3.10. Основы методики идентификации элементного состава неизвестного вещества и определение концентрации ингредиентов с использованием метода гамма-флуоресцентного анализа

Для изучения элементного состава вещества широко используется рентгеноспектральный флуоресцентный метод анализа ингредиентов вещества. Метод позволяет получать качественную оценку состава вещества по спектральному положению характеристических линий в спектре испускания (флуоресценции) исследуемого образца. Для получения количественной оценки концентрации ингредиентов интенсивность линий флуоресценции контролируемого образца сравнивают с аналитическим графиком известного состава (стандарта). Кроме метода внешнего стандарта используют метод внутреннего стандарта и стандарта-фона [12].

Для анализа сложных (многокомпонентных) образцов полную систему уравнений связи расшифровывают на ЭВМ по методу последовательных (трех—четырех) приближений. Известна программа безэталонного рентгеноспектрального анализа с использованием метода фундаментальных параметров, которая позволяет производить безэталонный количественный анализ без использования стандартных образцов сравнения, либо работать в режиме классического способа фундаментальных параметров. В этом случае используется один образец для каждого анализируемого элемента. Программа позволяет о измерение спектров, включающих линий 73 элементов (от Са до U) и производить автоматическую идентификацию К- и L- серий.

В аппаратурной реализации метода возникновение вторичного излучения обеспечивают, используя рентгеновскую трубку с Рd-анодом (напри мер, вакуумный спектрометр «Спектроскан-V»).

Излучение маломощной рентгеновской трубки 1 направляется на пробу грунта 2. Возникающее вторичное излучение (на рис.3.10.1 условно показано стрелками) исследуется изогнутым кристаллом-анализатором 3 и пропорциональным детектором 4, которые в процессе измерения перемещаются с помощью прецизионного сканирующего гониометра 5.

Каждому фиксированному положению гониометра 5 соответствует определенная длина волны излучения.

Наличие характерных спектральных линий (позиция В) несет информацию об элементном составе. Интенсивность линий рентгеновской флуоресценции тесно связана с к содержанием ингредиентов и определяются с помощью компьютера 8 и блоком счетчика импульсов 6, блоком измерения интенсивности 7, блоком измерения концентрации ингредиентов 10, функционирование блоков 6, 7, 9 и 10 обеспечивается компьютером 8 и программным обеспечением спектрометра.

Задача определения элементного состава вещества условно может быть разбита на два этапа:

1 этап включает в себя качественное определение элементного состава без использования эталонных образцов по спектральному положению характеристических линий в спектре флуоресценции;

2 этап включает в себя количественное определение элементного состава по интенсивности линий флуоресценции с эталонным образцом.

Для проведения сравнительного анализа выбирают интересующие элементы, например, Sr, Zn, Fe, Мn, Сг, Са, Сl, S, Р, Si, Аl, Мg и т.д.

Спектроскан «СПЕКТРОСКАН Макс-GV» Рентгенофлуоресцентный вакуумный кристалл-дифракционный сканирующий спектрометр. Предназначен для анализа вещества на содержание химических элементов от Nа (Z=11) до U (Z=92) по таблице Менделеева.

Анализ начинается с загрузки объекта (сплава, порошка, жидкости, фильтра с осадком) в кювету диаметром 20 мм и глубиной до 20 мм. На модификациях спектрометра возможна также загрузка образцов диаметром до 40 мм, или протяженных образцов (до 150 на 150 мм).

Если состав образца неизвестен, оператор измеряет спектр рентгеновской флуоресценции в диапазоне, соответствующем интересующим его химическим элементам. Образцы подобных спектров приведены на рис 3.10.2 и 3.10.3. С помощью специальной программы можно определить наличие и примерное содержание элементов. Более точные результаты получают с использованием программы количественного анализа. В этом случае концентрации определяются исходя из градуировки спектрометра, проведенной предварительно по 3-10 образцам известного состава. Результаты анализа выдаются на дисплей, принтер или в файл (табл.3.10.1).

Рис.3.10.1. Функциональная схема рентгеновского флуоресцентного спектрометра: 1- рентгеновская трубка; 2 - кювета с исследуемым объектом; 3 - изогнутый кристалл-анализатор; 4 - пропорциональный детектор; 5 - прецизионный гониометр; 6 - счетчик импульсов; 7 - блок измерения интенсивности рентгеновской флуоресценции; 8 - компьютер; 9 - блок измерения спектра ингредиентов; 10 - блок измерения концентрации ингредиентов. Позициями а и в показаны входная и выходная щели рентгеновской камеры соответственно

Рис.3.10.2. Характерные спектры флуоресценции при определении элементного состава вещества рентгено-флуоресцентным методом

Дата: 15.03.05 Время 15.28 SPECTROSCAN № 173

Продукт: Конструкц.сталь Оператор: Никитина И.М.

Результаты анализа конструкционных сталей Таблица 3.10.1

№ образца	Содержания элементов (массовые доли в %)
	Ti	V	Cr	Mn	Ni	Cu	Mo	W
21\14	0.57	0.13	16.17	2.01	12.67	0.05	2.87	0.15
Л-145	3.27	0.21	11.95	0.37	18.96	0.15	0.41	0.07
ЛЗ-71	0.38	0.05	14.58	3.01	3.51	0.10	0.15	0.22

Рис.3.10.3. Спектр образца специального сплава на основе железа

Dy – 7% Tb – 3% Nd – 40% Fe – 49% Co – 1%

При экологическом анализе проб с содержанием тяжелых элементов: Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Zn и Pb 10-4 – 10-6% (1 - 0,01 мг/л) осуществляется предварительное концентрирование.

Качественный анализ:

- змерение спектра рентгеновской флуоресценции образца на любом участке рабочего диапазона длин волн спектрометра сохранение результатов.

- автоматическая обработка измеренных спектров: вычитание фона, идентификация характеристических линий элементов.

- идентификация спектральных линий и заключение о присутствии в образце соответствующих элементов;

- сравнение двух спектров путём наложения, вывод результатов на печать

Количественный анализ:

- определение содержания элементов с точностью, не уступающей точности рядового химического анализа.

- предоставление широких возможностей для выбора условий измерения образцов;

- в ситуациях с плохим соотношением «сигнал-фон» предусмотрены несколько способов учета фона: по двум точкам (слева и справа от линии); расчет фона по результатам измерения линии некогерентного рассеяния; по «холостой» пробе.

Математическая обработка результатов измерений выполняется автоматически. На этапе градуирования - это расчет коэффициентов выбранного пользователем уравнения, а на этапе анализа - вычисление концентраций по измеренным интенсивностям с учетом сохраненных ранее коэффициентов уравнения. Пересчет интенсивностей в концентрации осуществляется методом множественной регрессии или методам стандарт-фона.

Результаты градуировок и анализов выводятся но дисплей в виде таблиц и на принтер в виде протоколов измерений и сохраняются в файлах на жестком диске компьютера.