МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра ЭПУ
отчет
по лабораторной работе №4
по дисциплине «Физика рентгеновского излучения»
Тема: Кристалл-дифрацкионный рентгеноскопный анализ
Студенты гр. 2202 |
|
Михеев Д. А. |
|
Михеев Д. А. |
|
|
Николаев А. В. |
|
|
Преподаватель |
|
Грязнов А. Ю. |
|
|
|
|
Санкт-Петербург
2024 г.
Цель работы – ознакомление с принципами построения аппаратуры и методикой проведения флуоресцентного рентгеноспектрального анализа.1.1. 4.1. Основные теоретические положения
Основной задачей рентгеноспектрального анализа является качественное или количественное определение химического (элементного) состава исследуемого образца. Рентгеноспектральный анализ позволяет определить практически все химические элементы, за исключением ряда легкоатомных, и отличается высокой точностью: в отдельных случаях погрешность анализа не превышает 0.1-0.3% от содержания материала. Для рентгеноспектрального анализа характерны высокая производительность, достигающая сотен определений элементов в час, и возможность практически полной автоматизации.
Возможность определения состава вещества методом рентгеноспектрального анализа основана на том, что каждый элемент Периодической системы обладает индивидуальным, присущим только ему характеристическим рентгеновским спектром излучения. Чтобы осуществить анализ, необходимо возбудить характеристическое излучение атомов образца и исследовать спектральный состав с помощью спектрометра. Сравнив положение линий характеристического излучения для стандартного и исследуемого образцов, можно определить длины волн линий характеристического спектра образца и, используя таблицы длин волн характеристических линий элементов, определить его элементный состав (выполнить качественный рентгеноспектральный анализ).
Возбуждение характеристического излучения атомов исследуемого образца может быть достигнуто путем его бомбардировки быстрыми электронами (анализ по первичным спектрам) или облучением рентгеновским излучением (анализ по вторичным спектрам или флуоресцентный анализ).
Наиболее широкое распространение получил флуоресцентный метод анализа. Анализ по флуоресцентному (вторичному) излучению обладает некоторыми преимуществами по сравнению с анализом по первичным спектрам: образец располагается вне вакуумного объема; в ходе анализа образец не нагревается, и поэтому его химический состав не изменяется; во вторичном спектре отсутствует фон из-за непрерывного спектра тормозного излучения, благодаря чему повышается контрастность анализируемых линий, а значит, и чувствительность метода.
Однако
следует отметить и некоторые недостатки
флуоресцентного анализа: вторичные
спектры имеют малую интенсивность для
легкоатомных образцов, поэтому ограничена
возможность анализа образцов с атомными
номерами (Z < 12), отсутствует
локальность анализа.
Физической основой анализа состава по рентгеновским спектрам является однозначная связь между атомным номером химического элемента и длинами волн генерируемого им рентгеновского характеристического излучения. Флуоресцентное излучение возбуждается в результате поглощения кванта атомом вещества (явление фотоэффекта). При достаточно большой энергии первичного кванта h может произойти ионизация оболочки атома, включая K-оболочку (рис. 4.1). Вследствие этого электрон покидает атом с энергией Wкин. На освободившееся место в K-оболочке перейдет электрон с вышерасположенной L-оболочки. При этом атом испускает квант характеристического излучения hK и т. д. В результате в атоме будет наблюдаться целый ряд переходов электронов между выше- и нижележащими уровнями энергии, сопровождающийся эмиссией фотонов характеристического излучения, которое называют флуоресцентным. Это название подчеркивает, что характеристические лучи возникли при облучении вещества фотонами, а не электронами.
Все переходы, заканчивающиеся на K-уровне, приводят к испусканию линий K-серии; переходы, заканчивающиеся на L-уровнях, к испусканию линий L-серии и т. д. Вероятность переходов неодинакова, поэтому интенсивность рентгеновских характеристических линий различна. Характеристические спектры химических элементов сходны по строению, что обусловлено одинаковой структурой внутренних электронных оболочек различных атомов. Экспериментально установлено, что при увеличении порядкового номера элемента спектры смещаются в сторону коротких длин волн, т. е. более высоких частот (закон Мозли) [c1]:
, (4.1)
где Z – атомный номер вещества; S – экранирующая постоянная, учитывающая снижение влияния заряда ядра на данный электрон за счет действия кулоновских полей других электронов; n1 и n2 – главные квантовые числа уровней, между которыми осуществляется переход электрона.
Для расчета частоты линий спектра K-серии в (4.1) необходимо подставить S = 1; n1 = 1; n2 = 2, 3, …; для L-серии: S = 7.4; n1 = 2; n2 = 3, 4, … . Возникшее в исследуемом образце характеристическое рентгеновское излучение анализируется с помощью спектрометров.
В лабораторной работе используется кристалл-дифракционный спектрометр, в котором для выделения заданной линии спектра из флуоресцентного излучения образца используется дифракция излучения на кристалле. Условие дифракции излучения с длиной волны определяется уравнением Вульфа–Брэгга:
,
где n – порядок отражения; d – межплоскостное расстояние кристалла-анализатора; угол между первичным пучком и атомной плоскостью.
Если менять угол поворотом кристалла, то для всех длин волн, входящих в излучение образца, будет последовательно выполняться условие дифракции на данном кристалле-анализаторе. Происходит разложение рентгеновского спектра по длинам волн, отраженное излучение регистрируется детектором. Для разложения рентгеновского излучения в спектр используют спектрометры с плоскими и изогнутыми кристаллами. Спектрометр с плоским кристаллом имеет высокую светосилу, обусловленную тем, что одновременно используется для отражения почти вся поверхность большого плоского кристалла, однако это ведет к снижению его разрешающей способности. Высокую разрешающую способность можно обеспечить при использовании спектрометров, в которых применяются различные рентгенооптические фокусирующие схемы с изогнутым кристаллом. Одним из таких спектромеров является спектрометр по схеме Кошуа, используемый в данной лабораторной работе.
4.2. Описание лабораторной установки
Используемый спектрометр предназначен для регистрации флуоресцентного рентгеновского спектра в области от 0.05 до 0.2 нм. Этот диапазон длин волн определяется геометрией данного спектрометра и межплоскостным расстоянием используемого кристалла-анализатора. Рентгенооптическая схема спектрометра представлена на рисунке 4.2.
Рис. 4.2. Рентгенооптическая схема спектрометра по Кошуа
Обработка результатов:
Таблица 1. Экспериментальные и расчетные значения спектров
Образец 124537262 |
|||||||||
№ |
Lx, мм |
D, |
xнм |
табл |
Наименование линии |
Z |
расч |
n2 |
Δ= xрасч) расч |
линии |
Отсчет по |
нм/мм |
Отсчет по |
нм |
нм |
||||
|
CuK |
|
CuK |
|
|
|
% |
||
1 |
58.0 |
0.00066 |
0.1928 |
0.1937 |
Fe(Ka) |
26 |
0.1944 |
2 |
0.82 |
2 |
35.9 |
0.00066 |
0.1781 |
0.179 |
Co(Ka) |
27 |
0.1797 |
2 |
0.91 |
3 |
29.0 |
0.00066 |
0.1735 |
0.1757 |
Fe(Kb) |
26 |
0.1640 |
3 |
5.78 |
4 |
9.9 |
0.00066 |
0.1608 |
0.1621 |
Co(Kb) |
27 |
0.1516 |
3 |
6.04 |
5 |
73.1 |
0.00066 |
0.1055 |
0.1041 |
Br(Ka) |
35 |
0.1051 |
2 |
0.38 |
6 |
90.1 |
0.00066 |
0.0942 |
0.0933 |
Br(Kb) |
35 |
0.0887 |
3 |
6.23 |
7 |
121.2 |
0.00066 |
0.0735 |
0.748 |
Nb(Ka) |
41 |
0.0759 |
2 |
3.21 |
8 |
133.2 |
0.00066 |
0.0655 |
0.0666 |
Nb(Kb) |
41 |
0.0641 |
3 |
2.23 |
Таблица 2. Экспериментальные и расчетные значения спектров
Образец 263230372 |
|||||||||
№ |
Lx, мм |
D, |
xнм |
табл |
Наименование линии |
Z |
расч |
n2 |
Δ= xрасч) расч |
линии |
Отсчет по |
нм/мм |
Отсчет по |
нм |
нм |
||||
|
CuK |
|
CuK |
|
|
|
% |
||
1 |
31.7 |
0.00066 |
0.1753 |
0.179 |
Co(Ka) |
27 |
0.1797 |
2 |
2.46 |
2 |
9.9 |
0.00066 |
0.1608 |
0.1621 |
Co(Kb) |
27 |
0.1516 |
2 |
6.04 |
3 |
15.9 |
0.00066 |
0.1436 |
0.1436 |
Zn(Ka) |
30 |
0.1445 |
3 |
0.6 |
4 |
31.7 |
0.00066 |
0.1331 |
0.1295 |
Zn(Kb) |
30 |
0.1219 |
3 |
9.19 |
5 |
42.6 |
0.00066 |
0.1258 |
0.1255 |
Ge(Ka) |
32 |
0.1264 |
2 |
0.5 |
6 |
61.6 |
0.00066 |
0.1132 |
0.01129 |
Ge(Kb) |
32 |
0.1067 |
3 |
6.12 |
7 |
82.3 |
0.00066 |
0.0994 |
0.1041 |
Br(Ka) |
35 |
0.1051 |
2 |
5.42 |
8 |
91.7 |
0.00066 |
0.0931 |
0.933 |
Br(Kb) |
35 |
0.0887 |
3 |
4.99 |
Пример расчета:
Выводы:
Образец 124537262
Основные элементы, которые были идентифицированы: железо (Fe), кобальт (Co), бром (Br) и ниобий (Nb).
Образец 263230372
Основные элементы, которые были идентифицированы: кобальт (Co), цинк (Zn), германий (Ge), и бром (Br).
Расчетные значения, вычисленные по закону Мозли примерно совпадают с экспериментальными значениями, что указывает на наличие именно этих веществ в образце.
Наибольшие отклонения имел (Zn) в Образце 263230372, что может быть связано с низкой интенсивностью элемента, погрешностями при измерениях. А также (Br) в Образце 124537262, что может быть связано с низким содержанием элемента или с нахождением его в составе каких-либо соединений, что влияет на измеряемую длину волны.