XRF (rentgena fluorescences analīze) ir fizikālās analīzes metode, kas tieši nosaka gandrīz visus ķīmiskos elementus pulverveida, šķidros un cietos materiālos.
Metodes priekšrocības
Šī metode ir universāla, jo tās pamatā ir ātra un vienkārša parauga sagatavošana. Metode ir plaši izmantota rūpniecībā, zinātniskās pētniecības jomā. Rentgena fluorescences analīzes metodei ir milzīgs potenciāls, kas noder ļoti sarežģītā dažādu vides objektu analīzē, kā arī saražotās produkcijas kvalitātes kontrolē un gatavās produkcijas un izejvielu analīzē.
Vēsture
Rentgenstaru fluorescences analīzi 1928. gadā pirmo reizi aprakstīja divi zinātnieki - Glocker un Schreiber. Pašu ierīci tikai 1948. gadā radīja zinātnieki Frīdmens un Burks. Kā detektoru viņi izmantoja Geigera skaitītāju, kas uzrādīja augstu jutību attiecībā pret elementa kodola atomu skaitu.
Hēliju jeb vakuuma vidi pētījuma metodē sāka izmantot 1960. gadā. Tos izmantoja gaismas elementu noteikšanai. Sācis lietot arī fluora kristāluslitijs. Tos izmantoja difrakcijai. Viļņu joslas ierosināšanai tika izmantotas rodija un hroma caurules.
Si(Li) - silīcija litija dreifēšanas detektors tika izgudrots 1970. gadā. Tas nodrošināja augstu datu jutīgumu un neprasīja kristalizētāja izmantošanu. Tomēr šī instrumenta enerģijas izšķirtspēja bija sliktāka.
Automatizēta analītiskā daļa un procesa vadība ir pārnesta uz iekārtu līdz ar datoru parādīšanos. Vadība tika veikta no instrumenta paneļa vai datora tastatūras. Analizatori kļuva tik populāri, ka tika iekļauti Apollo 15 un Apollo 16 misijās.
Šobrīd ar šīm ierīcēm ir aprīkotas kosmosa stacijas un kosmosā palaisti kuģi. Tas ļauj identificēt un analizēt citu planētu iežu ķīmisko sastāvu.
Method Essence
Rentgenstaru fluorescences analīzes būtība ir fiziskās analīzes veikšana. Tādā veidā ir iespējams analizēt gan cietās vielas (stikls, metāls, keramika, ogles, akmeņi, plastmasa), gan šķidrumi (nafta, benzīns, šķīdumi, krāsas, vīns un asinis). Metode ļauj noteikt ļoti mazas koncentrācijas ppm līmenī (viena miljonā daļa). Lielus paraugus, līdz pat 100%, var arī pētīt.
Šī analīze ir ātra, droša un nesagrauj vidi. Tam ir augsta rezultātu reproducējamība un datu precizitāte. Metode ļauj daļēji kvantitatīvi, kvalitatīvi un kvantitatīvi noteikt visus elementus, kas ir paraugā.
Rentgenstaru fluorescences analīzes metodes būtībavienkārši un saprotami. Ja atstājat terminoloģiju malā un mēģināt izskaidrot metodi vienkāršāk, tad tas izrādās. ka analīze tiek veikta, pamatojoties uz starojuma salīdzinājumu, kas rodas atoma apstarošanas rezultātā.
Ir jau zināma standarta datu kopa. Salīdzinot rezultātus ar šiem datiem, zinātnieki secina, kāds ir parauga sastāvs.
Mūsdienu ierīču vienkāršība un pieejamība ļauj tās izmantot zemūdens pētniecībā, kosmosā, dažādos pētījumos kultūras un mākslas jomā.
Darba princips
Šīs metodes pamatā ir spektra analīze, ko iegūst, pakļaujot pārbaudāmo materiālu ar rentgena stariem.
Apstarošanas laikā atoms iegūst ierosinātu stāvokli, ko pavada elektronu pāreja uz augstākas kārtas kvantu līmeņiem. Atoms šajā stāvoklī uzturas ļoti īsu laiku, apmēram 1 mikrosekundi, un pēc tam atgriežas pamatstāvoklī (klusā stāvoklī). Šajā laikā elektroni, kas atrodas uz ārējiem apvalkiem, vai nu aizpilda brīvās vietas, un atbrīvo lieko enerģiju fotonu veidā, vai arī nodod enerģiju citiem elektroniem, kas atrodas uz ārējiem apvalkiem (tos sauc par Augera elektroniem). Šajā laikā katrs atoms izstaro fotoelektronu, kura enerģijai ir stingra vērtība. Piemēram, dzelzs, pakļaujoties rentgena stariem, izstaro fotonus, kas vienādi ar Kα jeb 6,4 keV. Attiecīgi pēc kvantu skaita un enerģijas var spriest par matērijas struktūru.
Radiācijas avots
Metālu analīzes rentgena fluorescences metode izmanto gan dažādu elementu izotopus, gan rentgena lampas kā dziedināšanas avotu. Katrai valstij ir atšķirīgas prasības emitējošo izotopu eksportam un importam, attiecīgi šādu iekārtu ražošanas nozarē tās labprātāk izmanto rentgena lampu.
Šādām caurulēm ir vara, sudraba, rodija, molibdēna vai citi anodi. Dažās situācijās anods tiek izvēlēts atkarībā no uzdevuma.
Strāva un spriegums dažādiem elementiem ir atšķirīgs. Pietiek izmeklēt vieglos elementus ar spriegumu 10 kV, smagos - 40-50 kV, vidējos - 20-30 kV.
Gaismas elementu izpētes laikā apkārtējai atmosfērai ir milzīga ietekme uz spektru. Lai samazinātu šo efektu, paraugu speciālā kamerā ievieto vakuumā vai telpu piepilda ar hēliju. Ierosināto spektru fiksē speciāla ierīce – detektors. Dažādu elementu fotonu atdalīšanas viena no otras precizitāte ir atkarīga no tā, cik augsta ir detektora spektrālā izšķirtspēja. Tagad visprecīzākā ir izšķirtspēja 123 eV līmenī. Rentgena fluorescences analīzi veic ierīce ar šādu diapazonu ar precizitāti līdz 100%.
Pēc tam, kad fotoelektrons ir pārveidots par sprieguma impulsu, ko uzskaita speciāla skaitīšanas elektronika, tas tiek pārraidīts uz datoru. No spektra virsotnēm, kas sniedza rentgena fluorescences analīzi, ir viegli kvalitatīvi noteikt, kuraspētāmajā izlasē ir elementi. Lai precīzi noteiktu kvantitatīvo saturu, ir nepieciešams izpētīt iegūto spektru īpašā kalibrēšanas programmā. Programma ir iepriekš izveidota. Šim nolūkam tiek izmantoti prototipi, kuru sastāvs ir iepriekš zināms ar augstu precizitāti.
Vienkāršāk sakot, iegūtais pētāmās vielas spektrs tiek vienkārši salīdzināts ar zināmo. Tādējādi tiek iegūta informācija par vielas sastāvu.
Iespējas
Rentgena fluorescences analīzes metode ļauj analizēt:
- paraugi, kuru izmērs vai masa ir niecīga (100–0,5 mg);
- ievērojams ierobežojumu samazinājums (par 1–2 kārtībām zemāks nekā XRF);
- analīze, ņemot vērā kvantu enerģijas izmaiņas.
Pārbaudāmā parauga biezums nedrīkst pārsniegt 1 mm.
Šāda izlases lieluma gadījumā izlasē ir iespējams nomākt sekundāros procesus, starp kuriem:
- vairākas Komptona izkliedes, kas ievērojami paplašina maksimumu gaismas matricās;
- fotoelektronu bremsstrahlung (veicina fona plato);
- elementu ierosināšana, kā arī fluorescences absorbcija, kas prasa starpelementu korekciju spektra apstrādes laikā.
Metodes trūkumi
Viens no būtiskiem trūkumiem ir sarežģītība, kas pavada plāno paraugu sagatavošanu, kā arī stingras prasības materiāla struktūrai. Izpētei paraugam jābūt ļoti smalki izkliedētam un ļoti viendabīgam.
Vēl viens trūkums ir tas, ka metode ir ļoti saistīta ar standartiem (atsauces paraugi). Šī funkcija ir raksturīga visām nesagraujošajām metodēm.
Metodes pielietojums
Rentgenstaru fluorescences analīze ir kļuvusi plaši izplatīta daudzās jomās. To izmanto ne tikai zinātnē vai rūpniecībā, bet arī kultūras un mākslas jomā.
Izmantots:
- vides aizsardzība un ekoloģija smago metālu noteikšanai augsnēs, kā arī to noteikšanai ūdenī, nokrišņos, dažādos aerosolos;
- mineraloģija un ģeoloģija veic derīgo izrakteņu, augšņu, iežu kvantitatīvo un kvalitatīvo analīzi;
- ķīmiskā rūpniecība un metalurģija - izejvielu, gatavās produkcijas un ražošanas procesa kvalitātes kontrole;
- krāsu nozare - analizējiet svina krāsu;
- juvelierizstrādājumu nozare - mēra dārgmetālu koncentrāciju;
- naftas rūpniecība - nosaka naftas un degvielas piesārņojuma pakāpi;
- pārtikas rūpniecība - identificējiet toksiskos metālus pārtikas produktos un sastāvdaļās;
- lauksaimniecība - analizē mikroelementus dažādās augsnēs, kā arī lauksaimniecības produktos;
- arheoloģija - veikt elementāru analīzi, kā arī atradumu datēšanu;
- māksla - viņi pēta skulptūras, gleznas, pēta objektus un analizē tos.
Spoku apmetne
Rentgenstaru fluorescences analīze GOST 28033 - 89 regulē kopš 1989. gada. Dokumentsvisi jautājumi par procedūru tiek reģistrēti. Lai gan gadu gaitā ir veikti daudzi pasākumi, lai uzlabotu metodi, dokuments joprojām ir aktuāls.
Saskaņā ar GOST ir noteiktas pētāmo materiālu proporcijas. Dati tiek parādīti tabulā.
1. tabula. Masas daļu attiecība
| Definēts elements | Masas daļa, % |
| Sērs | No 0,002 līdz 0,20 |
| Silīcijs | "0,05 "5,0 |
| Molibdēns | "0,05 "10,0 |
| Titāns | "0, 01 " 5, 0 |
| Kob alts | "0,05 "20,0 |
| Chrome | "0,05 "35,0 |
| Niobijs | "0, 01 " 2, 0 |
| Mangāns | "0,05 "20,0 |
| Vanadium | "0, 01 " 5, 0 |
| Volframs | "0,05 "20,0 |
| Fosfors | "0,002 "0,20 |
Lietišķais aprīkojums
Rentgenstaru fluorescences spektrālā analīze tiek veikta, izmantojotīpašs aprīkojums, metodes un līdzekļi. Starp GOST izmantotajām iekārtām un materiāliem ir norādīts:
- daudzkanālu un skenēšanas spektrometri;
- slīpēšanas un slīpēšanas mašīna (slīpēšana un slīpēšana, tips 3B634);
- virsmas slīpmašīna (modelis 3E711B);
- skrūvju griešanas virpa (modelis 16P16).
- griešanas diski (GOST 21963);
- elektrokorunda abrazīvie diski (keramikas saite, graudu izmērs 50, cietība St2, GOST 2424);
- slīppapīrs (papīra pamatne, 2. veids, zīmols BSh-140 (P6), BSh-240 (P8), BSh200 (P7), elektrokorunds - normāls, graudu izmērs 50-12, GOST 6456);
- tehniskais etilspirts (rektificēts, GOST 18300);
- argona-metāna maisījums.
GOST atzīst, ka precīzas analīzes nodrošināšanai var izmantot citus materiālus un aparātus.
Sagatavošana un paraugu ņemšana saskaņā ar GOST
Metālu rentgena fluorescences analīze pirms analīzes ietver īpašu parauga sagatavošanu turpmākiem pētījumiem.
Sagatavošana tiek veikta atbilstošā secībā:
- Apstarojamā virsma ir uzasināta. Ja nepieciešams, noslaukiet ar spirtu.
- Paraugs ir cieši piespiests uztvērēja atverei. Ja parauga virsmas nepietiek, tad tiek izmantoti speciāli ierobežotāji.
- Spektrometrs ir sagatavots darbam saskaņā ar lietošanas instrukciju.
- Rentgenstaru spektrometrs ir kalibrēts, izmantojot standarta paraugu, kas atbilst GOST 8.315. Kalibrēšanai var izmantot arī homogēnus paraugus.
- Sākotnējais izlaidums tiek veikts vismaz piecas reizes. Šajā gadījumā tas tiek darīts spektrometra darbības laikā dažādās dienās.
- Veicot atkārtotu kalibrēšanu, ir iespējams izmantot divas kalibrēšanas sērijas.
Rezultātu analīze un apstrāde
Rentgenstaru fluorescences analīzes metode saskaņā ar GOST ietver divu paralēlu mērījumu sēriju veikšanu, lai iegūtu katra kontrolējamā elementa analītisko signālu.
Atļauts izmantot analītiskā rezultāta vērtības izteiksmi un paralēlo mērījumu nesakritību. Mērvienībās svari izsaka datus, kas iegūti, izmantojot kalibrēšanas raksturlielumus.
Ja pieļaujamā neatbilstība pārsniedz paralēlos mērījumus, tad analīze ir jāatkārto.
Iespējams arī viens mērījums. Šajā gadījumā paralēli tiek veikti divi mērījumi vienam paraugam no analizētās partijas.
Gala rezultāts ir divu paralēli veiktu mērījumu vidējais aritmētiskais vai tikai viena mērījuma rezultāts.
Rezultātu atkarība no parauga kvalitātes
Rentgenstaru fluorescences analīzei ierobežojums attiecas tikai uz vielu, kurā elements ir atklāts. Dažādām vielām elementu kvantitatīvās noteikšanas robežas ir atšķirīgas.
Elementa atomskaitlim var būt liela nozīme. Ja citas lietas ir vienādas, vieglos elementus ir grūtāk noteikt, bet smagos elementus ir vieglāk. Turklāt to pašu elementu ir vieglāk identificēt vieglā matricā nekā smagā matricā.
Attiecīgi metode ir atkarīga no parauga kvalitātes tikai tiktāl, ciktāl elementu var ietvert tā sastāvā.
