| Статистика |
|---|
Онлайн всього: 1 Гостей: 1 Користувачів: 0
|
|
Рентгенівський спектральний аналіз у металургійному виробництві
Рентгенівський спектральний аналіз
Рентгенівський спектральний аналіз ( РСА) заснований на вивченні рентгенівських характеристичних спектрів речовин. Висока продуктивність методу, універсальність, широкий аналітичний діапазон концентрацій, простота підготовки проб та інші чинники сприяли його широкому впровадженню в аналітичну практику на виробництві та в ході дослідних розробок.
РСА знайшов широке застосування в металургійній промисловості при аналізі руд, концентратів, легованих сталей і сплавів, промислових відходів, а також при проведенні аналізів, пов'язаних з охоронною навколишнього середовища.
Методом РСА визначається більшість елементів періодичної системи Менделєєва Д. І. (практично від натрію до урану), межа виявлення становить 10-1 – 10-4 мас. %. Аналізовані проби можуть представляти собою плівки, опади після випарювання, порошки, масивні зразки, злитки, рідини. В ході РСА які-небудь зміни в пробах незначні, тому він є методом неруйнівного контролю. РСА особливо ефективний при аналізі проб, що містять хімічно схожі елементи.
Переваги методу роблять його особливо цінним там, де необхідний безперервний контроль складу продуктів. РСА дозволяє внести істотний внесок в комплексну автоматизацію технологічних процесів.
В останні роки на підприємствах чорної і кольорової металургії активно впроваджуються автоматизовані системи аналітичного контролю (АСАК) на базі рентгенівських спектрометрів.
РСА заснований на вивченні стану та інтенсивності ліній електромагнітного спектра в діапазоні довжин хвиль ~ n 10-2 - n 10,0 нм.
Як і в інших методах прикладної спектроскопії за положенням ліній встановлюють якісний елементний склад аналізованих проб, а за відносної інтенсивності ліній - кількісний вміст обумовлених елементів.
Для здійснення РСА необхідно генерувати рентгенівське випромінювання в аналізованій пробі, розкласти виходить із зразка випромінювання в спектр, зареєструвати енергетичне положення і інтенсивність окремих ліній спектра і з допомогою розрахункових чи експериментальних градуювальних характеристик визначити склад проби.
При опроміненні проби досить жорстким рентгенівським випромінюванням (а також електронами, іонами, у-випромінюванням) можлива іонізація атома за рахунок видалення електронів з найближчих до ядра рівнів. Якщо енергія квантів збуджуючого випромінювання більше відповідного потенціалу іонізації атома, то надлишкова енергія вивільняється у вигляді кінетичної енергії фотоэлектрона:
А + hv = (А+)* +
Утворився збуджений іон (А+)* релаксує, а надлишкова енергія може виділитися у вигляді рентгенівського кванта h рент.
Інтенсивність регенерованого випромінювання hv рент є аналітичним сигналом елемента.
Можлива також без випромінювальна релаксація порушеної іона. Ймовірність релаксації за излучательному або без излучательному механізмів характеризується параметром, який названий виходом флюоресценції (w).
w = N изл/ N*,
де N* - загальне число збуджених іонів; N изл - число іонів, релаксировавших за излучательному механізму.
Вихід флуоресценції w зростає із збільшенням атомного номера елемента Z. Тому РСА переважно використовувати для елементів з великим Z.
В результаті електронних переходів, заповнюють вакансії на До-рівні, утворюється До-серія рентгенівського спектру, який називають характеристичним, так як кожному переходу відповідає цілком певна, характерна тільки для цього переходу енергія. При заповненні вакансій на L-рівні утворюється L-серія спектру і т. д.
На відміну від оптичної спектроскопії, де спектр досить складний, і теоретично розрахувати положення спектральних ліній в більшості випадків досить складно, положення ліній в характеристическом рентгенівському спектрі може бути розрахований за законом Мозлі:
1/?=R(z-?)2 (1/n12 – 1/n2 2),
де ? - довжина хвилі рентгенівського випромінювання; ? - константа екранування; R - постійна Рідберга (пов'язана з масою спокою і зарядом електрона); п1и п2 - головні квантові числа, що відповідають початковому і кінцевому енергетичним станам.
У спрощеному вигляді формулу Мозлі можна представити у вигляді
1/? = k(z-?)2.
Із закону Мозлі випливає, що в першому наближенні довжини хвиль рентгенівських ліній обернено пропорційні квадрату атомного номера елемента
Класифікація різних варіантів РСА найчастіше дається за способом збудження характеристичного порушення:
1) рентгенофлуоресцентний аналіз (РФА) - збудження характеристичного рентгенівського випромінювання здійснюють рентгенівським випромінюванням від спектрального джерела - рентгенівської трубки, прискорювачі заряджених частинок (синхротронне випромінювання) і т. д.;
2) рентгенорадиометрический аналіз (РРА) - збудження здійснюють з допомогою випромінювання радіоактивних ізотопів;
3) рентгеноспектральний аналіз за первинним спектрами - збудження характеристичного випромінювання в пробі здійснюють з допомогою пучків заряджених частинок відповідної енергії (електрони, позитрони, іони).
Останній спосіб збудження в даний час знаходить широке застосування методи локального аналізу та аналізу поверхні. Один з найбільш поширених в даний час способів кількісного локального аналізу - рентгеноспектральний мікроаналіз (РСМА), в якому збудження аналітичного сигналу здійснюють електронним зондом, сфокусованим до діаметру в частки мкм.
З точки зору генерації характеристичного рентгенівського випромінювання всі ці методи ідентичні. Однак вони різко розрізняються за меж виявлення елементів, які визначаються співвідношенням корисного сигналу і фону, і за локальності, яка визначається зоною генерації рентгенівського випромінювання в пробі. Фон в різних варіантах РСА обумовлений різними процесами взаємодії електромагнітного випромінювання або потоків заряджених частинок з пробою.
У двох найбільш поширених варіантах рентгеноспектрального аналізу (РФА та РСМА - фон розрізняється по величині на два порядки (у другому випадку він вище).
Так як величина фону в РСМА істотно вище, ніж у РФА, це позначається на межах виявлення, які РФА, в середньому, на два порядки нижче. Однак з-за високої інтенсивності характеристичного випромінювання в РСМА вдається визначати більш легкі елементи (аж до Li, Z = 3), тоді як у РФА, як правило, визначають елементи з Z > 9 (F).
В останні роки інтенсивно розвивається метод РСА з іонним збудженням, де величина фону дуже низька, і межі виявлення досягають 10-5 %.
Зона генерації рентгенівського випромінювання в РФА і РРА досягає поверхні аналізованої проби 1 - 10 см, тоді як у РСМА 1-10 мкм.Тому перші два методи, в основному, використовують для визначення валового вмісту елементів в пробі, тоді як РСМА використовують для локального аналізу.
Розкладання рентгенівського випромінювання в спектр і його реєстрація
Використовують два принципи розкладання (або дисперсії) генерованого рентгенівського випромінювання в спектр - хвильову енергетичну дисперсію.
Для здійснення хвильової дисперсії використовують рентгенівські спектрометри, до складу яких входять кристали-аналізатори з відповідними межплоскостными відстанями, пружно розсіюючі рентгенівське випромінювання під певним кутом, якщо виконується закон Вульфа-Брегга п = 2dsin (див. розділ щодо методів фазового аналізу). Як зазначалося при розгляді рентгенодифракционного аналізу (РДА), тут п - ціле число (1, 2, 3, ...), називається порядком відображення, ?- кут (Брега) між падаючим випромінюванням і атомними площинами відображає кристала, d - межплоскостное відстань відображає кристалі.
Використовуючи набір кристалів-аналізаторів з різними d, можна визначати довжини хвиль генерованого рентгенівського випромінювання в широкому спектральному діапазоні.
Для масового багатоелементного аналізу використовують багатоканальні прилади, так звані квантометры, з жорстко фіксованими значеннями кутів ? в кожному каналі. При цьому можливий кількісний експресний аналіз з використанням одночасно до декількох десятків каналів. Такі прилади отримали широке поширення в металургії, особливо в практиці заводського контролю сировини і продукції.
В якості детекторів в спектрометрах з хвильовою дисперсією використовують, головним чином, пропорційні і сцинтиляційні лічильники.
Роздільна здатність рентгенівських спектрометрів з хвильової диспепсією становить в середньому 20 - 30 ев. При реєстрації рентгенівського випромінювання в спектрометрах з хвильовою дисперсією слід враховувати можливість накладення на обрані аналітичні лінії ліній інших елементів. Його можна усунути, використовуючи енергетичну дисперсію рентгенівських квантів.
|
| Категорія: Наука і техніка | Додав: 28.09.2016
|
| Переглядів: 914
| Рейтинг: 0.0/0 |
|
