ניתוח ספקטרלי רנטגן תופס מקום חשוב בין כל שיטות לימוד החומרים. הוא נמצא בשימוש נרחב בתחומי טכנולוגיה שונים בשל האפשרות של בקרה מפורשת מבלי להרוס את מדגם הבדיקה. הזמן לקביעת יסוד כימי אחד יכול להיות שניות ספורות בלבד; אין כמעט הגבלות על סוג החומרים הנבדקים. הניתוח מתבצע הן במונחים איכותיים והן במונחים כמותיים.
מהות הניתוח הספקטרלי של קרני רנטגן
ניתוח ספקטרלי רנטגן הוא אחת השיטות הפיזיקליות ללימוד ובקרה של חומרים. הוא מבוסס על רעיון המשותף לכל שיטות הספקטרוסקופיה.
מהות הניתוח הספקטרלי של קרני רנטגן טמונה ביכולת של חומר לפלוט קרינת רנטגן אופיינית כאשר אטומים מופגזים על ידי אלקטרונים מהירים או קוונטים. יחד עם זאת, האנרגיה שלהם חייבת להיות גדולה מהאנרגיה הדרושה כדי להוציא אלקטרון ממעטפת האטום. פגיעה כזו מובילה לא רק להופעת ספקטרום קרינה אופייני,המורכב ממספר קטן של קווים ספקטרליים, אך גם רציפים. אומדן הרכב האנרגיה של חלקיקים שהתגלו מאפשר להסיק מסקנות לגבי התכונות הפיזיקליות והכימיות של האובייקט הנחקר.
בהתאם לשיטת הפעולה על החומר, נרשמים חלקיקים מאותו סוג או אחרים. יש גם ספקטרוסקופיה של קליטת קרני רנטגן, אך לרוב היא משמשת ככלי עזר להבנת סוגיות המפתח של ספקטרוסקופיה מסורתית של קרני רנטגן.
סוגי חומרים
שיטות של ניתוח ספקטרלי של קרני רנטגן מאפשרות לנו לחקור את ההרכב הכימי של חומר. שיטה זו יכולה לשמש גם כשיטת בדיקה מפורשת לא הרסנית. סוגי החומרים הבאים עשויים להיכלל במחקר:
- מתכות וסגסוגות;
- rocks;
- זכוכית וקרמיקה;
- fluid;
- abrasives;
- gases;
- חומרים אמורפיים;
- פולימרים ותרכובות אורגניות אחרות;
- חלבונים וחומצות גרעין.
ניתוח ספקטרלי רנטגן מאפשר לך גם לקבוע את התכונות הבאות של חומרים:
- הרכב שלב;
- כיוון וגודל של גבישים בודדים, חלקיקים קולואידים;
- דיאגרמות מצב סגסוגת;
- מבנה אטומי ותזוזה של סריג הגביש;
- מתחים פנימיים;
- מקדם התפשטות תרמית ומאפיינים אחרים.
מבוסס על שיטה זו בהייצור משתמש בזיהוי פגמים בקרני רנטגן, המאפשר לך לזהות סוגים שונים של אי-הומוגניות בחומרים:
- shells;
- הכללות חוץ;
- pores;
- cracks;
- ריתוכים פגומים ופגמים אחרים.
סוגי ניתוח
בהתאם לשיטת הפקת קרני רנטגן, ניתן להבחין בין הסוגים הבאים של ניתוח ספקטרלי קרני רנטגן:
- ניאון רנטגן. אטומים נרגשים מקרינת רנטגן ראשונית (פוטונים עתירי אנרגיה). זה נמשך כמיקרו שנייה, ולאחר מכן הם עוברים למצב רגוע ובסיסי. האנרגיה העודפת נפלטה אז בצורה של פוטון. כל חומר פולט את החלקיקים הללו ברמת אנרגיה מסוימת, מה שמאפשר לזהות אותו במדויק.
- רדיומטרי רנטגן. אטומים של חומר נרגשים על ידי קרינת גמא מאיזוטופ רדיואקטיבי.
- בדיקה אלקטרונית. ההפעלה מתבצעת על ידי אלומת אלקטרונים ממוקדת עם אנרגיה של כמה עשרות keV.
- בדיקה עם עירור יונים (פרוטונים או יונים כבדים).
השיטה הנפוצה ביותר לניתוח ספקטרלי רנטגן היא הקרינה. עירור בקרני רנטגן כאשר דגימה מופצצת באלקטרונים נקראת ישירה, וכאשר היא מוקרנת בקרני רנטגן היא נקראת שניונית (פלורסנט).
יסודות של ניתוח פלואורסצנטי בקרני רנטגן
שיטת הקרינה של קרני רנטגן באופן נרחבמשמש בתעשייה ובמחקר מדעי. המרכיב העיקרי של הספקטרומטר הוא מקור הקרינה הראשונית, המשמשת לרוב כצינורות רנטגן. בהשפעת קרינה זו, הדגימה מתחילה להאיר, פולטת קרני רנטגן של ספקטרום הקו. אחד המאפיינים החשובים ביותר של השיטה הוא שלכל יסוד כימי יש מאפיינים ספקטרליים משלו, ללא קשר אם הוא במצב חופשי או קשור (כחלק מכל תרכובת). שינוי בהירות הקווים מאפשר לכמת את ריכוזו.
שפופרת רנטגן היא בלון שבתוכו נוצר ואקום. בקצה אחד של הצינור יש קתודה בצורת חוט טונגסטן. הוא מחומם באמצעות זרם חשמלי לטמפרטורות המבטיחות פליטת אלקטרונים. בקצה השני יש אנודה בצורת מטרת מתכת מאסיבית. נוצר הבדל פוטנציאל בין הקתודה לאנודה, שבגללו מואצים האלקטרונים.
חלקיקים טעונים הנעים במהירות גבוהה פוגעים באנודה ומעוררים את התנועה. יש חלון שקוף בדופן הצינור (לרוב הוא עשוי בריליום) שדרכו יוצאות קרני הרנטגן. האנודה במכשירי ניתוח ספקטרלי רנטגן עשויה מכמה סוגי מתכת: טונגסטן, מוליבדן, נחושת, כרום, פלדיום, זהב, רניום.
פירוק קרינה לספקטרום ורישומו
ישנם 2 סוגים של פיזור קרני רנטגן בספקטרום - גל ואנרגיה. הסוג הראשון הוא הנפוץ ביותר. ספקטרומטרים של קרני רנטגן, הפועלים על עיקרון פיזור הגלים, כוללים גבישי מנתח שמפזרים גלים בזווית מסוימת.
גבישים בודדים משמשים לפירוק קרני רנטגן לספקטרום:
- ליתיום פלואוריד;
- quartz;
- carbon;
- אשלגן חומצי או תליום פתלט;
- סיליקון.
הם ממלאים את התפקיד של רשתות עקיפה. לניתוח רב-אלמנטים המונית, מכשירים משתמשים בסט של גבישים כאלה המכסים כמעט לחלוטין את כל מגוון היסודות הכימיים.
מצלמות רנטגן משמשות לקבלת צילום רנטגן, או דפוס עקיפה קבוע על סרט צילום. מכיוון ששיטה זו היא מייגעת ופחות מדויקת, היא משמשת כיום רק לזיהוי פגמים בניתוח רנטגן של מתכות וחומרים אחרים.
מונים פרופורציונליים וניצוץ משמשים כגלאים של חלקיקים שנפלטים. לסוג האחרון יש רגישות גבוהה באזור הקרינה הקשה. פוטונים הנופלים על הפוטוקתודה של הגלאי מומרים לפולס מתח חשמלי. האות עובר תחילה למגבר, ולאחר מכן לכניסה של המחשב.
היקף היישום
ניתוח הקרינה של קרני רנטגן משמש למטרות הבאות:
- קביעת זיהומים מזיקים בשמן ומוצרי נפט (בנזין, חומרי סיכה ואחרים); מתכות כבדות ותרכובות מסוכנות אחרות באדמה, אוויר, מים, מזון;
- ניתוח של זרזים בתעשייה הכימית;
- קביעה מדויקת של התקופה של סריג הגביש;
- זיהוי עובי של ציפוי מגן בשיטה לא הרסנית;
- קביעת מקורות חומרי הגלם מהם עשוי הפריט;
- חישוב של נפחי מיקרו של חומר;
- קביעת המרכיבים העיקריים והטומאה של סלעים בגיאולוגיה ומטלורגיה;
- מחקר של חפצים בעלי ערך תרבותי והיסטורי (אייקונים, ציורים, ציורי קיר, תכשיטים, כלים, קישוטים ופריטים אחרים העשויים מחומרים שונים), תיארוך שלהם;
- קביעת הרכב לניתוח משפטי.
הכנה לדוגמא
למחקר, נדרשת הכנה ראשונית לדוגמא. הם חייבים לעמוד בתנאים הבאים לניתוח רנטגן:
- אחידות. תנאי זה יכול להתקיים בצורה הפשוטה ביותר עבור דגימות נוזליות. כאשר מרבדים את הפתרון מיד לפני המחקר, הוא מעורבב. עבור יסודות כימיים באזור אורך הגל הקצר של הקרינה, הומוגניות מושגת על ידי טחינה לאבקה, ובאזור אורך הגל הארוך, על ידי היתוך עם שטף.
- עמיד בפני השפעות חיצוניות.
- התאמה לגודל מטעין לדוגמה.
- חספוס אופטימלי של דגימות מוצקות.
מכיוון שלדגימות נוזליות יש מספר חסרונות (אידוי, שינוי בנפח שלהן בחימום, משקעיםמשקעים תחת פעולת קרינת רנטגן), עדיף להשתמש בחומר יבש לניתוח ספקטרלי רנטגן. דגימות אבקה מוזגות לתוך קובטה ולוחצים. הקובטה מותקנת לתוך המחזיק דרך המתאם.
לניתוח כמותי, מומלץ לדחוס דגימות אבקה לטבליות. כדי לעשות זאת, החומר נטחן למצב של אבקה דקה, ולאחר מכן טבליות נעשות על העיתונות. כדי לתקן חומרים פריכים, הם מונחים על מצע של חומצה בורית. נוזלים מוזגים לתוך הקובטות באמצעות פיפטה, תוך בדיקת היעדר בועות.
הכנת דגימות, בחירת טכניקת ניתוח והאופן האופטימלי, בחירת תקנים ובניית גרפים אנליטיים עליהם מתבצעת על ידי עוזר מעבדת ניתוח ספקטרלי רנטגן שחייב לדעת את יסודות הפיזיקה, הכימיה, עיצוב ספקטרומטרים ומתודולוגיית המחקר.
ניתוח איכותי
קביעת ההרכב האיכותי של דגימות מתבצעת כדי לזהות יסודות כימיים מסוימים בהן. הכימות לא מתבצע. המחקר מתבצע בסדר הבא:
- הכנת דוגמאות;
- הכנת הספקטרומטר (חימום, התקנת הגוניומטר, הגדרת טווח אורכי הגל, שלב הסריקה וזמן החשיפה בתוכנית);
- סריקה מהירה של הדגימה, הקלטת הספקטרום שהתקבל בזיכרון המחשב;
- פענוח הפירוק הספקטרלי שנוצר.
עוצמת הקרינה בכל רגעהסריקה מוצגת על צג המחשב בצורה של גרף, שלאורך הציר האופקי שלו משרטט אורך הגל, ולאורך הציר האנכי - עוצמת הקרינה. התוכנה של ספקטרומטרים מודרניים מאפשרת לפענח אוטומטית את הנתונים שהתקבלו. התוצאה של ניתוח רנטגן איכותי היא רשימה של שורות של כימיקלים שנמצאו בדגימה.
שגיאות
יסודות כימיים שזוהו בטעות יכולים להתרחש לעתים קרובות. זה נובע מהסיבות הבאות:
- סטיות אקראיות של זרימה מפוזרת;
- קווים תועים מחומר האנודה, קרינת רקע;
- שגיאות כלי נגינה.
אי הדיוק הגדול ביותר מתגלה במחקר של דגימות, שנשלטות על ידי אלמנטים קלים ממקור אורגני. בעת ביצוע ניתוח ספקטרלי של מתכות, שיעור הקרינה המפוזרת קטן יותר.
ניתוח כמותי
לפני ביצוע ניתוח כמותי, נדרשת הגדרה מיוחדת של הספקטרומטר - כיול שלו באמצעות דגימות סטנדרטיות. הספקטרום של דגימת הבדיקה מושווה לספקטרום המתקבל מהקרנה של דגימות כיול.
הדיוק של קביעת יסודות כימיים תלוי בגורמים רבים, כגון:
- אפקט עירור בין-אלמנטים;
- ספקטרום פיזור רקע;
- רזולוציית מכשיר;
- לינאריות של מאפיין הספירה של הספקטרומטר;
- ספקטרום צינורות רנטגן ואחרים.
שיטה זו מסובכת יותר ודורשת מחקר אנליטי, תוך התחשבות בקבועים שנקבעו מראש בניסוי או תיאורטית.
Dignity
היתרונות של שיטת הרנטגן כוללים:
- אפשרות לבדיקות לא הרסניות;
- רגישות ודיוק גבוהים (קביעת טומאה עד 10-3%);
- מגוון רחב של יסודות כימיים מנותחים;
- הכנה פשוטה לדוגמא;
- רבגוניות;
- אפשרות לפרשנות אוטומטית וביצועים גבוהים של השיטה.
פגמים
בין החסרונות של ניתוח ספקטרלי קרני רנטגן הם הבאים:
- דרישות בטיחות מוגברות;
- צריך סיום לימודים אישי;
- פרשנות קשה של ההרכב הכימי כאשר הקווים האופייניים של אלמנטים מסוימים קרובים;
- הכרח לייצר אנודות מחומרים נדירים כדי להפחית את קרינת הרקע האופיינית שמשפיעה על מהימנות התוצאות.
