Материал: LS-Sb89582

Iл − Iф

K = Iл − Iф

Iф

2.5. Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Краткое изложение методик построения градуировок.

3.Результаты экспериментов и расчетов, таблицы, графики.

4.Выводы, в которых должны быть проанализированы результаты работы, полученные экспериментальные и теоретические зависимости.

Лабораторная работа № 3

КРИСТАЛЛ-ДИФРАКЦИОННЫЙ РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

Цель работы – ознакомление с принципами построения аппаратуры и методикой проведения флуоресцентного рентгеноспектрального анализа.

3.1. Основные теоретические положения

Основной задачей рентгеноспектрального анализа является качественное или количественное определение химического (элементного) состава исследуемого образца. Рентгеноспектральный анализ позволяет определить практически все химические элементы (за исключением ряда легкоатомных) и отличается высокой точностью: в отдельных случаях погрешность анализа не превышает 0.1–0.3 % от содержания материала. Для рентгеноспектрального анализа характерны высокая производительность, достигающая сотен определений элементов в час, и возможность практически полной автоматизации.

Возможность определения состава вещества рентгеновскими методами основана на том, что каждый элемент Периодической системы обладает индивидуальным, присущим только ему характеристическим рентгеновским спектром излучения. Чтобы осуществить анализ, необходимо прежде всего возбудить характеристическое излучение атомов образца и исследовать спектральный состав с помощью спектрометра. Измерив расстояния между линиями стандартного и исследуемого образцов и учитывая масштаб, можно определить длины волн линий характеристического спектра образца и, используя таблицы длин волн характеристических линий элементов, определить его элементный состав (выполнить качественный рентгеноспектральный анализ).

16

Возбуждение характеристического излучения атомов исследуемого образца может быть достигнуто путем его бомбардировки быстрыми электронами (анализ по первичным спектрам) или облучением рентгеновскими лучами (анализ по вторичным спектрам или флуоресцентный анализ).

Наиболее широкое распространение получил флуоресцентный метод анализа. Анализ по флуоресцентному (вторичному) излучению обладает некоторыми преимуществами по сравнению с анализом по первичным спектрам: образец располагается вне вакуумного объема; в ходе анализа образец не нагревается, и поэтому его химический состав не изменяется; во вторичном спектре отсутствует также фон из-за непрерывного спектра тормозного излучения, благодаря чему повышается контрастность анализируемых линий, а значит, и чувствительность. Однако следует отметить и некоторые недостатки флуоресцентного анализа: вторичные спектры имеют малую интенсивность для легкоатомных образцов (ограничена возможность анализа образцов с атомными номерами менее Z = 12), отсутствует локальность анализа.

зация оболочки атома, включая K-оболочку (рис. 3.1). Вследствие этого электрон покидает атом с энергией Wкин. На освободившееся место в K-оболочке перейдет электрон с вышележащей L-оболочки. При этом атом испускает фо-

тон характеристического излучения hνKα и т. д. В результате в атоме будет наблюдаться целый ряд переходов электронов между выше- и нижележащими уровнями энергии, сопровождающихся эмиссией фотонов характеристического излучения, которое называют флуоресцентным. Это название подчеркивает, что характеристические лучи возникли при облучении вещества фотонами, а не электронами.

Все переходы, заканчивающиеся на K-уровне, приводят к испусканию линий K-серии; переходы, заканчивающиеся на уровнях L, – к испусканию

17

линий L-серии, и т. д. Вероятность переходов неодинакова, поэтому интенсивность рентгеновских характеристических линий различна. Характеристические спектры химических элементов сходны по строению, что обусловлено одинаковой структурой внутренних электронных оболочек различных атомов. Экспериментально установлено, что при увеличении порядкового номера элемента спектры смещаются в сторону коротких длин волн, т. е. более

где Z – атомный номер вещества; S – экранирующая постоянная, учитывающая снижение влияния заряда ядра на данный электрон за счет действия кулоновских полей других электронов; n1 и n2 – главные квантовые числа уровней, между которыми осуществляется переход электрона.

Для расчета частоты линий спектра K-серии в (3.1) необходимо подста-

вить S = 1; n1 = 1; n2 = 2, 3, …; для L-серии: S = 7.4; n1 = 2; n2 = 3, 4, … . Воз-

никшее в исследуемом образце характеристическое рентгеновское излучение анализируется с помощью спектрометров.

В данной лабораторной работе используется кристалл-дифракционный спектрометр. В таких спектрометрах для выделения заданной линии спектра из флуоресцентного излучения образца используется дифракция излучения на кристалле. Условие дифракции излучения с длиной волны l определяется уравнением Вульфа– Брэгга

nλ = 2d sin ϑ,

где n – порядок отражения; d – межплоскостное расстояние кристалла-ана-

лизатора; J - угол между первичным пучком и атомной плоскостью.

Если менять угол J путем поворота кристалла, то для всех длин волн, входящих в излучение образца, будет последовательно выполняться условие дифракции на данном кристалле-анализаторе. Происходит разложение рентгеновского спектра по длинам волн, отраженное излучение регистрируется детектором.

Для разложения рентгеновского излучения в спектр используют спектрометры с плоскими и изогнутыми кристаллами. Спектрометр с плоским кристаллом имеет высокую светосилу, обусловленную тем, что для отражения одновременно используется почти вся поверхность большого плоского кристалла, однако это ведет к снижению его разрешающей способности.

18

Высокую разрешающую способность можно обеспечить при использовании спектрометров, в которых применяются различные рентгенооптические фокусирующие схемы с изогнутым кристаллом. Одним из таких спектрометров является спектрометр по схеме Кошуа, используемый в данной лабораторной работе.

3.2. Описание лабораторной установки

Используемый в лаборатории спектрометр предназначен для получения и записи флуоресцентного рентгеновского спектра в области от 0.05 до 0.2 нм. Этот диапазон длин волн определяется геометрией данного спектрометра и межплоскостным расстоянием используемого кристалла-анализатора. Ход лучей в этом спектрометре представлен на рис. 3.2. Из рентгеновской трубки T первичное излучение направляется на исследуемый образец F. Возбужденное в образце флуоресцентное излучение через многопластинчатую диафрагму M попадает на кристалл K, изогнутый по круговой цилиндрической

При выполнении условий дифракции для некоторой длины волны λx лучи собираются в точке P, расположенной на фокусирующей окружности. В этой же точке находится детектор D.

Идеальную фокусировку обеспечить не удается в связи с тем, что точки B и C кристалла несколько отступают от фокусирующей окружности. Фокусировка приводит к размытию спектральной линии и ухудшает разрешение близких длин волн. Уменьшая размер щели E перед детектором, можно по-

19

высить разрешение, однако при этом снижается светосила – возможность регистрации линий малой интенсивности.

Естественно, что для регистрации с меньшей длиной волны детектор должен перемещаться в сторону меньших углов ϑ, т. е. к точке O. Поэтому, как видно из рис. 3.2, прямые рентгеновские лучи, прошедшие через кристалл, могут попадать в детектор, в результате чего область спектра при ма-

лых углах ϑ окажется незарегистрированной. Для устранения этого эффекта применяется регулируемая ограничивающая щелевая диафрагма NN. Для этой же цели служит многопластинчатая диафрагма M. Она представляет собой набор металлических пластинок, расположенных веерообразно таким образом, что излучение от образца F попадает в точку Q.

Сигнал с детектора поступает на вход измерительно-регистрирующего устройства. При качественном анализе запись спектра производится автоматически самопишущим потенциометром, так как в этом случае высокая точность измерений не нужна. Синхронное взаимное перемещение кристалла и детектора обеспечивается механическим устройством, которое приводится в движение от электродвигателя. Источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка типа БХВ-6 с вольфрамовой мишенью. Анод трубки заземлен и охлаждается проточной водой. Высокое напряжение подается на катод рентгеновской трубки по высоковольтному кабелю от стабилизированного высоковольтного источника ВИП-2-50-60.

3.3.Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с установкой.

2.Включить установку в присутствии преподавателя.

3.Под руководством преподавателя установить исследуемый образец в держатель и провести его измерение.

4.Приступить к анализу полученной спектрограммы. Для проведения качественного анализа в исследуемые материалы добавляется известное вещество, в данном случае медь, флуоресцентное излучение которой возбуждается одновременно с излучением исследуемого образца. Необходимо иметь

ввиду, что в лабораторной работе анализ, как правило, проводится по K-

серии и интенсивность линий Kα и Kβ примерно характеризуется соотноше-

нием IKα : IKβ = 100 : 20. Линии K-серии появляются одновременно, и их ин-

тенсивность зависит от интенсивности первичного излучения и количества исследуемого вещества в образце.

20