Как волновой рентгенофлуоресцентный спектрометр определяет качественный и количественный состав вещества

Сегодня понятие «спектр» в физике включает не только охотника, перманентно мечтающего о добыче фазана. Кроме оптической части спектра, в науке и народном хозяйстве используют рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, инфракрасный диапазон и гамма-лучи.

Для оперативного и точного изучения элементного состава вещества всё чаще применяют спектрометры. Это портативные и стационарные анализаторы нефти и нефтепродуктов, приборы для экспертизы состава горных пород и анализа токсичности сельскохозяйственной продукции и пищевых товаров. Одним из востребованных устройств в различных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве является рентгенофлуоресцентный волновой спектрометр.

Принцип работы РФА-спектрометра с дисперсией по длинам волн

Базовые компоненты анализатора:

• рентгеновская трубка;
• монокристалл или несколько кристаллов-анализаторов;
• детектор;
• блок управления.

В основе принципа работы устройства лежит анализ спектра вторичного излучения. Оно образуется вследствие возбуждения атомов исследуемого вещества под действием первичного облучения лучами рентгеновской трубки. Как правило, доза минимальна и не вредит здоровью лаборантов. О том, что прибор не опасен и не подлежит радиационному учету, обычно свидетельствует соответствующее экспертное заключение.

Разложение по длинам волн и подсчет массовой доли элементов

Вторичное излучение возбужденных атомов через специальную щель попадает на кристалл-анализатор и разлагается кристаллом в спектр по длинам волн. Каждому элементу соответствует характерная длина волны.

Далее выделенное кристаллом излучение перенаправляется на детектор волнового спектрометра, который дифференцирует спектр по элементам. Чем интенсивнее излучение с определенной длиной волны, тем большее количество соответствующего элемента содержится в веществе. Например, хлора в нафте или железа в бензине.

Точный расчет массовых долей осуществляет специальная программа блока управления, который можно подсоединить к компьютеру. Программа калибровки сравнивает длины волн спектра исследуемой пробы вещества со значениями, полученными на стандартных образцах-эталонах.

Преимущества и недостатки

Несомненным плюсом волнового РФА-спектрометра является высокая точность определения массовой доли даже при низкой концентрации элемента. Прибор зафиксирует серу в бензине при её количестве от 3 миллиграмм на один килограмм топлива. Что составляет 0,0003% в структуре вещества! Поэтому компактное и доступное по цене РФА-оборудование всё более востребовано в самых различных сферах.

Есть у методики и относительный минус. Чем легче элемент, тем меньше объем его вторичного излучения и тем труднее его выделить. Поэтому начало таблицы Менделеева РФА-спектрометры не просматривают. Рабочий старт от натрия, кальция или другого элемента в зависимости от исполнения прибора.