XRF (analiza fluorescencji rentgenowskiej) to metoda analizy fizycznej, która bezpośrednio określa prawie wszystkie pierwiastki chemiczne w materiałach proszkowych, ciekłych i stałych.
Korzyści z metody
Ta metoda jest uniwersalna, ponieważ opiera się na szybkim i łatwym przygotowaniu próbki. Metoda znalazła szerokie zastosowanie w przemyśle, w dziedzinie badań naukowych. Metoda analizy fluorescencji rentgenowskiej ma ogromny potencjał, przydatny w bardzo złożonej analizie różnych obiektów środowiskowych, a także w kontroli jakości wytwarzanych wyrobów oraz w analizie wyrobów gotowych i surowców.
Historia
Analiza fluorescencji rentgenowskiej została po raz pierwszy opisana w 1928 roku przez dwóch naukowców - Glockera i Schreibera. Samo urządzenie zostało stworzone dopiero w 1948 roku przez naukowców Friedmana i Burksa. Jako detektor przyjęli licznik Geigera, który wykazywał wysoką czułość w odniesieniu do liczby atomowej jądra pierwiastka.
Hel lub medium próżniowe w metodzie badawczej zaczęto stosować w 1960 roku. Wykorzystano je do określenia lekkich pierwiastków. Zacząłem również używać kryształów fluorkowychlit. Wykorzystano je do dyfrakcji. Do wzbudzenia pasma użyto rurek rodowych i chromowych.
Si(Li) - krzemowo-litowy detektor dryfu został wynaleziony w 1970 roku. Zapewniał wysoką czułość danych i nie wymagał użycia krystalizatora. Jednak rozdzielczość energetyczna tego instrumentu była gorsza.
Zautomatyzowana część analityczna i kontrola procesu przeniesione do maszyny wraz z pojawieniem się komputerów. Sterowanie odbywało się z panelu na instrumencie lub na klawiaturze komputera. Analizatory stały się tak popularne, że znalazły się w misjach Apollo 15 i Apollo 16.
W tej chwili stacje kosmiczne i statki wystrzeliwane w kosmos są wyposażone w te urządzenia. Pozwala to na identyfikację i analizę składu chemicznego skał innych planet.
Esencja metody
Istotą analizy fluorescencji rentgenowskiej jest przeprowadzenie analizy fizycznej. W ten sposób można analizować zarówno ciała stałe (szkło, metal, ceramika, węgiel, skała, plastik) jak i ciecze (ropa, benzyna, roztwory, farby, wino i krew). Metoda pozwala na oznaczenie bardzo małych stężeń, na poziomie ppm (jedna część na milion). Duże próbki, do 100%, również nadają się do badań.
Ta analiza jest szybka, bezpieczna i nieniszcząca środowiska. Charakteryzuje się wysoką powtarzalnością wyników i dokładnością danych. Metoda umożliwia półilościową, jakościową i ilościową detekcję wszystkich elementów znajdujących się w próbce.
Istota metody analizy fluorescencji rentgenowskiejproste i zrozumiałe. Jeśli odłożysz terminologię na bok i spróbujesz wyjaśnić metodę w prostszy sposób, to się okaże. Analizę przeprowadza się na podstawie porównania promieniowania wynikającego z napromieniowania atomu.
Istnieje zestaw standardowych danych, które są już znane. Porównując wyniki z tymi danymi, naukowcy wnioskują, jaki jest skład próbki.
Prostota i dostępność nowoczesnych urządzeń pozwala na ich wykorzystanie w badaniach podwodnych, kosmosie, różnych badaniach w dziedzinie kultury i sztuki.
Zasada działania
Ta metoda opiera się na analizie widma, które uzyskuje się poprzez naświetlenie badanego materiału promieniami rentgenowskimi.
Podczas napromieniania atom przechodzi w stan wzbudzony, któremu towarzyszy przejście elektronów na poziomy kwantowe wyższego rzędu. Atom pozostaje w tym stanie przez bardzo krótki czas, około 1 mikrosekundy, po czym wraca do stanu podstawowego (pozycja cicha). W tym czasie elektrony znajdujące się na zewnętrznych powłokach albo wypełniają wolne miejsca i uwalniają nadmiar energii w postaci fotonów, albo przekazują energię innym elektronom znajdującym się na zewnętrznych powłokach (nazywane są elektronami Augera). W tym czasie każdy atom emituje fotoelektron, którego energia ma ściśle określoną wartość. Na przykład żelazo wystawione na promieniowanie rentgenowskie emituje fotony równe Kα, czyli 6,4 keV. W związku z tym na podstawie liczby kwantów i energii można ocenić strukturę materii.
Źródło promieniowania
Metoda fluorescencji rentgenowskiej analizy metali wykorzystuje zarówno izotopy różnych pierwiastków, jak i lampy rentgenowskie jako źródło do leczenia. Każdy kraj ma inne wymagania dotyczące eksportu i importu izotopów emitujących odpowiednio, w przemyśle do produkcji takiego sprzętu wolą używać lampy rentgenowskiej.
Takie rury są dostarczane z anodami miedzianymi, srebrnymi, rodowymi, molibdenowymi lub innymi. W niektórych sytuacjach anoda jest wybierana w zależności od zadania.
Prąd i napięcie są różne dla różnych elementów. Wystarczy zbadać lekkie elementy o napięciu 10 kV, ciężkie - 40-50 kV, średnie - 20-30 kV.
Podczas badania elementów świetlnych otaczająca atmosfera ma ogromny wpływ na widmo. Aby zmniejszyć ten efekt, próbkę w specjalnej komorze umieszcza się w próżni lub przestrzeń wypełnia się helem. Wzbudzone widmo jest rejestrowane przez specjalne urządzenie - detektor. Dokładność separacji fotonów różnych pierwiastków od siebie zależy od wysokiej rozdzielczości widmowej detektora. Teraz najdokładniejsza jest rozdzielczość na poziomie 123 eV. Analiza fluorescencji rentgenowskiej jest wykonywana przez urządzenie o takim zakresie z dokładnością do 100%.
Po przekształceniu fotoelektronu w impuls napięciowy, który jest zliczany przez specjalną elektronikę zliczającą, jest on przesyłany do komputera. Na podstawie pików widma, które dały analizę fluorescencji rentgenowskiej, łatwo jest jakościowo określić, którew badanej próbce występują pierwiastki. W celu dokładnego określenia zawartości ilościowej konieczne jest zbadanie otrzymanego widma w specjalnym programie kalibracyjnym. Program jest wstępnie utworzony. W tym celu wykorzystywane są prototypy, których skład jest z góry znany z dużą dokładnością.
W uproszczeniu otrzymane widmo badanej substancji jest po prostu porównywane ze znanym. W ten sposób uzyskuje się informacje o składzie substancji.
Możliwości
Metoda analizy fluorescencji rentgenowskiej umożliwia analizę:
- próbki, których rozmiar lub masa są pomijalne (100-0,5 mg);
- znaczne zmniejszenie limitów (mniejsze o 1-2 rzędy wielkości niż XRF);
- analiza uwzględniająca zmiany energii kwantowej.
Grubość badanej próbki nie powinna przekraczać 1 mm.
W przypadku takiej wielkości próbki możliwe jest pominięcie w próbce procesów wtórnych, w tym:
- wielokrotne rozpraszanie Comptona, które znacznie poszerza pik w matrycach świetlnych;
- bremsstrahlung fotoelektronów (przyczynia się do płaskowyżu tła);
- wzbudzenie międzyelementowe oraz absorpcja fluorescencji, która wymaga korekcji międzyelementowej podczas przetwarzania widma.
Wady metody
Jedną z istotnych wad jest złożoność towarzysząca przygotowaniu cienkich próbek, a także surowe wymagania dotyczące struktury materiału. Do badań próbka musi być bardzo drobno rozproszona i wysoce jednorodna.
Kolejną wadą jest to, że metoda jest silnie związana ze standardami (próbki referencyjne). Ta funkcja jest nieodłączna we wszystkich metodach nieniszczących.
Zastosowanie metody
Analiza fluorescencji rentgenowskiej jest szeroko rozpowszechniona w wielu dziedzinach. Znajduje zastosowanie nie tylko w nauce czy przemyśle, ale także w dziedzinie kultury i sztuki.
Używane w:
- ochrona środowiska i ekologia do oznaczania metali ciężkich w glebach, a także do ich wykrywania w wodzie, opadach atmosferycznych, różnych aerozolach;
- mineralogia i geologia przeprowadzają analizy ilościowe i jakościowe minerałów, gleb, skał;
- przemysł chemiczny i metalurgia - kontrola jakości surowców, wyrobów gotowych i procesu produkcyjnego;
- przemysł farb - analiza ołowiu;
- przemysł jubilerski - pomiar stężenia metali szlachetnych;
- przemysł naftowy - określanie stopnia zanieczyszczenia oleju i paliwa;
- przemysł spożywczy - identyfikacja metali toksycznych w żywności i składnikach;
- rolnictwo - analiza pierwiastków śladowych w różnych glebach, a także w produktach rolnych;
- archeologia - przeprowadzanie analizy pierwiastkowej, a także datowania znalezisk;
- sztuka - studiują rzeźby, obrazy, badają przedmioty i analizują je.
Osiedle duchów
Analiza fluorescencji rentgenowskiej GOST 28033 - 89 reguluje od 1989 roku. Dokumentwszystkie pytania dotyczące procedury są rejestrowane. Chociaż na przestrzeni lat podjęto wiele kroków w celu ulepszenia metody, dokument jest nadal aktualny.
Według GOST ustalane są proporcje badanych materiałów. Dane są wyświetlane w tabeli.
Tabela 1. Stosunek ułamków masowych
| Zdefiniowany element | Ułamek masowy, % |
| Siarka | Od 0,002 do 0,20 |
| Krzem | "0,05" 5,0 |
| Molibden | "0,05" 10,0 |
| Tytan | "0, 01 " 5, 0 |
| Kob alt | "0,05" 20,0 |
| Chrom | "0,05" 35,0 |
| Niob | "0, 01 " 2, 0 |
| Mangan | "0,05" 20,0 |
| Wanad | "0, 01 " 5, 0 |
| Wolfram | "0,05" 20,0 |
| Fosfor | "0,002" 0,20 |
Sprzęt stosowany
Analiza spektralna fluorescencji rentgenowskiej jest przeprowadzana przy użyciuspecjalny sprzęt, metody i środki. Wśród sprzętu i materiałów wykorzystywanych w GOST wymieniono:
- spektrometry wielokanałowe i skanujące;
- szlifierka i szmergiel (szlifierka i szlifowanie, typ 3B634);
- szlifierka do powierzchni (model 3E711B);
- Tokarka do śrub (model 16P16).
- koła tnące (GOST 21963);
- elektrokorundowe tarcze ścierne (spoiwo ceramiczne, wielkość ziarna 50, twardość St2, GOST 2424);
- papier ścierny (podłoże papierowe, 2 rodzaj, marka BSh-140 (P6), BSh-240 (P8), BSh200 (P7), elektrokorund - normalny, uziarnienie 50-12, GOST 6456);
- techniczny alkohol etylowy (rektyfikowany, GOST 18300);
- mieszanka argon-metan.
GOST przyznaje, że inne materiały i aparatura mogą być użyte do zapewnienia dokładnej analizy.
Przygotowanie i pobieranie próbek zgodnie z GOST
Analiza rentgenowska metali przed analizą wymaga specjalnego przygotowania próbki do dalszych badań.
Przygotowanie odbywa się w odpowiedniej kolejności:
- Naświetlana powierzchnia jest wyostrzona. W razie potrzeby przetrzyj alkoholem.
- Próbka jest mocno dociskana do otworu odbiornika. Jeśli powierzchnia próbki jest niewystarczająca, stosuje się specjalne ograniczniki.
- Spektrometr jest przygotowany do pracy zgodnie z instrukcją użytkowania.
- Spektrometr rentgenowski jest kalibrowany przy użyciu standardowej próbki zgodnej z GOST 8.315. Próbki jednorodne mogą być również użyte do kalibracji.
- Ukończenie szkoły podstawowej odbywa się co najmniej pięć razy. W tym przypadku odbywa się to podczas pracy spektrometru w różne dni.
- Przeprowadzając wielokrotne kalibracje, możliwe jest użycie dwóch serii kalibracji.
Analiza i przetwarzanie wyników
Metoda analizy fluorescencji rentgenowskiej według GOST obejmuje wykonanie dwóch serii równoległych pomiarów w celu uzyskania sygnału analitycznego dla każdego kontrolowanego pierwiastka.
Dopuszcza się użycie wyrażenia wartości wyniku analitycznego i rozbieżności pomiarów równoległych. W jednostkach miary wagi wyrażają dane uzyskane za pomocą charakterystyk kalibracyjnych.
Jeżeli dopuszczalna rozbieżność przekracza pomiary równoległe, analiza musi zostać powtórzona.
Możliwy jest również jeden pomiar. W tym przypadku wykonuje się dwa pomiary równolegle w odniesieniu do jednej próbki z analizowanej partii.
Ostateczny wynik to średnia arytmetyczna z dwóch pomiarów wykonanych równolegle lub wynik pojedynczego pomiaru.
Zależność wyników od jakości próbki
W przypadku analizy fluorescencji rentgenowskiej limit dotyczy tylko substancji, w której wykryto pierwiastek. Dla różnych substancji granice ilościowego wykrywania pierwiastków są różne.
Liczba atomowa, jaką ma pierwiastek, może odgrywać dużą rolę. Gdy inne rzeczy są takie same, trudniej jest określić elementy lekkie, a elementy ciężkie są łatwiejsze. Również ten sam pierwiastek jest łatwiejszy do zidentyfikowania w lekkiej matrycy niż w ciężkiej.
W związku z tym metoda zależy od jakości próbki tylko w takim stopniu, w jakim pierwiastek może być zawarty w jej składzie.
