Матириалз Лаб, ООО
Компания ООО «Матириалз Лаб» решает научно-технические задачи. Устанавливает и обслуживает
аналитическое, промышленное и исследовательское оборудование. Предлагает готовые
комплексные решения технологических задач для предприятий в различных областях промышленности.
Предоставляем услуги по расчету фазового и химического состава.
ukr | rus | eng
тел: +380(44)596­-06­-25, +380 (67)504-96-94, e-mail: info@materials-lab.com.ua
Лабораторное оборудование


Партнеры
Элватех

CSM Instruments SA

Linseis

Pfeiffer Vacuum GmbH

BIP - Industrietechnik GmbH

OPTIKA MICROSCOPES

Presi

Alexanderwerk AG

FCT-ACTech

PROTO Manufacturing

Lighthouse Worldwide Solutions

 Formulaction

Across International

KRUSS GmbH

CILAS

NanoAmor

LaborTech

СОЛ Инструментс

CAD Instruments

Innovative Sintering Technologies Ltd.

Casella CEL Inc.

МАГНИС ЛТД, НТЦ ООО

WiggenHauser

Endecotts

Seron Technologies Inc.

TTS Unlimited, Inc.

AMETEK Scientific Instruments

Aalborg Instruments & Controls, Inc.

HSR AG

DEWINTER OPTICAL INC


 

Рентгеноспектральный анализ

Методы ренгеноспектрального анализа

Рентгеноспектральные методы определения химического состава веществ и материалов занимают ведущее положение среди других методов современной аналитической химии. Постоянное совершенствование методов рентгеноспектрального анализа (РСА) и аппаратуры позволяет расширять области его применения.

Существуют три основных метода рентгеноспектрального анализа: эмиссионный, в котором исследуемое вещество подвергается воздействию ускоренных заряженных частиц (электронов или ионов) и возбуждается рентгеновское излучение; абсорбционный, в котором рентгеновское излучение с известным энергетическим спектром пропускают через образец и определяют длины волн, где наблюдаются характерные «скачки» поглощения для химических элементов; флуоресцентный, когда исследуемое вещество испускает вторичное (флуоресцентное) излучение при облучении его первичным рентгеновским излучением, как правило, от рентгеновской трубки. В силу простоты условий измерений последний метод нашел широкое применение для количественного анализа примесей и легирующих элементов в различных матрицах.

Физические основы метода

В рентгенофлуоресцентном методе анализа (РФА) качественный и количественный анализы ведутся по наиболее сильным линиям вторичного рентгеновского спектра (спектра рентгеновской флуоресценции). Методом РФА могут излучать как твердые, так и жидкие образцы. Диапазон определяемых элементов – от бора до урана. Диапазон определяемых содержаний – от 0,0001 до 100 ат.%.

Диапазон длин волн рентгеновского излучения по порядку величины соответствует межатомным расстояниям в кристаллических решетках. Возникновение рентгеновских спектров происходит следующим образом. При бомбардировке вещества пучком ускоренных заряженных частиц или фотонов высокой энергии с одной из внутренних электронных оболочек атома вырывается электрон и удаляется из атома. Образовавшаяся вакансия заполняется электроном, переходящим с одной из внешних оболочек. Разница в той энергии, которую электрон имел на внешней оболочке, и в той, которую он имеет, перейдя на внутреннюю оболочку, может быть освобождена из атома путем испускания рентгеновского фотона. Если электроны вырываются с K-оболочки, то при заполнении вакансий возникает K-серия излучения, если электроны вырываются с L-оболочки, то возникает L-серия рентгеновского спектра, и т. д. Появление K-серии обязательно сопровождается появлением остальных серий, так как частицы или фотоны, энергия которых достаточна для ионизации K-оболочки, ионизируют и внешние оболочки атома.

Анализ химического состава вещества проводится по характеристическим рентгеновским спектрам, структура которых обусловлена энергетическим состоянием электронов в атоме. Рентгеновские спектры состоят из серий, обозначаемых буквами K, L, М, N, О. Каждая серия состоит из линий, обозначаемых в порядке возрастания частоты излучения α, β, γ и т. д., которые, в свою очередь, имеют цифровые индексы (Kα1, Kα2, Kβ1, Kβ2, Kβ3, Lα1, Lα2, Lβ1 и т.д.).

Рис. 1. Диаграмма радиационных переходов орбитальных электронов

Английский физик Мозли в 1913 г. установил связь между длиной волны линий рентгеновского спектра и атомным номером возбуждаемого элемента, которую можно определить следующим образом.

где λ - длина волны, Z - атомный номер,  σ - постоянная экранирования.

Закон Мозли позволяет установить однозначную связь между измеренными длинами волн (энергиями) линий и атомными номерами элементов, и по-этому он лежит в основе качественного рентгеноспектрального анализа рис.2. Относительная интенсивность линий в серии определяется вероятностью соответствующих переходов электронов между энергетическими уровнями. Относительную интенсивность линий характеризуют статистическим весом.

Рис.2 Зависимость длины волны (энергии) основных  линий рентгеновского спектра от порядкового номера Z.

Для количественного анализа используют наиболее «яркие» линии спектра. В качестве аналитических чаще всего используются Kαi-линии для элементов с атомными номерами Z < 50, Для элементов с более высокими номерами используются Lαi- и Lβi-линии, так как для возбуждения K-серии тяжелых элементов требуется высокий ускоряющий потенциал (до 100 кВ и более), обеспечить который технически трудно.

Переходы электронов между оболочками, сопровождающиеся излучением рентгеновского фотона, называются радиационными. Существует и другой механизм освобождения атома от избыточной энергии, полученной при ионизации, который заключается в том, что с одной из внешних оболочек испускается электрон, уносящий избыток энергии, – оже-электрон. Таким образом, радиационные и безрадиационные переходы – это процессы конкурирующие.

Вероятность радиационного перехода на K-уровень носит на-звание выхода флуоресценции K-уровня и равна  где ntrr – число ионизации, сопровождающихся радиационным переходом; nk – общее число ионизации K-уровня.

Вероятность безрадиационного перехода характеризуется величиной оже-выхода pak, причем pk + pak = 1.

Для более высоких L- и М-уровней определение выхода флуоресценции осложняется безрадиационными переходами между подуровнями (переходами Костера–Кронига), которые приводят к перераспределению первично возникших вакансий на подуровнях.

Пучок рентгеновских лучей, проходя тонкий слой вещества dx, ослабляется на величину dI/I, которая пропорциональна толщине этого слоя: dI/I = – μldx, где μl – коэффициент пропорциональности – линейный коэффициент ослабления интенсивности излучения. В интегральной форме эта зависимость носит название закона Бугера–Ламберта–Бэра:  I = I0 exp( μlx), где I0 – первоначальное число фотонов; I – число фотонов после прохождения слоя толщиной х; коэффициент μl характеризует ослабление рентгеновских лучей на единице длины. Для расчетов чаще используется величина массового коэффициента ослабления μ = μl/ρ, который характеризует уменьшение числа фотонов единицей массы вещества. 

Ослабление пучка фотонов обусловлено двумя процессами: рассеянием и поглощением, при котором фотон захватывается внутренней оболочкой атома. Таким образом,  μ= τ + σ, где σ – коэффициент рассеяния; τ – коэффициент поглощения, состоящий из суммы частичных коэффициентов поглощения для каждого уровня. Зависимость коэффициентов поглощения от длины волны – это кусочно-непрерывная функция, имеющая разрывы первого рода.

Первичное излучение моноэнергетическое. Вторичные рентгеновские спектры (спектры рентгеновской флуоресценции) обычно возбуждаются при облучении вещества пучком рентгеновского или гамма-излучения. Для случая облучения моноэнергетическим рентгеновским излучением с интенсивностью I0λ под углом φ с длиной электромагнитной волны λ интенсивность первичного излучения на глубине x в слое dx будет равна: Iλ (x) = I exp(-μλρх / sin φ), где μλ – массовый коэффициент поглощения первичного излучения материалом образца.

 Конструкция рентгеновских спектрометров

Спектрометры рентгеновского излучения подразделяются на приборы с дисперсией по длинам волн и с дисперсией по энергии. Дисперсионный метод измерений по длинам волн основан на использовании кристаллов с различными межплоскостными расстояниями. Кристаллическими монохроматорами служат фторид лития, кварц, стеарат свинца и др. В одной из конструкций в процессе анализа возможна смена кристаллов без нарушения вакуума. В качестве диспергирующего элемента применяются также дифракционные вогнутые решетки с числом плотности до 1200 штрихов на миллиметр. Дифракционные углы, ограниченные геометрическими размерами элементов спектрометра, в зоне генерации излучения лежат в пределах 20–120°.

Для выполнения условия фокусировки мишень, кристаллы-монохроматоры и детекторы излучения должны располагаться на одной окружности (круге Роуланда). Зондо-формирующая линза в установках с использованием метода РМА отличается значительной асимметрией, что позволяет эффективнее регистрировать излучение. Однако вследствие темновых токов уровень шумов в них высок. Это вызывает необходимость их охлаждения в криостатах с жидким азотом. Схема измерений также усложняется, так как к детектору требуется предусилитель, многоканальный амплитудный анализатор, системы обработки импульсов и учета фона в регистрирующей системе.

Во втором – энергодисперсионном методе регистрации рентгеновского излучения используют твердотельные детекторы. Они регистрируют количество квантов излучения и их энергию. Поэтому если обеспечить счет только квантов с определенной энергией, характеризующей анализируемый элемент, то можно получать количественную информацию, например, о распределении элемента по сканируемой поверхности. 

Поскольку чувствительность кремниевых детекторов на 2–3 по-рядка выше газоразрядных и сцинтилляционных, то энергодисперсинный метод позволяет быстро выполнять анализы всех элементов от натрия (Z = 11) до урана (Z = = 92), так как не требуется юстировки на круге Роуланда кристаллов-монохроматоров.



 

 © 2012 ООО "Матириалз Лаб"
04073, г. Киев, Украина ул. Куреневская 18 skype: materials.lab тел: +380(44)596-06-25,
+380 (67)504-96-94, факс: +380(44)596-06-26, e-mail: info@materials-lab.com.ua
Разработка сайта и хостинг:
Интерактивные системы