РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

Воронежский муниципальный технический институт

Региональный научно-координационный центр «Ренакорд»

А.А. Лукин

РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

(Учебный модуль 2)

Учебно-методическое пособие

Воронеж 2000

УДК 548.73 (075.8)

Лукин А.А. Регистрация рентгеновских лучей и измерение их интенсивности: Учеб.- способ. пособие. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2000. 37 с.

Составителем учебного модуля изготовлена попытка обобщения материала по современным способам рентгеноспектрального анализа, рассмотрены разные способы рентгеноспектрального РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ анализа: эмиссионный, флуоресцентный, абсорбционный, микрорентгеноспектральный анализ, достоинства и недочеты способов, разные способы фокусировки спектрографов. Учебный модуль разработан для исследования особых курсов «Методы исследования жестких тел» и «Специальные способы исследования конструкционных материалов» с учетом советов Муниципального образовательного эталона высшего проф образования по специальности 070900 «Физика металлов», утвержденного 16.06.95 г.

Учебный модуль подготовлен РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ в рамках Федеральной мотивированной программки «Государственная поддержка интеграции высшего образования и базовой науки на 1997-2000 годы» Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского муниципального технического института.

Ил. 9. Библиогр.: 5 назв.

Научный редактор: д-р физ.-мат. наук А.Т. Косилов

Рецензенты: кафедра технологии металлов и конструкционных материалов Воронежской гос технологической академии;

д-р РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ хим. наук Ю.В. Спичкин

ã Лукин А.А., 2000
ã Оформление. Издательство Воронежского муниципального технического института, 2000

УЭ-0. ЦЕЛИ И СОДЕРЖАНИЕ МОДУЛЯ
По окончании исследования учебного модуля 2 «Рентгеноспектральный анализ » студент должен:
1. Знать способы рентгеноспектрального анализа. 2. Знать условия применимости способов рентгеноспектрального анализа. 3. Знать достоинства и недочеты способов рентгеноспектрального анализа. 4. Знать главные модели рентгеновских спектрографов РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ и спектрометров. 5. Иметь представление о способах фокусировки рентгеновских спектрографов и спектрометров. 6. Иметь представление об главных методиках, применяемых при работе на рентгеновских спектрографах и спектрометрах.
Эти цели воплощены в учебных элементах модуля 2.
Степень заслуги целей проверяется при проведении рубежного контроля УЭ-4, защите лабораторных работ, на итоговом экзамене, при РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ проверке остаточных познаний, при проведении итоговой аттестации студентов.
УЭ-0. Цели и содержание модуля. УЭ-1. Входной контроль. УЭ-2. Рентгеноспектральный анализ. УЭ-2.1. Рентгеновские спектрографы и спектрометры. УЭ-2.1.1. Спектрограф с фокусировкой по Иоганну. УЭ-2.1.2. Спектрограф с фокусировкой по Иоганссону. УЭ-2.1.3. Спектрограф с фокусировкой по Кошуа. УЭ-2.2. Кристаллы для спектрографов и спектрометров. УЭ РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ-2.3. Эмиссионный способ рентгеноспектрального анализа. УЭ-2.3.1. Высококачественный анализ УЭ-2.3.2. Количественный анализ УЭ-2.4. Микрорентгеноспектральный анализ. УЭ-2.5. Флуоресцентный способ анализа УЭ-2.6. Абсорбционный способ количественного рентгеноспектрального анализа УЭ-3. Резюме УЭ-4. Контроль (вопросы для проверки).

СТРУКТУРА МОДУЛЯ 2

« Рентгеноспектральный анализ »


УЭ-1. ВХОДНОЙ КОНТРОЛЬ Вопросы для самопроверки
Ответы: 1. Хим способ. 2. Оптический спектральный анализ. 1. Какие аналитические способы определения РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ содержания отдельных частей в разных субстанциях Вы понимаете?
1. Непрерывный (сплошной, белоснежный). 2. Характеристический. Il l0 l Il l0 l Вычисленное геометрическое размещение дифракционного максимума не изменяется. Интенсивность дифракционного максимума изменяется. Кинематическая теория, в отличие от динамической, не учитывает взаимодействие меж первичным и рассеянным излучением. 2. Сформулируйте закон Мозли. 3. Какие виды РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ рентгеновских спектров Вы понимаете? 4. Как меняется зависимость интенсивности рентгеновских лучей от длины волны при увеличении напряжения на рентгеновской трубке при постоянном токе накала? (Выстроить график непрерывного диапазона) 5. Как меняется зависимость интенсивности рентгеновских лучей от длины волны при увеличении значений тока через рентгеновскую трубку при постоянном высочайшем напряжении? (Выстроить график непрерывного РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ диапазона). 6. Что такое количественный анализ? 7. Что такое высококачественный анализ? 8. Как поменяются геометрическое размещение дифракционного максимума и его интенсивность при аналитическом вычислении по кинематической и динамической теориям?

УЭ–2. РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
Рентгено-спектральный анализ – определение элемент-ного состава веществ Достоинства рентгено-спектрального анализа: – не достаточно линий; – обоюдное размещение линий серий (К и РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ L) практически идиентично у всех частей; – длины волн характеристического диапазона по закону Мозли зависят от порядкового номера элемента. Чувствительность анализа составляет 0,1-0,001 % Рентгеновские диапазоны обширно употребляются для определения содержания отдельных частей в разных субстанциях. Рентгеноспектральный анализ позволяет существенно ускорить определение состава образцов по сопоставлению с хим способами и РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ обеспечивает достаточную точность. К числу преимуществ рентгеноспектрального анализа по сопоставлению с оптическим спектральным анализом относится то, что рентгеновские диапазоны содержат не много линий; обоюдное размещение линий внутренних серий (К и L) практически идиентично у всех частей; длины волн характеристического диапазона закономерно (по закону Мозли) зависят от порядкового номера элемента РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ. Надежность рентгеноспектрального анализа не меньше надежности других аналитических способов. Чувствительность (малое содержание элемента, определяемое данным аналитическим способом) довольно высочайшая; она находится в зависимости от способа рентгеноспектрального анализа и миниатюризируется по мере перехода от томных частей к легким. Обычно чувствительность анализа составляет 0,1-0,001 %, но в неких подходящих случаях удавалось получить РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ пороговую чувствительность %. Общее признание получил микрорентгеноспектральный анализ, позволяющий определять хим состав в микрообъемах, составляющих всего 0,3-2 мкм3 при чувствительности 0,2 - 0,02 %. Удачно развивается также флуоресцентный рентгеноспектральный анализ, который позволяет вести исследование без разложения либо разрушения пробы (жесткое тело, жидкость, газ) сразу на содержание многих (до 24) частей. Анализ можно проводить в автоматических установках- рентгеновских спектрометрах и РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ квантометрах, владеющих очень высочайшей производительностью. К недочетам рентгеноспектрального анализа следует отнести сложность и высшую цена оборудования. Есть три способа рентгеноспектрального анализа: 1) эмиссионный (по первичным характеристическим диапазонам); 2) абсорбционный (по диапазонам поглощения); 3) флуоресцентный (по вторичным характеристическим диапазонам).
Эмиссионный способ обладает высочайшей чувствительностью - 0,1-0,01 %. Погрешность количественного анализа составляет 2–5 % содержания определяемого РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ элемента. Абсорбционный способ обладает низкой чувствительностью – 0,5 - 0,15 %. Погрешность количественного анализа составляет 10 – 15 %. Флуоресцентный способ обладает наивысшей чувствительностью – 0,04-0,0005 %. Эмиссионный способ. Этим способом исследуется диапазон вещества, помещенного на анод рентгеновской трубки. При бомбардировке вещества пучком электронов появляется первичное характеристическое излучение, которое, пройдя через щель, разлагается в диапазон при помощи кристалла и регится на РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ фотопленке либо при помощи счетчика. Эмиссионный способ обладает высочайшей чувствительностью - 0,1-0,01 %. Погрешность количественного анализа по первичным диапазонам составляет 2–5 % содержания определяемого элемента. При исследовании этим способом исследуемое вещество нагревают и потому анализ просто испаряющихся веществ, к примеру серы и селена, представляет очень тяжелую задачку. Абсорбционный способ. Этот способ используют в главном при определении сравнимо РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ томных примесей в жидкостях. Воды помещают в кюветы из материала с малым коэффициентом поглощения рентгеновских лучей. Прошедший через кювету пучок рентгеновских лучей разлагают в диапазон. При анализе исследуются конфигурации в диапазоне, которые появились при прохождении лучей через вещество. Абсорбционный способ обладает сравнимо низкой чувствительностью - 0,5-0,15 %. Погрешность количественного анализа составляет РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ 10–15 %. Флуоресцентный способ. При исследовании флуоресцентным способом вещество помещают поблизости анода сильной рентгеновской трубки. Первичное излучение, выходящее из трубки, возбуждает вторичное характеристическое излучение исследуемого вещества. Это излучение, выделенное в практически параллельный пучок при помощи щели Соллера, попадает на кристалл, который разлагает его в диапазон. Диапазон обычно регится при помощи газоразрядных РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ либо сцинтилляционных счетчиков. Фотографический способ не применяется из-за малой интенсивности вторичных спектров. Потому что исследуемое вещество находится вне рентгеновской трубки, то на проведение анализа затрачивается времени не больше, чем при исследовании способом оптического анализа. Объект при исследовании не греется, и потому может быть исследование даже просто РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ испаряющихся веществ. Этот способ анализа обладает наивысшей чувствительностью, равной 0,04-0,0005 %.
2.1. Рентгеновские спектрографы и спектрометры
Спектрометр– прибор с ионизационной регистрацией диапазона. Спектрограф–с фоторегистрацией диапазона. Преимущество спектрометра – высочайшая светосила. Разрешающая способность ниже, чем у фокусирующих спектрографов с изогнутым кристаллом. Рентгеновские лучи могут быть разложены в диапазон при помощи спектрографов, использующих плоские и РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ изогнутые кристаллы. Разглядим некие типы рентгеновских спектрографов. Спектрометр с плоским кристаллом. На рис. 1 приведена схема спектрометра с плоским кристаллом, который в главном применяется для флуоресцентного способа анализа. Вторичное характеристическое излучение эталона 1, возбужденное пучком первичных лучей от трубки 2, вырезается многопластинчатым коллиматором либо щелью Соллера 3. После отражения от кристалла 4 пучок проходит РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ через вторую щель Соллера и регится при помощи счетчика 5, кристалл 4 крутится вокруг оси, проходящей через его поверхность, с угловой скоростью q. Счетчик и 2-ая щель Соллера крутятся со скоростью 2q. Рис. 1. Схема спектрометра с плоским кристаллом Преимуществом такового спектрометра является его высочайшая светосила, обусловленная тем, что сразу употребляется для отражения практически РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ вся поверхность огромного плоского кристалла. Но его разрешающая способность ниже, чем фокусирующих спектрографов с изогнутым кристаллом.
Кристалл изогнут по радиусу, равному поперечнику фокальной окружности. Условия фокусировки: – нормали к отражающим плоскостям сходятся в одной точке N на фокальном круге (производится)– отражающие точки поверхности кристалла лежат на фокальном круге РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ (не производится). УЭ-2.1.1. Спектрограф с фокусировкой по Иоганну. В этом спектрографе (рис. 2), обширно применяющемся в текущее время, употребляется кристалл, изогнутый по радиусу, равному поперечнику фокальной окружности. Отражающие атомные плоскости параллельны наружной поверхности кристалла. Щель отсутствует, а фокус рентгеновской трубки F размещается снутри фокального круга. Как видно из приведенной РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ схемы, в этом случае производится только одно условие фокусировки: нормали к отражающим атомным плоскостям сходятся в одной точке N на фокальном круге. 2-ое условие фокусировки не производится: отражающие точки поверхности кристалла, не считая точки А, не лежат на фокальном круге. Рис. 2. Схема спектрографа с фокусировкой по Иоганну (с изогнутым кристаллом) Нарушение РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ критерий фокусировки приводит к размытию спектральных линий (в сторону наименьших углов J). В этом несложно убедиться, рассматривая лучи, отраженные под одним и этим же углом от точек кристалла А, В и С (см. рис. 2). Проведем в точке А касательную к поверхности кристалла. Отраженный под углом J от атомной плоскости луч РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ пересечет фокальную окружность в точке Р. Лучи, отраженные под этим же углом от точек В и С, не попадут в точку Р. Они могли попасть в эту точку, если
Уширение вследствие косого падения лучей пропорционально углу J. С уменьшением угла J (длины волны лучей l), уширение возрастает, в РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ итоге чего способ употребляют в области огромных углов J (обычно J ³ 20°), (l > 1,45 Ǻ). бы касательные к атомным плоскостям в этих точках размещались в точках В' и С' на фокальном круге. Потому что это условие не производится, то надлежащие отраженные лучи пересекут фокальный круг в точках Р' и Р РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ". Ширина спектральных линий b определяется формулой: , (1) где R - радиус фокального круга; J - угол Вульфа - Брэгга; j - угловой раствор кристалла (см. рис. 2). Угловой раствор кристалла j обычно ограничивают особым экраном Н. Косое падение лучей на пленку также вызывает дополнительное размытие в двойном слое эмульсии, потому для получения спектрограмм способом РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ Иоганна или используют одностороннюю фотопленку, или сходу после проявления снимают наружный слой эмульсии. Уширение вследствие косого падения лучей также пропорционально углу J. С уменьшением угла J, а как следует, и длины волны лучей l уширение возрастает, в итоге чего способ Иоганна может быть применен в области огромных углов J (обычно J &sup РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ3; 20°). Спектрограф Иоганна обычно делают вакуумным: рентгеновская трубка, кристалл и фотопленка находятся в общем вакууме. Он применяется для исследования спектральной области с длинами волн l > 1,45 Ǻ. Принцип фокусировки по Иоганну употребляется также в длинноволновых спектрометрах, в каких диапазон регится при помощи проточных пропорциональных счетчиков, перемещающихся повдоль фокальной окружности. Разрешающая РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ способность Р спектрографа (оборотная величина малой разности для волн, разрешаемых примыкающих спектральных линий) прямо пропорциональна угловой дисперсии , радиусу фокальной окружности R и назад пропорциональна ширине спектральной полосы b:
В монокристалле вышлифовывают цилиндрическую поверхность радиусом 2R, равным поперечнику фокального круга. При всем этом отражающие атомные плоскости изогнуты по поперечнику фокального круга. Способ РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ обеспечивает точную фокусировку и большой угол апертуры (j), что дает стократный выигрыш в экспозиции. , (2) где = dJ/dl = n /(2 d сosJ) = tg J/l. Отсюда следует, что для увеличения разрешающей возможности спектрографа нужно использовать отражения под большенными углами J и наращивать радиус спектрографа. Но повышение радиуса приводит также к повышению РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ширины спектральных линий, потому в серийных спектрографах радиус фокальной окружности не превосходит 500 -600 мм. УЭ-2.1.2. Спектрограф с фокусировкой по Иоганссону. Для устранения дефокусировки, присущей способу Иоганна, Иоганссон предложил вышлифовать в монокристальной пластинке цилиндрическую поверхность радиусом 2R, равным поперечнику фокального круга. Потом кристалл изгибают так, чтоб его отражающая поверхность размещалась РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ по радиусу фокального круга. При всем этом отражающие атомные плоскости изогнуты по поперечнику фокального круга. Из схемы фокусировки, приведенной на рис. 3, видно, что лучи, отраженные от точек А, В и С кристалла, пересекутся в одной точке Р на фокальном круге. Рис. 3. Схема спектрографа с фокусировкой по Иоганссону Этот способ РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ обеспечивает точную фокусировку и потому позволяет избрать большой угол раствора кристалла j, При большой апертуре j просто получить стократный выигрыш в экспозиции по сопоставлению с способом плоского

Недочет способа –сложность производства монокристальной пластинки. Спектрограф применяется для исследования коротковолнового участка диапазона (0,6-1,7 Е) Фокусировка осуществляет-ся при прохождении рентгеновских лучей через узкую РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ монокристальную пластинку, изогнутую по радиусу, равному поперечнику фокального круга. колеблющегося кристалла. Недочетом способа Иоганссона является сложность производства монокристальной пластинки, вышлифованной по поверхности цилиндра. Спектрограф Иоганссона применяется для исследования только длинноволновых участков диапазона. УЗ-2.1.3. Спектрограф с фокусировкой по Кошуа. Этот спектрограф применяется для исследования коротковолнового участка диапазона РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ. Фокусировка в нем осуществляется при прохождении рентгеновских лучей через узкую (шириной a) монокристальную пластинку, изогнутую по радиусу, равному поперечнику фокального круга (рис. 4). Рис. 4. Схема спектрографа с фокусировкой по Кошуа От фокусного пятна F, размещенного вне фокального круга, рентгеновские лучи падают на кристалл с выпуклой стороны и отражаются от атомных плоскостей, расположенных веерообразно РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ (до извива эти плоскости размещались под углом a к плоской поверхности кристалла). Лучи, отражающиеся под одним и этим же углом j, сходятся на фокальном


rerih-n-k-o-vechnom-stranica-65.html
res-bult-no-77-agric-res-center-king-saud-univ-pp-5-33-1998.html
research-policies-in-practice.html