Основные узлы рентгеноспектральных приборов

Конструкции приборов, используемых в рентгеноспектральных методах анализа, включают следующие основные узлы: источник возбуждения; диспергирующий элемент; приемник излучения.

Первичное излучение получают с помощью рентгеновской трубки (рис. 30). Конструкции трубок весьма разнообразны. В вакуумированном сосуде подпостоянным напряжением в десятки киловольт находятся анод и раскаленный катод между которыми пропускается ток 50…100мА. Раскаленный током катод испускает электроны, которые направляются на анод. Бомбардирующий электронный пучок выбивает электроны из внутренней оболочки атомов вещества, пошедшего на изготовление анода. Возникающий рентгеновский спектр наряду со сплошным фоном тормозного излучения содержит характеристическое излучение элементов, входящих в состав анода. Через выходное окно рентгеновское излучение направляется на диспергирующий элемент или на анализируемую пробу в зависимости от выбранной схемы анализа.

Рис. 30. Рентгеновская лампа: 1 – анод(W, Mo, Cuидр.), 2 – катод, е^- – электронный пучок, hv – рентгеновское излучение, U = 20-30 кВ.

Существует две схемы анализа:

1.По первичным спектрам;

2.По вторичным спектрам (флуоресцентный анализ)

В методах анализа по первичным спектрам анализируемую пробу помещают непосредственно на анод и подвергают действию электронного пучка. В такого рода анализа используются разборные рентгеновские трубки, что является существенным недостатком. Кроме того, к недостаткам электронного возбуждения относятся интенсивный фон и необходимость работать под вакуумом.

Принцип рентгенофлуоресцентного метода анализа состоит в том, что для возбуждения характеристического излучения используется первичное рентгеновское излучение рентгеновской трубки. Рентгеновские спектры, которые при этом получают, называются вторичными или флуоресцентным. Они состоят только из характеристических лучей. Тормозной спектр отсутствует, так как нет внешних электронов его вызывающих.

При использовании метода рентгенофлуоресцентного анализа не требуется разрушение материала пробы, чтобы внести ее внутрь прибора; в качестве источника лучей применяются запаянные рентгеновские трубки; вторичные рентгеновские спектры содержат сравнительно мало линий и их легче анализировать. Все перечисленное относится к достоинству метода.

В качестве диспергирующего элемента в рентгеноспектральных приборах используют главным образом кристаллы, являющиеся своебразными дифракционными решетками. Их называют кристалл-анализаторами. Дифрак-ция рентгеновских лучей в кристалле происходит в соответствии с законом Вульфа – Брегга:

nλ = 2 d∙sinθ (34)

где n – целое число, показывающее порядок спектра (обычно ограничиваются рассмотрением спектров первого порядка); d – кратчайшее расстояние между соседними плоскостями кристалла; θ - угол падения параллельного пучка рентгеновского излучения на плоскость кристалла (его называют углом скольжения) (рис.31).

Рис. 31. Дифракция рентгеновских лучей на атомных слоях поверхности кристалла - анализатора

От плоскости кристалла под углом θ будет отражаться излучение с длиной волны λ, удовлетворяющего условию Вульфа – Брегга. Излучение, не удовлетворяющее этому условию рассеивается и частично поглощается кристаллами.

Таким образом, в зависимости от угла скольжения данный кристалл будет отражать лучи с разной длиной волны, удовлетворяющее соотношению 34. Угол скольжения изменяют поворотом плоскости кристалла – анализатора и таким образом выделяют любую содержащуюся в спектре линию, для которой также будет выполняться условие 34, но для другого угла θ.

Таким образом, изучение всего спектрального состава рентгенофлуорисцентного излучения позволяет определить качественный элементный состав пробы.

Выбор кристалла-анализатора определяется свойствами предполагаемого объекта исследования и целью работы. Часто используются кристаллы изкварца, кальцита, а также слюды, флюорита и некоторых других веществ. Соответствующие характеристики кристаллов хорошо изучены и сведены в специальные таблицы.

В качестве приемников рентгеновского излучения могут быть использованы фотоматериалы и счетчики рентгеновских квантов: ионизационные и сцинтилляционные.

Количественный анализ

Количественный рентгеновский спектральный анализ основан на измерении интенсивности характеристического рентгеновского излучения элементов. Вследствие сложности связи между интенсивностью аналитической линией элемента и его содержанием в пробе приходится прибегать к способу сравнения аналитического сигнала в исследуемой пробе и стандартных образцах, состав которых известен. Основные приемы нахождения концентрации определяемого элемента с помощью предварительного измерения интенсивностей линий стандартных образцов приведены ниже:

- метод градировочного графика;

- метод коэффициентов;

- метод добавок и др.

Метод градуировочного графика заключается в следующем. Приготовляют и измеряют серию стандартных образцов охватывающих весь диапазон ожидаемых концентраций определяемого элемента. Строят график зависимости аналитического сигнала от концентрации, называемой также аналитической градуировочной кривой. Каждая точка на графике является результатом усреднения нескольких независимых измерений. Сравнение неизвестной пробы со стандартным образцом почти идентичного состава является самым верным путем компенсации эффектов поглощения и возбуждения. В идеальном случае градуировочный график должен быть линейным и проходить через начало координат. Метод градуировочного графика требует значительных затрат времени, однако это единственный метод при анализе материалов, для которых зависимость аналитического сигнала от концентрации сильно нелинейная.

Ренгеноспектральные методы широко используются в металлургии и гидрометаллургии для определения состава минералов, руд, и продуктов ихпереработки - шлаков, концентратов и т.д., с их помощью устанавливают состав легированных сталей и сплавов. Весьма эффективно применение анализа для контроля за загрязнением окружающей среды. Например, в аэрозолях определяют до 40 элементов от натрия до свинца. Широкое применение нашел метод для определения толщины покрытий- тонкого слоя, нанесенного на основной материал. Ренгеноспектральный анализ используется для определения больших содержаний (десятки процентов) и небольших примесей (10^-2…10^-3%).

Контрольные вопросы

1.На чем основан эмиссионный спектральный анализ?

2.Что называется спектральной линией? Основные узлы схемыспектрального анализа.

3.Какие источники света используют для возбуждения атома? Требования предъявляемые к ним.

5.Признаки классификации спектральных приборов.

6.На чем основан качественный эмиссионный спектральный анализ?

7. На чем основан количественный спектральный анализ? Привести уравнение Ломакина – Шайбэ.

8. Перечислите методы количественногэмиссионного спектрального анализа.

9.На чем основан атомно – абсорбционный спектральный анализ?

10.Oсновные узлы приборов для атомно - абсорбционного анализа?

11. На чем основан рентгеновский спектральный анализ?