История и методология рентгенофлуоресцентного анализа

Но само происхождение  рентгеновских спектров элементов в то время не удавалось объяснить теоретически. Такое положение сохранялось до идеи Нильса Бора о квантовой модели атома, которая объяснила происхождение характеристического рентгеновского излучения квантовыми переходами электронов с внешних оболочек атома на внутренние с выделением рентгеновских квантов. Далее последовало открытие Мозли - закон Мозли, связавший частоту спектральных линий с порядковым номером излучающего элемента в периодической таблице Менделеева. Мозли показал, что характеристическое рентгеновское излучение создается внутренними электронами (находящимися вблизи ядра) атома и что оно дает информацию о внутренних электронах атома, как обычный свет о внешних электронах. Пр Генри Мозли было всего лишь 26 лет, когда он в 1913 г. опубликовал результаты своих экспериментов, подтвердив ими предположение голландского исследователя Антониуса ван дер Брука о равенстве заряда ядра атома порядковому номеру соответствующего элемента в периодической системе. Этот труд навеки вписал имя Генри Мозли в историю науки.

Мозли считал, что его  метод исследования имеет большое  будущее, поскольку "он способен привести к открытию еще неизвестных элементов, так как положение соответствующих  им характеристических линий рентгеновского излучения можно предсказать заранее". Мозли для практического подтверждения своих идей проводил поиск предсказанных, но не открытых элементов. Он пытался обнаружить с помощью рентгеновских спектров природных объектов элемент номер 72, чья клетка пустовала тогда в таблице элементов слева от тантала (уже открытого к тому времени). Но только спустя 8 лет спектроскопист А.Довийе в 1922 г., используя более совершенную аппаратуру для рентгеноспектрального анализа, обнаружил новый элемент 72 (гафний) в тех же образцах, которые ранее исследовал Мозли. Другим элементом, обнаруженным в природе с помощью рентгеноспектрального анализа, стал рений (открыт супругами Ноддак в 1925 г.). Гафний и Рений оказались последними по времени открытия стабильными химическими элементами на Земле. Характеристический рентгеновский спектр стал "визитной карточкой" элемента.

Работа по развитию техники  рентгеноспектрального анализа  была продолжена шведским физиком-экспериментатором  Карлом Манне Георгом Сигбаном. Он разработал новые методы получения  детальных рентгеновских спектров и исследовал рентгеновские спектры почти всех химических элементов. Это позволило получить исчерпывающие данные о структуре электронных оболочек атомов. Сигбан изготовил дифракционную решетку для исследования длинноволнового рентгеновского излечения. Тем самым он ликвидировал пробел между жестким (коротковолновым) рентгеновским излучением, которое исследуется с помощью кристаллических решеток, и оптическим ультрафиолетовым излучением, исследуемым с помощью обычной оптической дифракционной решетки. Исследования шведского ученого показали как дополняются электронные оболочки атома при переходе от более легких элементов к тяжелым. Его наблюдения позволили определить, сколько электронов находится в соответствующей оболочке того или иного элемента.

Случилось так, что 57 лет спустя Нобелевская  премия была вручена Каю Сигбану - сыну Карла Сигбана. Увлекаясь с  раннего возраста физикой, Сигбан также  занялся исследованием рентгеновского излечения, в частности изучением  электронов, выбиваемых рентгеновскими лучами из вещества. В 1951 г, будучи профессором, молодой шведский ученый положил начало новому методу - электронной спектроскопии и использовал его для химического анализа. Основная заслуга этого исследователя состоит в том, что он сконструировал прибор для исследования энергетических спектров электронов, выбиваемых из атомов рентгеновскими лучами. Разработанный им рентгеновский электронный спектрометр оказался исключительно ценным прибором для современной химии. Максимумы электронных спектров соответствуют энергиям связи электронов на внутренних оболочках атомов, что дает возможность исследовать структуру молекул. Метод отличается высокой чувствительностью, что позволяет ограничиваться для анализа поверхностным слоем вещества толщиной не более 50-100 ангстрем. Это дает возможность исследовать процессы коррозии, адсорбции и другие поверхностные химические явления. Приборы для электронной спектроскопии являются непременной составной частью оснащения современной исследовательской лаборатории.

 

 

Рентгеновская флуоресценция

 

В чем заключается смысл рентгеновской флуоресценции и чем данный метод отличается от других видов анализа? Когда атомы образца облучаются фотонами с высокой энергией - возбуждающим первичным излучением рентгеновской трубки, это вызывает испускание электронов. Электроны покидают атом. Как следствие, в одной или более электронных орбиталях образуются "дырки" - вакансии, благодаря чему атомы переходят в возбужденное состояние, т.е. становятся нестабильны. Через миллионные доли секунды атомы возвращаются к стабильному состоянию, когда вакансии во внутренних орбиталях заполняются электронами из внешних орбиталей. Такой переход сопровождается испусканием энергии в виде вторичного фотона - этот феномен и называется "флуоресценция''. Энергия вторичного фотона находится в диапазоне энергий рентгеновского излучения, которое располагается в спектре электромагнитных колебаний между ультрафиолетом и гамма-излучением.

Различные электронные орбитали обозначаются K,L,M и.т.д., где К - орбиталь, ближайшая  к ядру. Каждой орбитали электрона  в атоме каждого элемента соответствует собственный энергетический уровень. Энергия испускаемого вторичного фотона определяется разницей между энергией начальной и конечной орбиталей, между которыми произошел переход электрона.

 
Рис. 1

 
Длина волны испускаемого фотона связана  с энергией формулой E = E1-E2 = hc/l , где E1 и E2 - энергии орбиталей, между которыми произошел переход электрона, h - постоянная Планка, с - скорость света, l - длина волны испускаемого (вторичного) фотона. Таким образом, длина волны флуоресценции является индивидуальной характеристикой каждого элемента и называется характеристической флуоресценцией. В то же время интенсивность (число фотонов, поступающих за единицу времени) пропорциональна концентрации (количеству атомов) соответствующего элемента. Это дает возможность элементного анализа вещества: определение количества атомов каждого элемента, входящего в состав образца. Источником возбуждающего (первичного) излучения высокой энергии является рентгеновская трубка, питаемая высокостабильным генератором высокого напряжения. Механизм возникновения первичного излучения похож на механизм флуоресценции, за исключением того, что возбуждение материала анода трубки происходит при его бомбардировке электронами высоких энергий, а не рентгеновским излучением, как при флуоресценции. Спектральный состав излучения трубки зависит от выбора материала анода. Для большинства областей применения оптимальным является родиевый анод, хотя другие материалы, например молибден, хром или золото, могут быть предпочтительнее в определенных случаях.

При проведении анализа все элементы, присутствующие в образце, одновременно излучают фотоны характеристической флуоресценции. Для изучения концентрации какого-либо элемента в образце необходимо из общего потока излучения, поступающего от пробы, выделить излучение такой длины волны, которая является характеристической для исследуемого элемента. Это достигается разложением суммарного потока излучения, поступающего от пробы, по длинам волн и получением спектра. Спектром называется кривая, описывающая зависимость интенсивности излучения от длины волны. Для разложения излучения в спектр (выделения различных длин волн) используются кристалл-анализаторы с кристаллическим плоскостями, параллельными поверхности и имеющими межплоскостное расстояние d.

 

 
Рис. 2

 
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 вращении кристалла по отношению к потоку излучения, дифракция будет возникать последовательно для различных длин волн в соответствии с законом Брэгга: nλ=2d∙sinθ. 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. Интенсивностью называется число фотонов, поступающее за единицу времени. 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 кристалл-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. Детектирование флуоресцентного излучения основано на преобразовании энергии флуоресценции в импульсы напряжения определенной амплитуды. Существуют разные типы детекторов. Для относительно больших длин волн при анализе легких элементов используются наполненные газом пропорциональные детекторы. Их действие основано на ионизации газа излучением и измерении числа электрических импульсов, прошедших через ионизированный газ. Для коротких длин волн (тяжелые элементы) применяются сцинтилляционные детекторы, в которых измеряется ток фотоэлемента, чувствительного к светимости специального вещества - сцинтиллятора (NaI/Tl) при попадания на него рентгеновского излучения. Чем больше атомов определенного типа в образце, тем больше импульсов регистрирутся детектором.

 

 
Рис.3

 
Счетная электроника фиксирует число  импульсов поступающих от детекторов и энергетические уровни соответствующие  амплитудам. Современное качество анализирующей техники (усилители и анализаторы импульсов) позволяет во многих случаях получить удовлетворяющую большинство пользователей статистическую погрешность измерений за время всего за 2 секунды. Большее время счета требуется для легких элементов которые излучают относительно небольшое число фотонов с малыми энергиями, либо для анализа элементов с концентрациями близкими к пределу обнаружения.

Анализ и обработка результатов  измерений проводится в автоматическом режиме. Для этого разработаны методики анализа многих элементов для различных типов веществ. Методики реализованы в виде компьютерных программ. Во время измерения компьютер управляет всеми узлами спектрометра в соответствии с заданной программой анализа. Современный уровень надежности оборудования и устройство автоматической подачи образцов позволяют выполнять анализ непрерывно круглосуточно без участия оператора. По окончании измерений компьютер выполняет расчет концентраций. Результаты анализа передаются электронными средствами связи автоматически по указанным адресам, либо накапливаются в базе данных измерений для дальнейшей обработки.

Существует два типа рентгенофлуоресцентных спектрометров в которых выделение  характеристического излучения  происходит с помощью кристаллов-анализаторов. Такие спетрометры называются "спектрометры волновой дисперсии". Среди них различают спектрометры последовательного действия и квантометры.

Спектрометры последовательного  действия ("со сканирующим каналом"). На таких спектрометрах осуществляется последовательное выделение каждой характеристической линии рентгеновского излучения любого числа элементов с помощью движущегося кристалла-анализатора и высокоточного гониометра (прибора для измерения углов), сопряженного с устройством вращения, управляемого компьютером.

Преимущества приборов последовательного  действия:

• Универсальность: определение любого числа элементов.

• Оптимальные условия измерения  программируются для каждого  элемента.

• Очень высокая чувствительность, низкие уровни детектирования.

Квантометры (спектрометры с фиксированными "каналами"). С помощью квантометров осуществляются параллельные измерения. Интенсивности характеристического излучения элементов измеряются одновременно благодаря использованию нескольких настроенных фиксированных "каналов" расположенных вокруг образца. Фактически каждый из них является отдельным спектрометром с кисталл-анализатором и детектором, настроенными на прием определенной длины волны одного элемента.

Преимущества квантометров:

• Высочайшая скорость анализа при использовании для поточного контроля качества в индустрии.

• Малое количество движущихся частей, прекрасная надежность в условиях промышленного  предприятия.

 

Область применения РФА

 

Современные лаборатории РФА используют новейшие спектрометры, предназначенные для многоэлементного анализа веществ различного происхождения и агрегатного состояния. В основном, это оборудование широко известных мировых производителей рентгеновской аналитической техники. Комплекс лаборатории РФА анализа обычно состоит из устройств пробоподготовки, аналитического инструмента - спектрометра, и программного обеспечения для управления анализом и обработки результатов. За последнее десятилетие достижения в области программного обеспечения для РФА анализа позволяют решать такие задачи, которые не были доступны еще недавно. Потому программному обеспечению принадлежит большая часть аналитических успехов.

Итак, какие же задачи можно решить при помощи РФА?

Одной из наиболее сложных областей применения РФА является анализ горных пород, руд и продуктов их переработки. Это связано с особенностями этих материалов: в них присутствует множество элементов в диапазоне чувствительности РФА (от 0.0001 до 99%). Многие элементы имеют взаимное концентрационное влияние при анализе, и при этом необходимо их отдельное определение с требуемой точностью. Наиболее простыми объектами РФА (в методическом смысле) являются преимущественно гомогенные материалы техногенного происхождения, состоящие из небольшого числа элементов. К ним относятся металлы, стекла, жидкости.

Анализ таких материалов, как  правило, не вызывает затруднений в  лабораториях, традиционно работающих с более сложными объектами. Лаборатория  выполняет количественный, полуколичественный, качественный анализ любых твердых, порошкообразных, жидких и пластичных неорганических объектов. При этом определяются элементы с порядкового номера 8 (кислород) - до 92 (уран), при их концентрации в интервале от 1-5 ppm до 100%.

В лаборатории разработаны методики, которые являются основой аналитического процесса и предназначены для анализа макро и микроэлементов. Методики реализованы как программно - аппаратные пакеты, которые применяются для количественного анализа минеральных материалов. В калибровках использовано более 200 межгосударственных, российских и отраслевых стандартных образцов химического состава, благодаря которым выполняется анализ до 60 элементов, если их концентрация находится в рабочем диапазоне метода РФА. На ряду с новейшими методами подготовки проб к анализу (индукционное плавление), это обеспечивает универсальность аналитического процесса для разнообразных типов горных пород и руд и делает возможным рутинный высокопроизводительный анализ.