Рентгенофлуоресцентный спектрометр давно стал незаменимым помощником в металлургии, геологоразведке, химической отрасли и вторичной переработке отходов. Мы решили собрать ответы на наиболее часто возникающие вопросы о его выборе и эксплуатации.
Чем рентгенофлуоресцентный анализ лучше других методов?
Большая аппаратура для определения элементного состава постепенно уходит в прошлое и на российском производстве. Гораздо удобнее пользоваться анализатором, который можно поднять и навести одной рукой. Для него не нужна отдельная комната, он не привязан к сетевому источнику питания, защищён от влаги и грязи по стандартам International Protection. Его легко брать с собой, использовать в шахте или лаборатории, на складе или посреди поля. Настолько же компактных устройств, основанных на других методах спектрометрии, не существует.
Если взять ближайший по функциям и точности аналог ― оптико-эмиссионный спектрометр, то даже самые мобильные модели можно транспортировать только с помощью тележки. Анализаторы-пистолеты можно носить на поясе ― для них предусмотрена кобура, как на фото:
Оптико-эмиссионный спектрометр проигрывает такому анализатору и в том, что для эмиссионной спектрометрии всё же приходится повредить участок образца. Рентгенофлуоресцентный спектрометр обеспечивает неразрушающий контроль, поэтому сфера его применения гораздо шире, включая археологические исследования и РФА предметов искусства.
Простота в использовании становится решающим фактором при значительных объёмах работ. Вот причины, по которым рентгеновский спектрометр удобнее.
• Обслуживание минимально, поскольку нет деталей, на которые приходилась бы большая механическая нагрузка.
• Нет расходных материалов. В переносных рентгенофлуоресцентных приборах не используется гелий, а вот для оптической эмиссии нужен аргон.
• Исследуемый объект не требуется тщательно шлифовать.
Не последнюю роль играет то, что рентгеновские анализаторы гораздо доступнее по цене. Их могут позволить себе не только крупные предприятия с собственными лабораториями, но и небольшие фирмы, пункты по сбору лома и частные лица.
Как это работает?
Принцип метода РФА основывается на том, как разные химические элементы реагируют на воздействие рентгена. Чтобы понять лучше, рассмотрим три главных звена РФ-анализатора:
1. Рентгеновская трубка ― посылает излучение на интересующий нас образец.
2. Детектор ― воспринимает вторичное (флуоресцентное) излучение, которое испускается образцом под действием первичного.
3. Процессор ― обрабатывает импульсы, которые поступают с детектора.
Что это за импульсы? По принципу фотоэффекта атомы выбрасывают фотоны, то есть некоторое количество энергии, которое затем переводится в форму электрического сигнала и измеряется прибором. У атомов разных элементов это значение отличается. Так по интенсивности и количеству сигналов можно не только установить наличие какого-либо вещества, но и его точную концентрацию.
Насколько точен портативный рентгенофлуоресцентный спектрометр?
Продемонстрируем на примере, как важна точность для РФА. Анализаторы металлов часто приобретают те, кто занимается сбором палладия, платины и родия из отработанных автомобильных катализаторов. Это довольно прибыльное дело ― особенно для тех, кто продаёт драгоценные металлы из России за границу, учитывая курс доллара. Но здесь важно установить содержание ценных элементов с точностью до 1 г/тонну.
Спектрометрия в реальности не происходит точно по схеме: «излучение попадает на образец ― вторичное излучение отражается от образца и попадает на детектор». Одни атомы гасят флуоресцирование других, либо вызывают его собственным излучением, амплитуды накладываются друг на друга. Чтобы охватить все тонкости и дать точный результат, нужны математически сложные расчёты. Без них результат зависел бы от многих внешних факторов. Поэтому современные программы для РФА-спектрометров совершенствуются в более новых моделях.
Чтобы отсеивать лишние входные данные и определять состав на основе релевантной информации, в некоторых анализаторах используются дополнительные технологии.
• Фильтры (чем больше позиций, тем лучше).
• В больших рентгенофлуоресцентных спектрометрах используются монохроматоры.
• У более дорогих приборов детектор лучшего качества ― кремниевый дрейфовый вместо полупроводникового.
Анализаторы Olympus занесены в Госреестр средств измерения Российской Федерации, и это гарантия, что данным с них можно доверять.
Как устроена рентгеновская трубка?
В РФА–пистолетах трубка располагается сразу над рукоятью, но принцип устройства у неё такой же, как и у стационарного анализатора. Снаружи она выполнена из стекла или металла. Это замкнутое пространство с вакуумом внутри, где располагаются катод (нить накала) и анод.
Рассмотрим, как работает трубка. Катод и анод соединены с источником высокого напряжения. Когда нить накала нагревается, электроны атомов вещества, из которого она состоит (электроны катода), бомбардируют анод. Происходит следующее:
1. Электроны анода получают порцию энергии, и атомы переходят в возбуждённое состояние. Оно выражается в том, что электрон в таком атоме перепрыгивает на внешний уровень.
2. Так как это нестабильное состояние для атома, то электроны возвращаются.
3. От этого атомы анода высвобождают порцию энергии (фотон).
Эти фотоны и есть первичное рентгеновское излучение. Излучение от анода просто направляется на исследуемое вещество. Фотоны бомбардируют атомы вещества, из которого состоит проба. Пучок рентгена вызывает дальнейшую реакцию:
1. Электроны пробы поглощают энергию и перескакивают на внешний уровень.
2. Через короткий промежуток времени они возвращаются.
3. Атомы пробы испускают фотоны.
А это как раз флуоресцентное излучение, которое и подвергается анализу. Обратное от вещества излучение попадает на детектор через бериллиевое или графеновое окно.
Какие элементы способен распознать спектрометр?
Лёгкие элементы ― это те, что находятся наверху таблицы Менделеева и имеют маленькую атомную массу (Mg, Al). Их особенность в том, что они тратят на флуоресценцию очень небольшой процент энергии. Такие слабые сигналы сложнее зарегистрировать.
Однако решения были найдены для определения любых элементов (начиная с магния).
• Материал анода рентген-трубки выбирается исходя из того, на какие элементы рассчитан данный аппарат: Rh ― на лёгкие, W ―на тяжёлые, а Ag и Cu― на атомы средней массы.
• Регулируется напряжение на трубке: 10кВ ― лёгкие, от 40 кВ ― тяжёлые, 20-30 для элементов посредине.
• Раньше для определения легких элементов в стационарных флуоресцентных спектрометрах камеры заполняли одним из инертных газов, поскольку их масса меньше, чем у воздуха. В современных анализаторах этого не требуется.
• Специальные покрытия для улавливания сигналов от лёгких элементов (кристаллы серии PX, PE).
• В волновых анализаторах интервал определяется выбором монохроматора.
С элементами в среднем диапазоне массы (к которым относится большинство металлов) этой трудности не возникает. Практически все рентгенофлуоресцентные спектрометры подходят для работы со сталью, никелем, ферро- и спецсплавами, алюминием, медью. Форма может быть любая: необработанное сырье, металлопрокат, проволока, металлическая стружка.
Сложно ли пользоваться портативным рентгенофлуоресцентным спектрометром?
Анализ рентгеновских спектрометров Vanta при самых сложных измерениях занимает максимально 2,5 минуты (а в большинстве случаев всего 20 секунд). Нужно только коснуться образца и нажать кнопку для сканирования. Результат будет виден на дисплее.
Не нужно ничего знать о его примерном составе. Современные анализаторы настраиваются на главный компонент сплава автоматически и выдают точное процентное соотношение его с другими металлами.
На MicroSD карте сохраняются все отчёты в формате PDF. Чтобы не запутаться в файлах по каждому анализу, вместе с данными по количественному составу можно сохранить фото образца. Если нужно перекинуть отчёты на компьютер, в большинстве анализаторов есть USB-разъём, Bluetooth или Wi-Fi.
Как проводить пробоподготовку?
Помимо параметров самого прибора, на результат работы влияет состояние пробы. Анализировать с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра можно любые вещества, главное условие ― их однородность. Поэтому для точного исследования сначала нужно провести небольшую подготовку образца. Вот инструкция, как готовить к анализу различные материалы:
• Металлы и их сплавы ― нет ничего проще. Немного проходимся по поверхности шлифмашиной, и очищенная поверхность готова для проверки.
• Стёкла, полимеры ― переводятся в порошкообразную форму (фракция ― меньше 300 мкм).
• Почвы, золы, горные породы. Тоже следует начать с измельчения, а далее мелкодисперсная проба либо засыпается в кювету и запечатывается плёнкой (небольшое искажение результатов от поглощения рентгена пленкой убирается с помощью поправки), либо спрессовываются в твёрдые диски. Другой вариант ― сплавление при температуре около 1000°С с Li2B4O7 или Na2B4O7 (здесь также нужны поправки на посторонние соединения). Для отдельных пород достаточно шлифования.
• Жидкие образцы также можно исследовать с помощью портативных анализаторов. Чаще это производные нефти, биоматериалы, электролиты. Их анализируют в жидком виде в кюветах с плёночным дном, либо переводят в кристаллическую форму (высушивая, замораживая, смешивая с другими веществами).
Если внешне схожих образцов много, имеет смысл поместить на них ярлыки с номерами, чтобы их было видно на фото.
Какие практические задачи можно решать с помощью рентгеновского спектрометра
РФ-анализатор позволяет решить ряд проблем из совершенно разных областей:
• экспресс-анализ состава руд и горных пород;
• контроль промежуточных этапов на производстве;
• определение концентрации примесей и оценка после очистки (вода, металлы, руды);
• нахождение радиоактивных элементов в отходах для определения класса опасности;
• проверка продукции на соответствие нормам безопасности по максимально допустимому содержанию токсичных элементов (стройматериалы, бытовая химия);
• нахождение тяжёлых металлов в природных объектах;
• количественное определение драгоценных металлов в вышедшей из строя электронной технике;
• оценка пробы ювелирных украшений;
• определение марок алюминия, стали и многое другое.
Виды РФ-анализаторов
По измеряемому параметру РФА спектрометры делятся на волнодисперсионные и энергодисперсионные. Первые имеют в своём устройстве один или несколько монохроматоров, которые ранее упоминались. Они фильтруют волны по длине. На монохроматор флуоресцентное излучение направляется после пробы и перед тем, как попасть на детектор.
Подробнее об этом расскажем в следующей публикации, или обращайтесь к нашим специалистам-консультантам.
Спасибо что дочитали!
Подписывайтесь на наш YouTube канал! Он содержит невероятное число наших оригинальных обучающих и информационных видео материалов.
Ставьте ПАЛЕЦ ВВЕРХ и
ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ на Дзен канал