Analiza spektrale me rreze X zë një vend të rëndësishëm midis të gjitha metodave të studimit të materialeve. Përdoret gjerësisht në fusha të ndryshme të teknologjisë për shkak të mundësisë së kontrollit të shprehur pa shkatërruar mostrën e provës. Koha për përcaktimin e një elementi kimik mund të jetë vetëm disa sekonda; praktikisht nuk ka kufizime për llojin e substancave në studim. Analiza kryhet si në aspektin cilësor ashtu edhe në atë sasior.
Esenca e analizës spektrale me rreze X
Analiza spektrale me rreze X është një nga metodat fizike për studimin dhe kontrollin e materialeve. Ai bazohet në një ide të përbashkët për të gjitha metodat e spektroskopisë.
Thelbi i analizës spektrale të rrezeve X qëndron në aftësinë e një substance për të emetuar rrezatim karakteristik me rreze X kur atomet bombardohen nga elektrone ose kuante të shpejta. Në të njëjtën kohë, energjia e tyre duhet të jetë më e madhe se energjia që është e nevojshme për të nxjerrë një elektron nga guaska e një atomi. Një ndikim i tillë çon jo vetëm në shfaqjen e një spektri karakteristik të rrezatimit,e përbërë nga një numër i vogël vijash spektrale, por edhe të vazhdueshme. Vlerësimi i përbërjes së energjisë së grimcave të zbuluara bën të mundur nxjerrjen e përfundimeve në lidhje me vetitë fizike dhe kimike të objektit në studim.
Në varësi të mënyrës së veprimit në substancë, regjistrohen ose grimca të të njëjtit lloj ose të tjera. Ekziston edhe spektroskopia e përthithjes së rrezeve X, por ajo më së shpeshti shërben si një mjet ndihmës për të kuptuar çështjet kryesore të spektroskopisë tradicionale me rreze X.
Llojet e substancave
Metodat e analizës spektrale me rreze X na lejojnë të studiojmë përbërjen kimike të një substance. Kjo metodë mund të përdoret gjithashtu si një metodë e shprehur jo-shkatërruese e testimit. Llojet e mëposhtme të substancave mund të përfshihen në studim:
- metale dhe lidhje;
- shkëmbinj;
- qelqi dhe qeramika;
- lëng;
- gërryes;
- gaze;
- substanca amorfe;
- polimere dhe komponime të tjera organike;
- proteina dhe acide nukleike.
Analiza spektrale me rreze X ju lejon gjithashtu të përcaktoni vetitë e mëposhtme të materialeve:
- përbërja fazore;
- orientimi dhe madhësia e kristaleve të vetme, grimcave koloidale;
- diagramet e gjendjes së aliazhit;
- struktura atomike dhe zhvendosja e rrjetës kristalore;
- streset e brendshme;
- koeficienti i zgjerimit termik dhe karakteristika të tjera.
Bazuar në këtë metodë nëprodhimi përdor zbulimin e defekteve me rreze X, i cili ju lejon të zbuloni lloje të ndryshme të inhomogjeniteteve në materiale:
- predha;
- përfshirje të huaja;
- poret;
- çarje;
- Saldime të gabuara dhe defekte të tjera.
Llojet e analizave
Në varësi të metodës së gjenerimit të rrezeve X, dallohen llojet e mëposhtme të analizës spektrale me rreze X:
- Fluoreshente me rreze X. Atomet ngacmohen nga rrezatimi primar i rrezeve X (fotonet me energji të lartë). Kjo zgjat për rreth një mikrosekondë, pas së cilës ata kalojnë në një pozicion të qetë dhe bazë. Energjia e tepërt më pas emetohet në formën e një fotoni. Çdo substancë i lëshon këto grimca me një nivel të caktuar energjie, gjë që bën të mundur identifikimin e saktë të saj.
- Radiometrike me rreze X. Atomet e materies ngacmohen nga rrezatimi gama nga një izotop radioaktiv.
- Sonda elektronike. Aktivizimi kryhet nga një rreze elektronike e fokusuar me një energji prej disa dhjetëra keV.
- Analiza me ngacmim jonesh (protone ose jone të rënda).
Metoda më e zakonshme e analizës spektrale me rreze X është fluoreshenca. Ngacmimi me rreze X kur një kampion bombardohet me elektrone quhet i drejtpërdrejtë, dhe kur rrezatohet me rreze X quhet sekondar (fluoreshent).
Bazat e analizës së fluoreshencës me rreze X
Metoda e fluoreshencës me rreze X gjerësishtpërdoret në industri dhe kërkime shkencore. Elementi kryesor i spektometrit është burimi i rrezatimit primar, i cili përdoret më shpesh si tuba me rreze X. Nën ndikimin e këtij rrezatimi, kampioni fillon të fluoreshojë, duke lëshuar rreze x të spektrit të linjës. Një nga veçoritë më të rëndësishme të metodës është se çdo element kimik ka karakteristikat e veta spektrale, pavarësisht nëse është në gjendje të lirë apo të lidhur (si pjesë e ndonjë përbërjeje). Ndryshimi i shkëlqimit të linjave bën të mundur përcaktimin sasior të përqendrimit të tij.
Një tub me rreze X është një tullumbace brenda së cilës krijohet një vakum. Në njërën skaj të tubit ka një katodë në formën e një teli tungsteni. Ai nxehet nga një rrymë elektrike në temperatura që sigurojnë emetimin e elektroneve. Në anën tjetër është një anodë në formën e një objektivi masiv metalik. Ndërmjet katodës dhe anodës krijohet një diferencë potenciale, për shkak të së cilës elektronet përshpejtohen.
Grimcat e ngarkuara që lëvizin me shpejtësi të lartë godasin anodën dhe eksitojnë bremsstrahlung. Në murin e tubit ka një dritare transparente (më shpesh është prej beriliumi) përmes së cilës dalin rrezet X. Anoda në pajisjet e analizës spektrale me rreze X është bërë nga disa lloje metali: tungsten, molibden, bakër, krom, paladium, ari, renium.
Zbërthimi i rrezatimit në një spektër dhe regjistrimi i tij
Ekzistojnë 2 lloje të shpërndarjes së rrezeve X në spektër - valë dhe energji. Lloji i parë është më i zakonshmi. Spektrometrat me rreze X, që funksionojnë në parimin e shpërndarjes së valës, kanë kristale analizues që shpërndajnë valët në një kënd të caktuar.
kristalet e vetme përdoren për të zbërthyer rrezet X në një spektër:
- fluorid litium;
- kuarc;
- karbon;
- acid kalium ose ftalat taliumi;
- silicon.
Ata luajnë rolin e grilave të difraksionit. Për analizën masive me shumë elementë, instrumentet përdorin një grup kristalesh të tillë që mbulojnë pothuajse plotësisht të gjithë gamën e elementeve kimike.
Kamera me rreze X përdoren për të marrë një radiografi ose një model difraksioni të fiksuar në film fotografik. Meqenëse kjo metodë është e mundimshme dhe më pak e saktë, aktualisht përdoret vetëm për zbulimin e defekteve në analizën me rreze X të metaleve dhe materialeve të tjera.
Numëruesit proporcionalë dhe shkrintilues përdoren si detektorë të grimcave të emetuara. Lloji i fundit ka një ndjeshmëri të lartë në rajonin e rrezatimit të fortë. Fotonet që bien në fotokatodën e detektorit shndërrohen në një impuls të tensionit elektrik. Sinjali fillimisht shkon te amplifikatori dhe më pas te hyrja e kompjuterit.
Fusha e aplikimit
Analiza e fluoreshencës me rreze X përdoret për qëllimet e mëposhtme:
- përcaktimi i papastërtive të dëmshme në vaj dheprodukte të naftës (benzinë, lubrifikantë dhe të tjerë); metale të rënda dhe komponime të tjera të rrezikshme në tokë, ajër, ujë, ushqim;
- analiza e katalizatorëve në industrinë kimike;
- përcaktim i saktë i periudhës së rrjetës kristalore;
- zbulimi i trashësisë së veshjeve mbrojtëse me një metodë jo-shkatërruese;
- përcaktimi i burimeve të lëndëve të para nga të cilat është bërë artikulli;
- llogaritja e mikrovolumeve të materies;
- përcaktimi i përbërësve kryesorë dhe të papastërtive të shkëmbinjve në gjeologji dhe metalurgji;
- studimi i objekteve me vlerë kulturore dhe historike (ikona, piktura, afreske, bizhuteri, enët, stolitë dhe sende të tjera të bëra me materiale të ndryshme), datimi i tyre;
- përcaktimi i përbërjes për analizën mjeko-ligjore.
Përgatitja e mostrës
Për studimin, kërkohet paraprakisht përgatitja e mostrës. Ata duhet të plotësojnë kushtet e mëposhtme për analizën me rreze X:
- Uniformitet. Ky kusht mund të plotësohet më thjesht për mostrat e lëngshme. Kur shtresohet tretësira menjëherë para studimit, ajo përzihet. Për elementët kimikë në rajonin me gjatësi vale të shkurtër të rrezatimit, homogjeniteti arrihet duke bluar në pluhur dhe në rajonin me gjatësi vale të gjatë, me shkrirje me fluksin.
- Rezistent ndaj ndikimeve të jashtme.
- Përshtatet me madhësinë e ngarkuesit të mostrës.
- Vrazhdësi optimale e mostrave të ngurta.
Meqenëse mostrat e lëngshme kanë një sërë disavantazhesh (avullim, ndryshim në vëllimin e tyre kur nxehen, reshjeprecipitojnë nën veprimin e rrezatimit me rreze X), preferohet përdorimi i lëndës së thatë për analizën spektrale me rreze X. Mostrat e pluhurit derdhen në një kuvetë dhe shtypen. Kuveta është instaluar në mbajtës përmes përshtatësit.
Për analiza sasiore, rekomandohet që mostrat e pluhurit të shtypen në tableta. Për ta bërë këtë, substanca bluhet në një gjendje pluhuri të imët, dhe më pas bëhen tableta në shtyp. Për të rregulluar substancat e shkrifëta, ato vendosen në një substrat të acidit borik. Lëngjet derdhen në kuveta duke përdorur një pipetë, duke kontrolluar mungesën e flluskave.
Përgatitja e mostrave, zgjedhja e një teknike analize dhe mënyra optimale, zgjedhja e standardeve dhe ndërtimi i grafikëve analitikë mbi to kryhet nga një asistent laboratori i analizës spektrale me rreze X, i cili duhet të njohë bazat e fizikës, kimisë., dizajni i spektrometrit dhe metodologjia e kërkimit.
Analizë cilësore
Përcaktimi i përbërjes cilësore të mostrave kryhet për të identifikuar disa elementë kimikë në to. Kuantifikimi nuk kryhet. Hulumtimi kryhet në rendin e mëposhtëm:
- përgatitja e mostrave;
- përgatitja e spektometrit (ngrohja e tij, instalimi i gonometrit, vendosja e diapazonit të gjatësisë së valës, hapi i skanimit dhe koha e ekspozimit në program);
- skanim i shpejtë i kampionit, duke regjistruar spektrat e fituara në memorien e kompjuterit;
- deshifrimi i zbërthimit spektral që rezulton.
Intensiteti i rrezatimit në çdo momentskanimi shfaqet në monitorin e kompjuterit në formën e një grafiku, përgjatë boshtit horizontal të të cilit është paraqitur gjatësia e valës, dhe përgjatë boshtit vertikal - intensiteti i rrezatimit. Softueri i spektrometrit modern bën të mundur dekodimin automatik të të dhënave të marra. Rezultati i një analize cilësore me rreze X është një listë e linjave të kimikateve që u gjetën në kampion.
Gabimet
Elementet kimike të identifikuara gabimisht mund të ndodhin shpesh. Kjo është për shkak të arsyeve të mëposhtme:
- devijimet e rastësishme të bremsstrahlung të shpërndarë;
- vija të humbura nga materiali i anodës, rrezatimi i sfondit;
- gabime instrumentale.
Paaktësia më e madhe zbulohet në studimin e mostrave, ku mbizotërojnë elementë të lehtë me origjinë organike. Gjatë kryerjes së analizës spektrale me rreze X të metaleve, përqindja e rrezatimit të shpërndarë është më e vogël.
Analiza sasiore
Përpara kryerjes së analizës sasiore, kërkohet një cilësim i veçantë i spektrometrit - kalibrimi i tij duke përdorur mostra standarde. Spektri i kampionit të provës krahasohet me spektrin e marrë nga rrezatimi i mostrave të kalibrimit.
Saktësia e përcaktimit të elementeve kimike varet nga shumë faktorë, si p.sh.:
- efekti i ngacmimit ndërelement;
- spektri i shpërndarjes së sfondit;
- rezolucion i pajisjes;
- lineariteti i karakteristikës së numërimit të spektrometrit;
- spektri i tubave me rreze X dhe të tjerë.
Kjo metodë është më e ndërlikuar dhe kërkon një studim analitik, duke marrë parasysh konstante të përcaktuara paraprakisht eksperimentalisht ose teorikisht.
Dinjiteti
Përparësitë e metodës me rreze X përfshijnë:
- mundësia e testimit jo shkatërrues;
- ndjeshmëri dhe saktësi e lartë (përcaktimi i papastërtisë deri në 10-3%);
- gamë e gjerë e elementeve kimike të analizuara;
- përgatitja e lehtë e mostrës;
- shtjellueshmëri;
- mundësia e interpretimit automatik dhe performanca e lartë e metodës.
Difekte
Ndër disavantazhet e analizës spektrale me rreze X janë këto:
- kërkesat e rritura të sigurisë;
- nevoja për diplomim individual;
- interpretim i vështirë i përbërjes kimike kur linjat karakteristike të disa elementeve janë afër;
- domosdoshmëria për të prodhuar anoda nga materiale të rralla për të reduktuar rrezatimin karakteristik të sfondit që ndikon në besueshmërinë e rezultateve.
