Interested Article - Рентгенофлуоресцентный спектрометр

Рентгенофлуоресцентный спектрометр — прибор, используемый для определения элементного состава вещества при помощи рентгенофлуоресцентного анализа (РФА).

Принцип действия

Метод основан на сборе и анализе спектра , полученного после возбуждения характеристического рентгеновского излучения , которое возникает при переходе атома из возбуждённого в основное состояние (см. Закон Мозли ). Атомы разных элементов испускают фотоны со строго определёнными энергиями, измерив которые можно определить качественный элементный состав. Для измерения количества элемента регистрируется интенсивность излучения с определённой энергией.

Основные элементы спектрометров

Обязательными элементами рентгенофлуоресцентных спектрометров являются источник возбуждения характеристического рентгеновского излучения ( космические аппараты вместо него могут использовать солнечные вспышки в качестве возбудителя рентгеновского излучения; на Земле это невозможно, так как рентгеновское излучение Солнца полностью поглощается атмосферой) и анализатор этого излучения.

Для возбуждения атомов исследуемой пробы могут использоваться:

рентгеновская трубка , испускающая жесткое (с высокой энергией) рентгеновское излучение,
изотопы некоторых элементов (например: , , Cm-244 , Am-241 ),
электроны .

При регистрации полученного спектра могут применяться:

кристаллы-анализаторы ( монокристаллы некоторых веществ) вместе с детектором (пропорциональный, сцинтилляционный , полупроводниковый);
энергодисперсионные детекторы (различают фотоны по энергиям)

Наилучшим разрешением детектора на данный момент является разрешение в 123 эВ с наилучшей скоростью подсчета 3⋅10 ⁵ импульсов в секунду.

Самым легким ручным рентгенофлуоресцентным спектрометром в мире, на текущий момент является спектрометр Thermo NITON XL5 Plus

Разновидности приборов

Все приборы классифицируются по принципам возбуждения/регистрации спектров. Спектрометры с энергодисперсионными детекторами, как правило, наиболее надежные по эксплуатации и менее чувствительные к внешнему воздействию, нежели чем спектрометры с кристаллами-анализаторами, так как кристаллы-анализаторы имеют подвижные части. Нестабильность результатов - частое явление при работе с кристаллами-анализаторами.

По способу использования различают лабораторные, стационарные и переносные портативные спектрометры. Последние отличаются быстротой получения результатов, легкостью, удобством, возможностью полевых исследований, но уступают лабораторным и стационарным приборам в чувствительности и точности. В отличие от портативных приборов, специализирующихся на узком круге задач (определение состава сталей, сплавов, руд, горных пород, почв, RoHS анализ и т. п.), стационарные установки универсальны. Это связано, в первую очередь, с тем, что для надёжного количественного анализа требуется набор эталонных образцов для каждого элемента, что неосуществимо при работе с портативными установками.

Для улучшения результатов при определении лёгких элементов с порядковыми номерами меньше 20 (например, натрия , магния , алюминия , кремния , фосфора , серы ) используется вакуумная откачка воздуха либо продувка камеры гелием . Это вызвано необходимостью избежать поглощения воздухом рентгеновских квантов с малой энергией, испускаемых лёгкими элементами.

При регистрации тяжёлых элементов (с порядковым номерами более 56) возникает другая сложность — разные элементы имеют мало различающуюся энергию фотонов, что вынуждает применять более дорогие детекторы с высоким разрешением по энергии.

Возбуждение электронами используется при элементном анализе в растровых и просвечивающих электронных микроскопах .

Современные приборы обязательно снабжаются программным обеспечением для определения количественного элементного состава пробы.

Применение

Рентгенофлуоресцентный спектрометр является неразрушающим экспрессным методом определения элементного состава. С ростом порядкового номера элемента чувствительность метода растёт, а ошибка определения количественного элементного состава снижается. Рядовые приборы могут определять содержание элементов со средними атомными номерами с ошибкой 0,1 %.

Рентгенофлуоресцентные спектрометры нашли применение в различных областях науки и техники:

Экология и охрана окружающей среды : определение тяжелых металлов в почвах , осадках, воде , аэрозолях и др.
Геология и минералогия : качественный и количественный анализ почв , минералов, горных пород и др.
Металлургия и химическая индустрия : контроль качества сырья, производственного процесса и готовой продукции
: анализ
Ювелирная промышленность : измерение концентраций ценных металлов
Нефтяная промышленность : определение загрязнений нефти и топлива, элементный анализ в маслах и присадках
Пищевая промышленность : определение токсичных металлов в пищевых ингредиентах
Сельское хозяйство : анализ микроэлементов в почвах и сельскохозяйственных продуктах
Археология : элементный анализ, датирование археологических находок
Искусство : изучение картин, скульптур, для проведения анализа и экспертиз
Космические исследования : изучение элементного состава небесных тел с борта АМС на орбите или аппарата на поверхности небесного тела. При наличии у небесного тела атмосферы прибор комплектуется возбудителем рентгеновского излучения, при разреженной атмосфере или её отсутствии (например Луна , Меркурий ) в качестве возбудителя могут использоваться солнечные вспышки . Примеры таких приборов: прибор РИФМА, установленный на аппаратах Луноход-1 , Луноход-2 для исследования Луны (с возбудителем), прибор XRS на аппарате MESSENGER для исследования Меркурия (в качестве возбудителя — солнечные вспышки ).