L'anàlisi espectral de raigs X ocupa un lloc important entre tots els mètodes d'estudi dels materials. S'utilitza àmpliament en diversos camps de la tecnologia a causa de la possibilitat de control exprés sense destruir la mostra de prova. El temps per determinar un element químic només pot ser d'uns pocs segons; pràcticament no hi ha restriccions sobre el tipus de substàncies en estudi. L'anàlisi es realitza tant en termes qualitatius com quantitatius.
L'essència de l'anàlisi espectral de raigs X
L'anàlisi espectral de raigs X és un dels mètodes físics per a l'estudi i control de materials. Es basa en una idea comuna a tots els mètodes d'espectroscòpia.
L'essència de l'anàlisi espectral de raigs X rau en la capacitat d'una substància d'emetre una radiació de raigs X característica quan els àtoms són bombardejats per electrons o quants ràpids. Al mateix temps, la seva energia ha de ser més gran que l'energia necessària per treure un electró de la capa d'un àtom. Aquest impacte no només condueix a l'aparició d'un espectre de radiació característic,format per un nombre reduït de línies espectrals, però també contínues. L'estimació de la composició energètica de les partícules detectades permet extreure conclusions sobre les propietats físiques i químiques de l'objecte en estudi.
Depenent del mètode d'acció sobre la substància, es registren partícules del mateix tipus o d' altres. També hi ha espectroscòpia d'absorció de raigs X, però sovint serveix com a eina auxiliar per entendre els problemes clau de l'espectroscòpia de raigs X tradicional.
Tipus de substàncies
Els mètodes d'anàlisi espectral de raigs X ens permeten estudiar la composició química d'una substància. Aquest mètode també es pot utilitzar com a mètode d'assaig exprés no destructiu. Es poden incloure a l'estudi els següents tipus de substàncies:
- metalls i aliatges;
- roques;
- vidre i ceràmica;
- fluid;
- abrasius;
- gasos;
- substàncies amorfes;
- polímers i altres compostos orgànics;
- proteïnes i àcids nucleics.
L'anàlisi espectral de raigs X també us permet determinar les propietats següents dels materials:
- composició de fase;
- orientació i mida dels cristalls simples, partícules col·loïdals;
- diagrames d'estat d'aliatge;
- estructura atòmica i dislocació de la xarxa cristal·lina;
- tensions internes;
- coeficient d'expansió tèrmica i altres característiques.
Basat en aquest mètode aLa producció utilitza la detecció de defectes de raigs X, que us permet detectar diversos tipus d'inhomogeneïtats en materials:
- petxines;
- inclusions estrangeres;
- poros;
- cracks;
- Soldadures defectuoses i altres defectes.
Tipus d'anàlisi
Depenent del mètode de generació de raigs X, es distingeixen els següents tipus d'anàlisi espectral de raigs X:
- Fluorescent de raigs X. Els àtoms són excitats per la radiació primària de raigs X (fotons d' alta energia). Això dura aproximadament un microsegon, després del qual es mouen a una posició bàsica i calmada. L'excés d'energia s'emet llavors en forma de fotó. Cada substància emet aquestes partícules amb un determinat nivell d'energia, que permet identificar-les amb precisió.
- Radiomètrica de raigs X. Els àtoms de matèria són excitats per la radiació gamma d'un isòtop radioactiu.
- Sonda d'electrons. L'activació es realitza mitjançant un feix d'electrons enfocat amb una energia de diverses desenes de keV.
- Assaig amb excitació iònica (protons o ions pesats).
El mètode més comú d'anàlisi espectral de raigs X és la fluorescència. L'excitació de raigs X quan una mostra és bombardejada amb electrons s'anomena directa, i quan s'irradia amb raigs X s'anomena secundària (fluorescent).
Fonaments de l'anàlisi de fluorescència de raigs X
Mètode de fluorescència de raigs X àmpliamentutilitzat en la indústria i la investigació científica. L'element principal de l'espectròmetre és la font de radiació primària, que s'utilitza més sovint com a tubs de raigs X. Sota la influència d'aquesta radiació, la mostra comença a fer fluorescència, emetent raigs X de l'espectre de línies. Una de les característiques més importants del mètode és que cada element químic té les seves pròpies característiques espectrals, independentment de si es troba en estat lliure o lligat (com a part de qualsevol compost). Canviar la brillantor de les línies permet quantificar-ne la concentració.
Un tub de raigs X és un globus dins del qual es crea un buit. En un extrem del tub hi ha un càtode en forma de filferro de tungstè. S'escalfa mitjançant un corrent elèctric a temperatures que asseguren l'emissió d'electrons. A l' altre extrem hi ha un ànode en forma d'objectiu metàl·lic massiu. Es crea una diferència de potencial entre el càtode i l'ànode, a causa de la qual s'acceleren els electrons.
Les partícules carregades que es mouen a gran velocitat xoquen contra l'ànode i exciten la bremsstrahlung. Hi ha una finestra transparent a la paret del tub (la majoria de vegades és de beril·li) per on surten els raigs X. L'ànode dels dispositius d'anàlisi espectral de raigs X està fet de diversos tipus de metall: tungstè, molibdè, coure, crom, pal·ladi, or, reni.
Descomposició de la radiació en un espectre i el seu registre
Hi ha 2 tipus de dispersió de raigs X a l'espectre: l'ona i l'energia. El primer tipus és el més comú. Els espectròmetres de raigs X, que funcionen segons el principi de dispersió d'ones, tenen cristalls analitzadors que dispersen les ones amb un angle determinat.
Els cristalls senzills s'utilitzen per descompondre els raigs X en un espectre:
- fluorur de liti;
- quartz;
- carboni;
- ftalat àcid de potassi o tal·li;
- silici.
Juguen el paper de xarxes de difracció. Per a l'anàlisi de masses multielement, els instruments utilitzen un conjunt d'aquests cristalls que cobreixen gairebé completament tota la gamma d'elements químics.
Les càmeres de raigs X s'utilitzen per obtenir una radiografia o un patró de difracció fixat en una pel·lícula fotogràfica. Com que aquest mètode és laboriós i menys precís, actualment només s'utilitza per a la detecció de defectes en l'anàlisi de raigs X de metalls i altres materials.
Els comptadors proporcionals i de centelleig s'utilitzen com a detectors de partícules emeses. Aquest darrer tipus té una alta sensibilitat a la regió de la radiació dura. Els fotons que cauen sobre el fotocàtode del detector es converteixen en un pols de tensió elèctrica. El senyal va primer a l'amplificador i després a l'entrada de l'ordinador.
Àmbit d'aplicació
L'anàlisi de fluorescència de raigs X s'utilitza amb els propòsits següents:
- determinació d'impureses nocives en oli iproductes derivats del petroli (gasolina, lubricants i altres); metalls pesants i altres compostos perillosos al sòl, l'aire, l'aigua, els aliments;
- anàlisi de catalitzadors a la indústria química;
- determinació precisa del període de la xarxa cristal·lina;
- detecció del gruix dels recobriments protectors mitjançant un mètode no destructiu;
- determinar les fonts de matèries primeres a partir de les quals es fa l'article;
- càlcul de microvolums de matèria;
- determinació dels components principals i d'impuresa de les roques en geologia i metal·lúrgia;
- estudi d'objectes de valor cultural i històric (icones, pintures, frescos, joies, plats, ornaments i altres objectes fets amb materials diversos), la seva datació;
- determinació de la composició per a l'anàlisi forense.
Preparació de la mostra
Per a l'estudi, la preparació de la mostra és prèviament necessària. Han de complir les condicions següents per a l'anàlisi de raigs X:
- Uniformitat. Aquesta condició es pot complir més simplement per a mostres líquides. Quan s'estratifica la solució immediatament abans de l'estudi, es barreja. Per als elements químics a la regió de la radiació de longitud d'ona curta, l'homogeneïtat s'aconsegueix triturant en pols, i a la regió de longitud d'ona llarga, mitjançant la fusió amb flux.
- Resistent a influències externes.
- Ajust amb la mida del carregador de mostres.
- Rugositat òptima de les mostres sòlides.
Atès que les mostres líquides tenen diversos inconvenients (evaporació, canvi de volum quan s'escalfen, precipitacióprecipitar sota l'acció de la radiació de raigs X), és preferible utilitzar matèria seca per a l'anàlisi espectral de raigs X. Les mostres de pols s'aboquen en una cubeta i es pressionen. La cubeta s'instal·la al suport mitjançant l'adaptador.
Per a l'anàlisi quantitativa, es recomana premsar mostres de pols en pastilles. Per fer-ho, la substància es tritura fins a un estat de pols fina i, a continuació, es fan pastilles a la premsa. Per fixar substàncies friables, es col·loquen sobre un substrat d'àcid bòric. Els líquids s'aboquen a les cubetes amb una pipeta, mentre es comprova l'absència de bombolles.
La preparació de mostres, la selecció d'una tècnica d'anàlisi i la modalitat òptima, la selecció d'estàndards i la construcció de gràfics analítics sobre elles la realitza un auxiliar de laboratori d'anàlisi espectral de raigs X que ha de conèixer els fonaments de la física, la química, el disseny d'espectròmetres i la metodologia de recerca.
Anàlisi qualitativa
La determinació de la composició qualitativa de les mostres es realitza per identificar determinats elements químics en elles. La quantificació no es realitza. La investigació es porta a terme en l'ordre següent:
- preparant mostres;
- preparació de l'espectròmetre (escalfament, instal·lació del goniòmetre, configuració del rang de longitud d'ona, pas d'escaneig i temps d'exposició al programa);
- escaneig ràpid de la mostra, gravant els espectres obtinguts a la memòria de l'ordinador;
- desxifrant la descomposició espectral resultant.
Intensitat de la radiació en cada momentL'escaneig es mostra al monitor de l'ordinador en forma de gràfic, al llarg de l'eix horitzontal del qual es representa la longitud d'ona i al llarg de l'eix vertical: la intensitat de la radiació. El programari dels espectròmetres moderns permet descodificar automàticament les dades obtingudes. El resultat d'una anàlisi qualitativa de raigs X és una llista de línies de productes químics que es van trobar a la mostra.
Errors
Sovint es poden produir elements químics falsament identificats. Això es deu als motius següents:
- desviacions aleatòries de bremsstrahlung dispersos;
- línies perdudes del material de l'ànode, radiació de fons;
- errors d'instrument.
La major inexactitud es revela en l'estudi de les mostres, que estan dominades per elements lleugers d'origen orgànic. Quan es realitza l'anàlisi espectral de raigs X de metalls, la proporció de radiació dispersa és menor.
Anàlisi quantitativa
Abans de dur a terme l'anàlisi quantitativa, cal una configuració especial de l'espectròmetre: el seu calibratge mitjançant mostres estàndard. L'espectre de la mostra de prova es compara amb l'espectre obtingut de la irradiació de mostres de calibratge.
La precisió de la determinació dels elements químics depèn de molts factors, com ara:
- efecte d'excitació interelement;
- espectre de dispersió de fons;
- resolució del dispositiu;
- linealitat de la característica de comptatge de l'espectròmetre;
- Espectre del tub de raigs X i altres.
Aquest mètode és més complicat i requereix un estudi analític, tenint en compte constants determinades prèviament de manera experimental o teòrica.
Dignitat
Els avantatges del mètode de raigs X inclouen:
- possibilitat de proves no destructives;
- alta sensibilitat i precisió (determinació de la impuresa fins a 10-3%);
- àmplia gamma d'elements químics analitzats;
- preparació de mostres fàcil;
- versatilitat;
- possibilitat d'interpretació automàtica i alt rendiment del mètode.
Defectes
Entre els desavantatges de l'anàlisi espectral de raigs X hi ha els següents:
- requisits de seguretat augmentats;
- necessitat de graduació individual;
- interpretació difícil de la composició química quan les línies característiques d'alguns elements estan properes;
- necessitat de fabricar ànodes a partir de materials rars per reduir la radiació característica de fons que afecta la fiabilitat dels resultats.
