8. Рентгено-спектральный анализ
При попадании на «мишень» пучка ускоренных электронов основная их масса замедляется за счет многократных взаимодействий с электронами мишени. Энергия, теряемая электронами, превращается в энергию рентгеновского излучения с непрерывным спектром, которое называется тормозным излучением. Непрерывный спектр рентгеновского излучения имеет четкую нижнюю границу длин волн А^ (или максимальную частоту), соответствующую максимальной энергии электронов. Эта граничная длина волны в нанометрах определяется соотношением:
λmic = h*c/V*e=1240/V,
где h - постоянная Планка;
с - скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме;
е - заряд электрона;
V - ускоряющий потенциал рентгеновской трубки в вольтах.
По мере увеличения ускоряющего потенциала энергия достигает величины, достаточной для полного выбивания орбитального электрона из атома мишени. Тогда на вакантный уровень переходит другой электрон и испускается фотон рентгеновского излучения с длиной волны, определяемой разностью энергий соответствующих уровней данного элемента.
Ускоренные электроны более высоких энергий воздействуют главным образом на ближайшие к ядру электроны. Так, например, они могут выбить К-электроны, а на его место перейдет электрон L-оболочки. Состояние электронов внутренних оболочек не зависит от химического состояния атомов за исключением атомов легких элементов, поэтому характеристики рентгеновского излучения фактически не зависят от химического или физического состояния атома. Длины волн, соответствующие таким высоким энергиям, малы - порядка 1-1000пм. (1нм=10=1000пм (пм-пикометр)). Для исследовательских работ наиболее полезен диапазон длин волн от 70 до 200пм. Использование рентгеновского излучения дает разнообразную информацию, пригодную для аналитических целей:
поглощение рентгеновских лучей дает информацию о поглощающем материале так же, как и в других спектральных диапазонах;
дифракция рентгеновских лучей позволяет идентифицировать кристаллические вещества с высокой степенью избирательности и точности;
измерение длин волн или энергии дает возможность определять различные элементы в возбуждаемом образце;
измерение излучаемой мощности при некоторых длинах волн может быть использованию для количественного определения состава пробы.
Характер рентгеновских спектров, полос поглощения, интенсивность вторичного излучения тесно связаны со строением атомов, типами электронных оболочек, расположением атомов в кристаллической решетке. Поэтому рентгеновские спектральные методы широко применяют при анализе любых материалов, минералов на все элементы периодической системы начиная с Mg, при исследовании тонкой структуры неорганических соединений, металлов, сплавов. Частота рентгеновского вторичного излучения зависит от номера элемента, интенсивность - от него количества. Эти зависимости обусловили высокую избирательность и чувствительность рентгеноспектрального анализа.
Рис. 10. Схема рентгеновского спектрометра
Рентгеновские спектрометры обычно состоят из источника рентгеновского излучения 1 (ренгеновская трубка или радиоактивный изотоп), поступающего на образец 2, рентгеновского монохроматора 3 (кристалл -анализатор), обеспечивающего разложение рентгеновского излучения в спектр, детектора излучения 4, регистратора 5 и вычислительного устройства.
Детекторы рентгеновского излучения. Впервые рентгеновское излучение было обнаружено по появлению изображения в облученных ими фотопластинках. В настоящее время они применяются для некоторых дифракционных методов, где получаются двумерные картины и их геометрию нужно точно зафиксировать.
Сцинтилляционные детекторы. Некоторые вещества обладают свойством давать очень слабые вспышки света при поглощении рентгеновских фотонов, т.е. флуоресцировать, например, кристаллический Nal, в который введено до 2% Тll. Вспышки света регистрируют фотоумножителем, обеспечивающим надежное измерение числа фотонов, падающих на кристалл.
Детекторы ионизации. Рентгеновское излучение, проходя через газ, ионизирует его и, следовательно, может быть обнаружено по проводимости газа. Для этого предназначена ионизационная камера, представляющая собой простую металлическую емкость с изолированным центральным электродом, наполненную сухим газом. Электрод находится под напряжением 100В или выше, а возникающий при ионизации ток измеряют электрометром. Ток пропорционален энергии фотона. Прибор, работающий в таком режиме, называется газовым пропорциональным счетчиком или газовым ионизационным детектором.