- •В. Е. Поляков
- •Предисловие
- •Введение
- •Глава 1. Основы взаимодействия различных видов излучений с веществом
- •1.1. Ядерное взаимодействие
- •1.1.1. Взаимодействие нейтронов с веществом
- •1.1.2. Взаимодействие заряженных частиц
- •1.1.3. Ядерные реакции при взаимодействии гамма-излучения
- •Пороги фотоядерных реакций для изотопов некоторых химических
- •Максимальные значения сечений фотоядерной реакции для ряда
- •1.2. Электромагнитное взаимодействие
- •1.2.1. Взаимодействие гамма-излучения
- •Энергия k-краев поглощения для ряда химических элементов
- •Взаимодействие рентгеновского излучения
- •Взаимодействие излучения ультрафиолетового, инфракрасного и видимого спектральных диапазонов
- •Взаимодействие излучения видимого спектрального диапазона с веществом
- •Взаимодействие инфракрасного излучения с веществом
- •Взаимодействие излучения радиочастотного диапазона
- •Глава 2. Метод масс-спектроскопии в задачах контроля металлов, сплавов и лома
- •2.1. Физическая сущность метода масс-спектроскопии с лазерной ионизацией вещества
- •Масс-спектрографе с двойной фокусировкой, и фотометрическая кривая этой спектрограммы (б) и области массового числа
- •2.2. Принципы взаимодействия импульсного лазерного излучения с веществом мишени
- •2.3. Типы лазеров и их параметры
- •2.4. Метод масс-спектроскопии с лазерной ионизацией вещества
- •2.5. Масс-спектрометры – средства контроля металлов, сплавов и лома
- •2.6. Типы масс-анализаторов, используемые в масс-спектрометре
- •2.7. Основы методики идентификации элементного состава вещества с использованием лазерного ионизатора и время-пролетного динамического масс-анализатора
- •2.8. Эмиссионные спектроскопы для экспертного спектрального анализа черных и цветных металлов
- •2.8.1. Многоканальный эмиссионный спектрометр дсф-71 (ls-1000)
- •Составные части прибора имеют следующие особенности:
- •Технические характеристики
- •2.8.2. Многоканальный эмиссионный спектрометр серии мфс
- •Технические характеристики:
- •Источник возбуждения спектра – универсальный генератор угэ-4:
- •Унифицированная система управления и регистрации:
- •Источники питания:
- •Вопросы для самопроверки знаний по главе 2
- •Глава 3. Физические основы γ-флуоресцентного контроля металлов, сплавов, лома
- •3.1. Рентгеновские лучи
- •3.2. Рентгеновские спектры
- •Рентгеновская спектроскопия
- •Рентгеновская аппаратура. Рентгеновская камера и рентгеновская трубка
- •Рентгеновский гониометр
- •3.6. Рентгеновский дифрактометр
- •3.7. Рентгенофлуоресцентный кристаллдифракционный сканирующий вакуумный «Спектроскан-V»
- •3.8. Спектрометр рентгенофлуоресцентный кристалл-дифракционный сканирующий портативный «Спектроскан»
- •3.9. Спектрометр рентгенофлуоресцентный кристалл-дифракционный сканирующий портативный «Спектроскан-lf»
- •3.10. Основы методики идентификации элементного состава неизвестного вещества и определение концентрации ингредиентов с использованием метода гамма-флуоресцентного анализа
- •3.11. Методика безэталонного рентгеноспектрального анализа сталей
- •3.11.1. Методика анализа углеродистых сталей
- •3.11.2. Методика определения содержании металлов в питьевых, природных и сточных водах при анализе на сорбционных целлюлозных дэтата-фильтрах
- •3.11.3. Методика определения содержания металлов в порошковых пробах почв
- •Вопросы для самопроверки знаний по главе 3
- •Глава 4. Приборы и методы таможенного контроля состава металлов, сплавов, лома с использованием методов вихревых токов
- •4.1. Основы теории вихревых токов
- •4. 2. Распределение вихревых токов
- •4.3. Характеристики вещества и поля
- •4.4. Физические принципы метода вихревых токов (вт)
- •4.5. Области применения и классификация методов вихревых токов
- •Датчики и характерные физические процессы
- •4.7. Некоторые типовые конструкции датчиков
- •Контроль и влияние примеси на электропроводность некоторых металлов
- •Меди (б)
- •Электропроводность и температурный коэффициент некоторых
- •4.9. Методы и приборы измерения электропроводности немагнитных металлов
- •4.10. Общие положения. Порядок проведения измерений
- •4.11. Элементы методики исследования и выбор материала для контроля
- •Вопросы для самопроверки знаний по главе 4
- •Глава 5. Ультразвуковые методы контроля металлов, сплавов, лома и руд
- •5.1. Классификация акустических методов контроля
- •5.2. Ультразвуковая аппаратура
- •Подготовка к контролю
- •Порядок проведения контроля
- •5.3. Ультразвуковая аппаратура в неразрушающем контроле
- •5.4. Ультразвуковые преобразователи
- •5.5. Определение типа металла, сплава, лома по измерению скорости распространения упругих волн
- •Вопросы для самопроверки знаний по главе 5
- •Глава 6. Классификация радиометрических методов контроля состава руд
- •6.1. Методы определения элементного состава полезных ископаемых по спектрометрии вторичных излучений
- •6.2. Методы, основанные на взаимодействии гамма- или рентгеновского излучения с электронными оболочками атомов или ядрами атомов элементов
- •6.3. Методы, основанные на спектрометрии гамма-излучения, возникающего при различных ядерных реакциях нейтронов с веществом
- •Методы определения естественной радиоактивности пород, содержащих радиоактивные элементы
- •6.5. Люминесцентные методы контроля состава руд
- •6.6. Фотометрические методы контроля состава руд
- •6.7. Радиоволновые методы контроля руд
- •6.8. Технология сортировки руды
- •Вопросы для самопроверки знаний по главе 6
- •Заключение
- •Список используемой литературы:
- •Предметный указатель
- •Оглавление
- •191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5
Рентгеновская спектроскопия
Рентгеновская спектроскопия, получение рентгеновских спектров испускания и поглощения и их применение к исследованию электронной энергетической структуры атомов, молекул и твердых тел. К рентгеновской спектроскопии относят также рентгено-электронную спектроскопию, т.е. спектроскопию рентгеновских фото- и ожеэлектронов, исследование зависимости интенсивности тормозного и характеристического спектров от напряжения на рентгеновской трубке (метод изохромат), спектроскопию потенциалов возбуждения.
Рентгеновские спектры испускания получают либо бомбардировкой исследуемого вещества, служащего мишенью в рентгеновской трубке, ускоренными электронами (первичные спектры), либо облучением вещества первичными лучами (флуоресцентные спектры). Спектры испускания регистрируются рентгеновскими спектрометрами. Их исследуют по зависимости интенсивности излучения от энергии рентгеновского фотона. Форма и положение рентгеновских спектров испускания дают сведения об энергетическом распределении плотности состояний валентных электронов, позволяют экспериментально выявить симметрию их волновых функций и их распределение между сильно связанными локализованными электронами атома и коллективизированными электронами твердого тела.
Рентгеновские спектры поглощения образуются при пропускании узкого участка спектра тормозного излучения через тонкий слой исследуемого вещества. Исследуя зависимость коэффициента поглощения рентгеновского излучения веществом от энергии рентгеновских фотонов, получают сведения об энергетическом распределении плотности свободных электронных состояний. Спектральные положения границы спектра поглощения и максимумов его тонкой структуры позволяют найти кратность зарядов ионов в соединениях (ее можно определить во многих случаях и по смещениям основных линий спектра испускания). Рентгеновская спектроскопия дает возможность также установить симметрию ближнего окружения атома, исследовать природу химической связи. Рентгеновские спектры, возникающие при бомбардировке атомов мишени тяжелыми ионами высокой энергии, дают информацию о распределении излучающих атомов по кратности внутренних ионизаций. Рентгеноэлектронная спектроскопия находит применение для определения энергии внутренних уровней атомов, для химического анализа и определения валентных состояний атомов в химических соединениях.
Рентгеновская аппаратура. Рентгеновская камера и рентгеновская трубка
Рентгеновская камера – прибор для изучения или контроля атомной структуры образца путем регистрации на фотопленке картины, возникающей при дифракции рентгеновских лучей на исследуемом образце. Рентгеновскую камеру применяют в рентгеновском структурном анализе. Назначение рентгеновской камеры – обеспечить выполнение условий дифракции рентгеновских лучей и получение рентгенограмм.
Источником излучения для рентгеновской камеры служит рентгеновская трубка. Рентгеновские камеры могут быть конструктивно различными в зависимости от специализации камеры (рентгеновская камера для исследования монокристаллов, поликристаллов; рентгеновская камера для получения малоугловых рентгенограмм, рентгеновская камера для рентгеновской топографии и др.). Все типы рентгеновских камер содержат коллиматор, узел установки образца, кассету с фотопленкой, механизм движения образца (а иногда и кассеты). Коллиматор формирует рабочий пучок первичного излучения и представляет собой систему щелей (отверстий), которые вместе с фокусом рентгеновской трубки определяют направление и расходимость пучка (т.н.геометрию метода). Вместо коллиматора на входе камеры может устанавливаться кристалл-монохроматор (плоский или изогнутый). Монохроматор выбирает в первичном пучке рентгеновское излучение определенных длин волн; аналогичный эффект может быть достигнут установкой в камере селективно поглощающих фильтров.
Узел установки образца обеспечивает его закрепление в держателе и задание ему начального положения относительно первичного пучка. Он служит также для центрировки образца (выведения его на ось вращения), а в рентгеновской камере для исследования монокристаллов – и для наклона образца на гониометрической головке (рис.3.4.1). Если образец имеет форму пластины, то его закрепляют на отъюстированных направляющих. Это исключает необходимость дополнительной центрировки образца. В рентгеновской топографии больших монокристаллических пластин держатель образца может поступательно перемещаться (сканировать) синхронно со смещением пленки при сохранении углового положения образца.
Рис.3.4.1. Гониометрическая головка: О – образец, Д – дуговые направляющие для наклона образца в двух взаимно перпендикулярных направлениях; МЦ – механизм центрирования образца, служащий для вынесения центра дуг, в котором находится образец, на ось вращения камеры
Кассета рентгеновской камеры служит для придания фотопленке необходимой формы и для светозащиты. Наиболее распространенные кассеты – плоские и цилиндрические (обычно соосные с осью вращения образца; для фокусирующих методов образец помещают на поверхности цилиндра). В других рентгеновских камерах (например, рентгеновских гониометрах, в рентгеновской камере для рентгеновской топографии) кассета перемещается или вращается синхронно с движением образца. В некоторых рентгеновских камерах (интегрирующих) кассета, кроме того, смещается при каждом цикле рентгенографирования на малую величину. Это приводит к размазыванию дифракционного максимума на фотопленке, усреднению регистрируемой интенсивности излучения и повышает точность ее измерения.
Движение образца и кассеты используют с различной целью. При вращении поликристаллов увеличивается число кристаллитов, попадающих в отражающее положение – дифракционная линия на рентгенограмме получается равномерно почерненной. Движение монокристалла позволяет вывести в отражающее положение различные кристаллографические плоскости. В топографических методах движение образца позволяет расширить область его исследования. В рентгеновской камере, где кассета перемещается синхронно с образцом, механизм ее перемещения соединен с механизмом движения образца.
Рентгеновская камера позволяет получить структуру вещества как в нормальных условиях, так и при высоких и низких температурах, в глубоком вакууме, атмосфере специального состава, при механических деформациях и напряжения и т.д. Держатель образца может иметь приспособления для создания необходимых температур, вакуума, давления, измерительные приборы и защиту узлов камеры от нежелательных воздействий.
Рентгеновские камеры для исследования поликристаллов и монокристаллов существенно различны. Для исследования поликристаллов можно использовать параллельный первичный пучок (дебаевские рентгеновские камеры: рис.3.4.2, а) и расходящийся (фокусирующие рентгеновские камеры: рис.3.4.2, б и в). Фокусирующие рентгеновские камеры обладают большой экспрессностью измерений, но рентгенограммы, получаемые на них, регистрируют лишь ограниченную область углов дифракции. В этих рентгеновских камерах в качестве источника первичного излучения может служить радиоактивный изотопный источник.
Рис.3.4.2. Основные схемы рентгеновских камер для исследования поликристаллов: а – дебаевская камера; б – фокусирующая камера с изогнутым кристаллом-монохроматором для исследования образцов «на просвет» (область малых углов дифракции); в – фокусирующая камера для обратной съемки (большие углы дифракции) на плоскую кассету. Стрелками показаны направления прямого и дифракционного пучков. О – образец; F – фокус рентгеновской трубки; М – кристалл-монохроматор; К – кассета с фотопленкой Ф; Л – ловушка, перехватывающая неиспользованный рентгеновский пучок; ФО – окружность фокусировки (окружность, по которой располагаются дифракционные максимумы); КЛ – коллиматор; МЦ – механизм центрировки образца
Рентгеновская камера для исследования микрокристаллов конструктивно различны в зависимости от их назначения. Существуют камеры для ориентировки кристалла, то есть определения направления его кристаллографических осей (рис.3.4.3, а). Рентгеновская камера вращения-колебания для измерения параметров кристаллической решетки (по измерению угла дифракции отдельных отражений или положению основных линий) и для определения типа элементарной ячейки (рис.3.4.3, б).
Рис.3.4.3. Основные схемы рентгеновских камер для исследования монокристаллов: а – камера для исследования неподвижных монокристаллов по методу Лауэ; б – камера вращения.
На фотопленке видны дифракционные максимумы, расположенные по слоевым линиям; при замене вращения на колебание образца число рефлексов на слоевых линиях ограничено интервалом колебаний. Вращение образца осуществляют с помощью шестеренок 1 и 2, колебания его – через калоид 3 и рычаг 4; в – рентгеновская камера для определения размеров и формы элементарной ячейки. О – образец, ГГ - гониометрическая головка, γ – нимб и ось поворота гониометрической головки; ГЛ – коллиматор; К – кассета с фотопленкой Ф; КЭ – кассета для съемки эпиграмм (обратная съемка); МД – механизм вращения или колебания образца; φ – нимб и ось колебания образца; δ – дуговая направляющая наклонов оси гониометрической головки
Рентгеновская камера для раздельной регистрации дифракционных максимумов (развертки слоевых линий), называется рентгеновскими гониометрами с фоторегистрацией; топографическая рентгеновская камера для исследования нарушений кристаллической решетки в почти совершенных кристаллах. Рентгеновские камеры для монокристаллов часто снабжены системой отражательного гониометра для измерений и начальной установки ограненных кристаллов.
Для исследования аморфных и стеклообразных тел, а также растворов используют рентгеновские камеры, регистрирующие рассеяние под малыми углами дифракции (порядка нескольких угловых секунд) вблизи первичного пучка; коллиматоры таких камер должны обеспечить нерасходимость первичного пучка, чтобы можно было выделить излучение, рассеянное исследуемым объектом под малыми углами. Для этого используют сходимость пучка, протяженные идеальные кристаллографические плоскости, создают вакуум и т.д. Рентгеновские камеры для изучения объектов микронных размеров применяют с острофокусными рентгеновскими трубками; в этом случае расстояние образец-фотопленка можно значительно уменьшить (микрокамеры).
Рентгеновскую камеру часто называют по имени автора метода рентгенографирования, используемого в данном приборе.
Рентгеновская трубка, электровакуумный прибор, служащий источником рентгеновского излучения. Такое излучение возникает при торможении электронов, испускаемых катодом, и их ударе об анод (антикатод); при этом энергия электронов, ускоренных сильным электрическим полем в пространстве между анодом м катодом, частично преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Излучение рентгеновской трубки представляет собой наложение тормозного рентгеновского излучения на характеристическое излучение вещества анода. Рентгеновские трубки различают: по способу получения потока электронов – с термоэмиссионным (подогревным) катодом, автоэмиссионным (острийным) катодом, катодом, подвергаемым бомбардировке положительными ионами и с радиоактивным (β) источником электронов; по способу вакуумирования – отпаянные, разборные, по времени излучения – непрерывного действия, импульсные; по типу охлаждения анода – с водяным, масляным, воздушным, радиационным охлаждением; по размерам фокуса (области излучения на аноде) – макрофокусные, острофокусные; по его форме – кольцевой, круглой, линейчатой формы; по способу фокусировки электронов на анод – с электростатической, магнитной, электромагнитной фокусировкой.
Рентгеновскую трубку применяют в рентгеновском структурном анализе, спектральном анализе, рентгеновской спектроскопии, рентгенодиагностике, рентгенотерапии, рентгеновской микроскопии и микрорентгенографии.
Наибольшее применении во всех областях находят отпаянные рентгеновские трубки с термоэмиссионным катодом, водоохлаждаемым анодом, электростатической системой фокусировки электронов (рис. 3.4.4).
Термоэмиссионный катод рентгеновской трубки представляет собой спираль или прямую нить из вольфрамовой проволоки, накаливаемую электрическим током. Рабочий участок анода – металлическая зеркальная поверхность - расположен перпендикулярно или под некоторым углом к потоку электронов. Для получения сплошного спектра рентгеновского излучения высоких энергий и интенсивности используют аноды из Au, W; в структурном анализе пользуются рентгеновскими трубками с анодами из Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Mo, Ag. Основные характеристики рентгеновской трубки – предельно допустимое ускоряющее напряжение (1-500 кВ), электронный ток (0,01 мА – 1 А), удельная мощность, рассеиваемая анодом (10 – 104 Вт\мм2) общая потребляемая мощность (0,002 Вт – 60 кВт).
Рис.3.4.4. Схема рентгеновской трубки для структурного анализа: 1 - металлический анодный стакан (обычно заземляется); 2 – окна из бериллия для выхода рентгеновского излучения; 3 – термоэмиссионный катод; 4 – стеклянная колба, изолирующая анодную часть трубки от катодной; 5 – выводы катода, к которым подводится напряжение накала, а также высокое (относительно анода) напряжение; 6 – электростатическая система фокусировки электронов; 7 – ввод (антикатод); 8 – патрубки для ввода и вывода проточной воды, охлаждающей вводный стакан