Η φασματική ανάλυση ακτίνων Χ κατέχει σημαντική θέση μεταξύ όλων των μεθόδων μελέτης υλικών. Χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορους τομείς της τεχνολογίας λόγω της δυνατότητας γρήγορου ελέγχου χωρίς καταστροφή του δείγματος δοκιμής. Ο χρόνος για τον προσδιορισμό ενός χημικού στοιχείου μπορεί να είναι μόνο λίγα δευτερόλεπτα· πρακτικά δεν υπάρχουν περιορισμοί στον τύπο των υπό μελέτη ουσιών. Η ανάλυση πραγματοποιείται τόσο σε ποιοτικούς όσο και σε ποσοτικούς όρους.
Η ουσία της φασματικής ανάλυσης ακτίνων Χ
Η φασματική ανάλυση ακτίνων Χ είναι μία από τις φυσικές μεθόδους για τη μελέτη και τον έλεγχο των υλικών. Βασίζεται σε μια ιδέα κοινή σε όλες τις μεθόδους φασματοσκοπίας.
Η ουσία της φασματικής ανάλυσης ακτίνων Χ βρίσκεται στην ικανότητα μιας ουσίας να εκπέμπει χαρακτηριστική ακτινοβολία ακτίνων Χ όταν τα άτομα βομβαρδίζονται από γρήγορα ηλεκτρόνια ή κβάντα. Ταυτόχρονα, η ενέργειά τους πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια που είναι απαραίτητη για την εξαγωγή ενός ηλεκτρονίου από το κέλυφος ενός ατόμου. Μια τέτοια πρόσκρουση οδηγεί όχι μόνο στην εμφάνιση ενός χαρακτηριστικού φάσματος ακτινοβολίας,που αποτελείται από μικρό αριθμό φασματικών γραμμών, αλλά και συνεχείς. Η εκτίμηση της ενεργειακής σύνθεσης των ανιχνευόμενων σωματιδίων καθιστά δυνατή την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τις φυσικές και χημικές ιδιότητες του υπό μελέτη αντικειμένου.
Ανάλογα με τη μέθοδο δράσης στην ουσία, καταγράφονται είτε σωματίδια του ίδιου τύπου είτε άλλα. Υπάρχει επίσης φασματοσκοπία απορρόφησης ακτίνων Χ, αλλά τις περισσότερες φορές χρησιμεύει ως βοηθητικό εργαλείο για την κατανόηση των βασικών ζητημάτων της παραδοσιακής φασματοσκοπίας ακτίνων Χ.
Τύποι Ουσιών
Μέθοδοι φασματικής ανάλυσης ακτίνων Χ μας επιτρέπουν να μελετήσουμε τη χημική σύσταση μιας ουσίας. Αυτή η μέθοδος μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως ρητή μη καταστροφική μέθοδος δοκιμής. Οι ακόλουθοι τύποι ουσιών μπορούν να συμπεριληφθούν στη μελέτη:
- μέταλλα και κράματα;
- rocks;
- γυαλί και κεραμικά;
- ρευστό;
- λειαντικά;
- αέρια;
- άμορφες ουσίες;
- πολυμερή και άλλες οργανικές ενώσεις;
- πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα.
Η φασματική ανάλυση ακτίνων Χ σάς επιτρέπει επίσης να προσδιορίσετε τις ακόλουθες ιδιότητες των υλικών:
- σύνθεση φάσης;
- προσανατολισμός και μέγεθος μονοκρυστάλλων, κολλοειδών σωματιδίων;
- διαγράμματα κατάστασης κράματος;
- ατομική δομή και εξάρθρωση του κρυσταλλικού πλέγματος;
- εσωτερικές πιέσεις;
- συντελεστής θερμικής διαστολής και άλλα χαρακτηριστικά.
Με βάση αυτή τη μέθοδο στοΗ παραγωγή χρησιμοποιεί ανίχνευση ελαττωμάτων ακτίνων Χ, η οποία σας επιτρέπει να ανιχνεύετε διάφορους τύπους ανομοιογένειας στα υλικά:
- shells;
- εξωτερικές συμπεριλήψεις;
- πόροι;
- ρωγμές;
- Ελαττωματικές συγκολλήσεις και άλλα ελαττώματα.
Τύποι ανάλυσης
Ανάλογα με τη μέθοδο δημιουργίας ακτίνων Χ, διακρίνονται οι ακόλουθοι τύποι φασματικής ανάλυσης ακτίνων Χ:
- φθορισμού ακτίνων Χ. Τα άτομα διεγείρονται από την πρωτογενή ακτινοβολία ακτίνων Χ (φωτόνια υψηλής ενέργειας). Αυτό διαρκεί για περίπου ένα μικροδευτερόλεπτο, μετά από το οποίο μετακινούνται σε μια ήρεμη, βασική θέση. Στη συνέχεια, η περίσσεια ενέργειας εκπέμπεται με τη μορφή φωτονίου. Κάθε ουσία εκπέμπει αυτά τα σωματίδια με ένα ορισμένο επίπεδο ενέργειας, το οποίο καθιστά δυνατό τον ακριβή εντοπισμό της.
- Ακτινομετρική ακτινοβολία. Τα άτομα της ύλης διεγείρονται από την ακτινοβολία γάμμα από ένα ραδιενεργό ισότοπο.
- Ηλεκτρονικός ανιχνευτής. Η ενεργοποίηση εκτελείται από μια εστιασμένη δέσμη ηλεκτρονίων με ενέργεια πολλών δεκάδων keV.
- Δοκιμασία με διέγερση ιόντων (πρωτόνια ή βαριά ιόντα).
Η πιο κοινή μέθοδος φασματικής ανάλυσης ακτίνων Χ είναι ο φθορισμός. Η διέγερση ακτίνων Χ όταν ένα δείγμα βομβαρδίζεται με ηλεκτρόνια ονομάζεται άμεση και όταν ακτινοβολείται με ακτίνες Χ ονομάζεται δευτερεύουσα (φθορισμού).
Βασικές αρχές της ανάλυσης φθορισμού ακτίνων Χ
Μέθοδος φθορισμού ακτίνων Χ ευρέωςχρησιμοποιείται στη βιομηχανία και την επιστημονική έρευνα. Το κύριο στοιχείο του φασματόμετρου είναι η πηγή της πρωτογενούς ακτινοβολίας, η οποία χρησιμοποιείται συχνότερα ως σωλήνες ακτίνων Χ. Υπό την επίδραση αυτής της ακτινοβολίας, το δείγμα αρχίζει να φθορίζει, εκπέμποντας ακτίνες Χ του γραμμικού φάσματος. Ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά της μεθόδου είναι ότι κάθε χημικό στοιχείο έχει τα δικά του φασματικά χαρακτηριστικά, ανεξάρτητα από το αν βρίσκεται σε ελεύθερη ή δεσμευμένη κατάσταση (ως μέρος οποιασδήποτε ένωσης). Η αλλαγή της φωτεινότητας των γραμμών καθιστά δυνατό τον ποσοτικό προσδιορισμό της συγκέντρωσής της.
Ο σωλήνας ακτίνων Χ είναι ένα μπαλόνι μέσα στο οποίο δημιουργείται ένα κενό. Στο ένα άκρο του σωλήνα υπάρχει μια κάθοδος με τη μορφή σύρματος βολφραμίου. Θερμαίνεται από ηλεκτρικό ρεύμα σε θερμοκρασίες που εξασφαλίζουν την εκπομπή ηλεκτρονίων. Στο άλλο άκρο υπάρχει μια άνοδος με τη μορφή ενός τεράστιου μεταλλικού στόχου. Δημιουργείται μια διαφορά δυναμικού μεταξύ της καθόδου και της ανόδου, λόγω της οποίας επιταχύνονται τα ηλεκτρόνια.
Φορτισμένα σωματίδια που κινούνται με υψηλή ταχύτητα χτυπούν την άνοδο και διεγείρουν το bremsstrahlung. Υπάρχει ένα διαφανές παράθυρο στο τοίχωμα του σωλήνα (τις περισσότερες φορές είναι κατασκευασμένο από βηρύλλιο) από το οποίο εξέρχονται οι ακτίνες Χ. Η άνοδος στις συσκευές φασματικής ανάλυσης ακτίνων Χ είναι κατασκευασμένη από διάφορους τύπους μετάλλων: βολφράμιο, μολυβδαίνιο, χαλκό, χρώμιο, παλλάδιο, χρυσό, ρήνιο.
Αποσύνθεση της ακτινοβολίας σε φάσμα και η καταχώρισή της
Υπάρχουν 2 τύποι διασποράς ακτίνων Χ στο φάσμα - το κύμα και η ενέργεια. Ο πρώτος τύπος είναι ο πιο κοινός. Τα φασματόμετρα ακτίνων Χ, που λειτουργούν με βάση την αρχή της κυματικής διασποράς, διαθέτουν κρυστάλλους αναλυτή που διασκορπίζουν τα κύματα σε μια συγκεκριμένη γωνία.
Οι απλοί κρύσταλλοι χρησιμοποιούνται για την αποσύνθεση των ακτίνων Χ σε ένα φάσμα:
- φθοριούχο λίθιο;
- χαλαζίας;
- carbon;
- όξινο φθαλικό κάλιο ή θάλλιο;
- πυρίτιο.
Παίζουν το ρόλο των σχάρων περίθλασης. Για ανάλυση μάζας πολλαπλών στοιχείων, τα όργανα χρησιμοποιούν ένα σύνολο τέτοιων κρυστάλλων που καλύπτουν σχεδόν πλήρως ολόκληρο το φάσμα των χημικών στοιχείων.
Οι κάμερες ακτίνων Χ χρησιμοποιούνται για τη λήψη ακτινογραφίας ή σχεδίου περίθλασης που στερεώνεται σε φωτογραφικό φιλμ. Δεδομένου ότι αυτή η μέθοδος είναι επίπονη και λιγότερο ακριβής, προς το παρόν χρησιμοποιείται μόνο για ανίχνευση ελαττωμάτων στην ανάλυση ακτίνων Χ μετάλλων και άλλων υλικών.
Οι αναλογικοί μετρητές και οι μετρητές σπινθηρισμού χρησιμοποιούνται ως ανιχνευτές εκπεμπόμενων σωματιδίων. Ο τελευταίος τύπος έχει υψηλή ευαισθησία στην περιοχή της σκληρής ακτινοβολίας. Τα φωτόνια που πέφτουν στη φωτοκάθοδο του ανιχνευτή μετατρέπονται σε παλμό ηλεκτρικής τάσης. Το σήμα πηγαίνει πρώτα στον ενισχυτή και μετά στην είσοδο του υπολογιστή.
Πεδίο εφαρμογής
Η ανάλυση φθορισμού ακτίνων Χ χρησιμοποιείται για τους ακόλουθους σκοπούς:
- προσδιορισμός επιβλαβών ακαθαρσιών στο λάδι καιπροϊόντα πετρελαίου (βενζίνη, λιπαντικά και άλλα). βαρέα μέταλλα και άλλες επικίνδυνες ενώσεις στο έδαφος, τον αέρα, το νερό, τα τρόφιμα,
- ανάλυση καταλυτών στη χημική βιομηχανία;
- ακριβής προσδιορισμός της περιόδου του κρυσταλλικού πλέγματος;
- ανίχνευση του πάχους των προστατευτικών επικαλύψεων με μη καταστροφική μέθοδο;
- καθορισμός των πηγών πρώτων υλών από τις οποίες κατασκευάζεται το είδος;
- υπολογισμός μικροόγκων ύλης;
- προσδιορισμός των κύριων και ακαθαρσιών συστατικών των πετρωμάτων στη γεωλογία και τη μεταλλουργία;
- μελέτη αντικειμένων πολιτιστικής και ιστορικής αξίας (εικόνες, πίνακες ζωγραφικής, τοιχογραφίες, κοσμήματα, πιάτα, στολίδια και άλλα είδη από διάφορα υλικά), η χρονολόγησή τους;
- προσδιορισμός της σύνθεσης για εγκληματολογική ανάλυση.
Προετοιμασία δείγματος
Για τη μελέτη, απαιτείται προκαταρκτικά προετοιμασία δείγματος. Πρέπει να πληρούν τις ακόλουθες προϋποθέσεις για ανάλυση ακτίνων Χ:
- Ομοιομορφία. Αυτή η προϋπόθεση μπορεί να εκπληρωθεί πιο απλά για υγρά δείγματα. Κατά τη στρωματοποίηση του διαλύματος αμέσως πριν από τη μελέτη, αναμειγνύεται. Για τα χημικά στοιχεία στην περιοχή μικρού μήκους κύματος της ακτινοβολίας, η ομοιογένεια επιτυγχάνεται με άλεση σε σκόνη και στην περιοχή μεγάλου μήκους κύματος, με σύντηξη με ροή.
- Ανθεκτικό στις εξωτερικές επιρροές.
- Ταιριάζει με το μέγεθος του φορτωτή δειγμάτων.
- Βέλτιστη τραχύτητα στερεών δειγμάτων.
Δεδομένου ότι τα υγρά δείγματα έχουν μια σειρά από μειονεκτήματα (εξάτμιση, αλλαγή του όγκου τους όταν θερμαίνονται, καθίζησηίζημα υπό τη δράση ακτινοβολίας ακτίνων Χ), είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείται ξηρή ύλη για φασματική ανάλυση ακτίνων Χ. Τα δείγματα σκόνης χύνονται σε κυψελίδα και συμπιέζονται. Η κυψελίδα τοποθετείται στη βάση μέσω του προσαρμογέα.
Για ποσοτική ανάλυση, τα δείγματα σκόνης συνιστάται να συμπιέζονται σε δισκία. Για να γίνει αυτό, η ουσία αλέθεται σε κατάσταση λεπτής σκόνης και στη συνέχεια παρασκευάζονται δισκία στην πρέσα. Για τη στερέωση εύθρυπτων ουσιών, τοποθετούνται σε υπόστρωμα βορικού οξέος. Τα υγρά χύνονται στις κυβέτες χρησιμοποιώντας μια πιπέτα, ενώ ελέγχεται η απουσία φυσαλίδων.
Η προετοιμασία των δειγμάτων, η επιλογή μιας τεχνικής ανάλυσης και ο βέλτιστος τρόπος λειτουργίας, η επιλογή προτύπων και η κατασκευή αναλυτικών γραφημάτων σε αυτά πραγματοποιείται από έναν βοηθό εργαστηρίου φασματικής ανάλυσης ακτίνων Χ που πρέπει να γνωρίζει τα βασικά της φυσικής, της χημείας, ο σχεδιασμός των φασματομέτρων και η μεθοδολογία έρευνας.
Ποιοτική ανάλυση
Ο προσδιορισμός της ποιοτικής σύνθεσης των δειγμάτων πραγματοποιείται για τον εντοπισμό ορισμένων χημικών στοιχείων σε αυτά. Η ποσοτικοποίηση δεν πραγματοποιείται. Η έρευνα πραγματοποιείται με την ακόλουθη σειρά:
- προετοιμασία δειγμάτων;
- προετοιμασία του φασματόμετρου (προθέρμανση, εγκατάσταση του γωνιομέτρου, ρύθμιση του εύρους μήκους κύματος, βήμα σάρωσης και χρόνος έκθεσης στο πρόγραμμα);
- γρήγορη σάρωση του δείγματος, καταγραφή των φασμάτων που λαμβάνονται στη μνήμη του υπολογιστή;
- αποκρυπτογράφηση της προκύπτουσας φασματικής αποσύνθεσης.
Ένταση ακτινοβολίας κάθε στιγμήΗ σάρωση εμφανίζεται στην οθόνη του υπολογιστή με τη μορφή γραφήματος, κατά μήκος του οριζόντιου άξονα του οποίου απεικονίζεται το μήκος κύματος και κατά μήκος του κατακόρυφου άξονα - η ένταση της ακτινοβολίας. Το λογισμικό των σύγχρονων φασματόμετρων καθιστά δυνατή την αυτόματη αποκωδικοποίηση των δεδομένων που λαμβάνονται. Το αποτέλεσμα μιας ποιοτικής ανάλυσης ακτίνων Χ είναι μια λίστα με τις γραμμές χημικών ουσιών που βρέθηκαν στο δείγμα.
Σφάλματα
Μπορεί συχνά να εμφανιστούν ψευδώς αναγνωρισμένα χημικά στοιχεία. Αυτό οφείλεται στους ακόλουθους λόγους:
- τυχαίες αποκλίσεις του διάσπαρτου bremsstrahlung;
- αδέσποτες γραμμές από το υλικό ανόδου, ακτινοβολία υποβάθρου;
- σφάλματα οργάνου.
Η μεγαλύτερη ανακρίβεια αποκαλύπτεται στη μελέτη δειγμάτων, στα οποία κυριαρχούν ελαφρά στοιχεία οργανικής προέλευσης. Κατά τη διεξαγωγή φασματικής ανάλυσης ακτίνων Χ μετάλλων, η αναλογία της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας είναι μικρότερη.
Ποσοτική ανάλυση
Πριν από τη διενέργεια ποσοτικής ανάλυσης, απαιτείται ειδική ρύθμιση του φασματόμετρου - βαθμονόμησή του με τη χρήση τυπικών δειγμάτων. Το φάσμα του δείγματος δοκιμής συγκρίνεται με το φάσμα που λαμβάνεται από την ακτινοβόληση των δειγμάτων βαθμονόμησης.
Η ακρίβεια του προσδιορισμού χημικών στοιχείων εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως:
- φαινόμενο διέγερσης μεταξύ στοιχείων;
- φάσμα σκέδασης φόντου;
- ανάλυση συσκευής;
- γραμμικότητα του χαρακτηριστικού μέτρησης του φασματόμετρου;
- φάσμα σωλήνων ακτίνων Χ και άλλα.
Αυτή η μέθοδος είναι πιο περίπλοκη και απαιτεί αναλυτική μελέτη, λαμβάνοντας υπόψη σταθερές που έχουν καθοριστεί εκ των προτέρων πειραματικά ή θεωρητικά.
Αξιοπρέπεια
Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου ακτίνων Χ περιλαμβάνουν:
- δυνατότητα μη καταστροφικών δοκιμών;
- υψηλή ευαισθησία και ακρίβεια (προσδιορισμός ακαθαρσιών έως 10-3%);
- ευρύ φάσμα αναλυόμενων χημικών στοιχείων;
- εύκολη προετοιμασία δείγματος;
- πολυχρηστικότητα;
- δυνατότητα αυτόματης ερμηνείας και υψηλή απόδοση της μεθόδου.
Ελαττώματα
Μεταξύ των μειονεκτημάτων της φασματικής ανάλυσης ακτίνων Χ είναι τα ακόλουθα:
- αυξημένες απαιτήσεις ασφαλείας;
- ανάγκη για ατομική αποφοίτηση;
- δύσκολη ερμηνεία της χημικής σύνθεσης όταν οι χαρακτηριστικές γραμμές ορισμένων στοιχείων είναι κοντά;
- αναγκαιότητα κατασκευής ανοδίων από σπάνια υλικά για μείωση της χαρακτηριστικής ακτινοβολίας υποβάθρου που επηρεάζει την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων.
