Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Зевин, Л. С. Количественный рентгенографический фазовый анализ

.pdf
Скачиваний:
14
Добавлен:
19.10.2023
Размер:
7.44 Mб
Скачать

Интегрируя (1,2) в пределах от 0 до 00, получим

Ji = кхк2кйіѴіU0 .

(1,3)

I

как кон­

Таким образом, множитель поглощения А = — . Так

центрации обычно определяются в весовых долях (с,), то осуществим переход от объемной концентрации к весовой

(1,4)

где р(- и р — плотность соответственно г-той фазы и образца. Под­ ставив vt из уравнения (1,4) в уравнение (1,3), получим

 

J,

( 1 , 5 )

 

р12 с‘Т*

 

где kt =

k 1k 2k3iU0 — постоянный для данной

фазы и данных

экспериментальных условий коэффициент; р* = р/р — массовый коэф­ фициент поглощения рентгеновских лучей образцом; р* — мас­ совый коэффициент поглощения г-той фазой; п — число фаз в образце.

Уравнение (1,5) является основным для последующей разработки методов количественного фазового анализа.

Оценим справедливость допущений, сделанных при выводе урав­ нения (1,5). Прежде всего облучаемый объем не является бесконеч­ ным, а вследствие конечных размеров сечения первичного пучка

и держателя образца представляет

собой трехгранную

призму

(рис. 2). В результате множитель поглощения запишется

[170]

А =

1

Ф(Ѳ),

 

 

 

 

 

 

 

2Hg

 

 

 

sin 20

 

 

ф (Ѳ) = 1

"

2р^

S*n

 

где g — ширина

пучка в горизонтальной плоскости (g =

U0/Hp,

где Нр — высота

облучаемой поверхности образца).

и по­

Обычно g = 1—4 мм и при р 100 см-1 (Ф (Ѳ) — 1) ■< 0,01,

правка Ф (Ѳ) существенна только для слабопоглощающих матери­ алов. Если точка пересечения средних лучей первичного и отражен­ ного пучков не совпадает с центром образца, что может быть при небольших отклонениях от точной юстировки, форма рассеивающего объема оказывается более сложной и является неправильной четы­ рехгранной призмой [10]. Однако сделанный выше вывод оказы­ вается справедливым и в этом случае.

В подавляющем большинстве случаев при анализе минерального сырья используются порошковые образцы, которые нельзя считать однородными в указанном выше смысле, даже если эти порошки

10

однофазные. Гранулометрию и абсорбционную способность порошков удобно характеризовать величиной линейного коэффициента по­ глощения р и средним линейным размером зерна d. В ряде работ приводится полуэмпирическая зависимость интенсивности дифрак­ ционного максимума от плотности и гранулометрии однофазного образца [119; 235]

( 1. 6)

где J; J 0— интенсивности отражения соответственно сплошным и по­ ристым образцом; ф — отношение плотности (объемной массы) по­ рошкового образца к плотности сплошного вещества.

Рис. 3. Ход рентгеновских лучей в порошке средней крупности

Более детальные исследования [145] показали, что отношение J / J 0 зависит от угла Ѳ. Однако для p d ^O ,5 и углов 2Ѳ в интервале от 15 до 50° эта зависимость сравнительно слабая. Обычно для порош­ ковых образцов величина ф = 0,5—0,6. При' ф = 0,6 и рd -- 0,5

.

поправка к / 0, согласно уравнению (1,6), составит около 4%. Однако

г

для количественного фазового анализа важна не абсолютная вели­

чина

поправки,

а возможные изменения интенсивности, связанные

с колебаниями плотности образца. Согласно уравнению (1,6)

имеем

 

 

j - %

***ЮО (1 — ф) р d Аф.

(1.7)

При

ф = 0,6,

pd = 0,5

и Аф = 0,10 погрешность АJ /J 0

*=»2%.

Обычно при перенабивках образца плотность воспроизводится так, что величина Аф <; 0,05.

Неоднородными являются и многофазные образцы (причем не только пористые, но и сплошные), если коэффициенты поглощения рентгеновских лучей разными фазами значительно разли­ чаются [111]. На рассмотрении этого эффекта следует остановиться подробнее, так как неоднородность такого рода существенно влияет на интенсивность дифрагированного пучка.

Рассмотрим отражение рентгеновских лучей от порошка, явля­ ющегося смесью двух или более кристаллических веществ, полагая, что кристаллики разных фаз имеют одинаковую крупность (рис. 3). Пусть 8F — элемент объема кристаллика і-той фазы, находящегося в отражающем положении, с,- — массовая концентрация г-той фазы в смеси; р(. — линейный коэффициент поглощения j-той фазы;

11

p', p' — средний линейный коэффициент поглощения и средняя

плотность порошкового образца; р; р — то же, для сплошного веще­ ства с тем же фазовым составом, что и порошок; I — путь рентгенов­ ского луча в кристаллике і-той фазы; L — общий путь рентгеновского луча в образце.

Рентгеновский луч проходит в порошковом образце путь, запол­

ненный частицами вещества, равный На пути ^

дей ствует средний линейный коэффициент поглощения р', а в кристал­ лике вдоль пути / — коэффициент поглощения рг Интенсивность рассеяния элементом объема кристаллика 8F, определится

-к(г

і

(1,8)

bJ i = m,e V C »

>

где m,■— постоянный коэффициент.

Считая, что излучение проходит через достаточно большое число

кристалликов,

можно принять р'/р'

= р/р,

поэтому

 

 

б /(= т ге ^ Ѵ ^ ^ ) 'б И ,

(1,9)

Значение первой экспоненты е_мХ зависит только от пути

рентгенов­

ских лучей в

образце, значение

второй

экспоненты

1 —

только от пути рентгеновских лучей в кристаллике. Если | р,- — p|d<j <(0,01, т. е. размеры кристалликов и разница в поглощении смесью и отражающей частицей достаточно малы, то значение второй экспо- ^

центы і близко к единице. Обычно порошки такой крупности называются тонкими. Для этих порошков интегрирование выраже­ ния (1,9) в пределах от 0 до 00 приводит к уже известному урав­

нению (1,5). Для порошков с |рг — р |^ > 0 ,0 1 необходимо найти среднее значение второй экспоненты. Усредненное по объему кри­ сталлика оно равно

Ъ = 4 г

(І.Ю)

дѵ

 

и называется фактором поглощения кристаллика

(AF — объем

кристаллика).

Интенсивность отражения от всегокристаллика определится

следующим образом:

(I,И)

{dj{y = т(х.іAFe-^L.

Дальнейшее рассмотрение аналогично проведенному выше при вы- ^ воде уравнения (1,3). В результате получим

=

Г

( 1, 12)

 

 

12

или, перейдя к массовой концентрации,

=

( М Э )

В отличие от формулы для «тонких» порошков (1,5) в выражении (1,13) присутствует фактор поглощения частиц тг Чем крупнее будут кристаллики и чем больше разница между коэффициентом погло­ щения определяемой фазы и смеси в целом, тем больше будет по­ правка т,-, которую необходимо ввести в значение интенсивности для тонких порошков. Очевидно, что фактор поглощения xt отличен от единицы только для смеси нескольких фаз. Интегрирование выражения (1,10) можно выполнить, зная форму частиц и их ориен­ тацию. В табл. 1 приведены значения факторов поглощения частиц кубической и сферической формы [151].

Т а б л и ц а 1

Численные значения фактора поглощения для сферических и кубических частиц (Ѳ = 45°)

(M-f — М-) <*і

Сферические

Кубические

(|хг —|Г) dl

Сферические

Кубические

 

частицы

частицы

 

 

частицы

частицы

0

1,000

1,000

 

0

1,000

1,000

0,01

0,986

0,995

 

-0,01

1,014

1,005

0,02

0,973

0,990

 

-0,02

1,027

1,010

0,03

0,960

0,985

 

-0,03

1,042

1,015

0,04

0,946

0,980

 

-0,04

1,058

1,020

0,05

0,933

0,975

 

-0,05

1,073

1,025

0,06

0,919

0,970

 

-0,06

1,091

1,030

0,07

0,906

0,965

 

-0,07

1,108

1,035

0,08

0,893

0,960

 

-0,08

1,125

1,040

0,09

0,879

0,955

 

—0,09

1,143

1,045

0,10

0,866

0,950

 

-0,10

1,162

1,050

0,2

0,753

0,900

 

-0 ,2

1,353

1,010

0,3

0,653

0,850

 

- 0 ,3

1,573

1,015

0,4

0,569

0,800

 

-0 ,4

1,807

1,020

0,5

0,496

0,750

 

-0 ,5

2,036

1,025

Из табл. 1

следует, что

фактор

поглощения

при | \і.

ц | <2, *=»0,1

не только значительно (на 5—15%) отличается от единицы, но и су­ щественно зависит от формы частиц. Если учесть, что анализиру­ емый материал — обычно смесь частиц разнообразных по форме

и размеру, то трудно ожидать успеха в попытках внести поправку

визмеренную интенсивность расчетным путем. Но в некоторых случаях эту поправку можно определить экспериментально, о чем будет сказано ниже.

Для порошков 0,1<()рг — ц|<2г <»1 («грубые» порошки) необ­ ходимо пересмотреть вывод формулы (1,13): учесть пористость образца и вероятность попадания отражающего кристаллика на пути рентгеновского пучка. В образце из таких частиц глубина

13

проникновения рентгеновских лучей такова, что процесс отражения не является чисто объемным или чисто поверхностным, поэтому интегрирование по глубине более правильно заменить суммирова­ нием по числу слоев.

В последних работах, посвященных этому вопросу [101; 218; 219|. показано, что поправка определяется не только средним факто­ ром поглощения кристалликов тг, но и пористостью образца и рас­ пределением частиц вдоль пути рентгеновского луча. Обозначим

эту комплексную поправку

= / (р; рр Д; ф). Тогда

уравнение

(1,5) запишется следующим образом:

 

 

J =

Р/М-

(1,14)

 

 

 

Не имея сведений о размерах, форме, ориентации частиц, плот­ ности образца, составе образца невозможно рассчитать величину поправки !(■. Есть два пути учета этого эффекта, называемого эффек­ том микропоглощения. Первый и наиболее общий — достаточно тонкое измельчение образца и выбор оптимального излучения с тем, чтобы эффекты микропоглощения или не сказывались, или были бы достаточно малы (нужно, естественно, исходить из требуемой точ­ ности анализа). Верхнюю границу допустимых размеров кристал­

ликов .можно определить из неравенства [р,- — p |d ^ 0,1. В главе III будет показано, как оценивать достаточность измельчения. Второй

путь — экспериментальная

оценка величины

На

эталонных

смесях известного состава

исследуется

зависимость

Jt =

/ (с,-). На­

блюдаемые отклонения от

уравнения

(1,5) относят

за счет микро- '

поглощения и определяют величину

С достаточной уверенностью

это можно сделать для двухфазных объектов.

В общем случае интенсивность аналитического пика определяемой фазы является довольно сложной функцией ее концентрации и, кроме того, зависит и от концентраций остальных фаз в пробе. Даже в том случае, когда эффект микропоглощения несуществен, уравнение (1,5)

допускает однозначное решение лишь при

некоторых условиях,

так как массовый коэффициент поглощения р*

= ^р*с,- определяется

 

1

полным фазовым составом пробы. Ниже будет рассмотрен ряд мето­ дов, позволяющих решить полученное уравнение, связывающее интенсивность пика и концентрацию фазы.

§ 2. ПОЛНЫЙ АНАЛИЗ и-ФАЗНОЙ СИСТЕМЫ

Полагаем, что исследуемая проба содержит п кристаллических ' фаз, присутствие которых надежно установлено при качественном анализе пробы. Определяются концентрации всех присутствующих

в пробе фаз, так как используется условие 2 сі = 1- На дифрактограмме исследуемой пробы выбираются j = п углов 2Ѳ,- или интер-

14

валов измерения Л2Ѳ;-, соответствующих положениям сильных пиков определяемых фаз. Дальнейшее рассмотрение приведем для случая налагающихся и свободных от наложения пиков.

Система с наложениями аналитических пиков [160]

* В общем случае рассеяние каждой фазой гс-фазной смеси вносит вклад в интенсивность каждого из п выбранных дифракционных пиков. Этот вклад можно выразить следующей формулой:

Jij —dijJu, (ІД5)

где Іц — вклад, вносимый j-той фазой в /-тый пик на дифрактограмме; а,;- — коэффициент пропорциональности; — интенсив­ ность основного пика і-той фазы.

Величина интенсивности Jl{ определяется уравнением (1,5). (Полагаем, что исследуемые пробы можно отнести к «тонким» порош­ кам.) Полную интенсивность /-того пика получаем, суммируя вклады всех фаз

^ , - 2 ^ = і ? 2 о" - р г -

<ІД6)

1-1

£=1

 

^Рассмотрим отношение интенсивностей двух аналитических пи­

ков

S jn = J j/Jn-

Для определенности положим, что

один из этих

пиков имеет номер п, тогда согласно уравнению (1,16)

 

 

 

П

п

 

 

 

 

S jn

=

 

(1,17)

где

ß* = kt/pr

1-1

1-1

 

 

 

 

имеем

 

Например, для дифракционного пика с / = 1

 

 

s ln («lnPiCi “г

“Ь • • <“f"dnnßnCn) ~ ®iißi<'i ~\~

• • •

или

 

. . . -j- aniß„c„

 

 

 

 

 

 

 

l

Clßl (Slnain

1) “H CsPa (Slna2n

a2l) 4“ • • • +

Cnßn(Sin

anl) ~ 0.

Изменяя / от 1 до (n — 1), получим по формуле (1,17) п — 1 уравне­ ние для определения п неизвестных концентраций с( (при / = п правая и левая части уравнения (1,17) тождественно равны). Допол-

15

нительное уравнение получаем из условия 2 е/ = 1- Таким образом, полную систему уравнений можно представить в следующем виде:

^ lß l {S\n®-\n

1 ) Г

 

{S\n®'2 n

^ 2 l)

I- • • •

T ' Cr$n {S±n

a nl)

^

Г]ß i (S->na ln

®іг)

^2ßâ {Sin^2n

1)

"■■• “Г ^nßn {Snn

^ni)

^

clßl { S n - 1 , na\a

n-1) “Г ^2ß 2 { S n - 1, na2n

a 2, n-1) ~T" • •

(1,18)

 

... 4- C„ß„(Sn_1: n

Uni n-i) — 0

 

 

 

 

 

C1“Г c 2 ~Ь • • ■ Г c n■—

1 •

 

 

 

 

 

В уравнения (1,18) входят n постоянных ßf и n2 — /г постоян­ ных öi;-, так как из ?г2 величин ач- п значений (при і = /) равны единице. Величины atj по сути представляют собой относительные интенсивности на рентгенограмме. Обычно постоянные ß,- и а опре­ деляют по рентгенограммам чистых фаз, полученным в тех же усло­ виях, что и дифрактограммы исследуемых проб. При этом, исходя из уравнения (1,5), можно получить ß^ = где JiQ — интен­ сивность основного пика на рентгенограмме чистой і-той фазы. Величины ац определяются по уравнению (1,15). Если интенсивность

измеряется

в максимуме дифракционного пика под углами

2Ѳу,

то величина

интенсивности

из уравнения (1,15) должна

изме­

ряться точно под теми же углами. В общем случае наложения неточ­ ные, и углы 2Ѳудля фаз с номером с( 4= / не соответствуют максиму­ мам дифракционных пиков. Поэтому коэффициенты аГ] невозможно

определить, исходя

из табулированных

в справочниках данных

о порошковой рентгенограмме

[99]. Если

измеряется интегральная

интенсивность /-того

пика в

некотором

угловом интервале А2Ѳу-,

то измерения величины должны быть выполнены в том же интер­ вале углов. В ряде случаев для определения постоянных системы (1,18) предпочтительно использовать смеси чистых фаз или образцы с известным фазовым составом. Для одного из таких образцов урав­ нения (1,18) можно записать следующим образом:

^ lß ln

{ S \n ^ m

1 ) ~Ь ^2$2п (S la w in

® 2l)

<'n { S \ n

c l ß l n

{S -m ^ln

® іг ) “Ь ^ 2 $ 2 п {Sin&2n

1 )

■ • • “Ь Cn {S^n

a n l)

0 |

a n%) ~

0 )

(1,19)

C lß i„

{ S n -1 , n&m a l, n -1 ) 4 “ ^äßân { S n -1 , na 2n

n -1 )

“Г - - -

 

 

• •

cn {Sn^it n

®n, n-l) =

 

 

 

 

 

 

где

Qin

ß//ßrt •

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, для одного образца можно записать п — 1 урав­

нений (1,19). Всего же нужно

определить п

2 — п постоянных

аГі '

(учитываем, что п значений atj

1) и

п

1

значений

ß(„, т.

е.

всего п2 — 1 неизвестных.

 

1) (п

1) получим, произ­

Необходимое число уравнений (п +

ведя

измерения

интенсивности

аналитических

пиков для

(ге +

1)

16

искусственной смеси. Очевидно, что даже при малом числе фаз (п= = 3) количество уравнений вида (1,19) вырастает до 8, что исключает «ручной» расчет, но не является серьезной задачей, если исполь­ зуется электронная вычислительная машина.

Если постоянные аң и известны, то неизвестные концентрации определяются путем решения системы уравнений (1,18) обычным методом Крамера.

ѵ и

М<

Ѵ22

я1

• • „2

 

 

Ѵ ьп-l

Ѵ2, п - 1

-ѴП, п- 1

 

 

 

1

1 . . . .

.

1

 

определитель

системы,

составленный

из

элементов

ѵі;- =

=(Sjnain atj), и Dt — определитель, получающийся из опре­

делителя \ І ) \ заменой столбца с номером і на столбец, составленный из свободных членов

Ѵц

1-1

0 Ѵ«+і.. 1

ѵл1

Ѵі 2

• • Ѵ і - 1 , 2

0

Х чп.2

ѵл2

 

 

0 Х ч ь п - 1 * * •

( 1, 20)

Ѵ і,„ -і • ■• ѵ('-1 , п - 1

п,п- 1

1

. . . 1

1

1

.

1

При числе неизвестных п > 3 решение системы уравнений (1,18) «вручную» становится слишком трудоемкой операцией и в этом случае нужна машинная техника.

Такие «всеобщие» наложения дифракционных пиков всех фаз, которые положены в основу вывода уравнений (1,18), встречаются редко. Обычно имеют место частичные наложения. Если дифракцион­ ный пик фазы г свободен от наложений, то все коэффициенты аіг, определяющие вклад оставшихся фаз в интенсивность пика г, равны нулю. Если далее интенсивность фазы г не вносит вклада в интен­ сивность остальных фаз, то будут равны нулю все arj, за исключе­ нием агг = 1. Таким образом, при частичных наложениях система уравнений (1,18) может значительно упроститься. Рассмотренный метод был проверен на трехфазных смесях а — Fe20 3—ХіО—Fe30 4 [160]. Характеристика наложений приводится в табл. 2.

Относительная погрешность анализа составила от 2 до 10% при малых содержаниях фаз (с, «^5%) и 0,3—0,5% при больших содер­ жаниях (сі = 90%).2

2 Заказ 651

17

 

 

 

Т а б л и ц а 2

Коэффициент aij

в системе Fe203— NiO — Fe3C>4

 

 

 

аИ

 

2Ѳ°

3

г= 1

» = 2

г— 3

 

 

 

 

( а —Fe20 3)

(Fe.O i)

(NiO)

42

1

1

0

0

45

2

0,705

1

0

55

3

0

0,245

1

Система со свободными от наложений аналитическими пиками

Если наложения пиков отсутствуют, то,

очевидно, в каждый

из і

= п дифракционных пиков вносит вклад лишь одна фаза. По­

этому коэффициенты а/;- = 0 при і

ф

j и а£/- =

1 при і = j. Соответ­

ственно система

уравнений (1,18) запишется следующим образом:

 

 

 

 

^lnßrfin

ßlTl

О

 

 

 

 

 

 

S 2nßпс п

ß2C2 =

О

 

(1,21)

 

 

 

 

Sn-X. n ß n c n

ßn-lcn-l ~

 

 

 

 

 

О

 

Отсюда получаем

 

 

 

 

1.

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

С„ = С

ßrt I С

 

 

 

 

 

 

ß^ !

 

f С

 

ß^

 

 

 

о щ

Ö-----Г^2«

“5-----Г • • • -Г'ЭП-І,

п -д------

 

 

 

 

Pi

Р2

 

 

Р/1-1

Аналогичное уравнение можно написать для

концентрации любой

г-той фазы

[103,

105]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

' , =

----- Г ----- .

 

(1,22)

 

 

 

 

 

 

 

 

Sri

 

 

 

 

 

 

 

 

 

гфі

ß ri

 

 

где

Sri =

JT[Ji

— отношение

 

интенсивностей

дифракционных пи­

ков,

а

 

 

р

_

ßr

 

кгрі

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pr{ ~

ßi

ktPr ■

 

 

Суммирование в уравнении (1,22) производится по всем г, за

исключением г — і .

 

 

 

 

 

 

 

Если обозначить —----- 1 через pt, то выражение (1,22)

запишется І

следующим образом:

 

П

 

=

(‘.23)

Г'-7^1

 

18

(Суммирование производится по всем г за исключением г = і.) Для трехфазной смеси уравнения (1,23) имеют вид

Рі

<52і

1

£ 3 1

 

ß-21

^

ßsi

 

 

 

P i'

^12

1

^ '3 2

(1,24)

ßl2

 

ß32

*

 

 

S i s

I

^23

 

Рз

 

ßl3

1

ß23

 

 

 

Может быть намечен иной, несколько отличный от рассмотрен­ ного, чисто аналитического варианта, путь решения системы уравне­ ний (1,21). Для двух любых фаз из уравнений (1,21) можно получить

O’/О

ß/r'^Vi,

(1,25)

где ßi> — постоянная. Полученное уравнение позволяет

определить

отношение концентраций двух фаз

без каких-либо предположений

о содержании остальных фаз. Очевидно, что система из п — 1 урав­

нения (1,25), дополненная условием 2 сі = 1, позволяет определить концентрации всех п фаз [185]. Для определения величин crjcl в ана­ лизируемом образце могут быть использованы линейные градуиро­ вочные графики в координатах S ri — cr/ct-, построенные на основе искусственных бинарных смесей из чистых фаз. Отметим также, что в уравнения для расчета концентраций фаз входят отношения интен­ сивностей аналитических пиков Sri. Промежуток времени между

измерениями

и обычно небольшой и на результаты анализа

не должен оказывать влияния дрейф дифрактометра.

Остановимся на способах определения постоянных ßt- и $г1. Сле­ дует учитывать, что ßri = l/ßlV и ßi7 = 1 и для п-фазной системы

необходимо определить п — і значение

ß,,.. Для чистой г-той фазы

из уравнения (1,5) следует /,• 0 =

.

Отсюда имеем

 

 

рі р і

 

ß< =

h L

J ioPi

 

Pi

(1,26)

 

_PrO Pr

 

 

 

Pio

Pi ’

 

где Jr0 и Ji0 — интенсивности аналитических пиков для чистых фаз. Величины массовых коэффициентов поглощения ц* и р(* легко рас­ считать. С другой стороны, неизвестные ßnможно определить,

Канализируя двухфазные или многофазные смеси чистых фаз или же образцы с известным фазовым составом. Отметим, что в уравнения для расчета концентраций (1,22) или (1,25) входят относительные величины коэффициентов ß„- ßr/ß/. Используя образцы известного состава, можно определить величины ß„-, а не ß,-. Из системы урав­ нений (1,25) следует, что имея один образец известного состава,

2*

19

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ