Рентгендік флуоресцентті спектрометрия

Рентгендік флуоресценциялық спектрометрия (XRF, рентген аэрозоль, рентгендік флуоресцентті спектрометрия) — элементтердің Be (No 4) - U (No 92) концентрацияларын ppm-ден 100-ге дейінгі диапазонда анықтауға арналған аналитикалық әдіс. әртүрлі заттар мен материалдарда %.

Рентгендік флуоресцентті спектрометр.

Өлшеулердің әмбебаптығы, дәлдігі мен жылдамдығы, сондай-ақ қолданудың қарапайымдылығы арқасында рентгендік флуоресценциялық талдау өнеркәсіпте және ғылымда кең қолданыс тапты.
Рентгендік флуоресценциялық талдау рентгендік сәулелену қарқындылығының үлгідегі элемент концентрациясына тәуелділігіне негізделген.

Үлгіні қуатты рентгендік түтік сәулелену ағынымен сәулелендіру кезінде атомдардың тән флуоресцентті сәулеленуі пайда болады, бұл үлгідегі олардың концентрациясына пропорционал.
Толқынды дисперсиялық спектрометрлерді пайдаланған кезде флуоресцентті сәулелену кристалдық монохроматорлардың көмегімен спектрге ыдырайды, содан кейін детекторлар мен санау электроникасының көмегімен оның қарқындылығы сандық түрде өлшенеді.
Энергия-дисперсиялық спектрометрлерде флуоресцентті сәулелену жартылай өткізгішті детекторлардың (Si немесе Ge) арқасында спектрге ыдырайды, мұнда үлгідегі барлық сәулелер тіркеледі және электрлік импульстарға айналады, бұл спектрдің санына тәуелділік түріндегі спектрді құрайды. әрбір элементтің энергиясына импульстар.
Сандық және сапалық талдау математикалық тәуелділіктер мен статистика әдістерін қолдану арқылы спектрді өңдеу арқылы жүзеге асырылады.

Рентгендік флуоресценция .

Рентгендік талдауды жүргізу үшін талданатын үлгінің атомы бірінші реттік рентгендік сәулеленудің жоғары энергиялы фотондарымен (рентген түтігінен немесе радионуклидтік көзден) сәулеленуі керек. Сәулелену кезінде атомдар қозған күйге өтеді, ол электрондардың жоғары энергетикалық деңгейлерге өтуінен тұрады. Атом қозғалған күйде секундтың бір бөлігін сақтайды, содан кейін ол негізгі күйге оралады. Бұл жағдайда сыртқы қабықтардағы электрондар не пайда болған бос орындарды толтырады, ал артық энергия екінші реттік фотон ретінде шығарылады немесе энергия сыртқы қабықтардан басқа электронға беріледі. Екінші реттік фотонның энергиясы ультракүлгін және гамма-сәулелену арасындағы электромагниттік тербеліс спектрінде орналасқан рентгендік сәулелену энергияларының диапазонында болады.

Атомдағы электронды орбитальдар K, L, M және т.б. белгіленеді, K - ядроға ең жақын орбиталь. Әрбір элемент атомындағы әрбір электрон орбиталының өзінің энергетикалық деңгейі болады. Шығарылатын екінші реттік фотонның энергиясы электронның ауысуы орын алған бастапқы және соңғы орбитальдардың энергиясының айырмашылығымен анықталады.

Шығарылатын фотонның толқын ұзындығы энергияға байланысты. Брегг заңы бойынша

E = E1-E2 = hc/l ,

мұндағы E1 және E2 – электрондар ауысуы орын алған орбитальдардың энергиясы, h – Планк тұрақтысы, с – жарық жылдамдығы, l – шығарылатын (екінші) фотонның толқын ұзындығы.

Осылайша, флуоресценция толқын ұзындығы әрбір элемент үшін жеке сипаттама болып табылады және тән флуоресценция болып табылады. Қарқындылық (уақыт бірлігінде алынған фотондар саны) сәйкес элементтің концентрациясына (атомдар санына) пропорционал. Бұл үлгіге енгізілген әрбір элемент атомдарының санын анықтауға мүмкіндік береді.

Рентген түтігі.

Рентген түтігі бірінші реттік жоғары энергиялы сәулелену көзі болып табылады. Ол жоғары тұрақты жоғары вольтты генератордан қуат алады.
Бастапқы сәулеленудің механизмі флуоресценция механизміне ұқсас, бірақ түтік анодтық материалдың қозуы флуоресценциядағыдай рентген сәулелерімен емес, жоғары энергиялы электрондармен бомбаланғанда пайда болады. Түтік сәулеленуінің спектрлік құрамы анод материалына байланысты. Негізінен родий Rh аноды пайдаланылады, бірақ белгілі бір тапсырмалар үшін басқа материалдарды қолдануға болады - Mo, Cr, Au және т.б.
Рентгендік флуоресценциялық талдау кезінде үлгінің барлық элементтері бір уақытта тән сәулеленудің фотондарын шығарады. Үлгідегі белгілі бір элементтің концентрациясын анықтау үшін үлгіден келетін жалпы сәулелену ағынынан дәл сол толқын ұзындығының сәулеленуін (VD спектрометрлері үшін) немесе энергияны (ЭД спектрометрлері үшін) бөліп алу қажет. элемент анықталады. Бұл үлгіден келетін жалпы сәулелену ағынын толқын ұзындығы/энергия бойынша ыдырату және спектрді алу арқылы жасалады. Спектр – сәулелену қарқындылығының толқын ұзындығына/энергияға тәуелділігін сипаттайтын қисық.

Сәулеленудің спектрге ыдырауы

Толқынды-дисперсиялық спектрометрлер. Сәулеленуді спектрге ыдырату кезінде (әртүрлі толқын ұзындығын бөлу) кристалдық жазықтықтары бетіне параллель және жазықтықаралық қашықтық d болатын кристалдық монохроматорлар қолданылады.
Егер толқын ұзындығы l сәулелену кристалға q бұрышпен түссе , онда көрші кристалдық жазықтықтардан шағылу кезінде фотондар жүріп өткен қашықтық толқын ұзындығының бүтін санына ( n ) ерекшеленсе ғана дифракция болады. q бұрышының өзгеруі кезінде , кристал сәулелену ағынына қатысты айналғанда, Брагг заңына сәйкес әртүрлі толқын ұзындықтары үшін дифракция дәйекті түрде жүреді: nl = 2d sinq . Кристалдың бұрыштық орны ( q ) қажетті элементті талдау үшін спектрден бөлінуі керек толқын ұзындығына байланысты орнатылады. Кристалды монохроматорлар. Рентгендік флуоресценция шыңдарының бөлінуі толқын ұзындығы мен жазық аралық қашықтықтың қатынасына ( d ) байланысты болғандықтан, жабдықтың селективтілігі мен сезімталдығын арттыру үшін зерттелетін үлгінің спектрі жасалған бірнеше кристалдық монохроматорлардың көмегімен кең энергия диапазонында өлшенеді. әртүрлі материалдардан. Германий (Ge111), литий фториді (LiF200/220/440) сияқты монокристалдар көптеген элементтердің сәулеленуі үшін тамаша анализаторлар болып табылады. Жеңіл элементтерді талдау кезінде сезімталдықты арттыру үшін көп қабатты синтетикалық жабындар қолданылады.

Энергия-дисперсиялық спектрометрлер. Толқынды-дисперсиялық әдіске қарағанда, энергия-дисперсиялық анықтау үлгіден екінші реттік (сипатты) сәулеленудің барлық энергетикалық диапазонын бір уақытта тіркейді. Спектр - интенсивтіліктің элементтердің сәулелену энергиясына тәуелділігі.
Таңдалған сәуле қарқындылықты өлшеу үшін рентгендік детекторға түседі. Қарқындылық – уақыт бірлігінде алынған фотондар саны.

Радиацияны анықтау

Флуоресценттік сәулеленуді анықтау кезінде флуоресценттік энергия белгілі бір амплитуданың кернеу импульстарына айналады.

Толқын ұзындығы-дисперсиялық спектрометрлер. Детекторлардың әртүрлі түрлері бар. Салыстырмалы түрде ұзын толқын ұзындығы үшін жарық элементтерін талдау үшін газ толтырылған пропорционалды детекторлар (ағынды және тығыздалған) қолданылады. Олардың жұмысы сәулелену арқылы газды иондандыруға және иондалған газ арқылы өткен электр импульстарының санын өлшеуге негізделген. Ауыр элементтерді талдау үшін (қысқа толқын ұзындығы үшін) сцинтилляциялық детекторлар қолданылады, олар рентген сәулелері түскен кезде арнайы заттың – сцинтиллятордың (NaI/Tl) жарықтығына сезімтал фотоэлементтің ток күшін өлшейді. Жазылған импульстар саны үлгідегі элемент атомдарының санына тура пропорционал.

Энергия-дисперсиялық спектрометрлер. Жартылай өткізгішті қатты күйдегі детекторлар тән сәулеленуді анықтау үшін қолданылады; олардың жұмысы жартылай өткізгіш ішіндегі ионизацияға негізделген. Жартылай өткізгішті детекторда бос заряд тасымалдаушылары жоқ сезімтал аймақ жасалады. Бұл аймаққа енген зарядталған бөлшек иондануды тудырады, сәйкесінше өткізгіштік аймағында электрондар, ал валентті аймақта тесіктер пайда болады. Сезімтал аймақтың бетіне тұндырылған электродтарға берілетін кернеудің әсерінен электрондар мен саңылаулар қозғалып, ток импульсі пайда болады. Жартылай өткізгішті кристалға бірнеше кВ-қа дейінгі кернеу беріледі, бұл детектор көлеміндегі бөлшектен пайда болған барлық зарядтардың жиналуын қамтамасыз етеді. Электрон-тесік жұптары электродтарға жылжи бастайды. Бұл қозғалыстың нәтижесінде электр импульсі пайда болады, содан кейін ол санақ электроникасы арқылы күшейтіледі және жазылады. Жартылай өткізгіш детектор негізінен Si немесе Ge-ден жасалған, Пеллет эффектісі немесе сұйық азот көмегімен талдау кезінде детекторды салқындату қажет.

Электронды санау

Санау электроникасы детекторлардан келетін импульстардың санын және амплитудаларға сәйкес энергия деңгейлерін жазады.
Заманауи күшейткіштер мен импульстік анализаторлар 2 секундтан аз уақыт ішінде қанағаттанарлық статистикалық өлшеу қатесін алуға мүмкіндік береді. Жеңіл элементтер үшін, сондай-ақ анықтау шегіне жақын концентрациясы бар элементтерді талдау үшін ұзағырақ санау уақыты қажет, өйткені бұл жағдайда энергиясы төмен фотондардың аз санын талдау қажет.
Өлшеу нәтижелерін талдау және өңдеу автоматты түрде орындалады. Осы мақсатта бағдарламалық пакеттер (компьютерлік бағдарламалар) түрінде талдау әдістері жасалды. Өлшеу кезінде бағдарламалық қамтамасыз ету көрсетілген талдау бағдарламасына сәйкес барлық спектрометр бірліктерін басқарады. Автоматты үлгіні беру құрылғысы бар барлық заманауи спектрометрлер талдауды үздіксіз және оператордың араласуынсыз жүргізуге мүмкіндік береді және өлшеулер аяқталғаннан кейін концентрациялар есептеледі. Талдау нәтижелері электронды түрде көрсетілген мекенжайларға автоматты түрде жіберіледі немесе одан әрі өңдеу үшін өлшемдер базасында жинақталады.

Рентгендік спектрометрлердің түрлері

Толқынды-дисперсиялық (WD) рентгендік спектрометр. Кристалды монохроматорлардың көмегімен сипаттамалық сәуле алынатын рентгендік флуоресценциялық спектрометрлер «толқынды дисперсиялық» деп аталады. WD сериялы және параллельді (квантометр) түрдегі спектрометрлер болып бөлінеді.

Тізбекті спектрометрлер

rusimg Осы түрдегі спектрометрлерде элементтердің кез келген санының рентгендік сәулеленуінің әрбір сипаттамалық сызығы қозғалатын кристалды монохромататорды және компьютермен басқарылатын айналу құрылғысымен біріктірілген жоғары дәлдіктегі гониометрді (бұрыштарды өлшеуге арналған құрылғы) пайдалану арқылы дәйекті түрде оқшауланады.

Кезекті VD спектрометрлерінің артықшылықтары:

Кез келген элементтер санының анықтамасы.
Әрбір элемент үшін оңтайлы өлшеу шарттары бағдарламаланған.
Жоғары сезімталдық, төмен анықтау деңгейлері.
Параллель спектрометрлермен салыстырғанда төмен баға.

Параллель типті спектрометрлер

rusimg2 Параллель спектрометрлермен өлшеулер бір уақытта (параллель) жүргізіледі. Элементтердің сипаттамалық сәулеленуінің қарқындылығы үлгінің айналасында орналасқан бірнеше реттелген бекітілген «арналардың» көмегімен бір уақытта өлшенеді. Арналардың әрқайсысы бір элементтің белгілі бір толқын ұзындығын қабылдау үшін реттелген кристалдық монохромататоры мен детекторы бар жеке спектрометр деп айтуға болады.

Параллель спектрометрлердің артықшылықтары:

Өнеркәсіпте сапаны желілік бақылау үшін пайдаланған кезде талдаудың ең жоғары жылдамдығы – технологиялық процесті экспресс талдау.
Аз қозғалатын бөлшектер, өнеркәсіптік ортада тамаша сенімділік

Энергия дисперсиялық спектрометрлер

ED спектрометрлерінің артықшылықтары:

Толқын ұзындығы бойынша дисперсиялық XRF спектрометрлерімен салыстырғанда айтарлықтай төмен құны.
Ықшамдығы, ыңғайлылығы, қарапайымдылығы, жұмыс үстелі және портативті нұсқаларын жасау мүмкіндігі.
Ауыр элементтерді өлшеу кезіндегі дәлдік пен сезімталдық толқын ұзындығының дисперсиялық рентгендік спектрометрлерінен кем емес.