XRF (röntgenfluorescentieanalyse) is een fysische analysemethode die bijna alle chemische elementen in poeder, vloeibare en vaste materialen direct bepa alt.
De voordelen van de methode
Deze methode is universeel omdat het gebaseerd is op een snelle en gemakkelijke monstervoorbereiding. De methode wordt veel gebruikt in de industrie, op het gebied van wetenschappelijk onderzoek. De analysemethode met röntgenfluorescentie heeft een enorm potentieel, nuttig bij zeer complexe analyse van verschillende omgevingsobjecten, evenals bij kwaliteitscontrole van vervaardigde producten en bij de analyse van afgewerkte producten en grondstoffen.
Geschiedenis
Röntgenfluorescentie-analyse werd voor het eerst beschreven in 1928 door twee wetenschappers - Glocker en Schreiber. Het apparaat zelf is pas in 1948 gemaakt door wetenschappers Friedman en Burks. Als detector namen ze een geigerteller, die een hoge gevoeligheid vertoonde met betrekking tot het atoomnummer van de kern van het element.
Het helium- of vacuümmedium in de onderzoeksmethode begon in 1960 te worden gebruikt. Ze werden gebruikt om lichtelementen te bepalen. Ook begonnen met het gebruik van fluoridekristallenlithium. Ze werden gebruikt voor diffractie. Rhodium- en chroombuizen werden gebruikt om de golfband te exciteren.
Si(Li) - silicium-lithium-driftdetector werd uitgevonden in 1970. Het bood een hoge gegevensgevoeligheid en vereiste geen kristallisator. De energieresolutie van dit instrument was echter slechter.
Geautomatiseerde analytische onderdeel- en procescontrole overgedragen aan de machine met de komst van computers. De besturing vond plaats vanaf het paneel op het instrument of het computertoetsenbord. Analysers werden zo populair dat ze werden opgenomen in de Apollo 15- en Apollo 16-missies.
Op dit moment zijn ruimtestations en schepen die de ruimte in worden gelanceerd, uitgerust met deze apparaten. Hiermee kun je de chemische samenstelling van de rotsen van andere planeten identificeren en analyseren.
Methode Essentie
De essentie van röntgenfluorescentieanalyse is het uitvoeren van een fysieke analyse. Het is op deze manier mogelijk om zowel vaste stoffen (glas, metaal, keramiek, steenkool, steen, plastic) als vloeistoffen (olie, benzine, oplossingen, verf, wijn en bloed) te analyseren. Met de methode kunt u zeer kleine concentraties bepalen, op het ppm-niveau (één deel per miljoen). Grote steekproeven, tot 100%, zijn ook vatbaar voor onderzoek.
Deze analyse is snel, veilig en niet-destructief voor het milieu. Het heeft een hoge reproduceerbaarheid van resultaten en gegevensnauwkeurigheid. De methode maakt semi-kwantitatieve, kwalitatieve en kwantitatieve detectie van alle elementen in het monster mogelijk.
De essentie van de röntgenfluorescentiemethode voor analyseeenvoudig en begrijpelijk. Als je de terminologie terzijde laat en de methode op een eenvoudigere manier probeert uit te leggen, dan blijkt het. Dat de analyse wordt uitgevoerd op basis van een vergelijking van de straling die het gevolg is van de bestraling van een atoom.
Er is een set standaardgegevens die al bekend is. Door de resultaten te vergelijken met deze gegevens, concluderen wetenschappers wat de samenstelling van het monster is.
Door de eenvoud en toegankelijkheid van moderne apparaten kunnen ze worden gebruikt in onderwateronderzoek, ruimtevaart, verschillende studies op het gebied van cultuur en kunst.
Werkingsprincipe
Deze methode is gebaseerd op de analyse van het spectrum, dat wordt verkregen door het te onderzoeken materiaal met röntgenstralen te belichten.
Tijdens bestraling verwerft het atoom een aangeslagen toestand, die gepaard gaat met de overgang van elektronen naar kwantumniveaus van een hogere orde. Het atoom blijft zeer korte tijd in deze toestand, ongeveer 1 microseconde, en keert daarna terug naar zijn grondtoestand (stille positie). Op dit moment vullen de elektronen op de buitenste schillen de lege plaatsen en geven ze de overtollige energie af in de vorm van fotonen, of dragen ze energie over aan andere elektronen op de buitenste schillen (ze worden Auger-elektronen genoemd). Op dit moment zendt elk atoom een foto-elektron uit, waarvan de energie een strikte waarde heeft. IJzer zendt bijvoorbeeld, wanneer het wordt blootgesteld aan röntgenstralen, fotonen uit die gelijk zijn aan Kα of 6,4 keV. Dienovereenkomstig kan men aan de hand van het aantal quanta en energie de structuur van materie beoordelen.
Stralingbron
De röntgenfluorescentiemethode voor metaalanalyse gebruikt zowel isotopen van verschillende elementen als röntgenbuizen als bron voor genezing. Elk land heeft verschillende eisen voor de export en import van emitterende isotopen, respectievelijk in de industrie voor de productie van dergelijke apparatuur gebruiken ze bij voorkeur een röntgenbuis.
Dergelijke buizen worden geleverd met koper, zilver, rhodium, molybdeen of andere anodes. In sommige situaties wordt de anode gekozen afhankelijk van de taak.
Stroom en spanning zijn verschillend voor verschillende elementen. Het is voldoende om lichte elementen te onderzoeken met een spanning van 10 kV, zwaar - 40-50 kV, gemiddeld - 20-30 kV.
Tijdens de studie van lichtelementen heeft de omringende atmosfeer een enorme impact op het spectrum. Om dit effect te verminderen, wordt het monster in een speciale kamer in een vacuüm geplaatst of wordt de ruimte gevuld met helium. Het aangeslagen spectrum wordt geregistreerd door een speciaal apparaat - een detector. De nauwkeurigheid van de scheiding van fotonen van verschillende elementen van elkaar hangt af van hoe hoog de spectrale resolutie van de detector is. De meest nauwkeurige is nu de resolutie op het niveau van 123 eV. Een röntgenfluorescentieanalyse wordt uitgevoerd door een apparaat met een dergelijk bereik met een nauwkeurigheid tot 100%.
Nadat het foto-elektron is omgezet in een spanningspuls, die wordt geteld door speciale telelektronica, wordt deze naar de computer verzonden. Uit de pieken van het spectrum, die röntgenfluorescentie-analyse gaven, is het gemakkelijk om kwalitatief te bepalen welkeer zijn elementen in de bestudeerde steekproef. Om de kwantitatieve inhoud nauwkeurig te bepalen, is het noodzakelijk om het resulterende spectrum te bestuderen in een speciaal kalibratieprogramma. Het programma is vooraf gemaakt. Hiervoor worden prototypes gebruikt waarvan de samenstelling vooraf met hoge nauwkeurigheid bekend is.
Om het simpel te zeggen, het verkregen spectrum van de bestudeerde stof wordt eenvoudig vergeleken met het bekende spectrum. Zo wordt informatie over de samenstelling van de stof verkregen.
Kansen
Met de röntgenfluorescentieanalysemethode kunt u het volgende analyseren:
- monsters waarvan de grootte of massa verwaarloosbaar is (100-0,5 mg);
- aanzienlijke vermindering van limieten (lager met 1-2 ordes van grootte dan XRF);
- analyse rekening houdend met variaties in kwantumenergie.
De dikte van het te onderzoeken monster mag niet groter zijn dan 1 mm.
In het geval van een dergelijke steekproefomvang is het mogelijk om secundaire processen in de steekproef te onderdrukken, waaronder:
- multiple Compton-verstrooiing, die de piek in lichtmatrices aanzienlijk verbreedt;
- bremsstrahlung van foto-elektronen (draagt bij aan het achtergrondplateau);
- excitatie tussen elementen en fluorescentieabsorptie, waarvoor correctie tussen elementen nodig is tijdens spectrumverwerking.
Nadelen van de methode
Een van de belangrijke nadelen is de complexiteit die gepaard gaat met de voorbereiding van dunne monsters, evenals de strikte vereisten voor de structuur van het materiaal. Voor onderzoek moet het monster zeer fijn verdeeld en zeer uniform zijn.
Een ander nadeel is dat de methode sterk gebonden is aan standaarden (referentievoorbeelden). Deze functie is inherent aan alle niet-destructieve methoden.
Toepassing van methode
Röntgenfluorescentieanalyse is in veel gebieden wijdverbreid. Het wordt niet alleen gebruikt in de wetenschap of de industrie, maar ook op het gebied van cultuur en kunst.
Gebruikt in:
- milieubescherming en ecologie voor de bepaling van zware metalen in de bodem, evenals voor de detectie ervan in water, neerslag, verschillende aerosolen;
- mineralogie en geologie voeren kwantitatieve en kwalitatieve analyses uit van mineralen, bodems, gesteenten;
- chemische industrie en metallurgie - controleer de kwaliteit van grondstoffen, afgewerkte producten en het productieproces;
- verfindustrie - analyseer loodverf;
- sieradenindustrie - meet de concentratie van edele metalen;
- olie-industrie - bepaal de mate van vervuiling van olie en brandstof;
- voedingsindustrie - identificeer giftige metalen in voedingsmiddelen en ingrediënten;
- landbouw - analyseer sporenelementen in verschillende bodems, maar ook in landbouwproducten;
- archeologie - voer elementaire analyse uit, evenals datering van vondsten;
- kunst - ze bestuderen sculpturen, schilderijen, onderzoeken objecten en analyseren ze.
Spooknederzetting
Röntgenfluorescentie-analyse GOST 28033 - 89 reguleert sinds 1989. Documentalle vragen over de procedure worden geregistreerd. Hoewel er in de loop der jaren veel stappen zijn ondernomen om de methode te verbeteren, is het document nog steeds relevant.
Volgens GOST worden de verhoudingen van de bestudeerde materialen vastgesteld. De gegevens worden weergegeven in een tabel.
Tabel 1. Verhouding van massafracties
| Gedefinieerd element | Massafractie, % |
| Zwavel | Van 0,002 tot 0,20 |
| Silicium | "0.05 " 5.0 |
| Molybdeen | "0.05 " 10.0 |
| Titanium | "0, 01 " 5, 0 |
| Kob alt | "0.05 " 20.0 |
| Chrome | "0.05 " 35.0 |
| Niobium | "0, 01 " 2, 0 |
| Mangaan | "0.05 " 20.0 |
| Vanadium | "0, 01 " 5, 0 |
| Tungsten | "0.05 " 20.0 |
| Fosfor | "0.002 " 0.20 |
Toegepaste apparatuur
Röntgenfluorescentie spectrale analyse wordt uitgevoerd met behulp vanspeciale apparatuur, methoden en middelen. Onder de apparatuur en materialen die in GOST worden gebruikt, worden vermeld:
- multichannel en scanning spectrometers;
- slijp- en amarilmachine (slijp- en slijpmachine, type 3B634);
- vlakslijpmachine (model 3E711B);
- schroef-snij-draaibank (model 16P16).
- snijwielen (GOST 21963);
- electrocorundum slijpschijven (keramische binding, korrelgrootte 50, hardheid St2, GOST 2424);
- schuurpapier (papierbasis, 2e type, merk BSh-140 (P6), BSh-240 (P8), BSh200 (P7), electrocorundum - normaal, korrelgrootte 50-12, GOST 6456);
- technische ethylalcohol (gerectificeerd, GOST 18300);
- argon-methaan mengsel.
GOST geeft toe dat andere materialen en apparaten kunnen worden gebruikt voor nauwkeurige analyse.
Voorbereiding en bemonstering volgens GOST
Röntgenfluorescentieanalyse van metalen vóór analyse omvat speciale monstervoorbereiding voor verder onderzoek.
De voorbereiding wordt uitgevoerd in de juiste volgorde:
- Het te bestralen oppervlak wordt geslepen. Veeg indien nodig af met alcohol.
- Het monster wordt stevig tegen de opening van de ontvanger gedrukt. Als het monsteroppervlak niet voldoende is, worden speciale begrenzers gebruikt.
- De spectrometer is voorbereid voor gebruik volgens de gebruiksaanwijzing.
- De röntgenspectrometer is gekalibreerd met behulp van een standaardmonster dat voldoet aan GOST 8.315. Homogene monsters kunnen ook worden gebruikt voor kalibratie.
- Primaire graduatie wordt minstens vijf keer uitgevoerd. In dit geval gebeurt dit tijdens de werking van de spectrometer op verschillende dagen.
- Bij het uitvoeren van herhaalde kalibraties is het mogelijk om twee series kalibraties te gebruiken.
Resultaatanalyse en verwerking
De methode van röntgenfluorescentieanalyse volgens GOST omvat de uitvoering van twee reeksen parallelle metingen om een analytisch signaal te verkrijgen van elk element dat onder controle is.
Het is toegestaan om de uitdrukking van de waarde van het analytische resultaat en de discrepantie van parallelle metingen te gebruiken. In meeteenheden drukken de schalen de gegevens uit die zijn verkregen met behulp van de kalibratiekenmerken.
Als de toegestane afwijking groter is dan parallelle metingen, moet de analyse worden herhaald.
Eén meting is ook mogelijk. In dit geval worden twee metingen parallel uitgevoerd met betrekking tot één monster uit de geanalyseerde partij.
Het eindresultaat is het rekenkundig gemiddelde van twee parallel uitgevoerde metingen, of het resultaat van één enkele meting.
Afhankelijkheid van resultaten van monsterkwaliteit
Voor röntgenfluorescentieanalyse geldt de limiet alleen voor de stof waarin het element wordt gedetecteerd. Voor verschillende stoffen zijn de limieten voor kwantitatieve detectie van elementen verschillend.
Het atoomnummer dat een element heeft, kan een grote rol spelen. Als andere zaken gelijk zijn, is het moeilijker om lichte elementen te bepalen en zijn zware elementen gemakkelijker. Hetzelfde element is ook gemakkelijker te identificeren in een lichte matrix dan in een zware.
De methode hangt dus alleen af van de kwaliteit van het monster voor zover het element in zijn samenstelling kan worden opgenomen.
