10-3%);
- široký rozsah analyzovaných chemických prvkov;
- jednoduchá príprava vzorky;
- všestrannosť;
- možnosť automatickej interpretácie a vysoký výkon metódy.
Chyby
Medzi nevýhody röntgenovej spektrálnej analýzy patria:
- zvýšené bezpečnostné požiadavky;
- potreba individuálneho ukončenia štúdia;
- ťažká interpretácia chemického zloženia, keď sú charakteristické čiary niektorých prvkov blízko;
- nutnosť vyrábať anódy zo vzácnych materiálov, aby sa znížilo charakteristické žiarenie pozadia, ktoré ovplyvňuje spoľahlivosť výsledkov.
