Рентгеновская и электронная электроскопия

ААС и АЭС основаны на возбуждении валентных электронов.

Для возбуждения элементов внутренних оболочек необходимо излучение более высокой энергии, которая находится в рентгеновской области.

Использование рентгеновского излучения лежит в основе множества методов анализа: рентгенофлуористенции спектроскопии, метод рентгеновской дифракции, ОЖЕ и фотоэлектронной электроскопии.

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом имеет ряд особенностей, при прохождении через твёрдый образец интенсивность рентгеновского излучения уменьшается, интенсивность на выходе из образца зависит от толщины образца, плотности материала образца и коэффициента поглощения.

Наряду с поглощением часть излучения рассеивается, явления рассеивания рентгеновского излучения используют для установления кристаллической структуры вещества.

В случае, когда и источник возбуждения, и возникающее излучение имеют одну и ту же природу (рентгеновское излучение, процесс называется рентгеновской флуористенцией), если для возбуждения атомов использовать электроны высоких энергий – рентгеновская эмиссия.

Переход внутреннего электрона на нижний уровень может сопровождаться без излучательным процессом, энергия, высвобождающаяся в результате такого перехода, может пойти на выбивание одного из электронов более высоких энергетических уровней – ОЖЕ эффект. Протекает параллельно с испусканием рентгеновского излучения, доля ОЖЕ электронов зависит от порядкового номера элемента.

Рентгенофлуорисцентный анализ основан на измерении интенсивности вторичного рентгеновского излучения.

Устройство рентгеновского спектрометра:

Основные узлы спектрометра: рентгеновская трубка как источник излучения, калиматор изготовленный из молибденовой фольги, диспергирующее устройство кристалл анализатор, приёмник излучения или детектор.

Рентгеновская трубка как источник излучения действие основано на бомбардировки металлической мишени электронами в состав рентгеновской трубки входит катод и анод, анод изготавливается из тяжёлого металла, испускающего рентгеновское излучение под действием электронов (хром, вольфрам, молибден, золото, серебро).

Рентгеновская трубка:

Напряжение между анодом и катодом составляет 60-80кВ, сила тока 70 мА. Электроны, вылетающие из катода, ускоряются под действием напряжения и бомбардируют анод. В результате соударения кинетическая энергия электронов переходит главным образом в тепло, поэтому анод необходимо охлаждать, однако около 1% энергии переходит в излучение, которое исходит из трубки через окошко, изготовленного из материала, не вступающего в реакцию с рентгеновским излучением.

Разложение полихраматического рентгеновского излучения осуществляется по принципу интерференции при помощи кристалла, определённым образом ориентированного относительно кристаллографических осей (литийфтор). Положение кристалла, соответствующее необходимому углу устанавливается при помощи вращающегося столика. В отличие от оптической спектроскопии рентгеновское всегда одновременно регистрирует только излучение одной длинны волны, чтобы с помощью кристалла зарегистрировать весь спектр необходимо одновременно с кристаллом поворачивать и детектор вращая его со скоростью в двое больше чем кристалл.

Детектор. Для регистрации рентгеновского излучения используются газоразрядные трубки, стинциляционные и полупроводниковые детекторы. Трубка заполнена инертным газом (аргон, ксенон). Рентгеновские фатоны проникающие в трубку ионизируют находящийся в ней газ, образующиеся ионы притягиваются анодом, находящимся под напряжением 1.5 кВ, величина возникающего импульса тока пропорциональна интенсивности излучения.

Сцинтилляционный детектор изготовляют из кристаллов иодида калия с добавкой таллия, при попадании рентгеновского кванта на такой кристалл в следствии люминесценции возникает вспышка света, которая регистрируется при помощи фотоэлектронного умножителя.

Полупроводниковый детектор приставляет собой кристалл кремния активированный литием и охлаждаемый жидким азотом. Работает он как дискриминатор фотонов по энергии и не нуждается в использовании кристалла анализатора и калиматора. Излучение поступает непосредственно на многоканальный анализатор, каждый из каналов которого чувствителен к рентгеновским лучам в определённой области энергии.

Качественныйанализ

Качественный анализ. Для идентификации элемента руководствуются положением его линии в спектре, при этом необходимо учитывать: в спектре всегда могут присутствовать линии элементов входящих в состав материала анода рентгеновской трубки и других деталей приборов; в первую очередь необходимо искать наиболее интенсивную линию элемента; следует учитывать возможность перекрывания линии.

Количественный анализ

Количественный анализ. Особенность метода РПА – наличие сильных матричных эффектов. Помимо непосредственного возбуждения атомов определяемого элемента первичным рентгеновским излучением, может наблюдаться ряд других явлений. Взаимодействия излучений с веществом: возбуждение атомов определяемого элемента под действием вторичного излучения от атомов элементов матрицы; поглощение первичного излучения элементами матрицы – уменьшается интенсивность возбуждающего излучения и уменьшается аналитический сигнал; поглощение вторичного излучения атомами матрицы 9 занижение аналитического сигнала). Способы коррекции матричных эффектов:

1) Использование внешнего стандарта образца, максимально близко соответствующего анализируемой пробе. В этом случае матричные эффекты в равной мере сказываются на скорости счёта и для образца, и для стандарта.

2) Специальная пробоподготовка – пробу можно сильно разбавить слабопоглощающим материалом сахарозой или целлюлозой, влияние матричных эффектов сильно уменьшается.

3) Расчётный метод – использование теоретических представлений о взаимодействии вещества с рентгеновским излучением.

Практическое применение

Практическое применение. Методом РФА определяют главные компоненты при анализе материалов металлургической, строительной, стекольной, керамической, топливной промышленности, геологии, а в последнее время для анализа объектов окружающей среды в медицине и научно исследовательских целях. Методом РПА можно определить 83 элемента от фтора до урана. Анализируют твёрдые образцы - порошкообразные, стеклообразные, металлические.

Порошкообразные должны иметь размер зёрен менее 30 микрометров для обеспечения воспроизводимости, их предварительно прессуют в таблетки без наполнителя или в смеси с цилюлозой или графитом. Для гомогенизации пробы используют плавление, сплавляют с натрием или литием до стеклообразной массы. Металлические образцы анализируют как есть.

Основное достоинство метода РПА – возможность не разрушающего контроля, удобен для анализа приповерхностного слоя материалов и произведений искусств. Выпускаются прототивные спектрометры, которые легко доставить к анализируемому объекту.