Фізика/8. Молекулярна фізика

В.О. Цимбал¹, О.В. Полєвич², В.О. Бочаров¹

¹Національний науковий центр «Харківський Фізико-Технічний інститут»

²Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна

Метод рентгенофлуоресцентного аналізу (РФА) для експресного визначення складу конструкційних матеріалів і геологічних зразків. Частина 1.

У зв’язку з постійно зростаючими вимогами до якості конструкційних матеріалів та виробів з них, які призначені для використання у різних агресивних середовищах та у екстремальних механічних та температурних режимах, зростають також вимоги в першу чергу до якості поверхневих шарів технологічних матеріалів та речовин. Підвищення якості поверхні матеріалів та виробів з них досягається, як правило, високотехнологічними засобами створення поверхневих структур, які надають поверхні певні фізичні та фізико-хімічні властивості, які повинні задовольняти заданим технологічним вимогам. Створення таких структур являє собою досить трудомісткий та коштовний процес. Тому все більше значення набувають методи неруйнівного контролю якості поверхні і, зокрема, методи не деструктивного аналізу елементного складу поверхневого шару матеріалів та виробів різного призначення, у тому разі на стадії їх виробництва.

Основними завданнями та напрямами розвитку аналітичного контролю елементного складу речовини є:

· автоматизація, комп’ютеризація, роботизація аналізу;

· підвищення експресності і надійності результатів аналізу;

· збільшення селективності визначень;

· оптимальне розв’язання проблеми одночасного багатоелементного аналізу;

· розширення меж визначення вмісту компонентів;

· неруйнівний (недеструктивний) аналіз;

· локальний аналіз;

· підвищення економічності та безпеки роботи.

Цим вимогам найкращим чином задовольняють ядерно-фізичні методи визначення елементного складу різних речовин, які вже досить давно набули широке застосування майже в усіх галузях науки, техніки та виробництва.

Серед ядерно-фізичних методів кількісного елементного аналізу складу речовин найбільш розповсюдженими є активаційні методи (інструментальний нейтронно-активаційний аналіз, гамма-активаційний аналіз, аналіз на заряджених частках, методи зворотного розсіяння) та різні модифікації рентгеноспектрального аналізу (РСА). Головні достоїнства активаційного аналізу – це можливість визначення малого вмісту елементів в досліджуваних об’єктах та проведення масових аналізів зразків. Активаційний аналіз використовується для визначення домішок у надчистих матеріалах, вмісту елементів у біологічних об’єктах при медичних та екологічних дослідженнях, застосовується для контролю технологічних процесів і якості продукції. До недоліків активаційних методів слід віднести дуже високу коштовність за рахунок використання в гамма-активаційному аналізі потужних прискорювачів, в нейтронно-активаційному аналізі – реакторів, а у випадку застосування ізотопних джерел нейтронів та гамма-випромінювання високої активності виникають проблеми з радіаційним захистом персоналу та вимірювального устаткування.

Таких проблем не виникає при застосуванні для елементного аналізу речовини методу РСА. Цей метод у сучасній аналітичній практиці є одним з найбільш поширених методів і дозволяє розв’язувати самі різноманітні виробничі та дослідницькі задачі. За останнє десятиріччя був здійснений вражаючий прогрес у методологічних та інструментальних аспектах рентгенівської спектрометрії. Цей прогрес включає важливі технологічні удосконалення процесу збудження рентгенівського випромінювання (анод, що обертається, мікрофокусні трубки, джерела синхротронного випромінювання третього покоління), конструювання та виробництво нових детекторів, а також значні успіхи у рентгенівській оптиці (багатошарові кристали та рентгенівські капіляри), використання синхротронного випромінювання для мікрорентгенофлуоресцентного аналізу та комп’ютерні методи [1]. Все це призвело до удосконалення аналітичної служби і нових застосувань, а також до перспективи різкого посилення потенціалу аналітичних методів на основі рентгенівського випромінювання у найближчому майбутньому.

На цей час у дослідженнях широко застосовуються наступні варіанти РСА: електронно-зондовий мікроаналіз (ЕРМА), установки з протонним збудженням (РІХЕ) та з повним внутрішнім відбиттям (TXRF), рентгенофлуоресцентний аналіз (РФА), енергодисперсійні рентгенівські аналізатори (ЕДРФА), РФА з застосуванням для збудження флуоресценції досліджуваного зразка синхротронного випромінювання (СВРФА), РФА з використанням капілярної оптики (мікро-РФА). Кожен з цих варіантів має певні переваги і недоліки. В деяких випадках тільки комплексне використання можливостей декількох варіантів дозволяє відповісти на поставлені дослідниками питання. Орієнтовні дані щодо щорічного числа публікацій для окремих варіантів РСА можливо знайти в оглядах [1, 2] та монографіях [3, 4].

У останні роки метод РФА набуває інтенсивний розвиток у напрямі застосування для контролю стану поверхні конструкційних матеріалів та технологічних речовин і виробів з них, що засновано на збудженні та реєстрації характеристичного рентгенівського випромінювання елементів, що входять до складу покриття і основи [5]. У порівнянні з іншими ядерно-фізичними методами контролю поверхні, наприклад, зворотного бета-розсіяння, метод РФА характеризується більш високою вибірковістю та чутливістю вимірювань, особливо у випадку близьких значень атомних номерів елементів основи і покриття. Реєстрація миттєвих гамма-квантів, що виникають при рентгенівському опромінюванні зразків, дозволяє легко автоматизувати процес вимірювання і забезпечити експресність аналізу. При цьому РФА дає краще розв’язання за масою, але декілька гірше за глибиною у порівнянні з методом зворотного розсіяння.

На теперішній час РФА широко використовується для дослідження феросплавів, шлаків, агломератів, вогнетривів, чистих та надчистих матеріалів та їх сплавів, для контролю вихідної сировини, ефективного виробничого контролю готової продукції.

Нами пророблена можливість застосування методу РФА для дослідження стану поверхні базових елементів металооптики, склоподібних оптичних матеріалів, тонких плівкових матеріалів та для визначення якості гальванічного покриття (рівномірності за профілем).

На першому етапі досліджень нами були розглянуті загальні питання теоретичного характеру щодо застосування методу РФА для аналізу поверхневих шарів речовини. Особливу увагу приділено питанням визначення поверхневої щільності як інформаційної характеристики стану поверхні та визначаючого фактору для аналізу елементного складу поверхневих шарів твердих тіл. Розглянуті головні метрологічні характеристики методів аналізу елементного складу речовини взагалі та методу РФА стосовно технічного завдання даної НДР. Приведено загальний методичний підхід до визначення таких провідних характеристик, як відтворюваність, вірність та межа визначення методу РФА.

Література:

1. Ревенко А.Г. Рентгенофлуоресцентный анализ в геологии: подготовка проб и способы анализа //Вісн. Харк. нац.. ун-ту. 2008: Хімія. Вип. 16 (39) – С. 39 – 58.

2. Injuk J., Van Grieken R. Literature trends in X-ray emission spectrometry for the period 1990 – 2000 – a review // X-Ray Spectrom. V. 32, № 1. – P. 35 – 39.

3. X-Ray Spectrometry: Recent Technological Advances / Eds. K. Tsuji, J. Injuk and R. Van Grieken. Chichester: John & Wiley, 2004. – 603 p.

4. Handbook of Practical X-Ray Fluorescence Analysis / B. Beckhoff, B. Kannigesser, N. Landhoff, R. Wedell, H. Wolff (Eds.) Springer, Berlin, Heidelberg, New York. 2006. – 863 p.

5. Бунж З.А., Вейц Б.Н., Ядченко Л.Н. Радиоизотопные рентгенофлуоресцентные толщиномеры покрытий. – М.: Атомиздат, 1979. – 84 с.