L'analyse spectrale des rayons X occupe une place importante parmi toutes les méthodes d'étude des matériaux. Il est largement utilisé dans divers domaines technologiques en raison de la possibilité d'un contrôle express sans détruire l'échantillon à tester. Le temps de détermination d'un élément chimique ne peut être que de quelques secondes, il n'y a pratiquement aucune restriction sur le type de substances étudiées. L'analyse est effectuée à la fois en termes qualitatifs et quantitatifs.
L'essence de l'analyse spectrale des rayons X
L'analyse spectrale des rayons X est l'une des méthodes physiques d'étude et de contrôle des matériaux. Elle repose sur une idée commune à toutes les méthodes de spectroscopie.
L'essence de l'analyse spectrale des rayons X réside dans la capacité d'une substance à émettre un rayonnement X caractéristique lorsque les atomes sont bombardés par des électrons rapides ou des quanta. En même temps, leur énergie doit être supérieure à l'énergie nécessaire pour extraire un électron de la coquille d'un atome. Un tel impact conduit non seulement à l'apparition d'un spectre de rayonnement caractéristique,constituée d'un petit nombre de raies spectrales, mais également continue. L'estimation de la composition énergétique des particules détectées permet de tirer des conclusions sur les propriétés physiques et chimiques de l'objet étudié.
Selon le mode d'action sur la substance, soit des particules du même type, soit d'autres sont enregistrées. Il existe également la spectroscopie d'absorption des rayons X, mais elle sert le plus souvent d'outil auxiliaire pour comprendre les problèmes clés de la spectroscopie traditionnelle des rayons X.
Types de substances
Les méthodes d'analyse spectrale des rayons X nous permettent d'étudier la composition chimique d'une substance. Cette méthode peut également être utilisée comme méthode expresse de contrôle non destructif. Les types de substances suivants peuvent être inclus dans l'étude:
- métaux et alliages;
- roches;
- verre et céramique;
- fluide;
- abrasifs;
- gaz;
- substances amorphes;
- polymères et autres composés organiques;
- protéines et acides nucléiques.
L'analyse spectrale des rayons X vous permet également de déterminer les propriétés suivantes des matériaux:
- composition des phases;
- orientation et taille des monocristaux, particules colloïdales;
- diagrammes d'état d'alliage;
- structure atomique et dislocation du réseau cristallin;
- contraintes internes;
- coefficient de dilatation thermique et autres caractéristiques.
Basé sur cette méthode dansla production utilise la détection des défauts par rayons X, qui vous permet de détecter différents types d'inhomogénéités dans les matériaux:
- coquillages;
- inclusions étrangères;
- pores;
- fissures;
- Soudures défectueuses et autres défauts.
Types d'analyses
Selon la méthode de génération des rayons X, on distingue les types suivants d'analyse spectrale des rayons X:
- Fluorescent aux rayons X. Les atomes sont excités par le rayonnement X primaire (photons de haute énergie). Cela dure environ une microseconde, après quoi ils se déplacent dans une position calme et basique. L'énergie excédentaire est alors émise sous forme de photon. Chaque substance émet ces particules avec un certain niveau d'énergie, ce qui permet de l'identifier avec précision.
- Rayons X radiométrique. Les atomes de matière sont excités par le rayonnement gamma d'un isotope radioactif.
- Sonde électronique. L'activation est réalisée par un faisceau d'électrons focalisé d'une énergie de plusieurs dizaines de keV.
- Test avec excitation ionique (protons ou ions lourds).
La méthode la plus courante d'analyse spectrale des rayons X est la fluorescence. L'excitation des rayons X lorsqu'un échantillon est bombardé d'électrons est appelée directe, et lorsqu'elle est irradiée par des rayons X, elle est appelée secondaire (fluorescente).
Principes de base de l'analyse de fluorescence X
Méthode de fluorescence X largement répandueutilisé dans l'industrie et la recherche scientifique. L'élément principal du spectromètre est la source de rayonnement primaire, qui est le plus souvent utilisée comme tubes à rayons X. Sous l'influence de ce rayonnement, l'échantillon commence à devenir fluorescent, émettant des rayons X du spectre de raies. L'une des caractéristiques les plus importantes de la méthode est que chaque élément chimique a ses propres caractéristiques spectrales, qu'il soit à l'état libre ou lié (en tant que partie de n'importe quel composé). Changer la luminosité des lignes permet de quantifier sa concentration.
Un tube à rayons X est un ballon à l'intérieur duquel un vide est créé. À une extrémité du tube se trouve une cathode sous la forme d'un fil de tungstène. Il est chauffé par un courant électrique à des températures qui assurent l'émission d'électrons. À l'autre extrémité se trouve une anode sous la forme d'une cible métallique massive. Une différence de potentiel est créée entre la cathode et l'anode, grâce à laquelle les électrons sont accélérés.
Des particules chargées se déplaçant à grande vitesse frappent l'anode et excitent le bremsstrahlung. Il y a une fenêtre transparente dans la paroi du tube (le plus souvent en béryllium) par laquelle sortent les rayons X. L'anode des appareils d'analyse spectrale des rayons X est composée de plusieurs types de métaux: tungstène, molybdène, cuivre, chrome, palladium, or, rhénium.
Décomposition du rayonnement en un spectre et son enregistrement
Il existe 2 types de dispersion des rayons X dans le spectre: les ondes et l'énergie. Le premier type est le plus courant. Les spectromètres à rayons X, fonctionnant sur le principe de la dispersion des ondes, ont des cristaux analyseurs qui diffusent les ondes sous un certain angle.
Les monocristaux sont utilisés pour décomposer les rayons X en un spectre:
- fluorure de lithium;
- quartz;
- carbone;
- phtalate de potassium ou de thallium acide;
- silicium.
Ils jouent le rôle de réseaux de diffraction. Pour l'analyse multi-élémentaire de masse, les instruments utilisent un ensemble de tels cristaux qui couvrent presque complètement toute la gamme des éléments chimiques.
Les caméras à rayons X sont utilisées pour obtenir une radiographie ou un diagramme de diffraction fixé sur un film photographique. Étant donné que cette méthode est laborieuse et moins précise, elle n'est actuellement utilisée que pour la détection de défauts dans l'analyse par rayons X des métaux et autres matériaux.
Des compteurs proportionnels et à scintillation sont utilisés comme détecteurs de particules émises. Ce dernier type a une sensibilité élevée dans la région du rayonnement dur. Les photons tombant sur la photocathode du détecteur sont convertis en une impulsion de tension électrique. Le signal va d'abord à l'amplificateur, puis à l'entrée de l'ordinateur.
Champ d'application
L'analyse par fluorescence X est utilisée aux fins suivantes:
- détermination des impuretés nocives dans l'huile etproduits pétroliers (essence, lubrifiants et autres); métaux lourds et autres composés dangereux dans le sol, l'air, l'eau, les aliments;
- analyse de catalyseurs dans l'industrie chimique;
- détermination précise de la période du réseau cristallin;
- détection de l'épaisseur des revêtements de protection par une méthode non destructive;
- déterminer les sources de matières premières à partir desquelles l'article est fabriqué;
- calcul de microvolumes de matière;
- détermination des composants principaux et des impuretés des roches en géologie et métallurgie;
- étude d'objets de valeur culturelle et historique (icônes, peintures, fresques, bijoux, plats, ornements et autres objets en matériaux divers), leur datation;
- détermination de la composition pour l'analyse médico-légale.
Préparation des échantillons
Pour l'étude, la préparation de l'échantillon est préalablement requise. Ils doivent remplir les conditions suivantes pour l'analyse aux rayons X:
- Uniformité. Cette condition peut être satisfaite le plus simplement pour les échantillons liquides. Lors de la stratification de la solution immédiatement avant l'étude, elle est mélangée. Pour les éléments chimiques dans la région de courte longueur d'onde du rayonnement, l'homogénéité est obtenue par broyage en poudre, et dans la région de grande longueur d'onde, par fusion avec le flux.
- Résistant aux influences extérieures.
- Adapté à la taille du chargeur d'échantillons.
- Rugosité optimale des échantillons solides.
Étant donné que les échantillons liquides présentent un certain nombre d'inconvénients (évaporation, modification de leur volume lorsqu'ils sont chauffés, précipitationprécipité sous l'action du rayonnement X), il est préférable d'utiliser la matière sèche pour l'analyse spectrale des rayons X. Les échantillons de poudre sont versés dans une cuvette et pressés. La cuvette est installée dans le support via l'adaptateur.
Pour l'analyse quantitative, il est recommandé de presser les échantillons de poudre en comprimés. Pour ce faire, la substance est broyée à l'état de poudre fine, puis des comprimés sont fabriqués sur la presse. Pour fixer les substances friables, elles sont placées sur un substrat d'acide borique. Les liquides sont versés dans les cuvettes à l'aide d'une pipette, en vérifiant l'absence de bulles.
La préparation des échantillons, la sélection d'une technique d'analyse et du mode optimal, la sélection des étalons et la construction de graphiques analytiques sur ceux-ci sont effectuées par un assistant de laboratoire d'analyse spectrale aux rayons X qui doit connaître les bases de la physique, de la chimie, la conception de spectromètres et la méthodologie de recherche.
Analyse qualitative
La détermination de la composition qualitative des échantillons est effectuée pour identifier certains éléments chimiques qu'ils contiennent. La quantification n'est pas effectuée. La recherche est effectuée dans l'ordre suivant:
- préparation des échantillons;
- préparation du spectromètre (chauffage, installation du goniomètre, réglage de la plage de longueur d'onde, de l'étape de balayage et du temps d'exposition dans le programme);
- balayage rapide de l'échantillon, enregistrant les spectres obtenus dans la mémoire de l'ordinateur;
- déchiffrer la décomposition spectrale résultante.
Intensité du rayonnement à chaque instantle balayage est affiché sur l'écran de l'ordinateur sous la forme d'un graphique, le long de l'axe horizontal dont la longueur d'onde est tracée, et le long de l'axe vertical - l'intensité du rayonnement. Le logiciel des spectromètres modernes permet de décoder automatiquement les données obtenues. Le résultat d'une analyse qualitative aux rayons X est une liste de lignes de produits chimiques qui ont été trouvés dans l'échantillon.
Erreurs
Des éléments chimiques mal identifiés peuvent souvent apparaître. Cela est dû aux raisons suivantes:
- déviations aléatoires du bremsstrahlung dispersé;
- lignes parasites du matériau de l'anode, rayonnement de fond;
- erreurs d'instrument.
La plus grande imprécision se révèle dans l'étude des échantillons, qui sont dominés par des éléments légers d'origine organique. Lors de l'analyse spectrale des métaux par rayons X, la proportion de rayonnement diffusé est moindre.
Analyse quantitative
Avant de procéder à une analyse quantitative, un réglage spécial du spectromètre est nécessaire - son étalonnage à l'aide d'échantillons standard. Le spectre de l'échantillon d'essai est comparé au spectre obtenu à partir de l'irradiation des échantillons d'étalonnage.
La précision de la détermination des éléments chimiques dépend de nombreux facteurs, tels que:
- effet d'excitation interélément;
- spectre de diffusion de fond;
- résolution de l'appareil;
- linéarité de la caractéristique de comptage du spectromètre;
- Spectre de tube à rayons X et autres.
Cette méthode est plus compliquée et nécessite une étude analytique, tenant compte de constantes préalablement déterminées expérimentalement ou théoriquement.
Dignité
Les avantages de la méthode des rayons X incluent:
- possibilité de contrôle non destructif;
- haute sensibilité et précision (détermination des impuretés jusqu'à 10-3 %));
- large éventail d'éléments chimiques analysés;
- préparation facile des échantillons;
- polyvalence;
- possibilité d'interprétation automatique et haute performance de la méthode.
Défauts
Parmi les inconvénients de l'analyse spectrale des rayons X, citons les suivants:
- exigences de sécurité accrues;
- besoin d'obtention d'un diplôme individuel;
- interprétation difficile de la composition chimique lorsque les lignes caractéristiques de certains éléments sont proches;
- nécessité de fabriquer des anodes à partir de matériaux rares pour réduire le rayonnement caractéristique de fond qui affecte la fiabilité des résultats.
