Spektralna analiza X-zraka zauzima važno mjesto među svim metodama proučavanja materijala. Široko se koristi u raznim područjima tehnologije zbog mogućnosti ekspresne kontrole bez uništavanja ispitnog uzorka. Vrijeme za određivanje jednog kemijskog elementa može biti samo nekoliko sekundi, praktički nema ograničenja na vrstu tvari koja se proučava. Analiza se provodi u kvalitativnom i kvantitativnom smislu.
Suština rendgenske spektralne analize
Spektralna analiza X-zraka je jedna od fizikalnih metoda za proučavanje i kontrolu materijala. Temelji se na ideji zajedničkoj svim metodama spektroskopije.
Suština spektralne analize X-zraka leži u sposobnosti tvari da emitira karakteristično rendgensko zračenje kada su atomi bombardirani brzim elektronima ili kvantima. Istovremeno, njihova energija mora biti veća od energije koja je potrebna da se elektron izvuče iz ljuske atoma. Takav utjecaj dovodi ne samo do pojave karakterističnog spektra zračenja,koji se sastoji od malog broja spektralnih linija, ali i kontinuiranih. Procjena energetskog sastava detektiranih čestica omogućuje donošenje zaključaka o fizičkim i kemijskim svojstvima predmeta koji se proučava.
Ovisno o načinu djelovanja na tvar, bilježe se ili iste ili druge čestice. Postoji i rendgenska apsorpcijska spektroskopija, ali ona najčešće služi kao pomoćni alat za razumijevanje ključnih pitanja tradicionalne spektroskopije X-zraka.
Vrste tvari
Metode rendgenske spektralne analize omogućuju nam proučavanje kemijskog sastava tvari. Ova metoda se također može koristiti kao ekspresna metoda ispitivanja bez razaranja. Sljedeće vrste tvari mogu biti uključene u studiju:
- metali i legure;
- rocks;
- staklo i keramika;
- fluid;
- abrazivi;
- plinovi;
- amorfne tvari;
- polimeri i drugi organski spojevi;
- proteini i nukleinske kiseline.
Spektralna analiza X-zraka također vam omogućuje da odredite sljedeća svojstva materijala:
- fazni sastav;
- orijentacija i veličina pojedinačnih kristala, koloidnih čestica;
- dijagrami stanja legure;
- atomska struktura i dislokacija kristalne rešetke;
- unutarnja naprezanja;
- koeficijent toplinske ekspanzije i druge karakteristike.
Na temelju ove metode uproizvodnja koristi rendgensku detekciju grešaka, što vam omogućuje otkrivanje različitih vrsta nehomogenosti u materijalima:
- školjke;
- strane inkluzije;
- pore;
- pukotine;
- Neispravni zavari i drugi nedostaci.
Vrste analize
Ovisno o metodi generiranja X-zraka, razlikuju se sljedeće vrste spektralne analize X-zraka:
- Fluorescentna rendgenska zraka. Atomi se pobuđuju primarnim rendgenskim zračenjem (visokoenergetski fotoni). To traje oko mikrosekundu, nakon čega se kreću u miran, osnovni položaj. Višak energije tada se emitira u obliku fotona. Svaka tvar emitira te čestice s određenom razinom energije, što omogućuje njezinu točnu identifikaciju.
- Rentgenski radiometrijski. Atomi tvari pobuđeni su gama zračenjem iz radioaktivnog izotopa.
- Elektronska sonda. Aktivacija se izvodi fokusiranim snopom elektrona s energijom od nekoliko desetaka keV.
- Test s ionskom ekscitacijom (protoni ili teški ioni).
Najčešća metoda spektralne analize X-zraka je fluorescencija. Pobuđenje rendgenskim zrakama kada je uzorak bombardiran elektronima naziva se izravnim, a kada je zračenje rendgenskim zrakama naziva se sekundarnim (fluorescentnim).
Osnove rendgenske fluorescentne analize
Rentgenska fluorescencijska metoda širokokoristi se u industriji i znanstvenim istraživanjima. Glavni element spektrometra je izvor primarnog zračenja koje se najčešće koristi kao rendgenske cijevi. Pod utjecajem tog zračenja, uzorak počinje fluorescirati, emitirajući rendgenske zrake linijskog spektra. Jedna od najvažnijih značajki metode je da svaki kemijski element ima svoje spektralne karakteristike, bez obzira na to je li u slobodnom ili vezanom stanju (kao dio bilo kojeg spoja). Promjena svjetline linija omogućuje kvantificiranje njegove koncentracije.
Rentgenska cijev je balon unutar kojeg se stvara vakuum. Na jednom kraju cijevi nalazi se katoda u obliku volframove žice. Zagrije se električnom strujom na temperature koje osiguravaju emisiju elektrona. Na drugom kraju je anoda u obliku masivne metalne mete. Između katode i anode stvara se razlika potencijala, zbog čega se elektroni ubrzavaju.
Nabijene čestice koje se kreću velikom brzinom udaraju u anodu i pobuđuju kočni zrak. U stijenci cijevi (najčešće je od berilija) nalazi se prozirni prozorčić kroz koji izlaze rendgenske zrake. Anoda u uređajima za rendgensku spektralnu analizu izrađena je od nekoliko vrsta metala: volframa, molibdena, bakra, kroma, paladija, zlata, renija.
Razlaganje zračenja u spektar i njegova registracija
Postoje 2 vrste disperzije X-zraka u spektru - valna i energetska. Prva vrsta je najčešća. Spektrometri X-zraka, koji rade na principu disperzije valova, imaju kristale analizatora koji rasipaju valove pod određenim kutom.
Pojedinačni kristali se koriste za razlaganje X-zraka u spektar:
- litijev fluorid;
- kvarc;
- ugljik;
- kiseli kalij ili talijev ftalat;
- silicij.
One igraju ulogu difrakcijskih rešetki. Za masovnu višeelementnu analizu instrumenti koriste skup takvih kristala koji gotovo u potpunosti pokrivaju cijeli raspon kemijskih elemenata.
Rentgenske kamere koriste se za dobivanje radiografije ili difrakcijske slike fiksirane na fotografskom filmu. Budući da je ova metoda naporna i manje točna, trenutno se koristi samo za detekciju nedostataka u rendgenskoj analizi metala i drugih materijala.
Proporcionalni i scintilacijski brojači koriste se kao detektori emitiranih čestica. Potonji tip ima visoku osjetljivost u području tvrdog zračenja. Fotoni koji padaju na fotokatodu detektora pretvaraju se u impuls električnog napona. Signal prvo ide na pojačalo, a zatim na ulaz računala.
Opseg primjene
Fluorescentna analiza X-zraka koristi se u sljedeće svrhe:
- određivanje štetnih nečistoća u ulju inaftni proizvodi (benzin, maziva i ostalo); teški metali i drugi opasni spojevi u tlu, zraku, vodi, hrani;
- analiza katalizatora u kemijskoj industriji;
- precizno određivanje perioda kristalne rešetke;
- otkrivanje debljine zaštitnih premaza nerazornom metodom;
- određivanje izvora sirovina od kojih je predmet izrađen;
- izračun mikrovolumena materije;
- određivanje glavnih i nečistoća stijena u geologiji i metalurgiji;
- proučavanje predmeta kulturne i povijesne vrijednosti (ikone, slike, freske, nakit, posuđe, ukrasi i drugi predmeti od raznih materijala), njihova datiranja;
- određivanje sastava za forenzičku analizu.
Priprema uzorka
Za ispitivanje je preliminarno potrebna priprema uzorka. Moraju ispunjavati sljedeće uvjete za rendgensku analizu:
- Uniformitet. Taj se uvjet najjednostavnije može ispuniti za tekuće uzorke. Prilikom stratifikacije otopine neposredno prije studije, miješa se. Za kemijske elemente u području kratkovalne duljine zračenja homogenost se postiže mljevenjem u prah, a u području dugovalne duljine fuzijom s fluksom.
- Otporan na vanjske utjecaje.
- Prikladno uz veličinu punjača uzoraka.
- Optimalna hrapavost čvrstih uzoraka.
Budući da tekući uzorci imaju niz nedostataka (isparavanje, promjena volumena pri zagrijavanju, taloženjeprecipitat pod djelovanjem rendgenskog zračenja), poželjno je koristiti suhu tvar za rendgensku spektralnu analizu. Uzorci praha se izlije u kivetu i preša. Kiveta se ugrađuje u držač kroz adapter.
Za kvantitativnu analizu preporučuje se prešanje uzoraka praha u tablete. Da biste to učinili, tvar se melje u stanje finog praha, a zatim se tablete izrađuju na preši. Za fiksiranje trošnih tvari stavljaju se na podlogu od borne kiseline. Tekućine se ulijevaju u kivete pomoću pipete, uz provjeru odsutnosti mjehurića.
Pripremu uzoraka, odabir tehnike analize i optimalnog načina, odabir standarda i konstrukciju analitičkih grafova na njima provodi laboratorijski asistent za rendgensku spektralnu analizu koji mora poznavati osnove fizike, kemije, dizajn spektrometara i metodologija istraživanja.
Kvalitativna analiza
Određivanje kvalitativnog sastava uzoraka provodi se radi identifikacije određenih kemijskih elemenata u njima. Kvantifikacija se ne provodi. Istraživanje se provodi sljedećim redoslijedom:
- priprema uzoraka;
- priprema spektrometra (zagrijavanje, ugradnja goniometra, postavljanje raspona valne duljine, korak skeniranja i vrijeme ekspozicije u programu);
- brzo skeniranje uzorka, snimanje dobivenih spektra u memoriju računala;
- dešifriranje rezultirajuće spektralne dekompozicije.
Intenzitet zračenja u svakom trenutkuskeniranje se prikazuje na monitoru računala u obliku grafikona, uz čiju horizontalnu os je ucrtana valna duljina, a duž okomite osi - intenzitet zračenja. Softver suvremenih spektrometara omogućuje automatsko dekodiranje dobivenih podataka. Rezultat kvalitativne rendgenske analize je popis linija kemikalija koje su pronađene u uzorku.
Pogreške
Često se mogu pojaviti lažno identificirani kemijski elementi. To je zbog sljedećih razloga:
- slučajna odstupanja raspršenog kočnog zraka;
- zalutale linije iz anodnog materijala, pozadinsko zračenje;
- pogreške na instrumentu.
Najveća netočnost otkriva se u proučavanju uzoraka u kojima dominiraju svjetlosni elementi organskog porijekla. Prilikom provođenja rendgenske spektralne analize metala, udio raspršenog zračenja je manji.
Kvantitativna analiza
Prije izvođenja kvantitativne analize potrebno je posebno podešavanje spektrometra - njegova kalibracija pomoću standardnih uzoraka. Spektar ispitnog uzorka uspoređuje se sa spektrom dobivenim zračenjem kalibracijskih uzoraka.
Točnost određivanja kemijskih elemenata ovisi o mnogim čimbenicima, kao što su:
- međuelementni efekt uzbuđenja;
- pozadinski spektar raspršenja;
- razlučivost uređaja;
- linearnost karakteristike brojanja spektrometra;
- Spektar rendgenske cijevi i ostalo.
Ova metoda je složenija i zahtijeva analitičko istraživanje, uzimajući u obzir konstante određene unaprijed eksperimentalno ili teoretski.
Dostojanstvo
Prednosti rendgenske metode uključuju:
- mogućnost ispitivanja bez razaranja;
- visoka osjetljivost i točnost (određivanje nečistoća do 10-3%);
- širok raspon analiziranih kemijskih elemenata;
- jednostavna priprema uzorka;
- svestranost;
- mogućnost automatske interpretacije i visoke performanse metode.
Nedostaci
Među nedostacima rendgenske spektralne analize su sljedeći:
- povećani sigurnosni zahtjevi;
- potreba za individualnu maturu;
- teško tumačenje kemijskog sastava kada su karakteristične linije nekih elemenata blizu;
- potreba izrade anoda od rijetkih materijala kako bi se smanjilo pozadinsko karakteristično zračenje koje utječe na pouzdanost rezultata.
