Методы анализа твердых образцов с применением рентгеновского излучения
РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗ Рентгеноспектральный анализ (РСА) по положению и интенсивности линий характеристического спектра позволяет установить качественный и количественный элементный состав образца.
Рентгеновский спектральный анализ, элементный анализ вещественного состава материалов по их рентгеновским спектрам. Качественный РСА выполняют по спектральному положению характеристических линий в спектре испускания исследуемого образца, его основой является закон Мозли: Полуколичественный РСА осуществляют по интенсивностям этих линий. Количественный анализ осуществляют с применением ряда стандартных образцов, однотипных с исследуемым образцом. Методами РСА могут быть определены все элементы от Na до U (в некоторых случаях — и более лёгкие). Порог чувствительности РСА в большинстве случаев ~ 10 -2— 10 -4 %, продолжительность его (вместе с подготовкой пробы) может занимать от нескольких десятков минут до нескольких часов. РСА не разрушает пробу.
k 1 Mv Miv K 1 K 2 Miii Mii Li Lii K Liii L 1 Niv Nv Mi L 1 L 2 Строение атома элемента и возникновение характеристического излучения
Взаимодействие рентгеновского фотона с атомом вещества 16 s K L M Атом вещества в начальном (невозбужденном) состоянии
Падающий рентгеновский фотон 16 s K L M Взаимодействие рентгеновского фотона с атомом анализируемого вещества
16 s K L M Выбивание рентгеновским фотоном электрона с внутренней оболочки атома
eвыбитый электрон 16 s K L M Вакантное место на внутренней оболочке атома после взаимодействия
e- 16 s eвыбитый электрон K L M Замещение вакантного места электроном с дальней атомной оболочки
Характеристический рентгеновский фотон e- eвыбитый электрон 16 s K L M Испускание рентгеновского характеристического излучения
Характеристические рентгеновские спектры испускают атомы, у которых при столкновении с заряженной частицей высокой энергии или фотоном первичного рентгеновского излучения с одной из внутренних оболочек (К-, L-, М-. . . оболочек) вылетает электрон. Состояние атома с вакансией во внутренней оболочке неустойчиво. Электрон одной из внешних оболочек может заполнить эту вакансию, и атом при этом переходит в конечное состояние с меньшей энергией. Избыток энергии атом может испустить в виде фотона характеристического излучения.
Качественный анализ. Спектры характеристических излучений.
Типы рентгенофлуоресцентных спектрометров (РФС) • Портативные (исследование в полевых условиях) • Cтационарные лабораторные (исследования в лабораторных условиях, требуют предварительной подготовки образца)
РСА применяется: на обогатительных фабриках цветной металлургии (для контрольных целей и для экспрессного анализа); на цементных заводах (контроль состава цементно-сырьевых смесей); в экологии (исследование почв, водных растворов на содержание токсичных компонентов); в геологии и минералогии (исследование качественного и количественного состава геологических объектов). • •
Пробоподготовка для рентгенофлуоресцентного анализа Прессованные таблетки с использованием или без использования связующего компонента – самый быстрый и простейший метод, если для порошкообразной пробы нет ограничений, связанных с размером частиц. Вообще, при условии, что частицы порошка – меньше 50 μм в диаметре, проба прессуется в таблетки под давлением в 10 - 30 т. Если собственные связующие свойства порошка недостаточно, то необходимо использовать высокие давления или в связующий компонент. Метод сплавления имеет следующие преимущества: • возможность сильного или слабого разбавления пробы для уменьшения матричных эффектов • возможность введения дополнительных веществ типа тяжелых абсорбентов (поглотителей) или внутренних стандартов для уменьшения или компенсирования матричных эффектов • возможность подготовки стандартных образцов требуемого состава По существу процедура сплавления состоит в нагревании смеси пробы с флюсом при высокой температуре (от 800 до 1200 °C), флюс при этом расплавляется, и происходит растворение пробы. Металлы обычно готовят в виде твердых дисков с помощью простых методов машинной обработки: резки, шлифования и полировки; шлифование используется в случае твердых сплавов и хрупких материалов типа керамики.
Принцип работы спектрометра ED-2000 Энергодисперсионный прибор Образец 45º Ионизирующее излучение Рентгеновская трубка 45º Характеристическое излучение Детектор
РЕНТГЕНОДИФРАКЦИОННЫЙ АНАЛИЗ Рентгенострукту рный ана лиз (рентгенодифракционный анализ) — один из дифракционных методов исследования структуры вещества. В основе данного метода лежит явление дифракции рентгеновских лучей на трехмерной кристаллической решетке.
Рентгеновская дифрактометрия является важным неразрушающим методом анализа веществ в твердом, порошковом или кристаллическом виде: металлы, минералы, полимеры, катализаторы, синтетические материалы, фармацевтические продукты, тонкие пленки и слои, керамика, а также полупроводники. Изучение свойств материалов и контроль качества в науке и на производстве невозможен без рентгеновской дифрактометрии. При помощи метода можно решать следующие задачи: • качественный и количественный анализ кристаллических фаз • кристаллография • исследование пластической деформации • структурный анализ • изучение текстуры • фазовый анализ при нестандартных внешних условиях • определение природы и концентрации примесей в минералах • фазовый анализ шлаков • структурно-кристаллографический контроль за качеством минерального сырья • исследование текстуры материалов
Понятие кристаллической решетки и элементарной ячейки Кристаллическая решетка - это регулярное трехмерное распределение атомов в пространстве, имеющее различную симметрию. Кристаллическая решетка в заданном направлении может рассматриваться как серия параллельных плоскостей, отстоящих друг от друга на расстоянии d. Любое кристаллическое вещество характеризуется определенным набором межплоскостных расстояний d с различными ориентациями плоскостей. a, b, c также относятся к межплоскостным расстояниям.
Когда монохроматизированный рентгеновский луч с длиной волны l падает на систему кристаллических плоскостей под углом q, дифракция возникает, только если пути проходимые лучами, отраженными от различных кристаллических плоскостей, различаются на целое число длин волн. Это явление описано законом Брэгга: n l = 2 d sinq.
Схема рентгеновского дифрактометра и дифрактограмма Они размещаются на гониометре (система точной установки и отслеживания угла излучения по отношению к поверхности образца). Одно плечо гониометра задает угол облучения образца рентгеновской трубкой, другое определяет угол брэгговского отражения излучения от образца (т. е. детектируемый сигнал). Детектор во время движения (при изменении угла q) непрерывно регистрирует интенсивность рентгеновского излучения. Остальные части оптической схемы дифрактометра придают излучению такие свойства, чтобы оптимизировать его для решения тех или иных задач дифрактометрических исследований.
Наиболее распространенный вид дифрактометрических исследований - идентификация фаз и количественный анализ фазового состава образца. На рисунке показана типичная дифрактограмма образца: состоит из двух кристаллических фаз с разными размерами кристаллитов и аморфной фазы. Каждой фазе образца соответствуют свои пики дифракции рентгеновского излучения (показаны различными цветами). Остроконечные пики получены от кристаллических фаз образца, а нелинейный фон - от аморфной фазы. Дифрактограмма содержит пики от всех фаз образца независимо от их числа. По положению пиков дифракто-граммы определяют, какие кристаллические фазы при-сутствуют в образце т. е. происходит идентификация фаз.
Скачать презентацию Методы анализа твердых образцов с применением рентгеновского излучения
Рентген_анализ.ppt