Rentgenstaru spektrālā analīze ieņem nozīmīgu vietu starp visām materiālu izpētes metodēm. Tas tiek plaši izmantots dažādās tehnoloģiju jomās, pateicoties iespējai veikt ekspreskontroli, neiznīcinot testa paraugu. Viena ķīmiskā elementa noteikšanas laiks var būt tikai dažas sekundes, pētāmo vielu veidam praktiski nav nekādu ierobežojumu. Analīze tiek veikta gan kvalitatīvā, gan kvantitatīvā izteiksmē.
Rentgenstaru spektrālās analīzes būtība
Rentgenstaru spektrālā analīze ir viena no fizikālajām materiālu izpētes un kontroles metodēm. Tā pamatā ir ideja, kas ir kopīga visām spektroskopijas metodēm.
Rentgenstaru spektrālās analīzes būtība ir vielas spēja izstarot raksturīgu rentgenstaru starojumu, kad atomus bombardē ātri elektroni vai kvanti. Tajā pašā laikā to enerģijai jābūt lielākai par enerģiju, kas nepieciešama, lai izvilktu elektronu no atoma čaulas. Šāda ietekme izraisa ne tikai raksturīga starojuma spektra parādīšanos,sastāv no neliela spektra līniju skaita, bet arī nepārtrauktas. Atklāto daļiņu enerģētiskā sastāva novērtējums ļauj izdarīt secinājumus par pētāmā objekta fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām.
Atkarībā no vielas iedarbības metodes tiek reģistrētas viena veida daļiņas vai citas daļiņas. Ir arī rentgenstaru absorbcijas spektroskopija, taču tā visbiežāk kalpo kā palīgrīks tradicionālās rentgena spektroskopijas galveno jautājumu izpratnei.
Vielu veidi
Rentgenstaru spektrālās analīzes metodes ļauj izpētīt vielas ķīmisko sastāvu. Šo metodi var izmantot arī kā izteiktu nesagraujošu testēšanas metodi. Pētījumā var iekļaut šādu veidu vielas:
- metāli un sakausējumi;
- klintis;
- stikls un keramika;
- šķidrums;
- abrazīvie līdzekļi;
- gāzes;
- amorfas vielas;
- polimēri un citi organiskie savienojumi;
- olb altumvielas un nukleīnskābes.
Rentgenstaru spektrālā analīze ļauj noteikt arī šādas materiālu īpašības:
- fāzes sastāvs;
- vienkristālu, koloidālo daļiņu orientācija un izmērs;
- sakausējuma stāvokļa diagrammas;
- atomiskā struktūra un kristāla režģa dislokācija;
- iekšējie spriegumi;
- termiskās izplešanās koeficients un citi raksturlielumi.
Pamatojoties uz šo metodiražošanā tiek izmantota rentgenstaru defektu noteikšana, kas ļauj atklāt dažāda veida neviendabības materiālos:
- čaulas;
- ārzemju ieslēgumi;
- poras;
- plaisas;
- Bojātas metināšanas šuves un citi defekti.
Analīzes veidi
Atkarībā no rentgenstaru ģenerēšanas metodes izšķir šādus rentgenstaru spektrālās analīzes veidus:
- Rentgena dienasgaismas spuldze. Atomus ierosina primārais rentgena starojums (augstas enerģijas fotoni). Tas ilgst apmēram mikrosekundi, pēc tam viņi pāriet mierīgā, pamata stāvoklī. Pēc tam liekā enerģija tiek izstarota fotona veidā. Katra viela izstaro šīs daļiņas ar noteiktu enerģijas līmeni, kas ļauj to precīzi identificēt.
- X-ray radiometric. Vielas atomus ierosina radioaktīvā izotopa gamma starojums.
- Elektronu zonde. Aktivizāciju veic fokusēts elektronu stars, kura enerģija ir vairāki desmiti keV.
- Pārbaude ar jonu ierosmi (protoni vai smagie joni).
Visizplatītākā rentgenstaru spektrālās analīzes metode ir fluorescence. Rentgenstaru ierosmi, kad paraugs tiek bombardēts ar elektroniem, sauc par tiešu, un, ja to apstaro ar rentgena stariem, to sauc par sekundāro (fluorescējošu).
Rentgena fluorescences analīzes pamati
Rentgena fluorescences metode plašiizmanto rūpniecībā un zinātniskajos pētījumos. Spektrometra galvenais elements ir primārā starojuma avots, ko visbiežāk izmanto kā rentgenstaru lampas. Šī starojuma ietekmē paraugs sāk fluorescēt, izstarojot līnijas spektra rentgena starus. Viena no svarīgākajām metodes iezīmēm ir tā, ka katram ķīmiskajam elementam ir savas spektrālās īpašības neatkarīgi no tā, vai tas ir brīvā vai saistītā stāvoklī (kā daļa no jebkura savienojuma). Mainot līniju spilgtumu, ir iespējams kvantitatīvi noteikt tā koncentrāciju.
Rentgena caurule ir balons, kura iekšpusē tiek izveidots vakuums. Vienā caurules galā ir katods volframa stieples formā. Tas tiek uzkarsēts ar elektrisko strāvu līdz temperatūrai, kas nodrošina elektronu emisiju. Otrā galā ir anods masīva metāla mērķa formā. Starp katodu un anodu veidojas potenciālu starpība, kuras dēļ elektroni tiek paātrināti.
Uzlādētas daļiņas, kas pārvietojas lielā ātrumā, atsitās pret anodu un ierosina bremžu pārrāvumu. Caurules sieniņā ir caurspīdīgs logs (visbiežāk tas ir izgatavots no berilija), caur kuru iziet rentgena stari. Rentgenstaru spektrālās analīzes ierīču anods ir izgatavots no vairāku veidu metāliem: volframa, molibdēna, vara, hroma, pallādija, zelta, rēnija.
Starojuma sadalīšanās spektrā un tā reģistrācija
Spektrā ir 2 rentgenstaru izkliedes veidi – vilnis un enerģija. Pirmais veids ir visizplatītākais. Rentgenstaru spektrometriem, kas darbojas pēc viļņu dispersijas principa, ir analizatora kristāli, kas izkliedē viļņus noteiktā leņķī.
Atsevišķi kristāli tiek izmantoti, lai rentgenstarus sadalītu spektrā:
- litija fluorīds;
- kvarcs;
- ogleklis;
- skābes kālija vai tallija ftalāts;
- silīcijs.
Tiem ir difrakcijas režģu loma. Masu daudzelementu analīzei instrumenti izmanto tādu kristālu komplektu, kas gandrīz pilnībā aptver visu ķīmisko elementu klāstu.
Rentgena kameras tiek izmantotas, lai iegūtu rentgenogrammu vai fotofilmā fiksētu difrakcijas rakstu. Tā kā šī metode ir darbietilpīga un mazāk precīza, to pašlaik izmanto tikai defektu noteikšanai metālu un citu materiālu rentgena analīzē.
Proporcionālie un scintilācijas skaitītāji tiek izmantoti kā emitēto daļiņu detektori. Pēdējam tipam ir augsta jutība cietā starojuma reģionā. Fotoni, kas nokrīt uz detektora fotokatoda, tiek pārvērsti elektriskā sprieguma impulsā. Signāls vispirms tiek nosūtīts uz pastiprinātāju un pēc tam uz datora ieeju.
Lietošanas joma
Rentgena fluorescences analīzi izmanto šādiem mērķiem:
- kaitīgo piemaisījumu noteikšana eļļā unnaftas produkti (benzīns, smērvielas un citi); smagie metāli un citi bīstami savienojumi augsnē, gaisā, ūdenī, pārtikā;
- ķīmijas rūpniecības katalizatoru analīze;
- precīza kristāla režģa perioda noteikšana;
- aizsargpārklājumu biezuma noteikšana ar nesagraujošu metodi;
- izejvielu avotu noteikšana, no kuriem prece izgatavota;
- vielas mikrotilpu aprēķins;
- iežu galveno un piemaisījumu komponentu noteikšana ģeoloģijā un metalurģijā;
- kultūrvēsturisku priekšmetu (ikonas, gleznas, freskas, rotaslietas, trauki, ornamenti un citi no dažādiem materiāliem izgatavoti priekšmeti) izpēte, to datēšana;
- sastāva noteikšana tiesu medicīnas analīzei.
Parauga sagatavošana
Pētījumam sākotnēji ir nepieciešama parauga sagatavošana. Tiem jāatbilst šādiem rentgena analīzes nosacījumiem:
- Vienveidība. Šo nosacījumu visvienkāršāk var izpildīt šķidriem paraugiem. Stratificējot šķīdumu tieši pirms pētījuma, to sajauc. Ķīmiskiem elementiem starojuma īsviļņu garuma zonā viendabīgumu panāk, sasmalcinot pulverī, bet garo viļņu garuma zonā – saplūšanu ar plūsmu.
- Izturīgs pret ārējām ietekmēm.
- Pielāgot ar parauga iekrāvēja izmēru.
- Optimāls cieto paraugu raupjums.
Tā kā šķidrajiem paraugiem ir vairāki trūkumi (iztvaikošana, to tilpuma izmaiņas karsējot, nokrišņinogulsnes rentgena starojuma ietekmē), rentgenstaru spektrālajai analīzei vēlams izmantot sausnu. Pulvera paraugus ielej kivetē un nospiež. Kivete ir uzstādīta turētājā, izmantojot adapteri.
Kvantitatīvās analīzes veikšanai pulvera paraugus ieteicams presēt tabletēs. Lai to izdarītu, viela tiek sam alta līdz smalka pulvera stāvoklim, un pēc tam presē tiek izgatavotas tabletes. Lai nostiprinātu irdenas vielas, tās novieto uz borskābes substrāta. Šķidrumus ielej kivetēs, izmantojot pipeti, vienlaikus pārbaudot, vai tajā nav burbuļu.
Paraugu sagatavošanu, analīzes tehnikas un optimālā režīma izvēli, standartu izvēli un analītisko grafiku uz tiem veidošanu veic rentgena spektrālās analīzes laborants, kuram jāpārzina fizikas, ķīmijas pamati, spektrometru dizains un pētījuma metodoloģija.
Kvalitatīva analīze
Paraugu kvalitatīvā sastāva noteikšana tiek veikta, lai identificētu tajos noteiktus ķīmiskos elementus. Kvantitatīvā noteikšana netiek veikta. Pētījumi tiek veikti šādā secībā:
- paraugu sagatavošana;
- spektrometra sagatavošana (uzsildīšana, goniometra uzstādīšana, viļņu garuma diapazona iestatīšana, skenēšanas solis un ekspozīcijas laiks programmā);
- ātra parauga skenēšana, iegūto spektru ierakstīšana datora atmiņā;
- atšifrējot iegūto spektrālo sadalījumu.
Starojuma intensitāte katrā brīdīskenēšana tiek parādīta datora monitorā grafika veidā, pa horizontālo asi ir attēlots viļņa garums, bet pa vertikālo asi - starojuma intensitāte. Mūsdienu spektrometru programmatūra ļauj automātiski atšifrēt iegūtos datus. Kvalitatīvas rentgena analīzes rezultāts ir paraugā atrasto ķīmisko vielu līniju saraksts.
Kļūdas
Bieži var rasties nepatiesi identificēti ķīmiskie elementi. Tas notiek šādu iemeslu dēļ:
- izkliedētas bremsstrahlung nejaušas novirzes;
- izkliedētas līnijas no anoda materiāla, fona starojums;
- instrumentu kļūdas.
Lielākā neprecizitāte atklājas paraugu izpētē, kuros dominē organiskas izcelsmes gaismas elementi. Veicot metālu rentgena spektrālo analīzi, izkliedētā starojuma īpatsvars ir mazāks.
Kvantitatīvā analīze
Pirms kvantitatīvās analīzes ir nepieciešams īpašs spektrometra iestatījums - tā kalibrēšana, izmantojot standarta paraugus. Testa parauga spektru salīdzina ar spektru, kas iegūts, apstarojot kalibrēšanas paraugus.
Ķīmisko elementu noteikšanas precizitāte ir atkarīga no daudziem faktoriem, piemēram:
- starpelementu ierosmes efekts;
- fona izkliedes spektrs;
- ierīces izšķirtspēja;
- spektrometra skaitīšanas raksturlīknes linearitāte;
- Rentgena lampu spektrs un citi.
Šī metode ir sarežģītāka un prasa analītisku izpēti, ņemot vērā iepriekš eksperimentāli vai teorētiski noteiktas konstantes.
Cieņa
Rentgenstaru metodes priekšrocības ietver:
- nesagraujošās pārbaudes iespēja;
- augsta jutība un precizitāte (piemaisījumu noteikšana līdz 10-3%);
- plašs analizēto ķīmisko elementu klāsts;
- viegla parauga sagatavošana;
- daudzpusība;
- automātiskas interpretācijas iespēja un augsta metodes veiktspēja.
Trūkumi
Starp rentgenstaru spektrālās analīzes trūkumiem ir šādi:
- paaugstinātas drošības prasības;
- nepieciešams individuāls izlaidums;
- sarežģīta ķīmiskā sastāva interpretācija, ja dažu elementu raksturīgās līnijas ir tuvas;
- nepieciešamība ražot anodus no retiem materiāliem, lai samazinātu fona raksturīgo starojumu, kas ietekmē rezultātu ticamību.
