X-ışını spektral analizi, materyalleri incelemenin tüm yöntemleri arasında önemli bir yer tutar. Test örneğine zarar vermeden hızlı kontrol imkanı nedeniyle teknolojinin çeşitli alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir kimyasal elementi belirleme süresi sadece birkaç saniye olabilir, çalışılan maddelerin türü üzerinde pratik olarak herhangi bir kısıtlama yoktur. Analiz hem niteliksel hem de niceliksel olarak gerçekleştirilir.
X-ışını spektral analizinin özü
X-ışını spektral analizi, malzemelerin incelenmesi ve kontrolü için fiziksel yöntemlerden biridir. Tüm spektroskopi yöntemlerinde ortak olan bir fikre dayanmaktadır.
X-ışını spektral analizinin özü, atomlar hızlı elektronlar veya kuantumlar tarafından bombardıman edildiğinde, bir maddenin karakteristik X-ışını radyasyonu yayma yeteneğinde yatar. Aynı zamanda, enerjileri, bir elektronu bir atomun kabuğundan çekmek için gereken enerjiden daha büyük olmalıdır. Böyle bir etki, yalnızca karakteristik bir radyasyon spektrumunun ortaya çıkmasına neden olmaz,az sayıda spektral çizgiden oluşur, ancak aynı zamanda süreklidir. Tespit edilen parçacıkların enerji bileşiminin tahmini, incelenen nesnenin fiziksel ve kimyasal özellikleri hakkında sonuçlar çıkarmayı mümkün kılar.
Madde üzerindeki etki yöntemine bağlı olarak, ya aynı tipteki parçacıklar ya da diğerleri kaydedilir. Ayrıca X-ışını absorpsiyon spektroskopisi de vardır, ancak çoğunlukla geleneksel X-ışını spektroskopisinin temel konularını anlamak için yardımcı bir araç olarak hizmet eder.
Madde Türleri
X-ışını spektral analiz yöntemleri, bir maddenin kimyasal bileşimini incelememize izin verir. Bu yöntem aynı zamanda hızlı bir tahribatsız muayene yöntemi olarak da kullanılabilir. Aşağıdaki madde türleri çalışmaya dahil edilebilir:
- metaller ve alaşımlar;
- kayalar;
- cam ve seramik;
- akışkan;
- aşındırıcılar;
- gazlar;
- amorf maddeler;
- polimerler ve diğer organik bileşikler;
- proteinler ve nükleik asitler.
X-ışını spektral analizi ayrıca malzemelerin aşağıdaki özelliklerini belirlemenizi sağlar:
- faz bileşimi;
- tek kristallerin, kolloidal parçacıkların oryantasyonu ve boyutu;
- alaşım durum diyagramları;
- kristal kafesin atomik yapısı ve dislokasyonu;
- iç stresler;
- termal genleşme katsayısı ve diğer özellikler.
Bu yönteme göreüretim, malzemelerdeki çeşitli homojensizlik türlerini tespit etmenize olanak tanıyan X-ışını kusur algılamayı kullanır:
- kabuklar;
- yabancı katkılar;
- gözenekler;
- çatlaklar;
- Hatalı kaynaklar ve diğer kusurlar.
Analiz türleri
X-ışınları üretme yöntemine bağlı olarak, aşağıdaki X-ışını spektral analizi türleri ayırt edilir:
- X-ışını floresan. Atomlar, birincil X-ışını radyasyonu (yüksek enerjili fotonlar) tarafından uyarılır. Bu yaklaşık bir mikrosaniye sürer ve ardından sakin, temel bir konuma geçerler. Fazla enerji daha sonra bir foton şeklinde yayılır. Her madde bu parçacıkları belirli bir enerji seviyesiyle yayar, bu da onu doğru bir şekilde tanımlamayı mümkün kılar.
- X-ışını radyometrik. Maddenin atomları, radyoaktif bir izotoptan gelen gama radyasyonu tarafından uyarılır.
- Elektron probu. Aktivasyon, onlarca keV'lik bir enerjiye sahip odaklanmış bir elektron ışını tarafından gerçekleştirilir.
- İyon uyarımı (protonlar veya ağır iyonlar) ile tahlil.
X-ışını spektral analizinin en yaygın yöntemi floresandır. Bir numune elektronlarla bombardıman edildiğinde X-ışını uyarımı doğrudan, X-ışınları ile ışınlandığında ise ikincil (floresan) olarak adlandırılır.
X-ışını Floresan Analizinin Temelleri
X-ışını floresan yöntemi yaygın olarakendüstride ve bilimsel araştırmalarda kullanılır. Spektrometrenin ana elemanı, çoğunlukla X-ışını tüpleri olarak kullanılan birincil radyasyon kaynağıdır. Bu radyasyonun etkisi altında, numune, çizgi spektrumunun x-ışınlarını yayarak flüoresans vermeye başlar. Yöntemin en önemli özelliklerinden biri, her kimyasal elementin serbest veya bağlı halde (herhangi bir bileşiğin parçası olarak) olmasına bakılmaksızın kendi spektral özelliklerine sahip olmasıdır. Çizgilerin parlaklığını değiştirmek, konsantrasyonunu ölçmeyi mümkün kılar.
Bir X-ışını tüpü, içinde bir vakumun oluşturulduğu bir balondur. Tüpün bir ucunda tungsten tel şeklinde bir katot bulunur. Elektronların emisyonunu sağlayan sıcaklıklara bir elektrik akımı ile ısıtılır. Diğer ucunda büyük bir metal hedef şeklinde bir anot bulunur. Elektronların hızlandırılması nedeniyle katot ve anot arasında potansiyel bir fark oluşur.
Yüksek hızda hareket eden yüklü parçacıklar anoda çarpar ve bremsstrahlung'u heyecanlandırır. Tüpün duvarında (çoğunlukla berilyumdan yapılır) içinden x-ışınlarının çıktığı şeffaf bir pencere vardır. X-ışını spektral analiz cihazlarındaki anot, çeşitli metal türlerinden yapılır: tungsten, molibden, bakır, krom, paladyum, altın, renyum.
Radyasyonun bir spektruma ayrıştırılması ve kaydı
Spektrumda 2 tip X-ışını dağılımı vardır - dalga ve enerji. İlk tip en yaygın olanıdır. Dalga dağılımı ilkesine göre çalışan X-ışını spektrometrelerinde, dalgaları belirli bir açıyla dağıtan analizör kristalleri bulunur.
Tek kristaller, X ışınlarını bir spektruma ayrıştırmak için kullanılır:
- lityum florür;
- kuvars;
- karbon;
- asit potasyum veya talyum ftalat;
- silikon.
Kırınım ızgaralarının rolünü oynarlar. Kitlesel çok elementli analiz için aletler, kimyasal elementlerin neredeyse tamamını kapsayan bir dizi kristal kullanır.
X-ışını kameraları, bir radyograf veya fotoğraf filmine sabitlenmiş bir kırınım deseni elde etmek için kullanılır. Bu yöntem zahmetli ve daha az doğru olduğundan, şu anda yalnızca metallerin ve diğer malzemelerin X-ışını analizinde kusur tespiti için kullanılmaktadır.
Orantılı ve parıldama sayaçları, yayılan parçacıkların dedektörleri olarak kullanılır. İkinci tip, sert radyasyon bölgesinde yüksek bir duyarlılığa sahiptir. Dedektörün fotokatotuna düşen fotonlar, bir elektrik voltajı darbesine dönüştürülür. Sinyal önce amplifikatöre, ardından bilgisayarın girişine gider.
Uygulama kapsamı
X-ışını floresan analizi aşağıdaki amaçlar için kullanılır:
- Yağdaki zararlı safsızlıkların belirlenmesi vepetrol ürünleri (benzin, yağlayıcılar ve diğerleri); toprak, hava, su, gıdadaki ağır metaller ve diğer tehlikeli bileşikler;
- kimya endüstrisindeki katalizörlerin analizi;
- kristal kafes periyodunun kesin tespiti;
- tahribatsız bir yöntemle koruyucu kaplamaların kalınlığını tespit etme;
- Ürünün yapıldığı hammadde kaynaklarının belirlenmesi;
- maddenin mikro hacimlerinin hesaplanması;
- Jeoloji ve metalurjide kayaların ana ve safsızlık bileşenlerinin belirlenmesi;
- kültürel ve tarihi değeri olan nesnelerin incelenmesi (simgeler, resimler, freskler, mücevherler, tabaklar, süs eşyaları ve çeşitli malzemelerden yapılmış diğer eşyalar), bunların tarihlendirilmesi;
- adli analiz için kompozisyonun belirlenmesi.
Örnek hazırlama
Çalışma için ön örnek hazırlama gereklidir. X-ray analizi için aşağıdaki koşulları karşılamaları gerekir:
- Tekdüzelik. Bu koşul en basit şekilde sıvı numuneler için karşılanabilir. Çözeltiyi çalışmadan hemen önce tabakalaştırırken karıştırılır. Radyasyonun kısa dalga boylu bölgesindeki kimyasal elementler için homojenlik, toz halinde öğütülerek ve uzun dalga boylu bölgede akı ile füzyon yoluyla elde edilir.
- Dış etkilere dayanıklıdır.
- Örnek yükleyici boyutuna sığdır.
- Katı numunelerin optimum pürüzlülüğü.
Sıvı numunelerin bir takım dezavantajları olduğundan (buharlaşma, ısıtıldığında hacimlerinde değişiklik, çökelmeX-ışını radyasyonunun etkisi altında çökelti), X-ışını spektral analizi için kuru madde kullanılması tercih edilir. Toz numuneler bir küvete dökülür ve preslenir. Küvet, adaptör aracılığıyla tutucuya takılır.
Kantitatif analiz için toz numunelerin tabletlere preslenmesi önerilir. Bunu yapmak için, madde ince bir toz haline getirilir ve daha sonra preste tabletler yapılır. Gevrek maddeleri sabitlemek için bir borik asit substratı üzerine yerleştirilirler. Sıvılar, bir pipet kullanılarak küvetlere dökülürken kabarcık olup olmadığı kontrol edilir.
Numunelerin hazırlanması, bir analiz tekniğinin ve optimal modun seçimi, standartların seçimi ve bunlar üzerinde analitik grafiklerin oluşturulması, fizik, kimyanın temellerini bilmesi gereken bir X-ışını spektral analiz laboratuvar asistanı tarafından gerçekleştirilir., spektrometrelerin tasarımı ve araştırma metodolojisi.
Nitel analiz
Numunelerin kalitatif bileşiminin belirlenmesi, içindeki belirli kimyasal elementleri tanımlamak için yapılır. Niceleme yapılmaz. Araştırma şu sırayla gerçekleştirilir:
- örnek hazırlama;
- spektrometrenin hazırlanması (ısıtma, gonyometrenin kurulumu, dalga boyu aralığının ayarlanması, programda tarama adımı ve pozlama süresi);
- Örneğin hızlı taranması, elde edilen spektrumların bilgisayarın belleğine kaydedilmesi;
- sonuç olarak ortaya çıkan spektral ayrışmanın deşifre edilmesi.
Her an radyasyon yoğunluğutarama, bilgisayar monitöründe, dalga boyunun çizildiği yatay eksen boyunca ve dikey eksen boyunca - radyasyonun yoğunluğu boyunca bir grafik şeklinde görüntülenir. Modern spektrometrelerin yazılımı, elde edilen verilerin otomatik olarak kodunun çözülmesini mümkün kılar. Niteliksel bir X-ışını analizinin sonucu, numunede bulunan kimyasalların satırlarının bir listesidir.
Hatalar
Yanlış tanımlanmış kimyasal elementler sıklıkla ortaya çıkabilir. Bu, aşağıdaki nedenlerden kaynaklanmaktadır:
- dağınık bremsstrahlung'un rastgele sapmaları;
- anot malzemesinden başıboş çizgiler, arka plan radyasyonu;
- enstrüman hataları.
En büyük yanlışlık, organik kökenli hafif elementlerin hakim olduğu numunelerin incelenmesinde ortaya çıkar. Metallerin X-ışını spektral analizi yapılırken saçılan radyasyon oranı daha azdır.
Kantitatif analiz
Kantitatif analiz yapmadan önce, spektrometrenin özel bir ayarı gereklidir - standart numuneler kullanılarak kalibrasyonu. Test numunesinin spektrumu, kalibrasyon numunelerinin ışınlanmasından elde edilen spektrum ile karşılaştırılır.
Kimyasal elementleri belirlemenin doğruluğu, aşağıdakiler gibi birçok faktöre bağlıdır:
- ara eleman uyarma etkisi;
- arka plan saçılma tayfı;
- cihaz çözünürlüğü;
- spektrometrenin sayma karakteristiğinin doğrusallığı;
- X-ışını tüpü spektrumu ve diğerleri.
Bu yöntem daha karmaşıktır ve önceden deneysel veya teorik olarak belirlenen sabitleri hesaba katan analitik bir çalışma gerektirir.
Onur
X-ray yönteminin avantajları şunlardır:
- tahribatsız test imkanı;
- yüksek hassasiyet ve doğruluk (10-3%'ye kadar kirlilik belirleme);
- çok çeşitli analiz edilen kimyasal elementler;
- kolay numune hazırlama;
- çok yönlülük;
- otomatik yorumlama imkanı ve yöntemin yüksek performansı.
Kusurlar
X-ışını spektral analizinin dezavantajları arasında şunlar vardır:
- artırılmış güvenlik gereksinimleri;
- bireysel mezuniyet ihtiyacı;
- Bazı elementlerin karakteristik çizgileri yakın olduğunda kimyasal bileşimin zor yorumlanması;
- Sonuçların güvenilirliğini etkileyen arka plan karakteristik radyasyonunu az altmak için nadir malzemelerden anot üretme gerekliliği.
