El análisis espectral de rayos X ocupa un lugar importante entre todos los métodos de estudio de materiales. Es ampliamente utilizado en varios campos de la tecnología debido a la posibilidad de control rápido sin destruir la muestra de prueba. El tiempo para la determinación de un elemento químico puede ser de unos pocos segundos, prácticamente no hay restricciones sobre el tipo de sustancias en estudio. El análisis se lleva a cabo tanto en términos cualitativos como cuantitativos.
La esencia del análisis espectral de rayos X
El análisis espectral de rayos X es uno de los métodos físicos para el estudio y control de materiales. Se basa en una idea común a todos los métodos de espectroscopia.
La esencia del análisis espectral de rayos X radica en la capacidad de una sustancia para emitir una radiación de rayos X característica cuando los átomos son bombardeados por electrones rápidos o cuantos. Al mismo tiempo, su energía debe ser mayor que la energía necesaria para sacar un electrón de la capa de un átomo. Tal impacto conduce no solo a la aparición de un espectro de radiación característico,constituido por un pequeño número de líneas espectrales, pero también continuas. La estimación de la composición energética de las partículas detectadas permite sacar conclusiones sobre las propiedades físicas y químicas del objeto de estudio.
Según el método de acción sobre la sustancia, se registran partículas del mismo tipo u otras. También existe la espectroscopia de absorción de rayos X, pero suele servir como una herramienta auxiliar para comprender los aspectos clave de la espectroscopia de rayos X tradicional.
Tipos de sustancias
Los métodos de análisis espectral de rayos X nos permiten estudiar la composición química de una sustancia. Este método también se puede utilizar como método de ensayo no destructivo exprés. Los siguientes tipos de sustancias pueden incluirse en el estudio:
- metales y aleaciones;
- rocas;
- vidrio y cerámica;
- líquido;
- abrasivos;
- gases;
- sustancias amorfas;
- polímeros y otros compuestos orgánicos;
- proteínas y ácidos nucleicos.
El análisis espectral de rayos X también le permite determinar las siguientes propiedades de los materiales:
- composición de fase;
- orientación y tamaño de monocristales, partículas coloidales;
- diagramas de estado de aleación;
- estructura atómica y dislocación de la red cristalina;
- tensiones internas;
- coeficiente de expansión térmica y otras características.
Basado en este método enla producción utiliza la detección de defectos por rayos X, que le permite detectar varios tipos de f alta de homogeneidad en los materiales:
- conchas;
- inclusiones extranjeras;
- poros;
- grietas;
- Soldaduras defectuosas y otros defectos.
Tipos de análisis
Según el método de generación de rayos X, se distinguen los siguientes tipos de análisis espectral de rayos X:
- Fluorescente de rayos X. Los átomos son excitados por la radiación primaria de rayos X (fotones de alta energía). Esto dura alrededor de un microsegundo, después de lo cual se mueven a una posición básica tranquila. El exceso de energía se emite entonces en forma de fotón. Cada sustancia emite estas partículas con un cierto nivel de energía, lo que permite identificarla con precisión.
- Radiografía radiométrica. Los átomos de la materia son excitados por la radiación gamma de un isótopo radiactivo.
- Sonda electrónica. La activación se realiza mediante un haz de electrones enfocado con una energía de varias decenas de keV.
- Ensayo con excitación iónica (protones o iones pesados).
El método más común de análisis espectral de rayos X es la fluorescencia. La excitación de rayos X cuando una muestra se bombardea con electrones se llama directa, y cuando se irradia con rayos X se llama secundaria (fluorescente).
Fundamentos del análisis de fluorescencia de rayos X
Método de fluorescencia de rayos X ampliamenteutilizado en la industria y la investigación científica. El elemento principal del espectrómetro es la fuente de radiación primaria, que se usa con mayor frecuencia como tubos de rayos X. Bajo la influencia de esta radiación, la muestra comienza a emitir fluorescencia, emitiendo rayos X del espectro lineal. Una de las características más importantes del método es que cada elemento químico tiene sus propias características espectrales, independientemente de si se encuentra en estado libre o ligado (como parte de cualquier compuesto). Cambiar el brillo de las líneas permite cuantificar su concentración.
Un tubo de rayos X es un globo dentro del cual se crea un vacío. En un extremo del tubo hay un cátodo en forma de alambre de tungsteno. Se calienta mediante una corriente eléctrica a temperaturas que aseguran la emisión de electrones. En el otro extremo hay un ánodo en forma de un objetivo de metal masivo. Se crea una diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo, por lo que los electrones se aceleran.
Las partículas cargadas que se mueven a alta velocidad golpean el ánodo y excitan la bremsstrahlung. Hay una ventana transparente en la pared del tubo (la mayoría de las veces está hecha de berilio) a través de la cual salen los rayos X. El ánodo de los dispositivos de análisis espectral de rayos X está hecho de varios tipos de metales: tungsteno, molibdeno, cobre, cromo, paladio, oro, renio.
Descomposición de la radiación en un espectro y su registro
Hay 2 tipos de dispersión de rayos X en el espectro: onda y energía. El primer tipo es el más común. Los espectrómetros de rayos X, que funcionan según el principio de dispersión de ondas, tienen cristales analizadores que dispersan las ondas en un cierto ángulo.
Los cristales individuales se utilizan para descomponer los rayos X en un espectro:
- fluoruro de litio;
- cuarzo;
- carbono;
- ftalato ácido de potasio o talio;
- silicio.
Desempeñan el papel de rejillas de difracción. Para el análisis masivo de elementos múltiples, los instrumentos utilizan un conjunto de tales cristales que cubren casi por completo toda la gama de elementos químicos.
Las cámaras de rayos X se utilizan para obtener una radiografía o un patrón de difracción fijado en una película fotográfica. Dado que este método es laborioso y menos preciso, actualmente se usa solo para la detección de fallas en el análisis de rayos X de metales y otros materiales.
Los contadores proporcionales y de centelleo se utilizan como detectores de partículas emitidas. El último tipo tiene una alta sensibilidad en la región de radiación fuerte. Los fotones que caen sobre el fotocátodo del detector se convierten en un pulso de voltaje eléctrico. La señal va primero al amplificador y luego a la entrada de la computadora.
Ámbito de aplicación
El análisis de fluorescencia de rayos X se utiliza para los siguientes fines:
- determinación de impurezas nocivas en aceite yderivados del petróleo (gasolina, lubricantes y otros); metales pesados y otros compuestos peligrosos en el suelo, el aire, el agua, los alimentos;
- análisis de catalizadores en la industria química;
- determinación precisa del período de la red cristalina;
- detectar el espesor de los revestimientos protectores mediante un método no destructivo;
- determinar las fuentes de materias primas de las que se fabrica el artículo;
- cálculo de microvolúmenes de materia;
- determinación de los componentes principales y de impurezas de las rocas en geología y metalurgia;
- estudio de objetos de valor cultural e histórico (iconos, pinturas, frescos, joyas, vajillas, ornamentos y otros elementos de diversos materiales), su datación;
- determinación de la composición para análisis forense.
Preparación de muestras
Para el estudio, se requiere una preparación preliminar de la muestra. Deben cumplir las siguientes condiciones para el análisis de rayos X:
- Uniformidad. Esta condición se puede cumplir más simplemente para muestras líquidas. Al estratificar la solución inmediatamente antes del estudio, se mezcla. Para los elementos químicos en la región de radiación de longitud de onda corta, la homogeneidad se logra moliéndolos en polvo, y en la región de longitud de onda larga, por fusión con fundente.
- Resistente a las influencias externas.
- Se adapta al tamaño del cargador de muestras.
- Rugosidad óptima de muestras sólidas.
Dado que las muestras líquidas tienen una serie de desventajas (evaporación, cambio en su volumen cuando se calientan, precipitaciónprecipitado bajo la acción de la radiación de rayos X), es preferible utilizar materia seca para el análisis espectral de rayos X. Las muestras de polvo se vierten en una cubeta y se prensan. La cubeta se instala en el soporte a través del adaptador.
Para el análisis cuantitativo, se recomienda prensar las muestras de polvo en tabletas. Para hacer esto, la sustancia se muele hasta obtener un estado de polvo fino y luego se hacen tabletas en la prensa. Para fijar las sustancias friables, se colocan sobre un sustrato de ácido bórico. Los líquidos se vierten en las cubetas con una pipeta, comprobando la ausencia de burbujas.
La preparación de muestras, la selección de una técnica de análisis y el modo óptimo, la selección de estándares y la construcción de gráficos analíticos en ellos la lleva a cabo un asistente de laboratorio de análisis espectral de rayos X que debe conocer los conceptos básicos de física, química, el diseño de espectrómetros y la metodología de investigación.
Análisis cualitativo
La determinación de la composición cualitativa de las muestras se lleva a cabo para identificar ciertos elementos químicos en ellas. No se lleva a cabo la cuantificación. La investigación se lleva a cabo en el siguiente orden:
- preparación de muestras;
- preparar el espectrómetro (calentarlo, instalar el goniómetro, configurar el rango de longitud de onda, el paso de exploración y el tiempo de exposición en el programa);
- escaneo rápido de la muestra, registrando los espectros obtenidos en la memoria de la computadora;
- descifrando la descomposición espectral resultante.
Intensidad de radiación en cada momentoel escaneo se muestra en el monitor de la computadora en forma de gráfico, a lo largo del eje horizontal del cual se traza la longitud de onda y, a lo largo del eje vertical, la intensidad de la radiación. El software de los espectrómetros modernos permite decodificar automáticamente los datos obtenidos. El resultado de un análisis cualitativo de rayos X es una lista de líneas de productos químicos que se encontraron en la muestra.
Errores
A menudo pueden ocurrir elementos químicos identificados erróneamente. Esto se debe a las siguientes razones:
- desviaciones aleatorias de bremsstrahlung dispersos;
- líneas dispersas del material del ánodo, radiación de fondo;
- errores del instrumento.
La mayor imprecisión se revela en el estudio de las muestras, en las que predominan los elementos ligeros de origen orgánico. Al realizar análisis espectrales de rayos X de metales, la proporción de radiación dispersa es menor.
Análisis cuantitativo
Antes de realizar un análisis cuantitativo, se requiere una configuración especial del espectrómetro: su calibración con muestras estándar. El espectro de la muestra de prueba se compara con el espectro obtenido de la irradiación de muestras de calibración.
La precisión en la determinación de los elementos químicos depende de muchos factores, tales como:
- efecto de excitación entre elementos;
- espectro de dispersión de fondo;
- resolución del dispositivo;
- linealidad de la característica de conteo del espectrómetro;
- Espectro del tubo de rayos X y otros.
Este método es más complicado y requiere un estudio analítico, teniendo en cuenta constantes previamente determinadas experimental o teóricamente.
Dignidad
Las ventajas del método de rayos X incluyen:
- posibilidad de ensayos no destructivos;
- alta sensibilidad y precisión (determinación de impurezas hasta 10-3%);
- amplia gama de elementos químicos analizados;
- fácil preparación de muestras;
- versatilidad;
- posibilidad de interpretación automática y alto rendimiento del método.
Defectos
Entre las desventajas del análisis espectral de rayos X se encuentran las siguientes:
- mayores requisitos de seguridad;
- necesidad de graduación individual;
- difícil interpretación de la composición química cuando las líneas características de algunos elementos están cerca;
- necesidad de fabricar ánodos a partir de materiales raros para reducir la radiación característica de fondo que afecta a la fiabilidad de los resultados.
