Рентгендік спектрлік талдау материалдарды зерттеудің барлық әдістерінің ішінде маңызды орын алады. Сынақ үлгісін жоймай, экспресс-бақылау мүмкіндігіне байланысты технологияның әртүрлі салаларында кеңінен қолданылады. Бір химиялық элементті анықтау уақыты бірнеше секундты құрауы мүмкін, зерттелетін заттардың түріне іс жүзінде ешқандай шектеулер жоқ. Талдау сапалық жағынан да, сандық жағынан да жүргізіледі.
Рентгендік спектрлік талдаудың мәні
Рентгендік спектрлік талдау – материалдарды зерттеу мен бақылаудың физикалық әдістерінің бірі. Ол спектроскопияның барлық әдістеріне ортақ идеяға негізделген.
Рентгендік спектрлік талдаудың мәні атомдар жылдам электрондармен немесе кванттармен бомбаланған кезде заттың өзіне тән рентгендік сәуле шығару қабілетінде жатыр. Сонымен бірге олардың энергиясы атомның қабығынан электронды шығаруға қажетті энергиядан көп болуы керек. Мұндай әсер сәулеленудің тән спектрінің пайда болуына ғана емес,спектрлік сызықтардың аз санынан тұратын, сонымен қатар үздіксіз. Анықталған бөлшектердің энергетикалық құрамын бағалау зерттелетін объектінің физикалық және химиялық қасиеттері туралы қорытынды жасауға мүмкіндік береді.
Затқа әсер ету әдісіне байланысты бір типті бөлшектер немесе басқалар жазылады. Сондай-ақ рентгендік абсорбциялық спектроскопия бар, бірақ ол көбінесе дәстүрлі рентгендік спектроскопияның негізгі мәселелерін түсіну үшін көмекші құрал ретінде қызмет етеді.
Заттардың түрлері
Рентгендік спектрлік талдау әдістері заттың химиялық құрамын зерттеуге мүмкіндік береді. Бұл әдісті экспресс-бұзбайтын сынақ әдісі ретінде де қолдануға болады. Зерттеуге заттардың келесі түрлерін қосуға болады:
- металдар мен қорытпалар;
- роктар;
- шыны және керамика;
- сұйықтық;
- абразивтер;
- газдар;
- аморфты заттар;
- полимерлер және басқа органикалық қосылыстар;
- белоктар мен нуклеин қышқылдары.
Рентгендік спектрлік талдау сонымен қатар материалдардың келесі қасиеттерін анықтауға мүмкіндік береді:
- фазалық құрамы;
- монокристалдардың, коллоидтық бөлшектердің бағыты мен өлшемі;
- қорытпа күйінің диаграммалары;
- кристалдық тордың атомдық құрылымы және дислокациясы;
- ішкі кернеулер;
- термиялық кеңею коэффициенті және басқа сипаттамалар.
Осы әдіске негізделгенөндіріс материалдардағы әр түрлі біртексіздіктерді анықтауға мүмкіндік беретін рентгендік ақауларды анықтауды пайдаланады:
- қабықтар;
- шетелдік қосындылар;
- кеуектер;
- жарықтар;
- Ақаулы дәнекерленген тігістер және басқа ақаулар.
Талдау түрлері
Рентген сәулелерін генерациялау әдісіне байланысты рентгендік спектрлік талдаудың келесі түрлері бөлінеді:
- Рентгендік флуоресцентті. Атомдар бірінші реттік рентгендік сәулеленумен (жоғары энергиялы фотондар) қозғалады. Бұл шамамен микросекундқа созылады, содан кейін олар тыныш, негізгі позицияға ауысады. Артық энергия фотон түрінде шығарылады. Әрбір зат бұл бөлшектерді белгілі бір энергия деңгейімен шығарады, бұл оны дәл анықтауға мүмкіндік береді.
- Рентгендік радиометриялық. Зат атомдары радиоактивті изотоптың гамма-сәулеленуімен қозғалады.
- Электронды зонд. Активтену энергиясы бірнеше ондаған кеВ болатын фокусталған электронды сәуле арқылы жүзеге асырылады.
- Иондық қозумен талдау (протондар немесе ауыр иондар).
Рентгендік спектрлік талдаудың ең көп тараған әдісі - флуоресценция. Үлгіні электрондармен бомбалау кезіндегі рентгендік қозуды тікелей, ал рентген сәулелерімен сәулелендіруді екіншілік (флуоресцентті) деп атайды.
Рентгендік флуоресценция талдауының негіздері
Рентгендік флуоресценция әдісі кеңінен қолданыладыөндірісте және ғылыми зерттеулерде қолданылады. Спектрометрдің негізгі элементі рентгендік түтіктер ретінде жиі қолданылатын біріншілік сәулелену көзі болып табылады. Осы сәулеленудің әсерінен үлгі сызықтық спектрдің рентген сәулелерін шығара отырып, флуоресцентті ете бастайды. Әдістің ең маңызды ерекшеліктерінің бірі – әрбір химиялық элементтің еркін немесе байланысқан күйде (кез келген қосылыс құрамында) болуына қарамастан өзіне тән спектрлік сипаттамалары бар. Жолдардың жарықтығын өзгерту оның концентрациясын сандық түрде анықтауға мүмкіндік береді.
Рентген түтігі – ішінде вакуум пайда болатын шар. Түтіктің бір ұшында вольфрам сымы түріндегі катод бар. Ол электр тогы арқылы электрондардың шығарылуын қамтамасыз ететін температураға дейін қызады. Екінші жағында массивтік металл нысана түріндегі анод орналасқан. Катод пен анод арасында потенциалдар айырмасы жасалады, соның салдарынан электрондар үдетіледі.
Жоғары жылдамдықпен қозғалатын зарядталған бөлшектер анодқа соғылып, бремсстрахлунгты қоздырады. Түтіктің қабырғасында мөлдір терезе бар (көбінесе ол бериллийден жасалған), ол арқылы рентген сәулелері шығады. Рентгендік спектрлік талдау құрылғыларындағы анод металдың бірнеше түрінен жасалған: вольфрам, молибден, мыс, хром, палладий, алтын, рений.
Сәулеленудің спектрге ыдырауы және оны тіркеу
Спектрде рентгендік дисперсияның 2 түрі бар - толқындық және энергия. Бірінші түрі ең көп таралған. Толқындық дисперсия принципі бойынша жұмыс істейтін рентгендік спектрометрлерде толқындарды белгілі бір бұрышпен шашыратқыш талдағыш кристалдары болады.
Рентген сәулелерін спектрге ыдырату үшін монокристалдар қолданылады:
- литий фториді;
- кварц;
- көміртек;
- қышқыл калий немесе таллий фталаты;
- кремний.
Олар дифракциялық торлар рөлін атқарады. Жаппай көп элементті талдау үшін құралдар химиялық элементтердің бүкіл ауқымын толығымен дерлік қамтитын осындай кристалдар жинағын пайдаланады.
Рентген камералары рентгенографияны немесе фотопленкаға бекітілген дифракция үлгісін алу үшін қолданылады. Бұл әдіс көп еңбекті қажет ететін және дәлдігі аз болғандықтан, ол қазіргі уақытта металдар мен басқа материалдардың рентгендік талдауында ақауларды анықтау үшін ғана қолданылады.
Шығарылатын бөлшектердің детекторлары ретінде пропорционалды және сцинтилляциялық есептегіштер қолданылады. Соңғы түрі қатты сәулелену аймағында жоғары сезімталдыққа ие. Детектордың фотокатодына түсетін фотондар электрлік кернеу импульсіне айналады. Сигнал алдымен күшейткішке, содан кейін компьютердің кірісіне түседі.
Қолдану саласы
Рентгендік флуоресценция талдауы келесі мақсаттар үшін пайдаланылады:
- мұнайдағы зиянды қоспаларды анықтау жәнемұнай өнімдері (бензин, жағармай және басқалары); ауыр металдар және топырақтағы, ауадағы, судағы, тағамдағы басқа қауіпті қосылыстар;
- химия өнеркәсібіндегі катализаторларды талдау;
- кристалдық тордың периодын дәл анықтау;
- қорғаныс жабындарының қалыңдығын бұзбайтын әдіспен анықтау;
- зат өндірілетін шикізат көздерін анықтау;
- заттың микрокөлемдерін есептеу;
- геология мен металлургияда тау жыныстарының негізгі және қоспа құрамдастарын анықтау;
- мәдени-тарихи құндылығы бар объектілерді (иконкалар, картиналар, фрескалар, зергерлік бұйымдар, ыдыс-аяқтар, әшекейлер және әртүрлі материалдардан жасалған басқа да заттар), олардың мерзімін зерттеу;
- криминалистикалық сараптама үшін құрамды анықтау.
Үлгіні дайындау
Зерттеу үшін үлгіні алдын ала дайындау қажет. Олар рентгендік талдау үшін келесі шарттарға сай болуы керек:
- Біркелкі. Бұл шартты сұйық үлгілер үшін оңай орындауға болады. Ерітіндіні зерттеу алдында бірден стратификациялағанда араластырады. Сәулеленудің қысқа толқынды аймағындағы химиялық элементтер үшін біртектілікке ұнтақтау арқылы, ал ұзын толқынды аймақта ағынмен біріктіру арқылы қол жеткізіледі.
- Сыртқы әсерлерге төзімді.
- Үлгі жүктегіш өлшеміне сәйкес келеді.
- Қатты үлгілердің оңтайлы кедір-бұдырлығы.
Сұйық үлгілердің бірқатар кемшіліктері болғандықтан (булану, қыздыру кезінде олардың көлемінің өзгеруі, жауын-шашынрентген сәулесінің әсерінен тұнба пайда болады), рентгендік спектрлік талдау үшін құрғақ затты қолданған дұрыс. Ұнтақ үлгілері кюветаға құйылады және престеледі. Кювета ұстағышқа адаптер арқылы орнатылады.
Сандық талдау үшін ұнтақ үлгілерін таблеткаларға сығып алу ұсынылады. Ол үшін зат ұсақ ұнтақ күйіне дейін ұнтақталған, содан кейін таблеткалар прессте жасалады. Майдаланатын заттарды бекіту үшін олар бор қышқылының субстратына орналастырылады. Көпіршіктердің жоқтығын тексере отырып, сұйықтықтар тамшуыр арқылы кюветтерге құйылады.
Үлгілерді дайындауды, талдау әдістемесін және оңтайлы режимін таңдауды, стандарттарды таңдауды және олар бойынша аналитикалық графиктерді құруды физика, химия негіздерін білуі тиіс рентген-спектрлік талдау лаборанты жүзеге асырады., спектрометрлердің дизайны және зерттеу әдістемесі.
Сапалық талдау
Үлгілердің сапалық құрамын анықтау олардағы белгілі бір химиялық элементтерді анықтау үшін жүргізіледі. Сандық бағалау жүргізілмейді. Зерттеу келесі ретпен жүзеге асырылады:
- үлгілерді дайындау;
- спектрометрді дайындау (оны қыздыру, гониометрді орнату, толқын ұзындығы диапазонын орнату, бағдарламада сканерлеу қадамы мен экспозиция уақыты);
- үлгіні жылдам сканерлеу, алынған спектрлерді компьютер жадына жазу;
- нәтижедегі спектрлік ыдырауды шешу.
Әр сәттегі сәулелену қарқындылығысканерлеу компьютер мониторында график түрінде көрсетіледі, оның көлденең осі бойымен толқын ұзындығы, ал тік ось бойынша – сәулелену қарқындылығы көрсетіледі. Заманауи спектрометрлердің бағдарламалық қамтамасыз етілуі алынған мәліметтерді автоматты түрде декодтауға мүмкіндік береді. Сапалы рентгендік талдаудың нәтижесі үлгіде табылған химиялық заттардың сызықтарының тізімі болып табылады.
Қателер
Қате анықталған химиялық элементтер жиі пайда болуы мүмкін. Бұл келесі себептерге байланысты:
- шашыраңқы бремсстрахлунгтың кездейсоқ ауытқулары;
- анод материалынан адасқан сызықтар, фондық сәуле;
- құрал қателері.
Ең үлкен дәлсіздік органикалық текті жеңіл элементтер басым болатын үлгілерді зерттеуде анықталады. Металдардың рентгендік спектрлік талдауын жүргізгенде, шашыраңқы сәулелену үлесі аз болады.
Сандық талдау
Сандық талдауды жүргізбес бұрын спектрометрдің арнайы параметрі қажет - оны стандартты үлгілер арқылы калибрлеу. Сынақ үлгісінің спектрі калибрлеу үлгілерінің сәулеленуінен алынған спектрмен салыстырылады.
Химиялық элементтерді анықтау дәлдігі көптеген факторларға байланысты, мысалы:
- элементаралық қозу эффектісі;
- фондық шашырау спектрі;
- құрылғы ажыратымдылығы;
- спектрометрдің санау сипаттамасының сызықтылығы;
- Рентгендік түтік спектрі және т.б.
Бұл әдіс күрделірек және эксперименталды немесе теориялық жолмен алдын ала анықталған тұрақты мәндерді ескере отырып, аналитикалық зерттеуді қажет етеді.
Қадір
Рентгендік әдістің артықшылықтарына мыналар жатады:
- бұзбайтын сынақ мүмкіндігі;
- жоғары сезімталдық және дәлдік (қоспаларды анықтау 10-3%);
- талданатын химиялық элементтердің кең ауқымы;
- үлгіні оңай дайындау;
- әмбебаптық;
- автоматты түсіндіру мүмкіндігі және әдістің жоғары өнімділігі.
Кемшіліктер
Рентгендік спектрлік талдаудың кемшіліктеріне мыналар жатады:
- қауіпсіздік талаптары жоғарылады;
- жеке бітіруге қажеттілік;
- кейбір элементтердің сипаттамалық сызықтары жақын болған кезде химиялық құрамды түсіндіру қиын;
- нәтижелердің сенімділігіне әсер ететін фондық сәулеленуді азайту үшін сирек материалдардан анодтар жасау қажеттілігі.
