Röntgenikiirguse spektraalanalüüsil on kõigi materjalide uurimismeetodite seas oluline koht. Seda kasutatakse laialdaselt erinevates tehnoloogiavaldkondades tänu ekspresskontrolli võimalusele ilma katseproovi hävitamata. Ühe keemilise elemendi määramise aeg võib olla vaid mõni sekund, uuritavate ainete tüübile pole praktiliselt mingeid piiranguid. Analüüs viiakse läbi nii kvalitatiivses kui ka kvantitatiivses mõttes.
Röntgenikiirguse spektraalanalüüsi olemus
Röntgenikiirguse spektraalanalüüs on üks füüsikalisi meetodeid materjalide uurimiseks ja kontrollimiseks. See põhineb ideel, mis on ühine kõigile spektroskoopiameetoditele.
Röntgenikiirguse spektraalanalüüsi olemus seisneb aine võimes kiirata iseloomulikku röntgenikiirgust, kui aatomeid pommitavad kiired elektronid või kvantid. Samal ajal peab nende energia olema suurem kui energia, mis on vajalik elektroni väljatõmbamiseks aatomi kestast. Selline mõju ei põhjusta mitte ainult iseloomuliku kiirgusspektri ilmnemist,mis koosneb väikesest arvust spektrijoontest, kuid on ka pidev. Avastatud osakeste energiakoostise hindamine võimaldab teha järeldusi uuritava objekti füüsikaliste ja keemiliste omaduste kohta.
Sõltuv alt aine toimemeetodist registreeritakse kas sama tüüpi või muud osakesed. On olemas ka röntgenikiirguse neeldumisspektroskoopia, kuid see on enamasti abivahend traditsioonilise röntgenspektroskoopia põhiprobleemide mõistmisel.
Ainete tüübid
Röntgenspektraalanalüüsi meetodid võimaldavad uurida aine keemilist koostist. Seda meetodit saab kasutada ka kiire mittepurustava katsemeetodina. Uuringusse võib kaasata järgmist tüüpi aineid:
- metallid ja sulamid;
- kivid;
- klaas ja keraamika;
- vedelik;
- abrasiivid;
- gaasid;
- amorfsed ained;
- polümeerid ja muud orgaanilised ühendid;
- valgud ja nukleiinhapped.
Röntgenikiirguse spektraalanalüüs võimaldab määrata ka järgmisi materjalide omadusi:
- faasikoostis;
- üksikkristallide, kolloidsete osakeste orientatsioon ja suurus;
- sulami olekudiagrammid;
- aatomi struktuur ja kristallvõre dislokatsioon;
- sisemised pinged;
- soojuspaisumistegur ja muud omadused.
Selle meetodi aluseltootmises kasutatakse röntgenikiirte vigade tuvastamist, mis võimaldab tuvastada materjalide erinevat tüüpi ebaühtlust:
- kestad;
- välismaised kandmised;
- poorid;
- praod;
- Vigased keevisõmblused ja muud defektid.
Analüüsi tüübid
Sõltuv alt röntgenikiirguse genereerimise meetodist eristatakse järgmisi röntgenikiirguse spektraalanalüüsi tüüpe:
- Röntgeni fluorestsents. Aatomeid ergastab primaarne röntgenkiirgus (kõrge energiaga footonid). See kestab umbes mikrosekundi, seejärel liiguvad nad rahulikku põhiasendisse. Seejärel eraldub üleliigne energia footoni kujul. Iga aine kiirgab neid osakesi teatud energiatasemega, mis võimaldab neid täpselt tuvastada.
- Röntgenikiirguse radiomeetriline. Aine aatomeid ergastab radioaktiivse isotoobi gammakiirgus.
- Elektronsond. Aktiveerimine toimub fokuseeritud elektronkiire abil, mille energia on mitukümmend keV.
- Test ioonide ergastusega (prootonid või rasked ioonid).
Röntgenikiirguse spektraalanalüüsi kõige levinum meetod on fluorestsents. Röntgenikiirgust, kui proovi pommitatakse elektronidega, nimetatakse otseseks ja röntgenkiirgusega kiiritamisel sekundaarseks (fluorestseeruvaks).
Röntgenikiirguse fluorestsentsanalüüsi alused
Röntgenikiirguse fluorestsentsi meetodit laialdaseltkasutatakse tööstuses ja teadusuuringutes. Spektromeetri põhielement on primaarse kiirguse allikas, mida kasutatakse kõige sagedamini röntgenitorudena. Selle kiirguse mõjul hakkab proov fluorestseerima, kiirgades joonspektri röntgenikiirgust. Meetodi üks olulisemaid tunnuseid on see, et igal keemilisel elemendil on oma spektraalsed omadused, olenemata sellest, kas ta on vabas või seotud olekus (mis tahes ühendi osana). Joonte heleduse muutmine võimaldab selle kontsentratsiooni kvantifitseerida.
Röntgentoru on õhupall, mille sees tekib vaakum. Toru ühes otsas on katood volframtraadi kujul. Seda kuumutatakse elektrivooluga temperatuurini, mis tagab elektronide emissiooni. Teises otsas on massiivse metallist sihtmärgi kujul olev anood. Katoodi ja anoodi vahel tekib potentsiaalide erinevus, mille tõttu elektronid kiirenevad.
Laetud osakesed, mis liiguvad suurel kiirusel, tabavad anoodi ja ergutavad tõmbejõudu. Toru seinas on läbipaistev aken (enamasti on see valmistatud berülliumist), mille kaudu röntgenikiirgus väljub. Röntgenspektraalanalüüsi seadmete anood on valmistatud mitut tüüpi metallist: volfram, molübdeen, vask, kroom, pallaadium, kuld, reenium.
Kiirguse lagunemine spektriks ja selle registreerimine
Spektris on 2 tüüpi röntgenikiirguse dispersiooni – laine ja energia. Esimene tüüp on kõige levinum. Röntgenikiirguse spektromeetritel, mis töötavad lainedispersiooni põhimõttel, on analüsaatorikristallid, mis hajutavad laineid teatud nurga all.
Üksikristalle kasutatakse röntgenikiirguse spektriks lagundamiseks:
- liitiumfluoriid;
- kvarts;
- süsinik;
- happeline kaalium- või talliumftalaat;
- räni.
Need mängivad difraktsioonvõre rolli. Mitme elemendi massianalüüsiks kasutavad instrumendid selliste kristallide komplekti, mis katavad peaaegu täielikult kogu keemiliste elementide valiku.
Röntgenikaameraid kasutatakse radiograafia või fotofilmile fikseeritud difraktsioonimustri saamiseks. Kuna see meetod on töömahukas ja vähem täpne, kasutatakse seda praegu ainult metallide ja muude materjalide röntgenanalüüsi vigade tuvastamiseks.
Eraldatud osakeste detektorina kasutatakse proportsionaalseid ja stsintillatsiooniloendureid. Viimasel tüübil on kõva kiirguse piirkonnas kõrge tundlikkus. Detektori fotokatoodile langevad footonid muundatakse elektripingeimpulssiks. Signaal läheb esm alt võimendisse ja seejärel arvuti sisendisse.
Kasutusala
Röntgenikiirguse fluorestsentsanalüüsi kasutatakse järgmistel eesmärkidel:
- kahjulike lisandite määramine õlis janaftatooted (bensiin, määrdeained ja muud); raskmetallid ja muud ohtlikud ühendid pinnases, õhus, vees, toidus;
- keemiatööstuse katalüsaatorite analüüs;
- kristallvõre perioodi täpne määramine;
- kaitsekatete paksuse tuvastamine mittepurustava meetodiga;
- tooraineallikate määramine, millest toode on valmistatud;
- aine mikromahtude arvutamine;
- kivimite põhi- ja lisandikomponentide määramine geoloogias ja metallurgias;
- kultuurilise ja ajaloolise väärtusega esemete (ikoonid, maalid, freskod, ehted, nõud, kaunistused ja muud erinevatest materjalidest esemed) uurimine, nende dateerimine;
- koostise määramine kohtuekspertiisi analüüsi jaoks.
Proovi ettevalmistamine
Uuringu jaoks on eelnev alt vajalik proovi ettevalmistamine. Need peavad röntgenanalüüsi jaoks vastama järgmistele tingimustele:
- Ühtlus. Seda tingimust on kõige lihtsam täita vedelate proovide puhul. Lahuse kihistamisel vahetult enne uuringut segatakse see. Kiirguse lühikese lainepikkusega piirkonna keemiliste elementide homogeensus saavutatakse pulbriks jahvatamise teel ja pika lainepikkuse piirkonnas vooluga sulandamise teel.
- Välismõjudele vastupidav.
- Sobib näidislaaduri suurusega.
- Tahkete proovide optimaalne karedus.
Kuna vedelatel proovidel on mitmeid puudusi (aurustumine, mahu muutumine kuumutamisel, sademedsade röntgenkiirguse toimel), on röntgenspektri analüüsiks eelistatav kasutada kuivainet. Pulbriproovid valatakse küvetti ja pressitakse. Küvett paigaldatakse adapteri kaudu hoidikusse.
Kvantitatiivseks analüüsiks soovitatakse pulbriproovid tablettideks pressida. Selleks jahvatatakse aine peeneks pulbriks ja seejärel valmistatakse pressil tabletid. Murevate ainete kinnitamiseks asetatakse need boorhappe substraadile. Vedelikud valatakse küvettidesse pipetiga, kontrollides samal ajal mullide puudumist.
Proovide ettevalmistamise, analüüsitehnika ja optimaalse režiimi valiku, etalonide valiku ja nendele analüütiliste graafikute konstrueerimise viib läbi röntgenspektraalanalüüsi laborant, kes peab tundma füüsika, keemia põhitõdesid, spektromeetrite disain ja uurimismetoodika.
Kvalitatiivne analüüs
Proovide kvalitatiivse koostise määramine toimub nendes teatud keemiliste elementide tuvastamiseks. Kvantifitseerimist ei teostata. Uuringud viiakse läbi järgmises järjekorras:
- proovide ettevalmistamine;
- spektromeetri ettevalmistamine (soojendamine, goniomeetri paigaldamine, lainepikkuse vahemiku määramine, skaneerimise samm ja säriaeg programmis);
- proovi kiire skaneerimine, saadud spektrite salvestamine arvuti mällu;
- saadud spektraalse lagunemise dešifreerimine.
Kiirguse intensiivsus igal hetkelskaneerimine kuvatakse arvutimonitoril graafiku kujul, mille horisonta alteljele on joonistatud lainepikkus ja piki vertika altelge - kiirguse intensiivsus. Kaasaegsete spektromeetrite tarkvara võimaldab saadud andmeid automaatselt dekodeerida. Kvalitatiivse röntgenanalüüsi tulemus on proovist leitud kemikaalide rida.
Vead
Tihti võib esineda vale tuvastatud keemilisi elemente. Selle põhjuseks on järgmised põhjused:
- juhuslikud kõrvalekalded hajutatud bremsstrahlungist;
- anoodi materjalist eralduvad jooned, taustkiirgus;
- instrumendi vead.
Suurim ebatäpsus ilmneb proovide uurimisel, milles domineerivad orgaanilise päritoluga kerged elemendid. Metallide röntgenspektraalanalüüsi tegemisel on hajutatud kiirguse osakaal väiksem.
Kvantitatiivne analüüs
Enne kvantitatiivse analüüsi läbiviimist on vajalik spektromeetri spetsiaalne seadistus – selle kalibreerimine standardproovide abil. Uuritava proovi spektrit võrreldakse kalibreerimisproovide kiiritamisel saadud spektriga.
Keemiliste elementide määramise täpsus sõltub paljudest teguritest, näiteks:
- elementidevaheline ergastav efekt;
- taustahajumisspekter;
- seadme eraldusvõime;
- spektromeetri loenduskarakteristiku lineaarsus;
- Röntgentoru spekter ja muud.
See meetod on keerulisem ja nõuab analüütilist uuringut, võttes arvesse eelnev alt eksperimentaalselt või teoreetiliselt määratud konstante.
Väärikus
Röntgenimeetodi eelised on järgmised:
- mittepurustava testimise võimalus;
- kõrge tundlikkus ja täpsus (lisandite määramine kuni 10-3%);
- lai valik analüüsitud keemilisi elemente;
- lihtne proovi ettevalmistamine;
- mitmekülgsus;
- automaatse tõlgendamise võimalus ja meetodi kõrge jõudlus.
Puudused
Röntgenkiirguse spektraalanalüüsi puuduste hulgas on järgmised:
- kõrgendatud ohutusnõuded;
- vajadus individuaalseks lõpetamiseks;
- keemilise koostise raske tõlgendamine, kui mõne elemendi iseloomulikud jooned on lähedased;
- vajadus toota haruldastest materjalidest anoodid, et vähendada tulemuste usaldusväärsust mõjutavat taustkiirgust.
