Rentgenska spektralna analiza zavzema pomembno mesto med vsemi metodami preučevanja materialov. Široko se uporablja na različnih področjih tehnologije zaradi možnosti hitre kontrole brez uničenja testnega vzorca. Čas za določitev enega kemičnega elementa je lahko le nekaj sekund, glede vrste snovi, ki se preučujejo, praktično ni omejitev. Analiza se izvaja tako v kvalitativnem kot kvantitativnem smislu.
Bistvo rentgenske spektralne analize
rentgenska spektralna analiza je ena od fizikalnih metod za preučevanje in nadzor materialov. Temelji na ideji, ki je skupna vsem metodam spektroskopije.
Bistvo rentgenske spektralne analize je v sposobnosti snovi, da oddaja značilno rentgensko sevanje, ko atome bombardirajo hitri elektroni ali kvanti. Hkrati mora biti njihova energija večja od energije, ki je potrebna, da izvlečemo elektron iz lupine atoma. Takšen vpliv ne vodi le do pojava značilnega spektra sevanja,sestavljeno iz majhnega števila spektralnih črt, a tudi neprekinjeno. Ocena energijske sestave zaznanih delcev omogoča sklepanje o fizikalnih in kemijskih lastnostih preučevanega predmeta.
Odvisno od načina delovanja na snov se zabeležijo delci iste vrste ali drugi. Obstaja tudi rentgenska absorpcijska spektroskopija, vendar največkrat služi kot pomožno orodje za razumevanje ključnih vprašanj tradicionalne rentgenske spektroskopije.
Vrste snovi
Metode rentgenske spektralne analize nam omogočajo preučevanje kemične sestave snovi. Ta metoda se lahko uporablja tudi kot metoda hitrega neporušnega testiranja. V študijo so lahko vključene naslednje vrste snovi:
- kovine in zlitine;
- skale;
- steklo in keramika;
- fluid;
- abrazivna sredstva;
- plini;
- amorfne snovi;
- polimeri in druge organske spojine;
- proteini in nukleinske kisline.
rentgenska spektralna analiza vam omogoča tudi določitev naslednjih lastnosti materialov:
- fazna sestava;
- orientacija in velikost posameznih kristalov, koloidnih delcev;
- diagrami stanja zlitine;
- atomska struktura in dislokacija kristalne mreže;
- notranje napetosti;
- koeficient toplotnega raztezanja in druge značilnosti.
Na podlagi te metode vproizvodnja uporablja rentgensko odkrivanje napak, ki vam omogoča odkrivanje različnih vrst nehomogenosti v materialih:
- školjke;
- tuji vključki;
- pore;
- razpoke;
- Napačni zvari in druge okvare.
Vrste analize
Odvisno od metode generiranja rentgenskih žarkov ločimo naslednje vrste spektralne analize rentgenskih žarkov:
- Rentgensko fluorescenčno. Atome vzbuja primarno rentgensko sevanje (visokoenergijski fotoni). To traja približno mikrosekundo, nato pa se premaknejo v miren, osnovni položaj. Odvečna energija se nato oddaja v obliki fotona. Vsaka snov oddaja te delce z določeno stopnjo energije, zaradi česar jo je mogoče natančno identificirati.
- Rentgensko radiometrično. Atome snovi vzbuja gama sevanje radioaktivnega izotopa.
- Elektronska sonda. Aktivacija se izvede s fokusiranim elektronskim žarkom z energijo nekaj deset keV.
- Preizkus z ionsko ekscitacijo (protoni ali težki ioni).
Najpogostejša metoda rentgenske spektralne analize je fluorescenca. Rentgensko vzbujanje, ko je vzorec bombardiran z elektroni, se imenuje neposredno, ob obsevanju z rentgenskimi žarki pa sekundarno (fluorescentno).
Osnove rentgenske fluorescenčne analize
Rentgenska fluorescenčna metoda širokouporablja v industriji in znanstvenih raziskavah. Glavni element spektrometra je vir primarnega sevanja, ki se najpogosteje uporablja kot rentgenske cevi. Pod vplivom tega sevanja začne vzorec fluorescirati in oddajati rentgenske žarke linijskega spektra. Ena najpomembnejših značilnosti metode je, da ima vsak kemični element svoje spektralne značilnosti, ne glede na to, ali je v prostem ali vezanem stanju (kot del katere koli spojine). S spreminjanjem svetlosti črt je mogoče kvantificirati njeno koncentracijo.
Rentgenska cev je balon, znotraj katerega nastane vakuum. Na enem koncu cevi je katoda v obliki volframove žice. Z električnim tokom se segreje na temperature, ki zagotavljajo emisijo elektronov. Na drugem koncu je anoda v obliki masivne kovinske tarče. Med katodo in anodo nastane potencialna razlika, zaradi katere se elektroni pospešujejo.
Nabiti delci, ki se premikajo z veliko hitrostjo, udarijo v anodo in vzbudijo zavorno svetlobo. V steni cevi je prozorno okence (najpogosteje je iz berilija), skozi katerega izstopajo rentgenski žarki. Anoda v napravah za rentgensko spektralno analizo je izdelana iz več vrst kovin: volfram, molibden, baker, krom, paladij, zlato, renij.
Razgradnja sevanja v spekter in njegova registracija
Obstajata 2 vrsti disperzije rentgenskih žarkov v spektru - valovna in energijska. Prva vrsta je najpogostejša. Rentgenski spektrometri, ki delujejo na principu valovne disperzije, imajo kristale analizatorja, ki razpršijo valove pod določenim kotom.
Posamezni kristali se uporabljajo za razgradnjo rentgenskih žarkov v spekter:
- litijev fluorid;
- kvarc;
- ogljik;
- kisli kalijev ali talijev ftalat;
- silicij.
Igrajo vlogo difrakcijskih rešetk. Za množično večelementno analizo instrumenti uporabljajo nabor takšnih kristalov, ki skoraj v celoti pokrivajo celotno paleto kemičnih elementov.
Rentgenske kamere se uporabljajo za pridobivanje radiografije ali difrakcijskega vzorca, ki je fiksiran na fotografskem filmu. Ker je ta metoda naporna in manj natančna, se trenutno uporablja samo za odkrivanje napak pri rentgenskih analizah kovin in drugih materialov.
Proporcionalni in scintilacijski števci se uporabljajo kot detektorji oddanih delcev. Slednji tip ima visoko občutljivost v območju trdega sevanja. Fotoni, ki padejo na fotokatodo detektorja, se pretvorijo v impulz električne napetosti. Signal gre najprej v ojačevalnik, nato pa na vhod računalnika.
Obseg uporabe
Rentgenska fluorescenčna analiza se uporablja za naslednje namene:
- določanje škodljivih nečistoč v olju innaftni derivati (bencin, maziva in drugi); težke kovine in druge nevarne spojine v tleh, zraku, vodi, hrani;
- analiza katalizatorjev v kemični industriji;
- natančna določitev obdobja kristalne mreže;
- odkrivanje debeline zaščitnih premazov z nedestruktivno metodo;
- določanje virov surovin, iz katerih je predmet izdelan;
- izračun mikrovolumen snovi;
- določanje glavnih in nečistočih sestavin kamnin v geologiji in metalurgiji;
- preučevanje predmetov kulturne in zgodovinske vrednosti (ikone, slike, freske, nakit, posoda, okraski in drugi predmeti iz različnih materialov), njihova datacija;
- določanje sestave za forenzično analizo.
Priprava vzorca
Za študijo je predhodno potrebna priprava vzorca. Za rentgensko analizo morajo izpolnjevati naslednje pogoje:
- Poenotenost. Ta pogoj je mogoče najpreprosteje izpolniti za tekoče vzorce. Pri stratificiranju raztopine tik pred študijo se meša. Pri kemičnih elementih v kratkovalovnem območju sevanja se homogenost doseže z mletjem v prah, v dolgovalovnem pa s fuzijo s fluksom.
- Odporen na zunanje vplive.
- Prilega se velikosti nakladalnika vzorcev.
- Optimalna hrapavost trdnih vzorcev.
Ker imajo tekoči vzorci številne pomanjkljivosti (izhlapevanje, sprememba njihove prostornine pri segrevanju, padavineoborino pod vplivom rentgenskega sevanja), je za rentgensko spektralno analizo bolje uporabiti suho snov. Vzorce prahu vlijemo v kiveto in stisnemo. Kiveta se vgradi v držalo preko adapterja.
Za kvantitativno analizo priporočamo stiskanje vzorcev prahu v tablete. Da bi to naredili, se snov zmelje v stanje finega prahu, nato pa se na stiskalnici izdelajo tablete. Za fiksiranje drobljivih snovi jih položimo na substrat borove kisline. Tekočine vlijemo v kivete s pipeto, pri čemer preverjamo odsotnost mehurčkov.
Pripravo vzorcev, izbiro analizne tehnike in optimalnega načina, izbor standardov in konstrukcijo analitičnih grafov na njih izvaja laboratorijski sodelavec rentgenske spektralne analize, ki mora poznati osnove fizike, kemije, načrtovanje spektrometrov in raziskovalna metodologija.
Kvalitativna analiza
Določanje kvalitativne sestave vzorcev se izvaja za identifikacijo določenih kemičnih elementov v njih. Kvantifikacija se ne izvaja. Raziskave potekajo v naslednjem vrstnem redu:
- priprava vzorcev;
- priprava spektrometra (ogrevanje, namestitev goniometra, nastavitev obsega valovne dolžine, korak skeniranja in čas osvetlitve v programu);
- hitro skeniranje vzorca, snemanje dobljenih spektrov v pomnilnik računalnika;
- dešifriranje nastale spektralne razgradnje.
Intenzivnost sevanja v vsakem trenutkuskeniranje je prikazano na računalniškem monitorju v obliki grafa, vzdolž vodoravne osi katerega je izrisana valovna dolžina, vzdolž navpične osi pa intenzivnost sevanja. Programska oprema sodobnih spektrometrov omogoča samodejno dekodiranje pridobljenih podatkov. Rezultat kvalitativne rentgenske analize je seznam vrstic kemikalij, ki so bile najdene v vzorcu.
Napake
Pogosto se lahko pojavijo napačno identificirani kemični elementi. To je posledica naslednjih razlogov:
- naključna odstopanja razpršenega zavornega zraka;
- potekle črte iz anodnega materiala, sevanje ozadja;
- napake instrumenta.
Največja netočnost se pokaže pri preučevanju vzorcev, v katerih prevladujejo lahki elementi organskega izvora. Pri izvajanju rentgenske spektralne analize kovin je delež razpršenega sevanja manjši.
Kvantitativna analiza
Pred izvedbo kvantitativne analize je potrebna posebna nastavitev spektrometra - njegova kalibracija s standardnimi vzorci. Spekter preskusnega vzorca se primerja s spektrom, pridobljenim z obsevanjem kalibracijskih vzorcev.
Natančnost določanja kemičnih elementov je odvisna od številnih dejavnikov, kot so:
- interelementni učinek vzbujanja;
- razpršeni spekter ozadja;
- ločljivost naprave;
- linearnost značilnosti štetja spektrometra;
- spekter rentgenske cevi in drugo.
Ta metoda je bolj zapletena in zahteva analitično študijo, ki upošteva konstante, določene vnaprej eksperimentalno ali teoretično.
Dignity
Prednosti rentgenske metode vključujejo:
- možnost neporušnega testiranja;
- visoka občutljivost in natančnost (določanje nečistoč do 10-3%);
- širok nabor analiziranih kemičnih elementov;
- enostavna priprava vzorca;
- vsestranskost;
- možnost avtomatske interpretacije in visoke učinkovitosti metode.
pomanjkljivosti
Med pomanjkljivostmi rentgenske spektralne analize so naslednje:
- povečane varnostne zahteve;
- potreba po individualni diplomi;
- težka razlaga kemične sestave, ko so značilne črte nekaterih elementov blizu;
- potreba izdelave anod iz redkih materialov za zmanjšanje karakterističnega sevanja ozadja, ki vpliva na zanesljivost rezultatov.
