რენტგენის სპექტრული ანალიზი მნიშვნელოვან ადგილს იკავებს მასალების შესწავლის ყველა მეთოდს შორის. იგი ფართოდ გამოიყენება ტექნოლოგიის სხვადასხვა დარგში ექსპრეს კონტროლის შესაძლებლობის გამო ტესტის ნიმუშის განადგურების გარეშე. ერთი ქიმიური ელემენტის განსაზღვრის დრო შეიძლება იყოს მხოლოდ რამდენიმე წამი; პრაქტიკულად არ არსებობს შეზღუდვები შესწავლილი ნივთიერებების ტიპზე. ანალიზი ტარდება როგორც თვისებრივი, ასევე რაოდენობრივი თვალსაზრისით.
რენტგენის სპექტრული ანალიზის არსი
რენტგენის სპექტრული ანალიზი არის მასალების შესწავლისა და კონტროლის ერთ-ერთი ფიზიკური მეთოდი. ის დაფუძნებულია სპექტროსკოპიის ყველა მეთოდისთვის საერთო იდეაზე.
რენტგენის სპექტრული ანალიზის არსი მდგომარეობს ნივთიერების უნარში, გამოასხივოს დამახასიათებელი რენტგენის გამოსხივება, როდესაც ატომები დაბომბეს სწრაფი ელექტრონებით ან კვანტებით. ამავე დროს, მათი ენერგია უნდა იყოს უფრო დიდი ვიდრე ენერგია, რომელიც აუცილებელია ატომის გარსიდან ელექტრონის გამოსაყვანად. ასეთი ზემოქმედება იწვევს არა მხოლოდ დამახასიათებელი რადიაციული სპექტრის გამოჩენას,შედგება მცირე რაოდენობის სპექტრული ხაზებისგან, მაგრამ ასევე უწყვეტი. აღმოჩენილი ნაწილაკების ენერგეტიკული შემადგენლობის შეფასება შესაძლებელს ხდის დასკვნების გამოტანას შესასწავლი ობიექტის ფიზიკური და ქიმიური თვისებების შესახებ.
ნივთიერებაზე მოქმედების მეთოდის მიხედვით, აღირიცხება ან იგივე ტიპის ნაწილაკები ან სხვა. ასევე არსებობს რენტგენის შთანთქმის სპექტროსკოპია, მაგრამ ის ყველაზე ხშირად ემსახურება როგორც დამხმარე ინსტრუმენტს ტრადიციული რენტგენის სპექტროსკოპიის ძირითადი საკითხების გასაგებად.
ნივთიერებების ტიპები
რენტგენის სპექტრული ანალიზის მეთოდები საშუალებას გვაძლევს შევისწავლოთ ნივთიერების ქიმიური შემადგენლობა. ეს მეთოდი ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას, როგორც ექსპრეს არადესტრუქციული ტესტირების მეთოდი. შემდეგი ტიპის ნივთიერებები შეიძლება ჩართული იყოს კვლევაში:
- მეტალები და შენადნობები;
- კლდეები;
- მინა და კერამიკა;
- სითხე;
- აბრაზიული;
- გაზები;
- ამორფული ნივთიერებები;
- პოლიმერები და სხვა ორგანული ნაერთები;
- ცილები და ნუკლეინის მჟავები.
რენტგენის სპექტრული ანალიზი ასევე საშუალებას გაძლევთ განსაზღვროთ მასალების შემდეგი თვისებები:
- ფაზის შემადგენლობა;
- ერთკრისტალების, კოლოიდური ნაწილაკების ორიენტაცია და ზომა;
- შენადნობის მდგომარეობის დიაგრამები;
- ატომური სტრუქტურა და ბროლის ბადის დისლოკაცია;
- შიდა სტრესები;
- თერმული გაფართოების კოეფიციენტი და სხვა მახასიათებლები.
ამ მეთოდის საფუძველზე inწარმოება იყენებს რენტგენის ხარვეზების გამოვლენას, რაც საშუალებას გაძლევთ გამოავლინოთ სხვადასხვა სახის არაერთგვაროვნება მასალებში:
- ჭურვი;
- უცხო ჩანართები;
- ფორები;
- ბზარები;
- გაუმართავი შედუღება და სხვა დეფექტები.
ანალიზის ტიპები
რენტგენის გამომუშავების მეთოდიდან გამომდინარე, განასხვავებენ რენტგენის სპექტრული ანალიზის შემდეგ ტიპებს:
- რენტგენის ფლუორესცენტური. ატომები აღგზნებულია პირველადი რენტგენის გამოსხივებით (მაღალი ენერგიის ფოტონები). ეს გრძელდება დაახლოებით მიკროწამში, რის შემდეგაც ისინი გადადიან მშვიდ, ძირითად მდგომარეობაში. ჭარბი ენერგია შემდეგ გამოიყოფა ფოტონის სახით. თითოეული ნივთიერება ასხივებს ამ ნაწილაკებს ენერგიის გარკვეული დონით, რაც შესაძლებელს ხდის მის ზუსტად იდენტიფიცირებას.
- რენტგენის რადიომეტრიული. მატერიის ატომები აღგზნებულია რადიოაქტიური იზოტოპის გამა გამოსხივებით.
- ელექტრონული ზონდი. აქტივაცია ხორციელდება ფოკუსირებული ელექტრონული სხივით რამდენიმე ათეული კევ ენერგიით.
- ანალიზი იონების აგზნებით (პროტონები ან მძიმე იონები).
რენტგენის სპექტრული ანალიზის ყველაზე გავრცელებული მეთოდია ფლუორესცენცია. რენტგენის აგზნებას, როდესაც ნიმუში დაბომბულია ელექტრონებით, ეწოდება პირდაპირი, ხოლო რენტგენის სხივებით დასხივებისას მას მეორადი (ფლუორესცენტული).
რენტგენის ფლუორესცენციის ანალიზის საფუძვლები
რენტგენის ფლუორესცენციის მეთოდი ფართოდგამოიყენება ინდუსტრიაში და სამეცნიერო კვლევებში. სპექტრომეტრის მთავარი ელემენტია პირველადი გამოსხივების წყარო, რომელიც ყველაზე ხშირად გამოიყენება რენტგენის მილების სახით. ამ გამოსხივების გავლენით, ნიმუში იწყებს ფლუორესცირებას, ასხივებს ხაზის სპექტრის რენტგენის სხივებს. მეთოდის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებელია ის, რომ თითოეულ ქიმიურ ელემენტს აქვს თავისი სპექტრული მახასიათებლები, მიუხედავად იმისა, არის თუ არა იგი თავისუფალ ან შეკრულ მდგომარეობაში (როგორც ნებისმიერი ნაერთის ნაწილი). ხაზების სიკაშკაშის შეცვლა შესაძლებელს ხდის მისი კონცენტრაციის რაოდენობრივ განსაზღვრას.
რენტგენის მილი არის ბუშტი, რომლის შიგნით იქმნება ვაკუუმი. მილის ერთ ბოლოში არის კათოდი ვოლფრამის მავთულის სახით. იგი თბება ელექტრული დენით იმ ტემპერატურამდე, რომელიც უზრუნველყოფს ელექტრონების გამოყოფას. მეორე ბოლოში არის ანოდი მასიური ლითონის სამიზნის სახით. კათოდსა და ანოდს შორის იქმნება პოტენციური სხვაობა, რის გამოც ელექტრონები აჩქარდებიან.
დამუხტული ნაწილაკები, რომლებიც მოძრაობენ დიდი სიჩქარით, მოხვდება ანოდში და აღაგზნებს bremsstrahlung-ს. მილის კედელში არის გამჭვირვალე ფანჯარა (ყველაზე ხშირად იგი დამზადებულია ბერილიუმისგან), საიდანაც გამოდის რენტგენი. რენტგენის სპექტრული ანალიზის მოწყობილობებში ანოდი დამზადებულია რამდენიმე ტიპის ლითონისგან: ვოლფრამი, მოლიბდენი, სპილენძი, ქრომი, პალადიუმი, ოქრო, რენიუმი.
გამოსხივების დაშლა სპექტრად და მისი რეგისტრაცია
სპექტრში არსებობს რენტგენის დისპერსიის 2 ტიპი - ტალღა და ენერგია. პირველი ტიპი ყველაზე გავრცელებულია. რენტგენის სპექტრომეტრებს, რომლებიც მუშაობენ ტალღის დისპერსიის პრინციპით, აქვთ ანალიზატორის კრისტალები, რომლებიც აფანტავს ტალღებს გარკვეული კუთხით.
ერთკრისტალები გამოიყენება რენტგენის სხივების სპექტრად დასაშლელად:
- ლითიუმის ფტორიდი;
- კვარცი;
- ნახშირბადი;
- კალიუმის მჟავა ან ტალიუმის ფტალატი;
- სილიკონი.
ისინი ასრულებენ დიფრაქციული ბადეების როლს. მასობრივი მრავალელემენტიანი ანალიზისთვის ინსტრუმენტები იყენებენ ისეთი კრისტალების ერთობლიობას, რომლებიც თითქმის მთლიანად ფარავს ქიმიური ელემენტების მთელ დიაპაზონს.
რენტგენის კამერები გამოიყენება რენტგენოგრაფიის, ან ფოტოგრაფიულ ფილმზე დაფიქსირებული დიფრაქციული ნიმუშის მისაღებად. ვინაიდან ეს მეთოდი შრომატევადი და ნაკლებად ზუსტია, ის ამჟამად გამოიყენება მხოლოდ ლითონებისა და სხვა მასალების რენტგენოლოგიურ ანალიზში ხარვეზების გამოსავლენად.
პროპორციული და სცინტილაციური მრიცხველები გამოიყენება გამოსხივებული ნაწილაკების დეტექტორებად. ამ უკანასკნელ ტიპს აქვს მაღალი მგრძნობელობა მძიმე გამოსხივების რეგიონში. დეტექტორის ფოტოკათოდზე დაცემული ფოტონები გარდაიქმნება ელექტრულ ძაბვის იმპულსად. სიგნალი ჯერ გამაძლიერებელზე მიდის, შემდეგ კი კომპიუტერის შესასვლელში.
აპლიკაციის სფერო
რენტგენის ფლუორესცენციის ანალიზი გამოიყენება შემდეგი მიზნებისთვის:
- ზეთში მავნე მინარევების განსაზღვრა დანავთობპროდუქტები (ბენზინი, საპოხი მასალები და სხვა); მძიმე ლითონები და სხვა საშიში ნაერთები ნიადაგში, ჰაერში, წყალში, საკვებში;
- ქიმიურ მრეწველობაში კატალიზატორების ანალიზი;
- კრისტალური გისოსის პერიოდის ზუსტი განსაზღვრა;
- დამცავი საფარის სისქის გამოვლენა არადესტრუქციული მეთოდით;
- ნედლეულის წყაროების განსაზღვრა, საიდანაც მზადდება ნივთი;
- მატერიის მიკრომოცულობის გამოთვლა;
- ქანების ძირითადი და მინარევის კომპონენტების განსაზღვრა გეოლოგიასა და მეტალურგიაში;
- კულტურული და ისტორიული ღირებულების ობიექტების (ხატები, ფერწერა, ფრესკები, სამკაულები, ჭურჭელი, ორნამენტები და სხვადასხვა მასალისგან დამზადებული სხვა ნივთები), მათი დათარიღება;
- შემადგენლობის განსაზღვრა სასამართლო ანალიზისათვის.
ნიმუშის მომზადება
კვლევისთვის წინასწარ საჭიროა ნიმუშის მომზადება. ისინი უნდა აკმაყოფილებდნენ შემდეგ პირობებს რენტგენის ანალიზისთვის:
- ერთგვაროვნება. ეს პირობა შეიძლება დაკმაყოფილდეს ყველაზე მარტივად თხევადი ნიმუშებისთვის. კვლევის დაწყებამდე ხსნარის სტრატიფიკაციისას მას ურევენ. რადიაციის მოკლე ტალღის რაიონში ქიმიური ელემენტების ერთგვაროვნება მიიღწევა ფხვნილად დაფქვით, ხოლო გრძელი ტალღის რეგიონში ნაკადთან შერწყმით.
- რეზისტენტული გარე გავლენის მიმართ.
- შეესაბამება ნიმუშის ჩამტვირთველის ზომას.
- მყარი ნიმუშების ოპტიმალური უხეშობა.
რადგან თხევად ნიმუშებს აქვს მთელი რიგი უარყოფითი მხარეები (აორთქლება, მოცულობის ცვლილება გაცხელებისას, ნალექინალექი რენტგენის გამოსხივების მოქმედებით), სასურველია მშრალი ნივთიერების გამოყენება რენტგენის სპექტრული ანალიზისთვის. ფხვნილის ნიმუშები შეედინება კუვეტში და დაჭერით. კუვეტი დამონტაჟებულია დამჭერში ადაპტერის მეშვეობით.
რაოდენობრივი ანალიზისთვის რეკომენდებულია ფხვნილის ნიმუშების დაჭერა ტაბლეტებში. ამისთვის ნივთიერებას აფუჭებენ წვრილ ფხვნილამდე, შემდეგ კი ტაბლეტებს ამზადებენ პრესაზე. ფხვიერი ნივთიერებების დასაფიქსირებლად ისინი მოთავსებულია ბორის მჟავის სუბსტრატზე. სითხეები ასხამენ კუვეტებში პიპეტის გამოყენებით, ბუშტების არარსებობის შემოწმებისას.
ნიმუშების მომზადება, ანალიზის ტექნიკის და ოპტიმალური რეჟიმის შერჩევა, სტანდარტების შერჩევა და მათზე ანალიტიკური გრაფიკების აგება ახორციელებს რენტგენის სპექტრული ანალიზის ლაბორანტი, რომელმაც უნდა იცოდეს ფიზიკის, ქიმიის საფუძვლები., სპექტრომეტრების დიზაინი და კვლევის მეთოდოლოგია.
ხარისხობრივი ანალიზი
ნიმუშების ხარისხობრივი შემადგენლობის განსაზღვრა ხორციელდება მათში გარკვეული ქიმიური ელემენტების იდენტიფიცირებისთვის. რაოდენობრივი განსაზღვრა არ ხდება. კვლევა ტარდება შემდეგი თანმიმდევრობით:
- ნიმუშების მომზადება;
- სპექტრომეტრის მომზადება (მისი დათბობა, გონიომეტრის დაყენება, ტალღის სიგრძის დიაპაზონის დაყენება, სკანირების ნაბიჯი და ექსპოზიციის დრო პროგრამაში);
- სწრაფი სკანირება, მიღებული სპექტრების ჩაწერა კომპიუტერის მეხსიერებაში;
- მიღებული სპექტრული დაშლის გაშიფვრა.
ნიმუშის
გამოსხივების ინტენსივობა ყოველ მომენტშისკანირება გამოსახულია კომპიუტერის მონიტორზე გრაფიკის სახით, რომლის ჰორიზონტალური ღერძის გასწვრივ გამოსახულია ტალღის სიგრძე, ხოლო ვერტიკალური ღერძის გასწვრივ - გამოსხივების ინტენსივობა. თანამედროვე სპექტრომეტრების პროგრამული უზრუნველყოფა იძლევა მიღებული მონაცემების ავტომატურად გაშიფვრას. თვისებრივი რენტგენის ანალიზის შედეგი არის ქიმიკატების ხაზების სია, რომლებიც ნაპოვნი იქნა ნიმუშში.
შეცდომები
არასწორად იდენტიფიცირებული ქიმიური ელემენტები ხშირად შეიძლება მოხდეს. ეს გამოწვეულია შემდეგი მიზეზების გამო:
- გაფანტული bremsstrahlung-ის შემთხვევითი გადახრები;
- ხაზები ანოდის მასალისგან, ფონის გამოსხივება;
- ინსტრუმენტის შეცდომები.
ყველაზე დიდი უზუსტობა ვლინდება ნიმუშების შესწავლისას, რომლებშიც დომინირებს ორგანული წარმოშობის მსუბუქი ელემენტები. ლითონების რენტგენის სპექტრული ანალიზის ჩატარებისას გაფანტული გამოსხივების წილი ნაკლებია.
რაოდენობრივი ანალიზი
რაოდენობრივი ანალიზის ჩატარებამდე საჭიროა სპექტრომეტრის სპეციალური დაყენება - მისი დაკალიბრება სტანდარტული ნიმუშების გამოყენებით. საცდელი ნიმუშის სპექტრი შედარებულია კალიბრაციის ნიმუშების დასხივების შედეგად მიღებულ სპექტრთან.
ქიმიური ელემენტების განსაზღვრის სიზუსტე დამოკიდებულია ბევრ ფაქტორზე, როგორიცაა:
- ინტერემენტების აგზნების ეფექტი;
- ფონის გაფანტვის სპექტრი;
- მოწყობილობის გარჩევადობა;
- წრფივიობა;
- რენტგენის მილის სპექტრი და სხვა.
სპექტრომეტრის დათვლის მახასიათებლის
ეს მეთოდი უფრო რთულია და მოითხოვს ანალიტიკურ კვლევას წინასწარ განსაზღვრული ექსპერიმენტულად ან თეორიულად მუდმივთა გათვალისწინებით.
ღირსება
რენტგენის მეთოდის უპირატესობებში შედის:
- არადესტრუქციული ტესტირების შესაძლებლობა;
- მაღალი მგრძნობელობა და სიზუსტე (მინარევების განსაზღვრა 10-3%);
- გაანალიზებული ქიმიური ელემენტების ფართო სპექტრი;
- მარტივი ნიმუშის მომზადება;
- მრავალფეროვნება;
- ავტომატური ინტერპრეტაციის შესაძლებლობა და მეთოდის მაღალი შესრულება.
ხარვეზები
რენტგენის სპექტრული ანალიზის ნაკლოვანებებს შორისაა შემდეგი:
- გაზრდილი უსაფრთხოების მოთხოვნები;
- საჭიროება ინდივიდუალური დამთავრებისთვის;
- ქიმიური შემადგენლობის რთული ინტერპრეტაცია, როდესაც ზოგიერთი ელემენტის დამახასიათებელი ხაზები ახლოსაა;
- აუცილებელია წარმოების ანოდები იშვიათი მასალებისგან, რათა შემცირდეს ფონის დამახასიათებელი გამოსხივება, რაც გავლენას ახდენს შედეგების სანდოობაზე.
