Рентгенофлуоресцентное определение редких элементов Sr, Rb, Nb в литий-фтористых редкометальных гранитах (стр. 3 из 5)
Основным источником рентгеновских лучей является рентгеновская трубка, в которой есть два электрода - катод и анод. При нагреве катода происходит электронная эмиссия. Электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и бомбардируют поверхность анода. Анод изготавливается из тяжелого металла, испускающего рентгеновское излучение под воздействием потока электронов. В настоящий момент трубки делают в основном с родиевым анодом, максимальным входным напряжением 50КВ и максимальной силой тока 1мА.
На рис.1 изображена схема одной из конструкций рентгеновской трубки, которая представляет собой вакуумированную стеклянную колбу (10-5 -10-6 мм рт. ст) с бериллиевым окном, с введенными в нее электродами - катодом и анодом.
Рис.1. Рентгеновская трубка с бериллиевым окном для выхода рентгеновского излучения.
Спектр излучения рентгеновской трубки лежит в достаточно широком диапазоне длин волн. В его состав входит тормозное рентгеновское излучение, представляющее собой непрерывное распределение по энергиям. Форма спектра тормозного излучения зависит от материала анода рентгеновской трубки и приложенного напряжения, при этом со стороны коротких волн эта кривая начинается с некоторой пороговой минимальной длины волны lmin, зависящей только от приложенного напряжения (рис.2).
Рис.2. Спектры рентгеновских трубок с молибденовым и медным анодом при разной толщине бериллиевого окна.
Для разных групп элементов используются различные значения силы тока и напряжения на трубке. Этой энергии достаточно чтобы возбуждать и регистрировать рентгенофлуоресцентное излучение различных атомов от натрия (Be) до урана (U). Для исследования лёгких элементов вполне достаточно установить напряжение 10 кВ, для средних 20-30 кВ, для тяжелых - 40-50 кВ. Кроме того, при исследовании лёгких элементов большое влияние на спектр оказывает атмосфера, поэтому камеру с образцом либо вакуумируют либо заполняют гелием.
Кроме рентгеновских трубок, источниками рентгеновского излучения могут быть радиоактивные изотопы, одни из которых могут непосредственно испускать рентгеновское излучение, другие испускают электроны или a-частицы, генерирующие рентгеновское излучение при бомбардировке металлических мишеней. Для радиоактивных изотопных источников необходимо, что бы их период полураспада был достаточно большим (не менее ½ года). Интенсивность рентгеновского излучения изотопных источников значительно меньше, чем рентгеновской трубки, но они имеют свои преимущества: малые габариты и отсутствие потребности в электроэнергии. Наиболее широко радиоизотопные источники используются в полевых условиях при анализе геологических образцов.
Для разложения излучения в спектр (выделения различных длин волн) используются кристаллы-анализаторы с кристаллическим плоскостями, параллельными поверхности и имеющими межплоскостное расстояние d.
Рис.3
Если излучение с длиной волны λ падает на кристалл под углом θ, дифракция возникнет только если расстояния, проходимые фотонами при отражении от соседних кристаллических плоскостей, отличаются на целое число (n) длин волн. С изменением угла θ при повороте кристалла по отношению к потоку излучения, дифракция будет возникать последовательно для различных длин волн в соответствии с законом Брэгга:
n λ = 2d sin θ.
Угловое положение (θ) кристалла-анализатора задается компьютером в зависимости от длины волны, которую нужно выделить из спектра для анализа требуемого элемента. Выделенное излучение поступает в детектор рентгеновского излучения для измерения интенсивности. Мерой интенсивности является число фотонов, поступающее в счетное устройство за единицу времени - скорость счета [имп/с].
Так как разделение пиков рентгеновской флуоресценции зависит от соотношения длины волны и межплоскостного расстояния (d), для увеличения селективности и чувствительности аппаратуры, измерение спектра исследуемой пробы в широком диапазоне энергий производят с помощью нескольких кристаллов-анализаторов из различных материалов. Монокристаллы, такие как германий, фторид лития, антимонид индия являются идеальными анализаторами для излучения многих элементов. В последнее время, многослойные синтетические покрытия используются для увеличения чувствительности при анализе легких элементов.
После возбуждения спектр регистрируется на специальном детекторе. По пикам полученного спектра можно качественно определить, какие элементы присутствуют в образце.
Для получения точного значения содержания необходимо обработать полученный спектр с помощью специальной программы калибровки (количественной градуировки прибора). Калибровочная программа должна быть предварительно создана с использованием стандартных образцов, чей элементный состав точно известен. Упрощённо, при количественном анализе спектр неизвестного вещества сравнивается со спектрами стандартных образцов, таким образом получается информация о количественном составе вещества.
1.2.1Матричные эффекты
Интенсивность флуоресценции зависит не только от содержания определяемого элемента, но и от состава наполнителя, (матрицы). Помимо непосредственного возбуждения атомов определяемого элемента первичным рентгеновским излучением, может наблюдаться ряд других эффектов, нарушающих линейную зависимость интенсивности характеристической линии от концентрации элемента. Среди них важнейшие:
Поглощение первичного излучения элементами матрицы. В результате интенсивность возбуждающего излучения уменьшается, и величина аналитического сигнала оказывается заниженной.
Поглощение характеристического излучения, испускаемого атомами определяемого элемента, атомами матрицы (вторичное поглощение). Это также приводит к занижению аналитического сигнала.
Возбуждение атомов определяемого элемента под действием вторичного излучения от атомов других элементов, входящих в состав матрицы. Это приводит к завышению аналитического сигнала.
В отсутствие указанных эффектов интенсивность линии характеристического излучения для определяемого элемента была бы прямо пропорциональна концентрации определяемого элемента. В действительности, с учетом поглощения части излучения как определяемым элементом (А), так и наполнителем, имеет место соотношение:
niA / nA100 = αaCa/ (αaCa+αнСн)
μm1 и μmi - массовые коэффициенты ослабления первичного излучения и аналитической линии в пробе, niAинтенсивность линии в пробе,
nA100 - интенсивность линии для чистого вещества А, сА, н - массовая доля элемента А, наполнителя.
При фиксированных условиях измерений αA=const. Если наполнитель ослабляет излучение так же, как элемент A (αH= αA), то график зависимости nAi от СА (рис.4, прямая 1) является прямой с угловым коэффициентом K/αA. Такая зависимость наблюдается, например, если наполнителем является элемент, соседствующий с определяемым в периодической таблице.
Когда наполнитель составлен из более легких, чем определяемый, элементов, αA >αHнаклон графика уменьшается и зависимость nAi (СА) будет иметь форму кривой 2 на рис 4.
Если определяемый элемент А содержится в наполнителе из более тяжелых элементов, αA < αH с ростом са угловой коэффициент увеличивается и зависимость nAi представляется в виде кривой 4.
