Rendgenska spektralna analiza zauzima važno mjesto među svim metodama proučavanja materijala. Široko se koristi u različitim oblastima tehnologije zbog mogućnosti ekspresne kontrole bez uništavanja testnog uzorka. Vrijeme za određivanje jednog kemijskog elementa može biti samo nekoliko sekundi, praktički nema ograničenja na vrstu tvari koja se proučava. Analiza se vrši iu kvalitativnom i kvantitativnom smislu.
Suština rendgenske spektralne analize
Rendgenska spektralna analiza je jedna od fizičkih metoda za proučavanje i kontrolu materijala. Zasniva se na ideji zajedničkoj svim metodama spektroskopije.
Suština rendgenske spektralne analize leži u sposobnosti supstance da emituje karakteristično rendgensko zračenje kada su atomi bombardovani brzim elektronima ili kvantima. Istovremeno, njihova energija mora biti veća od energije koja je potrebna za izvlačenje elektrona 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 detektovanih čestica omogućava donošenje zaključaka o fizičkim i hemijskim svojstvima objekta koji se proučava.
U zavisnosti od načina djelovanja na supstancu, snimaju se ili čestice istog tipa ili druge. Postoji i rendgenska apsorpciona spektroskopija, ali ona najčešće služi kao pomoćni alat za razumijevanje ključnih pitanja tradicionalne rendgenske spektroskopije.
Vrste supstanci
Metode rendgenske spektralne analize omogućavaju nam da proučavamo hemijski sastav supstance. Ova metoda se također može koristiti kao ekspresna metoda ispitivanja bez razaranja. Sljedeće vrste supstanci mogu biti uključene u studiju:
- metali i legure;
- rocks;
- staklo i keramika;
- fluid;
- abrazivi;
- gasovi;
- amorfne supstance;
- polimeri i druga organska jedinjenja;
- proteini i nukleinske kiseline.
Rendgenska spektralna analiza vam takođe omogućava da odredite sljedeća svojstva materijala:
- fazni sastav;
- orijentacija i veličina pojedinačnih kristala, koloidnih čestica;
- dijagrami stanja legure;
- atomska struktura i dislokacija kristalne rešetke;
- unutrašnja naprezanja;
- koeficijent toplinske ekspanzije i druge karakteristike.
Na osnovu ove metode uproizvodnja koristi rendgensku detekciju grešaka, što vam omogućava da otkrijete različite vrste nehomogenosti u materijalima:
- školjke;
- strane inkluzije;
- pore;
- cracks;
- Neispravni zavari i drugi nedostaci.
Vrste analize
U zavisnosti od metode generisanja rendgenskih zraka, razlikuju se sljedeće vrste spektralne analize rendgenskih zraka:
- X-ray fluorescent. Atomi se pobuđuju primarnim rendgenskim zračenjem (visokoenergetski fotoni). To traje oko mikrosekundu, nakon čega se pomiču u miran, osnovni položaj. Višak energije se tada emituje u obliku fotona. Svaka supstanca emituje ove čestice sa određenim nivoom energije, što omogućava njenu tačnu identifikaciju.
- Rentgen radiometrijski. Atomi materije su pobuđeni gama zračenjem iz radioaktivnog izotopa.
- Elektronska sonda. Aktivacija se izvodi fokusiranim elektronskim snopom sa energijom od nekoliko desetina keV.
- Test sa ionskom ekscitacijom (protoni ili teški joni).
Najčešća metoda rendgenske spektralne analize je fluorescencija. Ekscitacija rendgenskim zracima kada je uzorak bombardovan elektronima naziva se direktna, a kada je ozračena rendgenskim zracima naziva se sekundarna (fluorescentna).
Osnove rendgenske fluorescentne analize
Metoda rendgenske fluorescencije širokokoristi se u industriji i naučnim istraživanjima. Glavni element spektrometra je izvor primarnog zračenja koje se najčešće koristi kao rendgenske cijevi. Pod uticajem ovog zračenja, uzorak počinje da fluorescira, emitujući rendgenske zrake linijskog spektra. Jedna od najvažnijih karakteristika metode je da svaki hemijski element ima svoje spektralne karakteristike, bez obzira da li je u slobodnom ili vezanom stanju (kao deo bilo kog jedinjenja). Promjena svjetline linija omogućava kvantifikaciju njene koncentracije.
Rendgenska cijev je balon unutar kojeg se stvara vakuum. Na jednom kraju cijevi nalazi se katoda u obliku volframove žice. Zagrijava se električnom strujom do 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 zidu cijevi (najčešće je napravljen od berilijuma) nalazi se providni prozorčić kroz koji izlaze rendgenski zraci. Anoda u uređajima za rendgensku spektralnu analizu napravljena je od nekoliko vrsta metala: volframa, molibdena, bakra, hroma, paladijuma, zlata, renijuma.
Razlaganje zračenja u spektar i njegova registracija
Postoje 2 vrste disperzije X-zraka u spektru - talasna i energetska. Prvi tip je najčešći. Rendgenski spektrometri, koji rade na principu disperzije talasa, imaju kristale analizatora koji rasipaju talase pod određenim uglom.
Pojedinačni kristali se koriste za razlaganje X-zraka u spektar:
- litijum fluorid;
- kvarc;
- karbon;
- kiseli kalijum ili talijev ftalat;
- silicijum.
One igraju ulogu difrakcionih rešetki. Za masovnu multi-elementnu analizu, instrumenti koriste skup takvih kristala koji gotovo u potpunosti pokrivaju čitav niz hemijskih elemenata.
Rentgenske kamere se koriste za dobijanje radiografije ili difrakcionog uzorka fiksiranog na fotografskom filmu. Pošto je ova metoda naporna i manje precizna, trenutno se koristi samo za detekciju grešaka u rendgenskoj analizi metala i drugih materijala.
Proporcionalni i scintilacioni brojači se koriste kao detektori emitovanih 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 kompjutera.
Oblast primjene
Fluorescentna analiza X zraka koristi se u sljedeće svrhe:
- određivanje štetnih nečistoća u ulju inaftni proizvodi (benzin, maziva i ostalo); teški metali i druga opasna jedinjenja u zemljištu, vazduhu, vodi, hrani;
- analiza katalizatora u hemijskoj industriji;
- precizno određivanje perioda kristalne rešetke;
- detekcija debljine zaštitnih premaza nedestruktivnom metodom;
- određivanje izvora sirovina od kojih je predmet napravljen;
- proračun mikrovolumena materije;
- određivanje glavnih i nečistoća stena u geologiji i metalurgiji;
- proučavanje predmeta kulturne i istorijske vrijednosti (ikone, slike, freske, nakit, posuđe, ukrasi i drugi predmeti od raznih materijala), njihovo datiranje;
- određivanje sastava za forenzičku analizu.
Priprema uzorka
Za ispitivanje je preliminarno potrebna priprema uzorka. Moraju ispuniti sljedeće uslove za rendgensku analizu:
- Uniformitet. Ovaj uslov se najjednostavnije može ispuniti za tečne uzorke. Prilikom stratifikacije otopine neposredno prije studije, ona se miješa. Za hemijske elemente u kratkotalasnoj oblasti zračenja homogenost se postiže mlevenjem u prah, a u dugotalasnoj oblasti fuzijom sa fluksom.
- Otporna na vanjske uticaje.
- Odgovara veličini utovarivača uzoraka.
- Optimalna hrapavost čvrstih uzoraka.
Budući da tečni uzorci imaju niz nedostataka (isparavanje, promjena volumena pri zagrijavanju, taloženjeprecipitata pod dejstvom rendgenskog zračenja), poželjno je koristiti suvu materiju za rendgensku spektralnu analizu. Uzorci praha se sipaju u kivetu i presuju. Kiveta se ugrađuje u držač preko adaptera.
Za kvantitativnu analizu preporučuje se da se uzorci praha presuju u tablete. Da biste to učinili, tvar se melje do stanja finog praha, a zatim se tablete prave na preši. Za fiksiranje trošnih tvari postavljaju se na podlogu od borne kiseline. Tečnosti se sipaju u kivete pomoću pipete, uz provjeravanje odsustva mjehurića.
Pripremu uzoraka, izbor tehnike analize i optimalnog moda, izbor standarda i izradu analitičkih grafova na njima vrši asistent laboratorije za rendgensku spektralnu analizu koji mora poznavati osnove fizike, hemije, dizajn spektrometara i metodologiju istraživanja.
Kvalitativna analiza
Određivanje kvalitativnog sastava uzoraka vrši se radi identifikacije određenih hemijskih elemenata u njima. Kvantifikacija se ne vrši. Istraživanje se provodi sljedećim redoslijedom:
- priprema uzoraka;
- priprema spektrometra (zagrevanje, ugradnja goniometra, podešavanje opsega talasne dužine, korak skeniranja i vreme ekspozicije u programu);
- brzo skeniranje uzorka, snimanje dobijenih spektra u memoriju kompjutera;
- dešifriranje rezultirajuće spektralne dekompozicije.
Intenzitet zračenja u svakom trenutkuskeniranje se prikazuje na monitoru računara u obliku grafikona, duž čije horizontalne ose je ucrtana talasna dužina, a duž vertikalne ose - intenzitet zračenja. Softver savremenih spektrometara omogućava automatsko dekodiranje dobijenih podataka. Rezultat kvalitativne rendgenske analize je lista linija hemikalija koje su pronađene u uzorku.
Greške
Često se mogu pojaviti lažno identifikovani hemijski elementi. To je zbog sljedećih razloga:
- slučajna odstupanja raspršenog kočnog zraka;
- zalutale linije od anodnog materijala, pozadinsko zračenje;
- greške na instrumentu.
Najveća nepreciznost otkrivena je u proučavanju uzoraka u kojima dominiraju laki 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 se poredi sa spektrom dobijenim zračenjem kalibracionih uzoraka.
Tačnost određivanja hemijskih elemenata zavisi od mnogih faktora, kao što su:
- međuelementni efekat ekscitacije;
- pozadinski spektar raspršenja;
- rezolucija uređaja;
- linearnost karakteristike brojanja spektrometra;
- Spektar rendgenske cijevi i ostalo.
Ova metoda je složenija i zahtijeva analitičku studiju, uzimajući u obzir konstante određene unaprijed eksperimentalno ili teoretski.
Dostojanstvo
Prednosti rendgenske metode uključuju:
- mogućnost ispitivanja bez razaranja;
- visoka osjetljivost i preciznost (određivanje nečistoća do 10-3%);
- širok spektar analiziranih hemijskih 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 hemijskog sastava kada su karakteristične linije nekih elemenata blizu;
- potreba za proizvodnju anoda od rijetkih materijala kako bi se smanjilo pozadinsko karakteristično zračenje koje utiče na pouzdanost rezultata.
