Файл: Физикохимические.docx

Основные узлы рентгеноспектральных приборов

Конструкции приборов, используемых в рентгеноспектральных методах анализа, вклю‐ чают следующие основные узлы:

• 
  источник возбуждения;
  
• 
  диспергирующий элемент;
  
• 
  приемник излучения (рецептор).
  

1. Источник возбуждения

Первичное излучение в рентгеноспектральных методах получают с помощью рентге‐ новской трубки и реже радиоактивного излучателя.
Рентгеновская трубка. Конструкции трубок весьма многообразны. Принцип их дейст‐

вия иллюстрируется на рисунок 5.2.1. В вакуумирован‐ ном сосуде под постоянным напряжением в десятки киловольт находятся анод 1 и раскаленный катод 2, между которыми пропускается ток 50...100 мА. Раска‐ ленный током катод испускает электроны, которые ус‐ коряются электрическим полем и специальным фоку‐ сирующим устройством направляются на анод. Бом‐ бардирующий электронный пучок выбивает электроны из внутренней оболочки атомов вещества, пошедшего на изготовление анода. Остальная часть кинетической энергии электронов расходуется на так называемое тормозное излучение и нагревание анода. Возникаю‐ щий рентгеновский спектр наряду со сплошным фоном

---

Их называют кристалл‐анализаторами. Дифракция рентгеновских лучей в кристалле про‐ исходит в соответствии с законом Вульфа ‐ Брэгга:

nλ = 2d sinθ (5.2.1)

где n ‐ целое число, показывающее порядок спектра; d ‐ кратчайшее расстояние между со‐ седними плоскостями кристалла;  ‐ угол падения параллельного пучка рентгеновского из‐ лучения на плоскость кристалла (его называют углом скольжения).

От плоскости кристалла под углом  будет отражаться излучение с длиной волны , удовлетворяющей условию Вульфа‐Брэгга (5.2.1). Излучение, не удовлетворяющее этому ус‐ ловию, рассеивается и частично поглощается кристаллом.

Таким образом, в зависимости от угла скольжения данные кристалл будет отражать лу‐ чи с разной длиной волны, удовлетворяющей соотношению (8.2.1). Угол скольжения изме‐ няют поворотом плоскости кристалла‐анализатора. На этом принципе разработаны много‐ численные схемы диспергирующих устройств, используемых в практике.
Формула (8.2.1) является основой рентгеноструктурного и качественного рентге‐ носпектрального анализа. Если d известно, то по sinθрассчитывают длину волны  и про‐ водят качественный, а затем и количественный рентгеноспектральный анализ. Если известна длина волны падающего излучения, то по синусу угла  можно найти постоянную решетки d, что используется в рентгеноструктурном анализе.

Выбор кристалла‐анализатора определяется свойствами предполагаемого объекта исследования и це‐ лью работы. Для проведения, например, рентгеноспектрального элементного анализа желательно иметь яркий спектр не обязательно высокого разрешения. Такие спектры получаются с помощью кристаллов каменной со‐ ли, алюминия и др. Высокой разрешающей способностью обладают кристаллы из кварца, кальцита, а также слюды, флюорита и некоторых других веществ. При выборе учитывается также предполагаемая область длин волн, поскольку в соответствии с уравнением (8.2.1) при одном и том же угле скольжения  длина волны «от‐ раженного» излучения зависит от межплоскостного расстояния в кристалле‐анализаторе. Соответствующие характеристики кристаллов хорошо изучены и сведены в специальные таблицы. Например, у кальцита

---

d_CaCO3= 0,302945 нм, у флюорита d_CaF3= 0,3145 нм, у каменной соли d_NaCl=0,281400 нм и т. д. У кварца в зависимости от выбора кристаллических плоскостей d_SiO2принимает значения 0,424602; 3,33626;0,245144; 0,117762 и 0,101275 нм.

В области длин волн, превышающих 1,5...2,0 нм, применяются дифракционные решетки.

3. Приемники излучения

В качестве приемников рентгеновского излучения могут быть использованы фотома‐ териалы и счетчики рентгеновских квантов: ионизационные и сцинтилляционные. Эти же счетчики применяют для регистрации радиоактивного излучения.

В рентгеноспектральном анализе используют специальные рентгеновские пленки, часто двуслойные. Для повышения чувствительности к рентгеновскому излучению в фотоэмульсию рентгеновских пленок вводят повышенное по сравнению с обычными фотопластинками содержание бромида серебра.

• 
  Ионизационные счетчики. Схема ионизационного счетчика представлена на ри‐ сунке 5.2.2. Счетчик представляет собой устройство из двух электродов: цилиндрического катода и анода в виде металлической нити, натянутого вдоль оси цилиндра. Пространство в трубке между электродами заполнено газом (например, аргоном) при пониженном давле‐ нии. В зависимости от режима работы это устройство может быть ионизационной камерой, пропорциональным счетчиком или счетчиком Гейгера ‐ Мюллера.
  

Действие счетчика основано на ионизации газообразного наполнителя. Под действием рентгеновского излучения атом аргона ионизируется

Ar + hv = Ar⁺ + е^–,
а образовавшийся электрон при столкновении вызывает ионизацию других атомов аргона. Под действием приложенного напряжения ионы Аг⁺ будут двигаться к катоду, а электроны ‐ к аноду. Таким образом, электроны в счетчике движутся к нити, а положительно заряженные ионы ‐ к цилиндру. Вблизи нити напряженность электрического поля возрастает до таких значений, при которых происходит ударная ионизация и образуется довольно большое чис‐ ло электронов и

---

положительных ионов. Электроны в течение очень короткого промежутка

времени, порядка 10^‐7 c, соби‐ раются на нить счетчика. За столь короткое время положи‐ тельные ионы не могут сколь‐ ко‐нибудь заметным образом сдвинуться с места. Их поле эк‐ ранирует поле нити, благодаря чему теряется возможность ударной ионизации. По мере удаления слоя положительных ионов от нити их экранирую‐ щее действие будет ослабевать, и способность счетчика фикси‐

---

конструкции с прямыми и изогнутыми кристалл‐анализаторами, с ионизационными и сцин‐ тилляционными счетчиками. Особо эффективно применение квантометров для экспрессно‐ го определения нескольких заданных элементов в серии однотипных образцов. Успешно применяется, например, восьмиканальный квантометр для анализа семи компонентов. Продолжительность анализа составляет 2,5 мин.

Рентгеновские микроанализаторы (электронный микрозонд). В рентгеновских мик‐ роанализаторах электронно‐оптическая система формирует электронный луч‐зонд диамет‐ ром 1...2 мкм², направляемый на анализируемый образец, вернее в какую‐то точку на ана‐ лизируемом образце или «зерно». Флуоресцентное

---