تجزیه و تحلیل طیفی اشعه ایکس جایگاه مهمی را در بین تمام روش‌های مطالعه مواد اشغال می‌کند. به دلیل امکان کنترل سریع بدون از بین بردن نمونه آزمایشی در زمینه های مختلف فناوری کاربرد فراوانی دارد. زمان تعیین یک عنصر شیمیایی می تواند تنها چند ثانیه باشد؛ عملاً هیچ محدودیتی در مورد نوع مواد مورد مطالعه وجود ندارد. تجزیه و تحلیل هم از نظر کیفی و هم از نظر کمی انجام می شود.
جوهر تحلیل طیفی اشعه ایکس
تجزیه و تحلیل طیفی اشعه ایکس یکی از روش های فیزیکی برای مطالعه و کنترل مواد است. این بر اساس یک ایده مشترک برای همه روش های طیف سنجی است.
ماهیت تجزیه و تحلیل طیفی اشعه ایکس در توانایی یک ماده برای ساطع تشعشعات پرتو ایکس مشخصه زمانی است که اتم ها توسط الکترون های سریع یا کوانتوم بمباران می شوند. در عین حال، انرژی آنها باید بیشتر از انرژی لازم برای بیرون کشیدن یک الکترون از پوسته اتم باشد. چنین تأثیری نه تنها منجر به ظهور یک طیف تشعشعی مشخصه می شود،متشکل از تعداد کمی از خطوط طیفی، اما همچنین پیوسته. تخمین ترکیب انرژی ذرات کشف‌شده، نتیجه‌گیری در مورد خواص فیزیکی و شیمیایی جسم مورد مطالعه را ممکن می‌سازد.
بسته به روش اثر بر روی ماده، ذرات از همان نوع یا ذرات دیگر ثبت می شوند. طیف‌سنجی جذب اشعه ایکس نیز وجود دارد، اما اغلب به عنوان ابزاری کمکی برای درک مسائل کلیدی طیف‌سنجی سنتی اشعه ایکس عمل می‌کند.
انواع مواد
روش های آنالیز طیفی اشعه ایکس به ما امکان می دهد ترکیب شیمیایی یک ماده را مطالعه کنیم. این روش همچنین می تواند به عنوان یک روش آزمایش غیر مخرب اکسپرس استفاده شود. انواع مواد زیر ممکن است در مطالعه گنجانده شوند:
- فلزات و آلیاژها;
- سنگ;
- شیشه و سرامیک;
- مایع;
- ساینده;
- گازها;
- مواد آمورف؛
- پلیمرها و سایر ترکیبات آلی؛
- پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک.
تجزیه و تحلیل طیفی اشعه ایکس همچنین به شما امکان می دهد خواص زیر را از مواد تعیین کنید:
- ترکیب فاز؛
- جهت و اندازه تک بلورها، ذرات کلوئیدی؛
- نمودار حالت آلیاژ؛
- ساختار اتمی و جابجایی شبکه کریستالی؛
- تنش های داخلی؛
- ضریب انبساط حرارتی و سایر مشخصات.
بر اساس این روش درتولید از تشخیص عیب اشعه ایکس استفاده می کند که به شما امکان می دهد انواع مختلفی از ناهمگنی ها را در مواد تشخیص دهید:
- پوسته;
- شامل خارجی;
- منافذ;
- ترک؛
- جوش معیوب و سایر عیوب.
انواع تحلیل
بسته به روش تولید اشعه ایکس، انواع زیر از آنالیز طیفی اشعه ایکس متمایز می شود:
- فلورسنت اشعه ایکس. اتم ها توسط تابش اشعه ایکس اولیه (فوتن های پرانرژی) برانگیخته می شوند. این حدود یک میکروثانیه طول می کشد، پس از آن آنها به یک موقعیت آرام و اولیه می روند. سپس انرژی اضافی به شکل فوتون ساطع می شود. هر ماده ای این ذرات را با سطح معینی از انرژی ساطع می کند که شناسایی دقیق آن را ممکن می سازد.
- رادیومتریک اشعه ایکس. اتم های ماده توسط تابش گامای یک ایزوتوپ رادیواکتیو برانگیخته می شوند.
- کاوشگر الکترونی. فعال سازی توسط یک پرتو الکترونی متمرکز با انرژی چند ده کو انجام می شود.
- آزمایش با تحریک یونی (پروتون ها یا یون های سنگین).
رایج ترین روش آنالیز طیفی اشعه ایکس فلورسانس است. برانگیختگی اشعه ایکس هنگامی که نمونه ای با الکترون بمباران می شود مستقیم و هنگامی که با اشعه ایکس تابش می شود ثانویه (فلورسنت) نامیده می شود.
مبانی آنالیز فلورسانس اشعه ایکس
روش فلورسانس اشعه ایکس به طور گستردهدر صنعت و تحقیقات علمی استفاده می شود. عنصر اصلی طیف سنج منبع تابش اولیه است که اغلب به عنوان لوله های اشعه ایکس استفاده می شود. تحت تأثیر این تابش، نمونه شروع به فلورسانس می کند و اشعه ایکس از طیف خطی ساطع می کند. یکی از مهمترین ویژگی های روش این است که هر عنصر شیمیایی بدون توجه به اینکه در حالت آزاد یا محدود (به عنوان بخشی از هر ترکیب) باشد، ویژگی های طیفی خاص خود را دارد. تغییر روشنایی خطوط امکان تعیین کمیت غلظت آن را فراهم می کند.
لوله اشعه ایکس بالونی است که درون آن خلاء ایجاد می شود. در یک انتهای لوله یک کاتد به شکل سیم تنگستن وجود دارد. توسط جریان الکتریکی تا دمایی گرم می شود که انتشار الکترون ها را تضمین می کند. در انتهای دیگر یک آند به شکل یک هدف فلزی عظیم قرار دارد. یک اختلاف پتانسیل بین کاتد و آند ایجاد می شود که به دلیل آن الکترون ها شتاب می گیرند.
ذرات باردار که با سرعت بالا حرکت می کنند به آند برخورد کرده و برمسترالانگ را تحریک می کنند. یک پنجره شفاف در دیواره لوله وجود دارد (اغلب از بریلیم ساخته شده است) که از آن اشعه ایکس خارج می شود. آند در دستگاه های آنالیز طیفی اشعه ایکس از چندین نوع فلز ساخته شده است: تنگستن، مولیبدن، مس، کروم، پالادیوم، طلا، رنیم.
تجزیه تابش به یک طیف و ثبت آن
2 نوع پراکندگی پرتو ایکس در طیف وجود دارد - موج و انرژی. نوع اول رایج ترین است. طیف‌سنج‌های اشعه ایکس که بر اساس اصل پراکندگی امواج کار می‌کنند، دارای کریستال‌های تحلیل‌گر هستند که امواج را در یک زاویه خاص پراکنده می‌کنند.
تک بلورها برای تجزیه اشعه ایکس به یک طیف استفاده می شوند:
- لیتیوم فلوراید؛
- کوارتز;
- کربن؛
- اسید پتاسیم یا تالیم فتالات؛
- سیلیکون.
نقش توری های پراش را بازی می کنند. برای تجزیه و تحلیل چند عنصری جرم، ابزارها از مجموعه‌ای از بلورهایی استفاده می‌کنند که تقریباً به طور کامل کل طیف عناصر شیمیایی را پوشش می‌دهند.
دوربین های اشعه ایکس
برای به دست آوردن رادیوگرافی یا الگوی پراش ثابت شده روی فیلم عکاسی استفاده می شوند. از آنجایی که این روش پر زحمت و کم دقت است، در حال حاضر تنها برای تشخیص عیب در تجزیه و تحلیل اشعه ایکس فلزات و سایر مواد استفاده می شود.
شمارشگرهای متناسب و سوسوزن به عنوان آشکارساز ذرات ساطع شده استفاده می شوند. نوع دوم از حساسیت بالایی در ناحیه تابش سخت برخوردار است. فوتون هایی که روی فوتوکاتد آشکارساز می افتند به یک پالس ولتاژ الکتریکی تبدیل می شوند. سیگنال ابتدا به تقویت کننده و سپس به ورودی رایانه می رود.
دامنه کاربرد
تجزیه و تحلیل فلورسانس اشعه ایکس برای اهداف زیر استفاده می شود:
- تعیین ناخالصی های مضر در روغن وفرآورده های نفتی (بنزین، روان کننده ها و غیره)؛ فلزات سنگین و سایر ترکیبات خطرناک در خاک، هوا، آب، غذا؛
- تجزیه و تحلیل کاتالیزورها در صنایع شیمیایی؛
- تعیین دقیق دوره شبکه کریستالی؛
- تشخیص ضخامت پوشش های محافظ با روش غیر مخرب؛
- تعیین منابع مواد اولیه ای که کالا از آن ساخته می شود؛
- محاسبه ریزحجم‌های ماده؛
- تعیین اجزای اصلی و ناخالصی سنگها در زمین شناسی و متالورژی؛
- مطالعه اشیاء با ارزش فرهنگی و تاریخی (آیکون ها، نقاشی ها، نقاشی های دیواری، جواهرات، ظروف، زیور آلات و سایر اقلام ساخته شده از مواد مختلف)، تاریخ گذاری آنها؛
- تعیین ترکیب برای تجزیه و تحلیل پزشکی قانونی.
آماده سازی نمونه
برای مطالعه، آماده سازی نمونه از ابتدا لازم است. آنها باید شرایط زیر را برای تجزیه و تحلیل اشعه ایکس داشته باشند:
- یکنواختی. این شرط را می توان به سادگی برای نمونه های مایع برآورده کرد. هنگام طبقه بندی محلول بلافاصله قبل از مطالعه، آن را مخلوط می کنند. برای عناصر شیمیایی در ناحیه با طول موج کوتاه تشعشع، همگنی با آسیاب کردن به پودر و در منطقه با طول موج بلند با همجوشی با شار به دست می‌آید.
- مقاوم در برابر تأثیرات خارجی.
- مناسب با اندازه لودر نمونه.
- زبری بهینه نمونه های جامد.
از آنجایی که نمونه های مایع دارای معایبی هستند (تبخیر، تغییر حجم آنها هنگام گرم شدن، بارشرسوب تحت تأثیر تابش اشعه ایکس)، ترجیحاً از ماده خشک برای تجزیه و تحلیل طیفی اشعه ایکس استفاده شود. نمونه های پودری را در یک کووت ریخته و فشرده می کنند. کووت از طریق آداپتور داخل نگهدارنده نصب می شود.
برای تجزیه و تحلیل کمی، نمونه های پودر توصیه می شود که به صورت قرص فشرده شوند. برای انجام این کار، ماده را به حالت پودر ریز آسیاب می کنند و سپس قرص هایی را روی پرس درست می کنند. برای تثبیت مواد شکننده، آنها را روی بستری از اسید بوریک قرار می دهند. مایعات با استفاده از پیپت در داخل کووت ها ریخته می شوند و در عین حال عدم وجود حباب را بررسی می کنند.
تهیه نمونه ها، انتخاب تکنیک آنالیز و حالت بهینه، انتخاب استانداردها و ساخت نمودارهای تحلیلی روی آنها توسط دستیار آزمایشگاه آنالیز طیفی اشعه ایکس انجام می شود که باید مبانی فیزیک، شیمی را بداند. طراحی طیف سنج ها و روش تحقیق.
تحلیل کیفی
تعیین ترکیب کیفی نمونه ها برای شناسایی عناصر شیمیایی خاص در آنها انجام می شود. کمی سازی انجام نمی شود. تحقیقات به ترتیب زیر انجام می شود:
- آماده سازی نمونه ها؛
- آماده سازی طیف سنج (گرم کردن آن، نصب گونیا، تنظیم محدوده طول موج، مرحله اسکن و زمان نوردهی در برنامه)؛
- اسکن سریع نمونه، ثبت طیف های به دست آمده در حافظه کامپیوتر؛
- رمزگشایی تجزیه طیفی حاصل.
شدت تابش در هر لحظهاسکن بر روی مانیتور کامپیوتر به شکل یک نمودار نمایش داده می شود که در امتداد محور افقی که طول موج آن ترسیم می شود و در امتداد محور عمودی - شدت تابش. نرم افزار طیف سنج های مدرن امکان رمزگشایی خودکار داده های به دست آمده را فراهم می کند. نتیجه تجزیه و تحلیل کیفی اشعه ایکس لیستی از خطوط مواد شیمیایی است که در نمونه یافت شده است.
خطا
عناصر شیمیایی نادرست شناسایی شده اغلب ممکن است رخ دهند. این به دلایل زیر است:
- انحرافات تصادفی bremsstrahlung پراکنده؛
- خطوط سرگردان از مواد آند، تابش پس زمینه؛
- خطاهای ابزار.
بیشترین عدم دقت در مطالعه نمونه‌هایی که عناصر سبک با منشاء آلی بر آن غالب هستند، آشکار شد. هنگام انجام آنالیز طیفی اشعه ایکس فلزات، نسبت تابش پراکنده کمتر است.
تحلیل کمی
قبل از انجام تجزیه و تحلیل کمی، تنظیم خاصی از طیف سنج مورد نیاز است - کالیبراسیون آن با استفاده از نمونه های استاندارد. طیف نمونه آزمایش با طیف به دست آمده از تابش نمونه های کالیبراسیون مقایسه می شود.
دقت تعیین عناصر شیمیایی به عوامل زیادی بستگی دارد، مانند:
- اثر تحریک بین عنصری؛
- طیف پراکندگی پس‌زمینه؛
- وضوح دستگاه؛
- خطی بودن مشخصه شمارش طیف سنج؛
- طیف لوله اشعه ایکس و دیگران.
این روش پیچیده تر است و نیاز به یک مطالعه تحلیلی دارد، با در نظر گرفتن ثابت هایی که از قبل به صورت تجربی یا نظری تعیین شده اند.
کرامت
مزایای روش اشعه ایکس عبارتند از:
- امکان آزمایش غیر مخرب؛
- حساسیت و دقت بالا (تعیین ناخالصی تا 10-3%)؛
- طیف گسترده ای از عناصر شیمیایی تجزیه شده؛
- آسانی آماده سازی نمونه؛
- تطبیق پذیری;
- امکان تفسیر خودکار و کارایی بالای روش.
عیوب
از معایب آنالیز طیفی اشعه ایکس می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- افزایش الزامات ایمنی؛
- نیاز به فارغ التحصیلی فردی؛
- تفسیر دشوار ترکیب شیمیایی زمانی که خطوط مشخصه برخی عناصر نزدیک است؛
- لزوم ساخت آند از مواد کمیاب برای کاهش تشعشعات مشخصه پس زمینه که بر قابلیت اطمینان نتایج تأثیر می گذارد.
