LS-Sb89582

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

________________________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

________________________________

РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНАЯ АППАРАТУРА

Методические указания к лабораторным работам

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2013

УДК 621.386

Рентгеноспектральная аппаратура: методические указания к лабораторным работам / Сост.: А. Ю. Грязнов, Н. Н. Потрахов, В. Б. Бессонов, К. К. Жамова. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. 31 с.

Содержат описания лабораторных работ, в которых исследуются различные методы проведения рентгеноспектрального анализа вещества. Приведено описание современной аппаратуры и способов ее применения.

Предназначены для студентов специальности 200300, а также могут быть полезны инженерно-техническим работникам этой области знаний.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013

2

Лабораторная работа № 1

ОСНОВЫ ЭНЕРГОДИСПЕРСИОННОГО АНАЛИЗА. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ЭНЕРГОДИСПЕРСИОННОГО АНАЛИЗАТОРА

Цель работы – знакомство с основами количественного энергодиспер-

сионного рентгенофлуоресцентного анализа.

1.1. Основные сведения

Современный рентгеновский флуоресцентный спектрометр представляет собой сложный аналитический прибор, в котором производится облучение ис-

следуемого образца потоком первичного рентгеновского излучения (РИ), реги-

страция вторичного рентгеновского излучения (рентгеновской флуоресценции)

атомов, возбужденного в анализируемом образце первичным излучением рент-

геновской трубки, обработка полученного спектра и вычисление концентраций.

Для того чтобы получить спектральное распределение флуоресцентного рентгеновского излучения, можно использовать один из двух следующих ме-

тодов:

– зависимость амплитуды электрических импульсов некоторых детекто-

ров от энергии регистрируемых квантов (на этом основана энергодисперси-

онная спектрометрия – ЭДС);

– дифракцию рентгеновского излучения на кристаллах (на этом основа-

на кристалл-дифракционная спектрометрия – КДС).

В кристалл-дифракционном спектрометре источник рентгеновского излу-

чения (рентгеновская трубка) возбуждает характеристическое излучение эле-

ментов исследуемого образца. Вторичное излучение от пробы через коллиматор попадает на кристалл-анализатор с постоянной решетки d под углом Θ, обеспе-

чивающим выполнение условия дифракционного отражения Вульфа– Брэгга.

В энергодисперсионной спектрометрии осуществляется регистрация и анализ РИ по энергии квантов, и делается это с помощью различных детекто-

ров. Анализируемый образец облучается первичным рентгеновским излуче-

нием, и в нем возбуждается вторичное РИ (флуоресцентное), которое харак-

теризует состав образца. Это излучение содержит характеристическое РИ всех атомов, содержащихся в образце. Флуоресцентное РИ от образца реги-

стрируется детектором. Детектор регистрирует квант РИ и создает на выходе электрические импульсы с амплитудой, пропорциональной энергии кванта.

3

6 · 106

4 · 106

X(E)

2 · 106

0

1 5 10 15 20 25

E, кэВ

в

Рис. 1.1. Схематическое изображение спектров

Отличительными особенностями и преимуществами энергодисперсионного анализатора являются:

–одновременность анализа всех элементов;

–высокая чувствительность и низкий предел обнаружения;

4

–высокая точность анализа неоднородных и негомогенных образцов;

–меньшая требовательность к точности установленных образцов. Применение фильтров первичного излучения (в современных энерго-

дисперсионных анализаторах обычно предусматривается возможность использования нескольких сменных фильтров) позволяет модифицировать спектр первичного излучения таким образом, чтобы, значительно снизив интенсивность тормозного первичного излучения в области определяемой аналитической линии вторичного спектра, сохранить высокую интенсивность в аналитической части спектра.

На рис. 1.1 схематически представлены расчетные спектры 1 %-го Fe, полученные при условиях: а – недостаточной фильтрации (фильтр слишком тонкий); б – оптимальной фильтрации; в – избыточной фильтрации (фильтр слишком толстый).

1.2. Описание лабораторной установки

Энергодисперсионный анализатор БРА-18 (рис. 1.2) является настольным портативным прибором.

Действие анализатора основано на возбуждении атомов пробы исследуемого вещества излучением рентгеновской трубки (РТ) с боковым выходом, возбуждающим флуоресценцию атомов элементов, содержащихся в образце. Флуоресцентное излучение от образца попадает в полупроводниковый детектор (ППД), где кванты различной энергии преобразуются в электрические импульсы, амплитуда которых пропорциональна энергии поглощенных квантов. В анализаторе используется кремниевый детектор. С помощью ана-

Заслонка Вакуум

Рис. 1.2. Рентгенооптическая схема анализатора БРА-18

5

6

1.3. Построение градуировочной зависимости. Оценка параметров градуировочной зависимости

Градуировка заключается в выполнении измерений градуировочных образцов (ГО) и расчета градуировочных коэффициентов (ГК). При проведении расчетов ГК в основное уравнение регрессии

где i – индекс элемента; k – индекс ГО; n – число ГО; m – число ГК, для каждого элемента подставляют значения теоретических поправочных коэффициентов Kij и концентраций Cj. Далее по измеренным и скорректированным скоростям счета аналитических линий ГО известного химического состава методом наименьших квадратов находят эмпирические ГК и их значимости, вычисляемые как отношения ГК к погрешностям их оценки.

На основании полученных ГК для всех ГО рассчитываются значения содержаний Срасч, отклонений расчетных содержаний от химических d = Cрасч -

- Схим и вычисляется среднеквадратическое отклонение от уравнения (1.1).

Перед вычислением ГК проводится предварительная градуировка по частному виду основной расчетной формулы:

Сi = a0 + ai × Ii.

По результатам предварительной градуировки вычисляются следующие величины:

–среднеквадратическое отклонение от линейного графика si0;

–коэффициент чувствительности

Gi = Nik0 ,

ait

где t – время одного измерения; k – кратность измерения ГО и релейного образца (РО);

– предел обнаружения

Статистическая погрешность анализа каждого ГО определяется как

7

где Nik0 – усредненный по кратности набор импульсов аналитической линии РО, используемый для корректировки дрейфа. При корректировке по двум РО используется набор импульсов, больший по значению.

По окончании градуировки все перечисленные параметры выводятся на дисплей и могут быть распечатаны. Наиболее важной характеристикой градуировки является σград – погрешность градуировочной зависимости.

1.4.Порядок выполнения работы

1.Подготовка прибора и калибровка.

1.1.Включить компьютер.

1.2.Открыть программу AIPTP.

1.3.Включить анализатор БРА-18, на блоке управления нажать кнопку «Сеть», при этом загорится красный светодиод.

1.4.На компьютере в программе AIPTP произвести энергетическую калибровку анализатора БРА-18.

1.5.В программе AIPTP зайти в раздел «Спектр», в выпавшем окне выбрать команду «Читать». Выбрать на рабочем столе папку «Калибровка».

Впапке открыть файл «Fe–Ni–Cu, 6-4».

1.6.На экране появится спектр калибровочного образца. Войти в раздел «Обработка». Нажать «Калибровка». Справа откроется таблица энергий аналитических линий:

● Курсор увести вправо от спектра, нажать 2 раза левой кнопкой мыши.

Справа от спектра появится зеленая линия. Перейти курсором влево и встать на линию NiKα и нажать 1 раз. На линии NiKα появится зеленая линия. Пе-

ренести курсор на линию Cu Kα , нажать 1 раз. В таблице энергий нажать кнопку «Применить».

●В разделе «Обработка» нажать «калибровка» – окно закроется. Калибровка завершена.

●Удалить калибровочный спектр.

2. Проведение измерений калибровочных образцов.

2.1.Налить растворы из емкостей в кюветы. Кюветы расположить на листе белой бумаги с надписью концентраций.

2.2.Убедиться, что на приборе БРА-18 выставлен режим 6-4.

2.3.Убедиться, что красный фонарь и светодиод «РЕНТГЕН» не горят!

2.4.Взять кювету с минимальной концентрацией и установить в измерительное окно БРА-18.

8

2.5.Убедиться, что бумага под кюветами сухая!

2.6.В случае протекания заменить кювету на запасную.

2.7.После установки кюветы в измерительное гнездо закрыть крышку камеры образцов.

2.8.На высоковольтном блоке нажать белую кнопку «ВКЛ». Подождать 20 с, шум источника увеличится, и загорятся светодиод и красный фонарь «Рентген» на верхней крышке анализатора. Это означает, что рентген включен и рентгеновская трубка дает поток первичного излучения.

2.9.Крышку прибора теперь открывать нельзя!

2.10.Подождать 3 мин, пока показания на индикаторах высокого напряжения и тока рентгеновской трубки остановятся.

2.11.В программе AIPTP нажать кнопку «С».

2.12.В программе AIPTP нажать кнопку «А». В левом нижнем углу появится время измерения (Р – общее, Ж – живое). Измерить спектр за 100 с, при этом значение «Ж» должно стать «Ж – 100 сек.». Нажать кнопку «Е», чтобы остановить набор спектра. Затем нажать кнопку «R», которая выведет спектр измеренного образца на экран.

2.13.Войти в раздел «Обработка», выбрать режим «Интервалы».

2.14.Справа появится таблица интервалов, которая дает значения набранного числа импульсов в выделенных интервалах за время экспозиции (100 с).

2.15.Записать значение Fe в протокол.

2.16.Нажать на высоковольтном блоке красную кнопку. При этом красный фонарь «Рентген» должен погаснуть.

2.17.Вынуть кювету и вылить содержимое в соответствующий контейнер.

2.18.Сполоснуть кювету дистиллированной водой и слить в отходный контейнер.

2.19.Провести аналогичные измерения с растворами всех концентраций по пп. 2.1–2.18.

2.20.В завершение провести измерение с кюветой дистиллированной воды. 3. Проведение измерений контрольного образца.

Налить контрольный образец известного состава в кювету и провести

измерение его по процедуре, описанной в пп. 1 и 2. Полученное значение ин-

тенсивности железа ( IFe ) подставить в уравнение

и получить значение измеренной концентрации, которое должно лежать в пределах 2.5δ.

9

4. По окончании измерений выключить прибор кнопкой «Сеть». Выключить компьютер.

1.5. Обработка результатов градуировки: построение градуировочной зависимости

1.Обработка результатов измерений ведется в программе «Mathcad».

2.Протокол с результатами измерений IFe обработать и построить гра-

фик, используя формулу (1.2).

3.Определить коэффициенты a0 и b.

4.Записать значение среднеквадратической погрешности градуировки δ.

1.6. Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Краткое описание принципа действия энергодисперсионного анализатора.

3.Краткое изложение методик расчета.

4.Принципиальная схема аппарата и схематическое устройство энергодисперсионного анализатора.

5.Результаты экспериментов и расчетов, таблицы, графики.

6.Выводы, в которых должны быть проанализированы результаты работы, полученные экспериментальные и теоретические зависимости.

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛИТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ АНАЛИЗЕ В РАСТВОРЕ МАЛЫХ СОДЕРЖАНИЙ ВЕЩЕСТВА

Цели работы – проведение экспериментальных исследований и получение аналитических характеристик рентгенофлуоресцентного анализа низких содержаний элементов в растворе.

2.1. Основные сведения

Рентгенофлуоресцентный анализ является одним из основных применений рентгеновского излучения. Рентгенофлуоресцентный анализ – анализ химического состава вещества по спектру характеристического РИ, возбуждаемого в веществе с помощью пучка электронов (анализ по первичным спектрам) или тормозного рентгеновского излучения (анализ по вторичным спектрам). В результате возникающее при этом характеристическое РИ вещества регистрируется детектором.

10