Rentgenová spektrální analýza zaujímá důležité místo mezi všemi metodami studia materiálů. Je široce používán v různých oblastech techniky díky možnosti expresní kontroly bez zničení zkušebního vzorku. Čas pro stanovení jednoho chemického prvku může být jen několik sekund, prakticky neexistují žádná omezení na typ zkoumaných látek. Analýza se provádí z kvalitativního i kvantitativního hlediska.
Podstata rentgenové spektrální analýzy
Rentgenová spektrální analýza je jednou z fyzikálních metod pro studium a kontrolu materiálů. Je založen na myšlence společné všem metodám spektroskopie.
Podstata rentgenové spektrální analýzy spočívá ve schopnosti látky emitovat charakteristické rentgenové záření, když jsou atomy bombardovány rychlými elektrony nebo kvanty. Jejich energie přitom musí být větší než energie, která je nutná k vytažení elektronu z obalu atomu. Takový dopad vede nejen ke vzniku charakteristického spektra záření,skládající se z malého počtu spektrálních čar, ale také spojitých. Odhad energetického složení detekovaných částic umožňuje vyvodit závěry o fyzikálních a chemických vlastnostech studovaného objektu.
V závislosti na způsobu působení na látku se zaznamenávají buď částice stejného typu, nebo jiné. Existuje také rentgenová absorpční spektroskopie, ale nejčastěji slouží jako pomocný nástroj pro pochopení klíčových problémů tradiční rentgenové spektroskopie.
Typy látek
Metody rentgenové spektrální analýzy nám umožňují studovat chemické složení látky. Tuto metodu lze použít i jako expresní nedestruktivní zkušební metodu. Do studie mohou být zahrnuty následující typy látek:
- kovy a slitiny;
- rocks;
- sklo a keramika;
- fluid;
- abraziva;
- plyny;
- amorfní látky;
- polymery a jiné organické sloučeniny;
- proteiny a nukleové kyseliny.
Rentgenová spektrální analýza také umožňuje určit následující vlastnosti materiálů:
- fázové složení;
- orientace a velikost monokrystalů, koloidní částice;
- diagramy stavu slitin;
- atomová struktura a dislokace krystalové mřížky;
- vnitřní napětí;
- koeficient tepelné roztažnosti a další charakteristiky.
Na základě této metody vvýroba využívá rentgenovou detekci vad, která umožňuje detekovat různé typy nehomogenit v materiálech:
- shells;
- zahraniční inkluze;
- pores;
- cracks;
- Vadné svary a jiné vady.
Typy analýzy
V závislosti na metodě generování rentgenového záření se rozlišují následující typy rentgenové spektrální analýzy:
- Rentgenové fluorescenční. Atomy jsou excitovány primárním rentgenovým zářením (vysokoenergetické fotony). To trvá asi mikrosekundu, po které se přesunou do klidné, základní polohy. Přebytečná energie je pak emitována ve formě fotonu. Každá látka emituje tyto částice s určitou úrovní energie, což umožňuje její přesnou identifikaci.
- Rentgenové radiometrické. Atomy hmoty jsou excitovány gama zářením z radioaktivního izotopu.
- Elektronová sonda. Aktivace se provádí fokusovaným elektronovým paprskem o energii několika desítek keV.
- Testy s iontovou excitací (protony nebo těžké ionty).
Nejběžnější metodou rentgenové spektrální analýzy je fluorescence. Rentgenové buzení, když je vzorek bombardován elektrony, se nazývá přímé, a když je ozářeno rentgenovým zářením, nazývá se sekundární (fluorescenční).
Základy rentgenové fluorescenční analýzy
Rentgenová fluorescenční metoda širocepoužívané v průmyslu a vědeckém výzkumu. Hlavním prvkem spektrometru je zdroj primárního záření, který se nejčastěji používá jako rentgenky. Pod vlivem tohoto záření začne vzorek fluoreskovat a emitovat rentgenové záření čárového spektra. Jednou z nejdůležitějších vlastností metody je, že každý chemický prvek má své vlastní spektrální charakteristiky, bez ohledu na to, zda je ve volném nebo vázaném stavu (jako součást jakékoli sloučeniny). Změna jasu čar umožňuje kvantifikovat jeho koncentraci.
Rentgenka je balón, uvnitř kterého se vytváří vakuum. Na jednom konci trubice je katoda ve formě wolframového drátu. Zahřívá se elektrickým proudem na teploty, které zajišťují emisi elektronů. Na druhém konci je anoda v podobě masivního kovového terče. Mezi katodou a anodou vzniká potenciální rozdíl, díky kterému jsou elektrony urychlovány.
Nabité částice pohybující se vysokou rychlostí narážejí na anodu a vyvolávají brzdné záření. Ve stěně tubusu je průhledné okénko (nejčastěji je vyrobeno z berylia), kterým rentgenové záření vystupuje. Anoda v zařízeních pro rentgenovou spektrální analýzu je vyrobena z několika druhů kovů: wolfram, molybden, měď, chrom, palladium, zlato, rhenium.
Rozklad záření na spektrum a jeho registrace
Ve spektru existují 2 typy disperze rentgenového záření – vlnová a energetická. První typ je nejběžnější. Rentgenové spektrometry fungující na principu vlnové disperze mají krystaly analyzátoru, které rozptylují vlny pod určitým úhlem.
Jednotlivé krystaly se používají k rozkladu rentgenového záření na spektrum:
- fluorid lithný;
- quartz;
- carbon;
- kyselý ftalát draselný nebo thallia;
- silicon.
Hrají roli difrakčních mřížek. Pro hromadnou víceprvkovou analýzu používají přístroje sadu takových krystalů, které téměř úplně pokrývají celou škálu chemických prvků.
Rentgenové kamery se používají k získání rentgenového snímku nebo difrakčního vzoru fixovaného na fotografický film. Protože je tato metoda pracná a méně přesná, v současnosti se používá pouze pro detekci vad při rentgenové analýze kovů a jiných materiálů.
Proporcionální a scintilační čítače se používají jako detektory emitovaných částic. Druhý typ má vysokou citlivost v oblasti tvrdého záření. Fotony dopadající na fotokatodu detektoru jsou přeměněny na elektrický napěťový impuls. Signál jde nejprve do zesilovače a poté do vstupu počítače.
Rozsah aplikace
Rentgenová fluorescenční analýza se používá pro následující účely:
- stanovení škodlivých nečistot v oleji aropné produkty (benzín, maziva a další); těžké kovy a další nebezpečné sloučeniny v půdě, vzduchu, vodě, potravinách;
- analýza katalyzátorů v chemickém průmyslu;
- přesné určení periody krystalové mřížky;
- zjišťování tloušťky ochranných povlaků nedestruktivní metodou;
- určení zdrojů surovin, ze kterých je předmět vyroben;
- výpočet mikroobjemů hmoty;
- určení hlavních a nečistotových složek hornin v geologii a metalurgii;
- studium předmětů kulturní a historické hodnoty (ikony, obrazy, fresky, šperky, nádobí, ozdoby a další předměty z různých materiálů), jejich datování;
- určení složení pro forenzní analýzu.
Příprava vzorku
Pro studii je předběžně vyžadována příprava vzorku. Pro rentgenovou analýzu musí splňovat následující podmínky:
- Uniformita. Tuto podmínku lze nejjednodušeji splnit u kapalných vzorků. Při stratifikaci roztoku bezprostředně před studií se promíchá. U chemických prvků v krátkovlnné oblasti záření je homogenity dosaženo rozemletím na prášek a v dlouhovlnné oblasti fúzí s tavidlem.
- Odolné vůči vnějším vlivům.
- Přizpůsobit velikosti nakladače vzorků.
- Optimální drsnost pevných vzorků.
Protože kapalné vzorky mají řadu nevýhod (vypařování, změna jejich objemu při zahřívání, sráženísraženina působením rentgenového záření), je výhodné použít pro rentgenovou spektrální analýzu sušinu. Vzorky prášku se nasypou do kyvety a slisují. Kyveta se instaluje do držáku pomocí adaptéru.
Pro kvantitativní analýzu se doporučuje práškové vzorky slisovat do tablet. K tomu se látka rozemele na jemný prášek a poté se na lisu vyrobí tablety. Pro fixaci drobivých látek se pokládají na substrát z kyseliny borité. Kapaliny se nalévají do kyvet pomocí pipety, přičemž se kontroluje nepřítomnost bublin.
Přípravu vzorků, výběr techniky analýzy a optimálního režimu, výběr standardů a sestavení analytických grafů na nich provádí laborant rentgenové spektrální analýzy, který musí znát základy fyziky, chemie, návrh spektrometrů a metodologie výzkumu.
Kvalitativní analýza
Stanovení kvalitativního složení vzorků se provádí za účelem identifikace určitých chemických prvků v nich. Kvantifikace se neprovádí. Výzkum se provádí v následujícím pořadí:
- příprava vzorků;
- příprava spektrometru (jeho zahřátí, instalace goniometru, nastavení rozsahu vlnových délek, krok skenování a doba expozice v programu);
- rychlé skenování vzorku, záznam získaných spekter do paměti počítače;
- dešifrování výsledného spektrálního rozkladu.
Intenzita záření v každém okamžikuskenování se zobrazuje na monitoru počítače ve formě grafu, podél jehož vodorovné osy je vykreslena vlnová délka a podél svislé osy - intenzita záření. Software moderních spektrometrů umožňuje automaticky dekódovat získaná data. Výsledkem kvalitativní rentgenové analýzy je seznam řad chemikálií, které byly nalezeny ve vzorku.
Chyby
Často se mohou vyskytovat falešně identifikované chemické prvky. Je to z následujících důvodů:
- náhodné odchylky rozptýleného brzdného záření;
- bludné čáry z materiálu anody, záření pozadí;
- chyby nástroje.
Největší nepřesnost je odhalena při studiu vzorků, ve kterých dominují lehké prvky organického původu. Při provádění rentgenové spektrální analýzy kovů je podíl rozptýleného záření menší.
Kvantitativní analýza
Před provedením kvantitativní analýzy je nutné speciální nastavení spektrometru - jeho kalibrace pomocí standardních vzorků. Spektrum testovaného vzorku je porovnáno se spektrem získaným ozářením kalibračních vzorků.
Přesnost určení chemických prvků závisí na mnoha faktorech, jako jsou:
- interelement excitační efekt;
- rozptylové spektrum na pozadí;
- rozlišení zařízení;
- linearita počítací charakteristiky spektrometru;
- Spektrum rentgenové trubice a další.
Tato metoda je složitější a vyžaduje analytickou studii, která bere v úvahu konstanty předem určené experimentálně nebo teoreticky.
Dignity
Výhody rentgenové metody zahrnují:
- možnost nedestruktivního testování;
- vysoká citlivost a přesnost (určení nečistot až 10-3%);
- široká škála analyzovaných chemických prvků;
- snadná příprava vzorku;
- všestrannost;
- možnost automatické interpretace a vysoký výkon metody.
Vady
Mezi nevýhody rentgenové spektrální analýzy patří:
- zvýšené bezpečnostní požadavky;
- potřeba individuálního promoce;
- obtížná interpretace chemického složení, když jsou charakteristické linie některých prvků blízko;
- nutnost vyrábět anody ze vzácných materiálů, aby se snížilo charakteristické záření pozadí, které ovlivňuje spolehlivost výsledků.
