التحليل الطيفي للأشعة السينية يحتل مكانة مهمة بين جميع طرق دراسة المواد. يستخدم على نطاق واسع في مختلف مجالات التكنولوجيا نظرًا لإمكانية التحكم السريع دون إتلاف عينة الاختبار. يمكن أن يكون وقت تحديد عنصر كيميائي واحد بضع ثوانٍ فقط ؛ ولا توجد قيود عملياً على نوع المواد قيد الدراسة. يتم إجراء التحليل من الناحيتين النوعية والكمية.
جوهر التحليل الطيفي للأشعة السينية
التحليل الطيفي للأشعة السينية هو أحد الأساليب الفيزيائية لدراسة المواد والتحكم فيها. وهو يقوم على فكرة مشتركة بين جميع طرق التحليل الطيفي.
يكمن جوهر التحليل الطيفي للأشعة السينية في قدرة مادة ما على إصدار أشعة سينية مميزة عندما يتم قصف الذرات بواسطة إلكترونات سريعة أو كوانتا. في الوقت نفسه ، يجب أن تكون طاقتهم أكبر من الطاقة اللازمة لسحب الإلكترون من غلاف الذرة. مثل هذا التأثير لا يؤدي فقط إلى ظهور طيف إشعاعي مميز ،يتكون من عدد صغير من الخطوط الطيفية ، ولكنه مستمر أيضًا. إن تقدير تركيبة الطاقة للجسيمات المكتشفة يجعل من الممكن استخلاص استنتاجات حول الخصائص الفيزيائية والكيميائية للكائن قيد الدراسة.
اعتمادًا على طريقة العمل على المادة ، يتم تسجيل جزيئات من نفس النوع أو غيرها. هناك أيضًا مطيافية لامتصاص الأشعة السينية ، ولكنها غالبًا ما تعمل كأداة مساعدة لفهم القضايا الرئيسية للتحليل الطيفي التقليدي للأشعة السينية.
أنواع المواد
تسمح لنا طرق التحليل الطيفي للأشعة السينية بدراسة التركيب الكيميائي للمادة. يمكن أيضًا استخدام هذه الطريقة كطريقة اختبار صريحة غير مدمرة. يمكن تضمين الأنواع التالية من المواد في الدراسة:
- معادن وسبائك ؛
- صخور ؛
- زجاج و سيراميك
- سائل ؛
- مزيلات ؛
- غازات
- مواد غير متبلورة ؛
- بوليمرات ومركبات عضوية أخرى ؛
- بروتينات وأحماض نووية.
يسمح لك التحليل الطيفي للأشعة السينية أيضًا بتحديد الخصائص التالية للمواد:
- تكوين المرحلة
- اتجاه وحجم البلورات المفردة والجسيمات الغروية ؛
- مخططات حالة السبائك ؛
- التركيب الذري وخلع الشبكة البلورية ؛
- ضغوط داخلية ؛
- معامل التمدد الحراري وخصائص أخرى.
بناءً على هذه الطريقة فييستخدم الإنتاج الكشف عن عيوب الأشعة السينية ، والذي يسمح لك باكتشاف أنواع مختلفة من عدم التجانس في المواد:
- قذائف
- شوائب أجنبية ؛
- مسام ؛
- تشققات ؛
- لحامات معيبة وعيوب اخرى
أنواع التحليل
اعتمادًا على طريقة توليد الأشعة السينية ، يتم تمييز الأنواع التالية من التحليل الطيفي للأشعة السينية:
- الأشعة السينية الفلورية. يتم إثارة الذرات بواسطة أشعة سينية أولية (فوتونات عالية الطاقة). يستمر هذا لمدة ميكرو ثانية تقريبًا ، وبعد ذلك ينتقلون إلى وضع أساسي هادئ. ثم تنبعث الطاقة الزائدة على شكل فوتون. كل مادة تصدر هذه الجسيمات بمستوى معين من الطاقة ، مما يجعل من الممكن التعرف عليها بدقة.
- قياس إشعاع الأشعة السينية. يتم إثارة ذرات المادة بواسطة إشعاع غاما من نظير مشع.
- مسبار الإلكترون. يتم التنشيط بواسطة حزمة إلكترونية مركزة بطاقة تصل إلى عدة عشرات من keV.
- الفحص بالإثارة الأيونية (البروتونات أو الأيونات الثقيلة).
الطريقة الأكثر شيوعًا للتحليل الطيفي للأشعة السينية هي التألق. الإثارة بالأشعة السينية عند قصف العينة بالإلكترونات تسمى مباشرة ، وعندما تتعرض للإشعاع بالأشعة السينية تسمى ثانوية (الفلورسنت).
أساسيات تحليل مضان الأشعة السينية
طريقة مضان الأشعة السينية على نطاق واسعتستخدم في الصناعة والبحث العلمي. العنصر الرئيسي لمقياس الطيف هو مصدر الإشعاع الأساسي ، والذي يستخدم غالبًا كأنابيب للأشعة السينية. تحت تأثير هذا الإشعاع ، تبدأ العينة في التألق ، وتصدر أشعة سينية من طيف الخط. تتمثل إحدى أهم ميزات الطريقة في أن لكل عنصر كيميائي خصائصه الطيفية الخاصة به ، بغض النظر عما إذا كان في حالة حرة أو مرتبطة (كجزء من أي مركب). تغيير سطوع الخطوط يجعل من الممكن قياس تركيزها.
أنبوب الأشعة السينية عبارة عن بالون يتم إنشاء فراغ بداخله. يوجد في أحد طرفي الأنبوب كاثود على شكل سلك تنجستن. يتم تسخينه بواسطة تيار كهربائي إلى درجات حرارة تضمن انبعاث الإلكترونات. في الطرف الآخر يوجد أنود على شكل هدف معدني ضخم. يتم إنشاء فرق جهد بين الكاثود والأنود ، بسبب تسارع الإلكترونات.
تضرب الجسيمات المشحونة التي تتحرك بسرعة عالية الأنود وتثير أشعة الشمس. توجد نافذة شفافة في جدار الأنبوب (غالبًا ما تكون مصنوعة من البريليوم) تخرج من خلالها الأشعة السينية. يتكون الأنود في أجهزة التحليل الطيفي للأشعة السينية من عدة أنواع من المعادن: التنجستن ، الموليبدينوم ، النحاس ، الكروم ، البلاديوم ، الذهب ، الرينيوم.
تحلل الإشعاع إلى طيف وتسجيله
هناك نوعان من تشتت الأشعة السينية في الطيف - الموجة والطاقة. النوع الأول هو الأكثر شيوعًا. مطياف الأشعة السينية ، الذي يعمل على مبدأ تشتت الموجة ، يحتوي على بلورات محلل تبعثر الموجات بزاوية معينة.
تستخدم البلورات المفردة لتحلل الأشعة السينية إلى طيف:
- فلوريد الليثيوم ؛
- كوارتز ؛
- كربون
- حمض البوتاسيوم أو الثاليوم فثالات ؛
- سيليكون.
يلعبون دور حواجز الانعراج. لتحليل الكتلة متعددة العناصر ، تستخدم الأدوات مجموعة من هذه البلورات التي تغطي بالكامل تقريبًا النطاق الكامل للعناصر الكيميائية.
تُستخدم كاميرات الأشعة السينية للحصول على صورة شعاعية ، أو نمط حيود مثبت على فيلم فوتوغرافي. نظرًا لأن هذه الطريقة شاقة وأقل دقة ، فهي تستخدم حاليًا فقط للكشف عن الخلل في تحليل الأشعة السينية للمعادن والمواد الأخرى.
تُستخدم عدادات التناسب والتلألؤ ككاشفات للجسيمات المنبعثة. النوع الأخير لديه حساسية عالية في منطقة الإشعاع الصلب. يتم تحويل الفوتونات التي تسقط على المسار الضوئي للكاشف إلى نبضة جهد كهربائي. تذهب الإشارة أولاً إلى مكبر الصوت ، ثم إلى مدخلات الكمبيوتر.
نطاق التطبيق
يستخدم تحليل مضان الأشعة السينية للأغراض التالية:
- تحديد الشوائب الضارة في الزيت والمنتجات البترولية (البنزين ومواد التشحيم وغيرها) ؛ المعادن الثقيلة والمركبات الخطرة الأخرى في التربة والهواء والماء والغذاء ؛
- تحليل المحفزات في الصناعة الكيميائية ؛
- تحديد دقيق لفترة الشبكة البلورية ؛
- الكشف عن سماكة الطلاءات الواقية بطريقة غير مدمرة ؛
- تحديد مصادر المواد الخام التي يصنع منها الصنف ؛
- حساب الأحجام الدقيقة للمادة ؛
- تحديد المكونات الرئيسية والشوائب للصخور في الجيولوجيا والمعادن ؛
- دراسة الأشياء ذات القيمة الثقافية والتاريخية (أيقونات ، لوحات ، لوحات جدارية ، مجوهرات ، أطباق ، زخارف وأشياء أخرى مصنوعة من مواد مختلفة) ، مواعدتها ؛
- تحديد تكوين التحليل الجنائي.
تحضير العينة
بالنسبة للدراسة ، يعد تحضير العينة مطلوبًا بشكل أساسي. يجب أن تستوفي الشروط التالية لتحليل الأشعة السينية:
- التوحيد. يمكن استيفاء هذا الشرط ببساطة بالنسبة للعينات السائلة. عند التقسيم الطبقي للحل مباشرة قبل الدراسة ، يتم خلطه. بالنسبة للعناصر الكيميائية في منطقة الإشعاع ذات الطول الموجي القصير ، يتحقق التجانس عن طريق الطحن إلى مسحوق ، وفي منطقة الطول الموجي الطويل ، عن طريق الاندماج مع التدفق.
- مقاومة للتأثيرات الخارجية
- يتناسب مع حجم محمل العينة.
- الخشونة المثلى للعينات الصلبة
نظرًا لأن العينات السائلة لها عدد من العيوب (التبخر ، التغيير في حجمها عند التسخين ، هطول الأمطارالمترسب تحت تأثير الأشعة السينية) ، يفضل استخدام المادة الجافة لتحليل طيف الأشعة السينية. تُسكب عينات المسحوق في كفيت وضغطها. يتم تثبيت الكوفيت في الحامل من خلال المحول.
للتحليل الكمي ، يوصى بضغط عينات المسحوق في أقراص. للقيام بذلك ، يتم طحن المادة إلى حالة من المسحوق الناعم ، ثم يتم عمل أقراص على المكبس. لإصلاح المواد الهشة ، توضع على ركيزة من حمض البوريك. يتم سكب السوائل في الأوعية باستخدام ماصة ، مع التحقق من عدم وجود فقاعات.
يتم تحضير العينات واختيار أسلوب التحليل والوضع الأمثل واختيار المعايير وبناء الرسوم البيانية التحليلية عليها بواسطة مساعد مختبر التحليل الطيفي بالأشعة السينية الذي يجب أن يعرف أساسيات الفيزياء والكيمياء وتصميم المقاييس ومنهجية البحث.
التحليل النوعي
يتم تحديد التركيب النوعي للعينات لتحديد عناصر كيميائية معينة فيها. لم يتم تنفيذ القياس الكمي. يتم إجراء البحث بالترتيب التالي:
- تحضير العينات
- تحضير مقياس الطيف (تسخينه ، تثبيت مقياس الزوايا ، ضبط نطاق الطول الموجي ، خطوة المسح ووقت التعرض في البرنامج) ؛
- مسح سريع للعينة ، وتسجيل الأطياف التي تم الحصول عليها في ذاكرة الكمبيوتر ؛
- فك التحلل الطيفي الناتج.
شدة الإشعاع في كل لحظةيتم عرض المسح على شاشة الكمبيوتر في شكل رسم بياني ، على طول المحور الأفقي الذي يرسم له الطول الموجي ، وعلى طول المحور الرأسي - شدة الإشعاع. يتيح برنامج أجهزة قياس الطيف الحديثة إمكانية فك تشفير البيانات التي تم الحصول عليها تلقائيًا. نتيجة التحليل النوعي بالأشعة السينية هي قائمة بخطوط المواد الكيميائية التي تم العثور عليها في العينة.
أخطاء
في كثير من الأحيان يمكن أن تحدث العناصر الكيميائية التي تم تحديدها بشكل خاطئ. هذا يرجع للأسباب التالية:
- انحرافات عشوائية للأشجار المتناثرة ؛
- خطوط طائشة من مادة الأنود ، إشعاع الخلفية ؛
- أخطاء في الجهاز.
تم الكشف عن عدم الدقة الأكبر في دراسة العينات التي تسودها عناصر خفيفة من أصل عضوي. عند إجراء التحليل الطيفي للأشعة السينية للمعادن ، تكون نسبة الإشعاع المتناثر أقل.
التحليل الكمي
قبل إجراء التحليل الكمي ، يلزم إعداد خاص لمقياس الطيف - معايرته باستخدام عينات قياسية. تتم مقارنة طيف عينة الاختبار مع الطيف الذي تم الحصول عليه من تشعيع عينات المعايرة.
تعتمد دقة تحديد العناصر الكيميائية على العديد من العوامل مثل:
- تأثير الإثارة interelement ؛
- خلفية تشتت الطيف ؛
- دقة الجهاز ؛
- الخطي لخاصية العد لمطياف ؛
- طيف أنبوب الأشعة السينية وغيرها.
هذه الطريقة أكثر تعقيدا وتتطلب دراسة تحليلية مع مراعاة الثوابت المحددة مسبقا تجريبيا أو نظريا.
كرامة
تشمل مزايا طريقة التصوير بالأشعة السينية:
- إمكانية الاختبار غير المتلف ؛
- حساسية عالية ودقة (تحديد الشوائب حتى 10-3 ٪) ؛
- مجموعة واسعة من العناصر الكيميائية التي تم تحليلها ؛
- تحضير عينة سهل
- براعة ؛
- إمكانية التفسير الآلي والأداء العالي للطريقة
عيوب
من بين عيوب التحليل الطيفي للأشعة السينية ما يلي:
- زيادة متطلبات السلامة ؛
- حاجة للتخرج الفردي ؛
- تفسير صعب للتركيب الكيميائي عندما تكون الخطوط المميزة لبعض العناصر متقاربة ؛
- ضرورة تصنيع أنودات من مواد نادرة لتقليل إشعاع الخلفية المميز الذي يؤثر على موثوقية النتائج.
