A análise espectral de raios X ocupa um lugar importante entre todos os métodos de estudo de materiais. É amplamente utilizado em vários campos da tecnologia devido à possibilidade de controle expresso sem destruir a amostra de teste. O tempo para determinar um elemento químico pode ser de apenas alguns segundos; praticamente não há restrições quanto ao tipo de substâncias em estudo. A análise é realizada em termos qualitativos e quantitativos.
A essência da análise espectral de raios X
A análise espectral de raios X é um dos métodos físicos para o estudo e controle de materiais. Baseia-se numa ideia comum a todos os métodos de espectroscopia.
A essência da análise espectral de raios X reside na capacidade de uma substância emitir radiação de raios X característica quando os átomos são bombardeados por elétrons rápidos ou quanta. Ao mesmo tempo, sua energia deve ser maior do que a energia necessária para retirar um elétron da camada de um átomo. Tal impacto leva não apenas ao aparecimento de um espectro de radiação característico,consistindo de um pequeno número de linhas espectrais, mas também contínuas. A estimativa da composição energética das partículas detectadas permite tirar conclusões sobre as propriedades físicas e químicas do objeto em estudo.
Dependendo do método de ação sobre a substância, são registradas partículas do mesmo tipo ou outras. Há também a espectroscopia de absorção de raios X, mas na maioria das vezes ela serve como uma ferramenta auxiliar para entender os principais problemas da espectroscopia tradicional de raios X.
Tipos de Substâncias
Métodos de análise espectral de raios X nos permitem estudar a composição química de uma substância. Este método também pode ser usado como um método de teste não destrutivo expresso. Os seguintes tipos de substâncias podem ser incluídos no estudo:
- metais e ligas;
- pedras;
- vidro e cerâmica;
- fluido;
- abrasivos;
- gases;
- substâncias amorfas;
- polímeros e outros compostos orgânicos;
- proteínas e ácidos nucleicos.
A análise espectral de raios X também permite determinar as seguintes propriedades dos materiais:
- composição de fase;
- orientação e tamanho de monocristais, partículas coloidais;
- diagramas de estado de liga;
- estrutura atômica e deslocamento da rede cristalina;
- tensões internas;
- coeficiente de expansão térmica e outras características.
Baseado neste método emA produção usa detecção de falhas por raios X, que permite detectar vários tipos de não homogeneidade nos materiais:
- conchas;
- inclusões estrangeiras;
- poros;
- rachaduras;
- Soldaduras defeituosas e outros defeitos.
Tipos de análise
Dependendo do método de geração de raios X, distinguem-se os seguintes tipos de análise espectral de raios X:
- Raio X fluorescente. Os átomos são excitados pela radiação primária de raios X (fótons de alta energia). Isso dura cerca de um microssegundo, após o qual eles se movem para uma posição calma e básica. O excesso de energia é então emitido na forma de um fóton. Cada substância emite essas partículas com um determinado nível de energia, o que possibilita identificá-la com precisão.
- Raio-X radiométrico. Átomos de matéria são excitados pela radiação gama de um isótopo radioativo.
- Sonda de elétrons. A ativação é realizada por um feixe de elétrons focado com uma energia de várias dezenas de keV.
- Ensaio com excitação iônica (prótons ou íons pesados).
O método mais comum de análise espectral de raios X é a fluorescência. A excitação de raios X quando uma amostra é bombardeada com elétrons é chamada direta, e quando irradiada com raios X é chamada secundária (fluorescente).
Fundamentos da Análise de Fluorescência de Raios-X
método de fluorescência de raios-X amplamenteusado na indústria e na pesquisa científica. O principal elemento do espectrômetro é a fonte de radiação primária, que é mais frequentemente usada como tubos de raios X. Sob a influência desta radiação, a amostra começa a fluorescer, emitindo raios-x do espectro de linha. Uma das características mais importantes do método é que cada elemento químico tem suas próprias características espectrais, independentemente de estar em estado livre ou ligado (como parte de qualquer composto). Alterar o brilho das linhas permite quantificar sua concentração.
Um tubo de raios X é um balão dentro do qual é criado um vácuo. Em uma extremidade do tubo há um cátodo na forma de um fio de tungstênio. É aquecido por uma corrente elétrica a temperaturas que garantem a emissão de elétrons. Na outra extremidade há um ânodo na forma de um alvo de metal maciço. Uma diferença de potencial é criada entre o cátodo e o ânodo, devido à qual os elétrons são acelerados.
Partículas carregadas movendo-se em alta velocidade atingem o ânodo e excitam bremsstrahlung. Há uma janela transparente na parede do tubo (na maioria das vezes é feita de berílio) através da qual saem os raios X. O ânodo em dispositivos de análise espectral de raios X é feito de vários tipos de metal: tungstênio, molibdênio, cobre, cromo, paládio, ouro, rênio.
Decomposição da radiação em um espectro e seu registro
Existem 2 tipos de dispersão de raios X no espectro - onda e energia. O primeiro tipo é o mais comum. Os espectrômetros de raios-X, operando no princípio da dispersão de ondas, possuem cristais analisadores que espalham as ondas em um determinado ângulo.
Os cristais simples são usados para decompor os raios X em um espectro:
- fluoreto de lítio;
- quartzo;
- carbono;
- potássio ácido ou ftalato de tálio;
- silício.
Eles desempenham o papel de grades de difração. Para análise multielementar de massa, os instrumentos usam um conjunto de tais cristais que cobrem quase completamente toda a gama de elementos químicos.
Câmeras de raios X são usadas para obter uma radiografia, ou um padrão de difração fixado em filme fotográfico. Como esse método é trabalhoso e menos preciso, atualmente é usado apenas para detecção de falhas em análises de raios X de metais e outros materiais.
Contadores proporcionais e de cintilação são usados como detectores de partículas emitidas. Este último tipo tem uma alta sensibilidade na região de radiação dura. Os fótons que caem no fotocátodo do detector são convertidos em um pulso de tensão elétrica. O sinal vai primeiro para o amplificador e depois para a entrada do computador.
Escopo de aplicação
A análise de fluorescência de raios-X é usada para os seguintes propósitos:
- determinação de impurezas nocivas no óleo ederivados de petróleo (gasolina, lubrificantes e outros); metais pesados e outros compostos perigosos no solo, ar, água, alimentos;
- análise de catalisadores na indústria química;
- determinação precisa do período da rede cristalina;
- detecção da espessura dos revestimentos de proteção por um método não destrutivo;
- determinando as fontes de matérias-primas das quais o item é feito;
- cálculo de microvolumes de matéria;
- determinação dos componentes principais e impuros das rochas em geologia e metalurgia;
- estudo de objetos de valor cultural e histórico (ícones, pinturas, afrescos, joias, louças, ornamentos e outros itens de diversos materiais), sua datação;
- determinação da composição para análise forense.
Preparação da amostra
Para o estudo, a preparação da amostra é preliminarmente necessária. Eles devem atender às seguintes condições para análise de raios-X:
- Uniformidade. Esta condição pode ser satisfeita de forma mais simples para amostras líquidas. Ao estratificar a solução imediatamente antes do estudo, ela é misturada. Para elementos químicos na região de radiação de comprimento de onda curto, a homogeneidade é alcançada por moagem em pó, e na região de comprimento de onda longo, por fusão com fluxo.
- Resistente a influências externas.
- Ajuste ao tamanho do carregador de amostra.
- Rugosidade ideal de amostras sólidas.
Uma vez que as amostras líquidas têm várias desvantagens (evaporação, alteração do seu volume quando aquecidas, precipitaçãoprecipitar sob a ação da radiação de raios X), é preferível usar matéria seca para análise espectral de raios X. Amostras de pó são despejadas em uma cubeta e prensadas. A cuvete é instalada no suporte através do adaptador.
Para análise quantitativa, recomenda-se que as amostras em pó sejam prensadas em comprimidos. Para fazer isso, a substância é moída a um estado de pó fino e, em seguida, os comprimidos são feitos na prensa. Para fixar substâncias friáveis, elas são colocadas em um substrato de ácido bórico. Os líquidos são despejados nas cubetas usando uma pipeta, verificando a ausência de bolhas.
Preparação de amostras, seleção de uma técnica de análise e do modo ideal, seleção de padrões e construção de gráficos analíticos sobre elas é realizada por um assistente de laboratório de análise espectral de raios X que deve conhecer os fundamentos da física, química, o projeto de espectrômetros e a metodologia de pesquisa.
Análise qualitativa
A determinação da composição qualitativa das amostras é realizada para identificar certos elementos químicos nelas. A quantificação não é realizada. A pesquisa é realizada na seguinte ordem:
- preparando amostras;
- preparação do espectrômetro (aquecimento, instalação do goniômetro, ajuste da faixa de comprimento de onda, passo de varredura e tempo de exposição no programa);
- varredura rápida da amostra, gravando os espectros obtidos na memória do computador;
- decifrando a decomposição espectral resultante.
Intensidade da radiação em cada momentoa varredura é exibida no monitor do computador na forma de um gráfico, ao longo do eixo horizontal do qual o comprimento de onda é plotado e ao longo do eixo vertical - a intensidade da radiação. O software dos espectrômetros modernos permite decodificar automaticamente os dados obtidos. O resultado de uma análise qualitativa de raios-X é uma lista de linhas de produtos químicos que foram encontrados na amostra.
Erros
Elementos químicos falsamente identificados podem ocorrer com frequência. Isso se deve aos seguintes motivos:
- desvios aleatórios de bremsstrahlung dispersos;
- linhas perdidas do material do ânodo, radiação de fundo;
- erros do instrumento.
A maior imprecisão é revelada no estudo das amostras, que são dominadas por elementos leves de origem orgânica. Ao realizar a análise espectral de raios-X de metais, a proporção de radiação espalhada é menor.
Análise quantitativa
Antes de realizar a análise quantitativa, é necessária uma configuração especial do espectrômetro - sua calibração usando amostras padrão. O espectro da amostra de teste é comparado com o espectro obtido da irradiação das amostras de calibração.
A precisão da determinação de elementos químicos depende de muitos fatores, como:
- efeito de excitação interelemento;
- espectro de dispersão de fundo;
- resolução do dispositivo;
- linearidade da característica de contagem do espectrômetro;
- Espectro do tubo de raios X e outros.
Este método é mais complicado e requer um estudo analítico, levando em consideração constantes determinadas antecipadamente experimentalmente ou teoricamente.
Dignidade
As vantagens do método de raios X incluem:
- possibilidade de testes não destrutivos;
- alta sensibilidade e precisão (determinação de impurezas até 10-3%);
- grande variedade de elementos químicos analisados;
- preparação fácil da amostra;
- versatilidade;
- possibilidade de interpretação automática e alto desempenho do método.
Falhas
Entre as desvantagens da análise espectral de raios X estão as seguintes:
- aumento dos requisitos de segurança;
- necessidade de graduação individual;
- difícil interpretação da composição química quando as linhas características de alguns elementos estão próximas;
- necessidade de fabricar ânodos de materiais raros para reduzir a radiação característica de fundo que afeta a confiabilidade dos resultados.
