XRF (ניתוח קרינת רנטגן) היא שיטת ניתוח פיזיקלית הקובעת ישירות כמעט את כל היסודות הכימיים באבקה, חומרים נוזליים ומוצקים.
היתרונות של השיטה
שיטה זו היא אוניברסלית מכיוון שהיא מבוססת על הכנה מהירה וקלה של דוגמאות. השיטה הייתה בשימוש נרחב בתעשייה, בתחום המחקר המדעי. לשיטת הניתוח הקרינה של קרני רנטגן יש פוטנציאל אדיר, שימושי בניתוח מורכב מאוד של אובייקטים סביבתיים שונים, כמו גם בבקרת איכות של מוצרים מיוצרים ובניתוח של מוצרים מוגמרים וחומרי גלם.
היסטוריה
ניתוח הקרינה של קרני רנטגן תואר לראשונה בשנת 1928 על ידי שני מדענים - גלוקר ושרייבר. המכשיר עצמו נוצר רק ב-1948 על ידי המדענים פרידמן וברקס. כגלאי, הם לקחו מונה גייגר, שהראה רגישות גבוהה ביחס למספר האטומי של גרעין היסוד.
הליום או מדיום הוואקום בשיטת המחקר החלו בשימוש ב-1960. הם שימשו לקביעת אלמנטים קלים. התחילו גם להשתמש בגבישי פלואורידלִיתִיוּם. הם שימשו לעקיפה. נעשה שימוש בצינורות רודיום וכרום כדי לעורר את פס הגל.
Si(Li) - גלאי סחיפה של סיליקון ליתיום הומצא ב-1970. זה סיפק רגישות נתונים גבוהה ולא הצריך שימוש במגבש. עם זאת, רזולוציית האנרגיה של מכשיר זה הייתה גרועה יותר.
חלק אנליטי אוטומטי ובקרת תהליכים מועברים למכונה עם הופעת המחשבים. השליטה בוצעה מהפאנל במכשיר או ממקלדת המחשב. מנתחים הפכו כל כך פופולריים שהם נכללו במשימות אפולו 15 ואפולו 16.
כרגע, תחנות חלל וספינות המשוגרות לחלל מצוידות במכשירים אלה. זה מאפשר לך לזהות ולנתח את ההרכב הכימי של הסלעים של כוכבי לכת אחרים.
מהות השיטה
מהות ניתוח הקרינה של קרני רנטגן היא ביצוע ניתוח פיזיקלי. אפשר לנתח בצורה זו גם מוצקים (זכוכית, מתכת, קרמיקה, פחם, סלע, פלסטיק) וגם נוזלים (שמן, בנזין, תמיסות, צבעים, יין ודם). השיטה מאפשרת לקבוע ריכוזים קטנים מאוד, ברמת ppm (חלק למיליון). דגימות גדולות, עד 100%, ניתנות גם למחקר.
ניתוח זה מהיר, בטוח ואינו הרסני לסביבה. יש לו יכולת שחזור גבוהה של תוצאות ודיוק נתונים. השיטה מאפשרת זיהוי חצי כמותי, איכותי וכמותי של כל האלמנטים הנמצאים במדגם.
מהות שיטת הניתוח הקרינה של קרני רנטגןפשוט ומובן. אם משאירים את הטרמינולוגיה בצד ומנסים להסביר את השיטה בצורה פשוטה יותר, אז מסתבר. שהניתוח מתבצע על בסיס השוואה של הקרינה הנובעת מהקרנה של אטום.
יש קבוצה של נתונים סטנדרטיים שכבר ידועים. על ידי השוואת התוצאות לנתונים אלה, מדענים מסיקים מהו הרכב המדגם.
הפשטות והנגישות של מכשירים מודרניים מאפשרים להשתמש בהם במחקר תת-ימי, בחלל, במחקרים שונים בתחום התרבות והאמנות.
עקרון העבודה
שיטה זו מבוססת על ניתוח הספקטרום, המתקבל על ידי חשיפת החומר שייבדק בקרני רנטגן.
במהלך ההקרנה, האטום מקבל מצב נרגש, המלווה במעבר של אלקטרונים לרמות קוונטיות מסדר גבוה יותר. האטום נשאר במצב זה לזמן קצר מאוד, כ-1 מיקרושנייה, ולאחר מכן הוא חוזר למצב היסוד שלו (מצב שקט). בזמן זה, האלקטרונים הממוקמים על הקליפות החיצוניות או ממלאים את המקומות הפנויים, ומשחררים את האנרגיה העודפת בצורה של פוטונים, או מעבירים אנרגיה לאלקטרונים אחרים הממוקמים על הקליפות החיצוניות (הם נקראים אלקטרונים אוגר). בשלב זה, כל אטום פולט פוטואלקטרון, שלאנרגיה שלו יש ערך קפדני. לדוגמה, ברזל, כאשר הוא נחשף לקרני רנטגן, פולט פוטונים השווים ל-Kα, או 6.4 keV. בהתאם לכך, לפי מספר הקוונטות והאנרגיה, ניתן לשפוט את מבנה החומר.
מקור קרינה
שיטת הקרינה של קרני רנטגן לניתוח מתכות משתמשת בשני איזוטופים של יסודות שונים וגם בצינורות רנטגן כמקור לריפוי. לכל מדינה דרישות שונות ליצוא ויבוא של איזוטופים פולטים, בהתאמה, בתעשייה לייצור ציוד כזה מעדיפים להשתמש בצינור רנטגן.
צינורות כאלה מגיעים עם נחושת, כסף, רודיום, מוליבדן או אנודות אחרות. במצבים מסוימים, האנודה נבחרת בהתאם למשימה.
הזרם והמתח שונים עבור אלמנטים שונים. מספיק לחקור אלמנטים קלים עם מתח של 10 קילו-וולט, כבד - 40-50 קילו-וולט, בינוני - 20-30 קילו-וולט.
במהלך המחקר של אלמנטים קלים, לאטמוספירה שמסביב יש השפעה עצומה על הספקטרום. כדי להפחית את האפקט הזה, הדגימה בתא מיוחד מונחת בוואקום או שהחלל מלא בהליום. הספקטרום הנרגש מתועד על ידי מכשיר מיוחד - גלאי. דיוק ההפרדה של פוטונים של יסודות שונים זה מזה תלוי במידת הרזולוציה הספקטרלית של הגלאי. כעת המדויקת ביותר היא הרזולוציה ברמה של 123 eV. ניתוח קרינה רנטגן מתבצע על ידי מכשיר עם טווח כזה עם דיוק של עד 100%.
לאחר המרת הפוטואלקטרון לפולס מתח, הנספר באמצעות אלקטרוניקת ספירה מיוחדת, הוא מועבר למחשב. מפסגות הספקטרום, שהעניקו ניתוח קרינה רנטגן, קל לקבוע באופן איכותי איזהישנם אלמנטים במדגם הנחקר. על מנת לקבוע במדויק את התוכן הכמותי, יש צורך ללמוד את הספקטרום המתקבל בתוכנית כיול מיוחדת. התוכנית נוצרה מראש. לשם כך משתמשים באבות טיפוס שהרכבם ידוע מראש בדיוק רב.
לנסח זאת בפשטות, הספקטרום המתקבל של החומר הנחקר מושווה בפשטות לזה המוכר. כך מתקבל מידע על הרכב החומר.
Opportunities
שיטת ניתוח הקרינה של קרני רנטגן מאפשרת לך לנתח:
- דגימות שגודלן או המסה שלהן זניחות (100-0.5 מ"ג);
- הפחתה משמעותית במגבלות (נמוכה ב-1-2 סדרי גודל מ-XRF);
- ניתוח תוך התחשבות בשינויים באנרגיה הקוונטית.
עובי המדגם לבדיקה לא יעלה על 1 מ מ.
במקרה של גודל מדגם כזה, ניתן לדכא תהליכים משניים במדגם, ביניהם:
- פיזור קומפטון מרובה, שמרחיב משמעותית את השיא במטריצות קלות;
- bremsstrahlung של פוטואלקטרונים (תורם לרמת הרקע);
- עירור בין-אלמנטים כמו גם ספיגת פלואורסצנציה הדורשת תיקון בין-אלמנטים במהלך עיבוד הספקטרום.
חסרונות השיטה
אחד החסרונות המשמעותיים הוא המורכבות הנלווית להכנת דוגמאות דקות וכן דרישות מחמירות למבנה החומר. לצורך מחקר, המדגם חייב להיות מפוזר דק מאוד ואחיד ביותר.
חסרון נוסף הוא שהשיטה קשורה מאוד לסטנדרטים (דוגמאות ייחוס). תכונה זו טבועה בכל השיטות הלא הרסניות.
יישום השיטה
ניתוח הקרינה של קרני רנטגן הפך לנפוץ באזורים רבים. הוא משמש לא רק במדע או בתעשייה, אלא גם בתחום התרבות והאמנות.
בשימוש ב:
- הגנה על הסביבה ואקולוגיה לקביעת מתכות כבדות בקרקעות, וכן לגילוין במים, משקעים, אירוסולים שונים;
- מינרולוגיה וגיאולוגיה מבצעות ניתוח כמותי ואיכותי של מינרלים, קרקעות, סלעים;
- תעשייה כימית ומטלורגיה - בקרת איכות חומרי הגלם, המוצרים המוגמרים ותהליך הייצור;
- תעשיית הצבע - נתח צבע עופרת;
- תעשיית התכשיטים - למדוד את ריכוז המתכות היקרות;
- תעשיית הנפט - קבע את מידת הזיהום של נפט ודלק;
- תעשיית המזון - זיהוי מתכות רעילות במזונות ובמרכיבים;
- agriculture - נתח יסודות קורט בקרקעות שונות, כמו גם במוצרים חקלאיים;
- ארכאולוגיה - בצע ניתוח יסודות, כמו גם תיארוך של ממצאים;
- אומנות - הם לומדים פסלים, ציורים, בוחנים חפצים ומנתחים אותם.
התנחלות רפאים
ניתוח הקרינה של קרני רנטגן GOST 28033 - 89 מווסת מאז 1989. מסמךכל השאלות הנוגעות להליך רשומות. למרות שננקטו צעדים רבים במהלך השנים לשיפור השיטה, המסמך עדיין רלוונטי.
לפי GOST, הפרופורציות של החומרים הנלמדים נקבעות. הנתונים מוצגים בטבלה.
טבלה 1. יחס של שברי מסה
| אלמנט מוגדר | שבר מסה, % |
| Sulfur | מ-0.002 ל-0.20 |
| סיליקון | "0.05 " 5.0 |
| מוליבדן | "0.05 " 10.0 |
| Titanium | "0, 01 " 5, 0 |
| Cob alt | "0.05 " 20.0 |
| Chrome | "0.05 " 35.0 |
| ניוביום | "0, 01 " 2, 0 |
| מנגן | "0.05 " 20.0 |
| Venadium | "0, 01 " 5, 0 |
| טונגסטן | "0.05 " 20.0 |
| Phosphorus | "0.002 " 0.20 |
ציוד שימושי
ניתוח ספקטרלי פלואורסצנטי קרני רנטגן מתבצע באמצעותציוד, שיטות ואמצעים מיוחדים. בין הציוד והחומרים המשמשים ב-GOST מפורטים:
- ספקטרומטרים מרובי ערוצים וסריקה;
- מכונת שחיקה ושמר (טחינה וטחינה, סוג 3B634);
- משחזת שטח (דגם 3E711B);
- מחרטה לחיתוך בורג (דגם 16P16).
- גלגלי חיתוך (GOST 21963);
- גלגלים שוחקים אלקטרוקורונדום (קשר קרמי, גודל גרגר 50, קשיות St2, GOST 2424);
- נייר שיוף (בסיס נייר, סוג שני, מותג BSh-140 (P6), BSh-240 (P8), BSh200 (P7), electrocorundum - רגיל, גודל גרגר 50-12, GOST 6456);
- אלכוהול אתילי טכני (מתוקן, GOST 18300);
- תערובת ארגון-מתאן.
GOST מודה שעשויים להשתמש בחומרים ובמכשירים אחרים כדי לספק ניתוח מדויק.
הכנה ודגימה לפי GOST
ניתוח הקרינה רנטגן של מתכות לפני הניתוח כולל הכנה מיוחדת של דגימה למחקר נוסף.
ההכנה מתבצעת בסדר המתאים:
- המשטח שיש להקרין מחודד. במידת הצורך, נגב עם אלכוהול.
- הדגימה נלחצת בחוזקה כנגד פתח המקלט. אם משטח המדגם אינו מספיק, משתמשים במגבילים מיוחדים.
- הספקטרומטר מוכן לפעולה לפי הוראות השימוש.
- ספקטרומטר הרנטגן מכויל באמצעות דגימה סטנדרטית התואמת ל-GOST 8.315. ניתן להשתמש בדגימות הומוגניות גם לכיול.
- סיום לימודים ראשוני מתבצע לפחות חמש פעמים. במקרה זה, הדבר נעשה במהלך פעולת הספקטרומטר בימים שונים.
- בעת ביצוע כיולים חוזרים, אפשר להשתמש בשתי סדרות של כיולים.
ניתוח ועיבוד תוצאות
השיטה של ניתוח הקרינה של קרני רנטגן לפי GOST כוללת ביצוע של שתי סדרות של מדידות מקבילות כדי לקבל אות אנליטי של כל אלמנט בשליטה.
מותר להשתמש בביטוי הערך של התוצאה האנליטית ובאי-התאמה של מדידות מקבילות. ביחידות מדידה, המאזניים מבטאים את הנתונים המתקבלים באמצעות מאפייני הכיול.
אם הפער המותר עולה על מדידות מקבילות, יש לחזור על הניתוח.
אפשר גם מדידה אחת. במקרה זה, שתי מדידות מתבצעות במקביל ביחס לדגימה אחת מהמגרש המנותח.
התוצאה הסופית היא הממוצע האריתמטי של שתי מדידות שנלקחו במקביל, או תוצאה של מדידה אחת בלבד.
תלות התוצאות באיכות המדגם
לניתוח הקרינה של קרני רנטגן, המגבלה חלה רק על החומר שבו היסוד מזוהה. עבור חומרים שונים, הגבולות של זיהוי כמותי של יסודות שונים.
המספר האטומי שיש ליסוד יכול לשחק תפקיד גדול. שאר הדברים שווים, קשה יותר לקבוע אלמנטים קלים, ואלמנטים כבדים קלים יותר. כמו כן, קל יותר לזהות את אותו אלמנט במטריצה קלה מאשר במטריצה כבדה.
לפיכך, השיטה תלויה באיכות המדגם רק במידה שניתן להכיל את האלמנט בהרכבו.
