Röntgenspectrale analyse neemt een belangrijke plaats in bij alle methoden voor het bestuderen van materialen. Het wordt veel gebruikt in verschillende technologische gebieden vanwege de mogelijkheid van uitdrukkelijke controle zonder het testmonster te vernietigen. De tijd voor het bepalen van één chemisch element kan slechts enkele seconden zijn; er zijn praktisch geen beperkingen voor het soort stoffen dat wordt onderzocht. De analyse wordt zowel kwalitatief als kwantitatief uitgevoerd.
De essentie van spectrale röntgenanalyse
Röntgenspectrale analyse is een van de fysische methoden voor de studie en controle van materialen. Het is gebaseerd op een idee dat alle methoden van spectroscopie gemeen hebben.
De essentie van spectrale röntgenanalyse ligt in het vermogen van een stof om karakteristieke röntgenstraling uit te zenden wanneer atomen worden gebombardeerd door snelle elektronen of quanta. Tegelijkertijd moet hun energie groter zijn dan de energie die nodig is om een elektron uit de schil van een atoom te trekken. Een dergelijke impact leidt niet alleen tot het verschijnen van een karakteristiek stralingsspectrum,bestaande uit een klein aantal spectraallijnen, maar ook continu. Schatting van de energiesamenstelling van gedetecteerde deeltjes maakt het mogelijk om conclusies te trekken over de fysische en chemische eigenschappen van het bestudeerde object.
Afhankelijk van de werkingsmethode op de stof, worden deeltjes van hetzelfde type of andere geregistreerd. Er is ook röntgenabsorptiespectroscopie, maar deze dient meestal als een hulpmiddel om de belangrijkste aspecten van traditionele röntgenspectroscopie te begrijpen.
Soorten stoffen
Methoden van spectrale röntgenanalyse stellen ons in staat de chemische samenstelling van een stof te bestuderen. Deze methode kan ook worden gebruikt als een uitdrukkelijke niet-destructieve testmethode. De volgende soorten stoffen kunnen in het onderzoek worden opgenomen:
- metalen en legeringen;
- rotsen;
- glas en keramiek;
- vloeistof;
- schuurmiddelen;
- gassen;
- amorfe stoffen;
- polymeren en andere organische verbindingen;
- eiwitten en nucleïnezuren.
Met röntgenspectrale analyse kunt u ook de volgende eigenschappen van materialen bepalen:
- fase samenstelling;
- oriëntatie en grootte van eenkristallen, colloïdale deeltjes;
- legeringstoestandsdiagrammen;
- atomaire structuur en dislocatie van het kristalrooster;
- interne spanningen;
- thermische uitzettingscoëfficiënt en andere kenmerken.
Gebaseerd op deze methode inproductie maakt gebruik van röntgenfoutdetectie, waarmee u verschillende soorten inhomogeniteiten in materialen kunt detecteren:
- schelpen;
- vreemde insluitsels;
- poriën;
- scheuren;
- Defecte lassen en andere defecten.
Soorten analyse
Afhankelijk van de methode voor het genereren van röntgenstralen, worden de volgende soorten röntgenspectraalanalyse onderscheiden:
- X-ray fluorescerend. Atomen worden geëxciteerd door primaire röntgenstraling (hoogenergetische fotonen). Dit duurt ongeveer een microseconde, waarna ze naar een rustige, basispositie gaan. De overtollige energie wordt vervolgens uitgezonden in de vorm van een foton. Elke stof zendt deze deeltjes uit met een bepaald energieniveau, wat het mogelijk maakt om het nauwkeurig te identificeren.
- Röntgenradiometrische. Materieatomen worden aangeslagen door gammastraling van een radioactieve isotoop.
- Elektronensonde. Activering wordt uitgevoerd door een gefocusseerde elektronenbundel met een energie van enkele tientallen keV.
- Assay met ionenexcitatie (protonen of zware ionen).
De meest gebruikelijke methode van spectrale röntgenanalyse is fluorescentie. X-stralenexcitatie wanneer een monster wordt gebombardeerd met elektronen wordt direct genoemd, en wanneer bestraald met röntgenstralen wordt het secundair (fluorescerend) genoemd.
Fundamenten van röntgenfluorescentie-analyse
X-ray fluorescentie methode op grote schaalgebruikt in de industrie en wetenschappelijk onderzoek. Het belangrijkste element van de spectrometer is de bron van primaire straling, die meestal wordt gebruikt als röntgenbuizen. Onder invloed van deze straling begint het monster te fluoresceren, waarbij röntgenstralen van het lijnspectrum worden uitgezonden. Een van de belangrijkste kenmerken van de methode is dat elk chemisch element zijn eigen spectrale kenmerken heeft, ongeacht of het zich in een vrije of gebonden toestand bevindt (als onderdeel van een verbinding). Het veranderen van de helderheid van de lijnen maakt het mogelijk om de concentratie ervan te kwantificeren.
Een röntgenbuis is een ballon waarin een vacuüm wordt gecreëerd. Aan het ene uiteinde van de buis bevindt zich een kathode in de vorm van een wolfraamdraad. Het wordt door een elektrische stroom verwarmd tot temperaturen die zorgen voor de emissie van elektronen. Aan het andere uiteinde bevindt zich een anode in de vorm van een massief metalen doelwit. Er ontstaat een potentiaalverschil tussen de kathode en de anode, waardoor de elektronen worden versneld.
Geladen deeltjes die met hoge snelheid bewegen, raken de anode en wekken remstraling op. Er is een transparant venster in de wand van de buis (meestal is het gemaakt van beryllium) waardoor de röntgenstralen naar buiten komen. De anode in apparaten voor het analyseren van röntgenstraling is gemaakt van verschillende soorten metaal: wolfraam, molybdeen, koper, chroom, palladium, goud, rhenium.
Ontbinding van straling in een spectrum en de registratie ervan
Er zijn 2 soorten röntgenstraling in het spectrum: golf en energie. Het eerste type komt het meest voor. Röntgenspectrometers, die werken volgens het principe van golfdispersie, hebben analysatorkristallen die golven onder een bepaalde hoek verstrooien.
Enkele kristallen worden gebruikt om röntgenstralen te ontleden in een spectrum:
- lithiumfluoride;
- kwarts;
- koolstof;
- zure kalium- of thalliumftalaat;
- silicium.
Ze spelen de rol van diffractieroosters. Voor massale multi-elementanalyse gebruiken instrumenten een reeks van dergelijke kristallen die bijna het hele scala aan chemische elementen dekken.
Röntgencamera's worden gebruikt om een röntgenfoto te maken, of een diffractiepatroon dat op fotografische film is vastgelegd. Aangezien deze methode omslachtig en minder nauwkeurig is, wordt deze momenteel alleen gebruikt voor het opsporen van fouten bij röntgenanalyse van metalen en andere materialen.
Proportionele en scintillatietellers worden gebruikt als detectoren van uitgezonden deeltjes. Het laatste type heeft een hoge gevoeligheid in het gebied van harde straling. Fotonen die op de fotokathode van de detector vallen, worden omgezet in een elektrische spanningspuls. Het signaal gaat eerst naar de versterker en vervolgens naar de ingang van de computer.
Toepassingsgebied
Röntgenfluorescentieanalyse wordt gebruikt voor de volgende doeleinden:
- bepaling van schadelijke onzuiverheden in olie enaardolieproducten (benzine, smeermiddelen en andere); zware metalen en andere gevaarlijke verbindingen in bodem, lucht, water, voedsel;
- analyse van katalysatoren in de chemische industrie;
- precieze bepaling van de periode van het kristalrooster;
- detectie van de dikte van beschermende coatings door een niet-destructieve methode;
- het bepalen van de bronnen van grondstoffen waaruit het item is gemaakt;
- berekening van microvolumes van materie;
- bepaling van de belangrijkste en onzuivere componenten van gesteenten in de geologie en metallurgie;
- studie van voorwerpen van culturele en historische waarde (iconen, schilderijen, fresco's, juwelen, schalen, ornamenten en andere voorwerpen gemaakt van verschillende materialen), hun datering;
- bepaling van samenstelling voor forensische analyse.
Monstervoorbereiding
Voor het onderzoek is de voorbereiding van het monster voorlopig vereist. Ze moeten aan de volgende voorwaarden voldoen voor röntgenanalyse:
- Uniformiteit. Aan deze voorwaarde kan het eenvoudigst worden voldaan voor vloeibare monsters. Bij het stratificeren van de oplossing onmiddellijk voor het onderzoek, wordt deze gemengd. Voor chemische elementen in het stralingsgebied met korte golflengte wordt homogeniteit bereikt door vermalen tot poeder en in het gebied met lange golflengte door fusie met flux.
- Bestand tegen invloeden van buitenaf.
- Aanpassen aan de maat van de voorbeeldlader.
- Optimale ruwheid van vaste monsters.
Aangezien vloeibare monsters een aantal nadelen hebben (verdamping, verandering in hun volume bij verhitting, neerslag)neerslaan onder invloed van röntgenstraling), verdient het de voorkeur droge stof te gebruiken voor röntgenspectraalanalyse. Poedermonsters worden in een cuvet gegoten en geperst. De cuvet wordt via de adapter in de houder geplaatst.
Voor kwantitatieve analyse wordt aanbevolen poedermonsters tot tabletten te persen. Om dit te doen, wordt de stof vermalen tot een staat van fijn poeder en vervolgens worden er tabletten op de pers gemaakt. Om brokkelige stoffen te fixeren, worden ze op een substraat van boorzuur geplaatst. Vloeistoffen worden met een pipet in de cuvetten gegoten, waarbij wordt gecontroleerd of er geen luchtbellen zijn.
Voorbereiding van monsters, selectie van een analysetechniek en de optimale modus, selectie van normen en constructie van analytische grafieken daarop wordt uitgevoerd door een laboratoriumassistent voor röntgenspectrale analyse die de basisprincipes van natuurkunde en scheikunde moet kennen, het ontwerp van spectrometers en de onderzoeksmethodologie.
Kwalitatieve analyse
Bepaling van de kwalitatieve samenstelling van monsters wordt uitgevoerd om bepaalde chemische elementen daarin te identificeren. Kwantificering vindt niet plaats. Onderzoek wordt uitgevoerd in de volgende volgorde:
- voorbereiding van monsters;
- voorbereiding van de spectrometer (opwarmen, installeren van de goniometer, instellen van het golflengtebereik, scanstap en belichtingstijd in het programma);
- snel scannen van het monster, opname van de verkregen spectra in het geheugen van de computer;
- ontcijfering van de resulterende spectrale decompositie.
Intensiteit van straling op elk momentscannen wordt weergegeven op de computermonitor in de vorm van een grafiek, langs de horizontale as waarvan de golflengte is uitgezet, en langs de verticale as - de intensiteit van de straling. De software van moderne spectrometers maakt het mogelijk om de verkregen gegevens automatisch te decoderen. Het resultaat van een kwalitatieve röntgenanalyse is een lijst met chemische stoffen die in het monster zijn aangetroffen.
Fouten
Vals geïdentificeerde chemische elementen kunnen vaak voorkomen. Dit heeft de volgende redenen:
- willekeurige afwijkingen van verspreide remstraling;
- verdwaalde lijnen van het anodemateriaal, achtergrondstraling;
- instrument fouten.
De grootste onnauwkeurigheid wordt onthuld in de studie van monsters, die worden gedomineerd door lichte elementen van organische oorsprong. Bij het uitvoeren van röntgenspectrale analyse van metalen is het aandeel verstrooide straling kleiner.
Kwantitatieve analyse
Alvorens kwantitatieve analyse uit te voeren, is een speciale instelling van de spectrometer vereist - de kalibratie met behulp van standaardmonsters. Het spectrum van het testmonster wordt vergeleken met het spectrum verkregen door bestraling van kalibratiemonsters.
De nauwkeurigheid van het bepalen van chemische elementen hangt af van vele factoren, zoals:
- interelement excitatie-effect;
- achtergrondverstrooiingsspectrum;
- apparaatresolutie;
- lineariteit van de telkarakteristiek van de spectrometer;
- Röntgenbuisspectrum en andere.
Deze methode is ingewikkelder en vereist een analytische studie, rekening houdend met vooraf experimenteel of theoretisch bepaalde constanten.
Waardigheid
De voordelen van de röntgenmethode zijn:
- mogelijkheid tot niet-destructief onderzoek;
- hoge gevoeligheid en nauwkeurigheid (bepaling van onzuiverheden tot 10-3%);
- breed scala aan geanalyseerde chemische elementen;
- eenvoudige monstervoorbereiding;
- veelzijdigheid;
- mogelijkheid tot automatische interpretatie en hoge prestaties van de methode.
Flaws
Een van de nadelen van spectrale röntgenanalyse zijn de volgende:
- verhoogde veiligheidseisen;
- behoefte aan individuele afstuderen;
- moeilijke interpretatie van de chemische samenstelling wanneer de karakteristieke lijnen van sommige elementen dicht bij elkaar liggen;
- noodzaak om anoden te vervaardigen van zeldzame materialen om de karakteristieke achtergrondstraling te verminderen die de betrouwbaarheid van de resultaten aantast.
