Die Röntgenspektralanalyse nimmt unter allen Methoden der Materialuntersuchung einen wichtigen Platz ein. Aufgrund der Möglichkeit der schnellen Kontrolle ohne Zerstörung des Prüflings findet er in verschiedenen Bereichen der Technik breite Anwendung. Die Zeit für die Bestimmung eines chemischen Elements kann nur wenige Sekunden betragen, es gibt praktisch keine Einschränkungen hinsichtlich der Art der zu untersuchenden Substanzen. Die Analyse erfolgt sowohl qualitativ als auch quantitativ.
Die Essenz der Röntgenspektralanalyse
Röntgenspektralanalyse ist eine der physikalischen Methoden zur Untersuchung und Kontrolle von Materialien. Es basiert auf einer Idee, die allen Methoden der Spektroskopie gemeinsam ist.
Die Essenz der Röntgenspektralanalyse liegt in der Fähigkeit einer Substanz, charakteristische Röntgenstrahlung auszusenden, wenn Atome von schnellen Elektronen oder Quanten beschossen werden. Gleichzeitig muss ihre Energie größer sein als die Energie, die nötig ist, um ein Elektron aus der Hülle eines Atoms herauszuziehen. Ein solcher Aufprall führt nicht nur zum Auftreten eines charakteristischen Strahlungsspektrums,bestehend aus wenigen Spektrallinien, aber auch kontinuierlich. Die Abschätzung der Energiezusammensetzung detektierter Partikel erlaubt Rückschlüsse auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Untersuchungsobjekts.
Je nach Wirkungsweise auf den Stoff werden entweder gleichartige oder andere Partikel erfasst. Es gibt auch Röntgenabsorptionsspektroskopie, aber sie dient meistens als Hilfswerkzeug zum Verständnis der Schlüsselfragen der traditionellen Röntgenspektroskopie.
Stoffarten
Methoden der Röntgenspektralanalyse erlauben uns, die chemische Zusammensetzung einer Substanz zu untersuchen. Dieses Verfahren kann auch als schnelles zerstörungsfreies Prüfverfahren eingesetzt werden. Die folgenden Arten von Substanzen können in die Studie aufgenommen werden:
- Metalle und Legierungen;
- rockt;
- Glas und Keramik;
- Flüssigkeit;
- Schleifmittel;
- Gase;
- amorphe Substanzen;
- Polymere und andere organische Verbindungen;
- Proteine und Nukleinsäuren.
Mit der Röntgenspektralanalyse lassen sich auch folgende Materialeigenschaften bestimmen:
- Phasenzusammensetzung;
- Orientierung und Größe von Einkristallen, kolloidalen Partikeln;
- Legierungszustandsdiagramme;
- atomarer Aufbau und Versetzung des Kristallgitters;
- innere Spannungen;
- Wärmeausdehnungskoeffizient und andere Eigenschaften.
Basierend auf dieser Methode inDie Produktion verwendet Röntgenfehlererkennung, mit der Sie verschiedene Arten von Inhomogenitäten in Materialien erkennen können:
- Muscheln;
- fremde Einschlüsse;
- poren;
- Risse;
- Fehlerhafte Schweißnähte und andere Defekte.
Analysearten
Je nach Art der Röntgenstrahlenerzeugung werden folgende Arten der Röntgenspektralanalyse unterschieden:
- Röntgenfluoreszenz. Atome werden durch primäre Röntgenstrahlung (hochenergetische Photonen) angeregt. Das dauert etwa eine Mikrosekunde, danach gehen sie in eine ruhige Grundstellung. Die überschüssige Energie wird dann in Form eines Photons abgegeben. Jede Substanz sendet diese Teilchen mit einer bestimmten Energie aus, wodurch sie genau identifiziert werden kann.
- röntgen radiometrisch. Materieatome werden durch Gammastrahlung eines radioaktiven Isotops angeregt.
- Elektronensonde. Die Aktivierung erfolgt durch einen fokussierten Elektronenstrahl mit einer Energie von mehreren zehn keV.
- Assay mit Ionenanregung (Protonen oder schwere Ionen).
Die gebräuchlichste Methode der Röntgenspektralanalyse ist die Fluoreszenz. Die Röntgenanregung, wenn eine Probe mit Elektronen beschossen wird, wird als direkt bezeichnet, und wenn sie mit Röntgenstrahlen bestrahlt wird, wird sie als sekundär (fluoreszierend) bezeichnet.
Grundlagen der Röntgenfluoreszenzanalyse
Röntgenfluoreszenzmethode weit verbreitetin Industrie und wissenschaftlicher Forschung eingesetzt. Das Hauptelement des Spektrometers ist die Primärstrahlungsquelle, die am häufigsten als Röntgenröhre verwendet wird. Unter dem Einfluss dieser Strahlung beginnt die Probe zu fluoreszieren und emittiert Röntgenstrahlen im Linienspektrum. Eines der wichtigsten Merkmale der Methode ist, dass jedes chemische Element seine eigenen spektralen Eigenschaften hat, unabhängig davon, ob es in freiem oder gebundenem Zustand (als Teil einer Verbindung) vorliegt. Durch die Veränderung der Helligkeit der Linien kann die Konzentration quantifiziert werden.
Eine Röntgenröhre ist ein Ballon, in dem ein Vakuum erzeugt wird. An einem Ende der Röhre befindet sich eine Kathode in Form eines Wolframdrahtes. Es wird durch elektrischen Strom auf Temperaturen erhitzt, die für die Emission von Elektronen sorgen. Am anderen Ende befindet sich eine Anode in Form eines massiven Metalltargets. Zwischen Kathode und Anode entsteht eine Potentialdifferenz, wodurch die Elektronen beschleunigt werden.
Geladene Teilchen, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, treffen auf die Anode und regen Bremsstrahlung an. In der Wand der Röhre befindet sich ein transparentes Fenster (meistens besteht es aus Beryllium), durch das die Röntgenstrahlen austreten. Die Anode in Röntgenspektralanalysegeräten besteht aus verschiedenen Metallarten: Wolfram, Molybdän, Kupfer, Chrom, Palladium, Gold, Rhenium.
Zerlegung von Strahlung in ein Spektrum und seine Registrierung
Es gibt 2 Arten der Röntgenstreuung im Spektrum - Welle und Energie. Der erste Typ ist der häufigste. Röntgenspektrometer, die nach dem Prinzip der Wellendispersion arbeiten, haben Analysatorkristalle, die Wellen in einem bestimmten Winkel streuen.
Einkristalle werden verwendet, um Röntgenstrahlen in ein Spektrum zu zerlegen:
- Lithiumfluorid;
- quarz;
- Kohlenstoff;
- saures Kalium- oder Thalliumphthalat;
- silizium.
Sie spielen die Rolle von Beugungsgittern. Für die Massen-Multi-Element-Analyse verwenden Instrumente einen Satz solcher Kristalle, die fast vollständig die gesamte Bandbreite chemischer Elemente abdecken.
Röntgenkameras werden verwendet, um ein Röntgenbild oder ein auf einem fotografischen Film fixiertes Beugungsmuster zu erh alten. Da diese Methode arbeitsaufwändig und weniger genau ist, wird sie derzeit nur zur Fehlersuche in der Röntgenanalyse von Metallen und anderen Materialien verwendet.
Proportional- und Szintillationszähler werden als Detektoren für emittierte Teilchen verwendet. Letzterer Typ hat eine hohe Empfindlichkeit im Bereich harter Strahlung. Photonen, die auf die Photokathode des Detektors fallen, werden in einen elektrischen Spannungsimpuls umgewandelt. Das Signal geht zuerst zum Verstärker und dann zum Eingang des Computers.
Geltungsbereich
Röntgenfluoreszenzanalyse wird für folgende Zwecke verwendet:
- Bestimmung schädlicher Verunreinigungen in Öl uErdölprodukte (Benzin, Schmiermittel und andere); Schwermetalle und andere gefährliche Verbindungen in Boden, Luft, Wasser, Lebensmitteln;
- Analyse von Katalysatoren in der chemischen Industrie;
- genaue Bestimmung der Periode des Kristallgitters;
- zerstörungsfreie Erkennung der Dicke von Schutzschichten;
- Bestimmung der Rohstoffquellen, aus denen der Artikel hergestellt wird;
- Berechnung von Mikrovolumina von Materie;
- Bestimmung der Haupt- und Störstoffe von Gesteinen in der Geologie und Hüttenkunde;
- Untersuchung von Gegenständen von kulturellem und historischem Wert (Ikonen, Gemälde, Fresken, Schmuck, Geschirr, Ornamente und andere Gegenstände aus verschiedenen Materialien), ihre Datierung;
- Bestimmung der Zusammensetzung für die forensische Analyse.
Probenvorbereitung
Für die Studie ist zunächst eine Probenvorbereitung erforderlich. Sie müssen die folgenden Bedingungen für die Röntgenanalyse erfüllen:
- Einheitlichkeit. Am einfachsten lässt sich diese Bedingung für flüssige Proben erfüllen. Wenn die Lösung unmittelbar vor der Studie geschichtet wird, wird sie gemischt. Bei chemischen Elementen im kurzwelligen Strahlungsbereich wird die Homogenität durch Mahlen zu Pulver und im langwelligen Bereich durch Schmelzen mit Flussmittel erreicht.
- Resistent gegen äußere Einflüsse.
- Passend zur Größe des Probenladers.
- Optimale Rauheit fester Proben.
Da flüssige Proben eine Reihe von Nachteilen haben (Verdunstung, Volumenänderung beim Erhitzen, NiederschlagNiederschlag unter Einwirkung von Röntgenstrahlung), ist es bevorzugt, Trockensubstanz für die Röntgenspektralanalyse zu verwenden. Pulverproben werden in eine Küvette gegossen und gepresst. Die Küvette wird über den Adapter in die H alterung eingesetzt.
Für die quantitative Analyse wird empfohlen, Pulverproben zu Tabletten zu pressen. Dazu wird die Substanz zu einem feinen Pulver gemahlen und dann auf der Presse zu Tabletten verarbeitet. Um bröckelige Substanzen zu fixieren, werden sie auf ein Substrat aus Borsäure gelegt. Flüssigkeiten werden mit einer Pipette in die Küvetten gegossen und dabei auf Blasenfreiheit geprüft.
Die Vorbereitung der Proben, die Auswahl einer Analysetechnik und des optimalen Modus, die Auswahl der Standards und die Erstellung von Analysediagrammen darauf wird von einem Laborassistenten für Röntgenspektralanalyse durchgeführt, der die Grundlagen der Physik und Chemie kennen muss, das Design von Spektrometern und die Forschungsmethodik.
Qualitative Analyse
Die Bestimmung der qualitativen Zusammensetzung von Proben wird durchgeführt, um bestimmte chemische Elemente darin zu identifizieren. Eine Quantifizierung wird nicht durchgeführt. Die Forschung wird in der folgenden Reihenfolge durchgeführt:
- Proben vorbereiten;
- Spektrometer vorbereiten (Aufwärmen, Goniometer installieren, Wellenlängenbereich, Scanschritt und Belichtungszeit im Programm einstellen);
- schnelles Scannen der Probe, Aufzeichnung der erh altenen Spektren im Speicher des Computers;
- Entschlüsselung der resultierenden spektralen Zerlegung.
Intensität der Strahlung in jedem MomentDas Scannen wird auf dem Computermonitor in Form eines Diagramms angezeigt, auf dessen horizontaler Achse die Wellenlänge aufgetragen ist, und auf der vertikalen Achse die Intensität der Strahlung. Die Software moderner Spektrometer ermöglicht es, die gewonnenen Daten automatisch zu entschlüsseln. Das Ergebnis einer qualitativen Röntgenanalyse ist eine Liste von Chemikalienlinien, die in der Probe gefunden wurden.
Fehler
Falsch identifizierte chemische Elemente können oft vorkommen. Dies hat folgende Gründe:
- zufällige Abweichungen gestreuter Bremsstrahlung;
- Streulinien vom Anodenmaterial, Hintergrundstrahlung;
- Gerätefehler.
Die größte Ungenauigkeit zeigt sich bei der Untersuchung von Proben, die von leichten Elementen organischen Ursprungs dominiert werden. Bei der Röntgenspektralanalyse von Metallen ist der Streustrahlungsanteil geringer.
Quantitative Analyse
Vor der quantitativen Analyse ist eine spezielle Einstellung des Spektrometers erforderlich - seine Kalibrierung mit Standardproben. Das Spektrum der Testprobe wird mit dem Spektrum verglichen, das durch Bestrahlung von Kalibrierproben erh alten wurde.
Die Genauigkeit der Bestimmung chemischer Elemente hängt von vielen Faktoren ab, wie zum Beispiel:
- Erregungseffekt zwischen Elementen;
- Hintergrundstreuspektrum;
- Geräteauflösung;
- Linearität der Zählkennlinie des Spektrometers;
- Röntgenröhrenspektrum und andere.
Diese Methode ist komplizierter und erfordert eine analytische Untersuchung unter Berücksichtigung von im Voraus experimentell oder theoretisch bestimmten Konstanten.
Würde
Zu den Vorteilen der Röntgenmethode gehören:
- Möglichkeit der zerstörungsfreien Prüfung;
- hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit (Bestimmung von Verunreinigungen bis zu 10-3%);
- große Auswahl an analysierten chemischen Elementen;
- einfache Probenvorbereitung;
- Vielseitigkeit;
- Möglichkeit der automatischen Interpretation und hohe Leistungsfähigkeit der Methode.
Fehler
Unter den Nachteilen der Röntgenspektralanalyse sind die folgenden:
- erhöhte Sicherheitsanforderungen;
- Einzelabschluss erforderlich;
- schwierige Interpretation der chemischen Zusammensetzung, wenn die charakteristischen Linien einiger Elemente nahe beieinander liegen;
- Notwendigkeit, Anoden aus seltenen Materialien herzustellen, um die charakteristische Hintergrundstrahlung zu reduzieren, die die Zuverlässigkeit der Ergebnisse beeinträchtigt.
