Энергодисперсионный флуоресцентный рентгеновский спектрометр
Для элементного анализа в самых разных областях!
Энергодисперсионный флуоресцентный рентгеновский спектрометр используется в очень широком диапазоне областей в качестве «приборов, позволяющих любому проводить элементный анализ». Такая широкая применимость обусловлена его универсальностью; обеспечение анализа образцов в различных формах, в том числе твердых, порошкообразных, жидких и тонких пленок с простой предварительной обработкой (отбором проб), а также проведение количественного анализа без стандартной пробы.
Взаимодействие между материалом и флуоресцентной рентгеновской спектрометрией
Рентгеновские лучи — это разновидность электромагнитной волны, такой же, как свет. Длина волны видимого света составляет от 400 до 800 нм, в то время как длина волны рентгеновского излучения намного короче (более высокая энергия), от 0.001 до 10 нм, и, как известно, обладает высокой проникающей способностью.
На рис. 1 показаны взаимодействия между материалом и рентгеновским излучением, а также различные методы анализа, использующие эти взаимодействия. Эти взаимодействия дают важные подсказки для изучения состояния материала. В качестве знакомого примера, рентгеновское изображение для медицинского применения представляет собой хорошо известное использование трансмиссионного рентгеновского излучения. Здесь мы представим метод элементного анализа, называемый флуоресцентной рентгеновской спектрометрией.
Рис.1 Аналитические методы и их применение Взаимодействие рентгеновского излучения и вещества
Флуоресцентная рентгеновская спектрометрия
При облучении материала рентгеновскими лучами будет генерироваться флуоресцентное рентгеновское излучение (характеристическое рентгеновское излучение), которое имеет энергию (длину волны), уникальную для элемента, из которого состоит материал. Когда мы измеряем энергию флуоресцентного рентгеновского излучения, идентифицируется содержащийся элемент (качественный анализ), и мы можем рассчитать концентрацию (количественный анализ) по интенсивности флуоресцентного рентгеновского излучения каждого элемента. Таким образом, качественный или количественный анализ материала путем облучения неизвестных материалов рентгеновскими лучами и анализа образующихся флуоресцентных рентгеновских лучей называется флуоресцентной рентгеновской спектрометрией.
Существует два типа флуоресцентной рентгеновской спектрометрии; тип с дисперсией по длине волны (WDXRF) с использованием анализирующих кристаллов и тип с дисперсией по энергии (EDXRF) с использованием полупроводниковых детекторов (EDS).
Сравнение спектрометров энергодисперсионного типа и спектрометра с дисперсией длины волны
Характеристиками спектрометра с дисперсией по длинам волн (WDXRF) являются высокая чувствительность, высокая точность, высокое разрешение и высокая воспроизводимость. Можно ожидать, что чувствительность и точность будут на порядок выше, чем у спектрометра энергодисперсионного типа (EDXRF). Эти характеристики обеспечиваются мощной рентгеновской трубкой (3—4 кВт) и устройством ее охлаждения, гониометром, совершающим сложные движения, механизмом обмена анализирующего кристалла и детектора и т. д. Естественно, инструменты крупнее, со сложной конструкцией и высокой ценой. Поверхность образца должна быть плоской, а доступная область анализа составляет от нескольких мм до 30 мм или около того. Этот тип устройства подходит для управления процессом, когда образцы одинаковой формы анализируются один за другим.
Характеристиками спектрометра энергодисперсионного типа (EDXRF) являются простая конструкция и низкая цена, его адаптация к различным образцам и удобство использования. Рентгеновская лампа компактна (несколько десятков Вт) и охлаждается воздухом, а поскольку анализ выполняет сам ЭДС (полупроводниковый детектор), то нет необходимости в сложной секции спектроскопии.
Шероховатость или форма образца не имеют значения, поэтому возможен анализ больших образцов или микроучастков. Каждая характеристика показана на рис. 2. Изображения представляют собой большой прибор для WDXRF и компактный простой прибор для EDXRF.
Тип с дисперсией по длине волны (WDXRF)
Преимущества: Высокая чувствительность, высокое разрешение
Высокая точность, высокая воспроизводимость
Недостатки: Сложный и крупногабаритный, высокая цена
Образец ограничен плоскими пластинами
Энергодисперсионный тип (EDXRF)
Достоинства: Простота в эксплуатации, компактность, низкая цена.
Гибкость формы образца
Недостатки: низкое разрешение (перекрывающиеся пики).
Механизм охлаждения, требующий жидкого азота или подобного
Рис.2 Сравнение типа с дисперсией по длине волны (WDXRF) и типа с дисперсией по энергии (EDXRF)
Отбор проб твердых/порошковых/жидких образцов
Одной из характеристик EDXRF является простота использования. Отбор проб твердых, порошкообразных и жидких образцов объясняется ниже.
Отбор твердого образца
Анализ твердого образца возможен, если просто поместить образец в положение рентгеновского освещения.
В случае небольшого образца использование специальной ячейки облегчит установку образца. На рис. 3 показана упрощенная иллюстрация метода отбора твердых проб.
Рис.3 Отбор твердого образца
Отбор проб порошка (скала, почва, пепел и т. д.)
Образцы порошка обычно анализируют путем получения гранул с использованием устройства для сжатия. В качестве упрощенного метода возможен анализ порошка, помещенного в специально сконструированную ячейку. На рис. 4 показана упрощенная иллюстрация метода отбора проб порошка.
Рис.4 Отбор пробы порошка
Отбор проб жидкости
Для жидких проб используется специальная ячейка. Заполните специальную ячейку жидкостью и проанализируйте. Кроме того, есть еще один метод, когда вы можете капнуть жидкость на фильтр, высушить ее, а затем проанализировать. На рис. 5 показана упрощенная иллюстрация методов отбора жидких проб.
Рис.5 Отбор пробы жидкости
Количественный метод FP/анализ толщины пленки образца тонкой пленки
FP (фундаментальный параметр) количественный метод
В приборе EDXRF используется теоретический метод расчета, называемый количественным методом FP, позволяющий проводить количественный анализ неизвестного образца без необходимости использования стандартного образца.
Количественный метод FP предполагает, что образец является однородным, достаточно большим и толстым, и что все элементы (всего 100%) определены количественно. Естественно, образец должен удовлетворять этим предположениям, поэтому необходимо внимание. Блок-схема количественного метода FP показана на рис. 6.
Рис.6 Блок-схема количественного метода FP
Блок-схема Объяснение
Сначала измерьте неизвестный образец и получите интенсивность измерения.
Предположим начальную концентрацию образца и получить расчетную интенсивность с помощью метода FP.
Сравните интенсивность измерения и рассчитанную интенсивность.
Измените предполагаемую концентрацию так, чтобы интенсивность измерения и расчетная интенсивность совпадали.
Получите новую расчетную интенсивность с новой предполагаемой концентрацией, используя метод FP.
Повторите шаги с 3 по 5.
Предполагаемая концентрация, которая дает расчетную концентрацию, совпадающую с измеренной концентрацией, является результатом анализа.
Анализ толщины пленки образца тонкой пленки
В случае тонкопленочного образца существует корреляция между интенсивностью рентгеновского излучения элементов, составляющих пленку, и толщиной пленки. Поэтому, облучая рентгеновскими лучами поверхность тонкой пленки и измеряя интенсивность рентгеновского излучения элементов, составляющих пленку, можно анализировать толщину пленки, не разрушая ее.
Однослойную пленку можно анализировать с помощью калибровочной кривой, но при использовании метода калибровочной кривой необходимо подготовить стандартный образец для каждого типа пленки. Когда используется количественный метод тонкой пленки FP, можно не только анализировать однослойные пленки, но также анализировать толщину и состав каждого слоя в многослойной тонкой пленке, до 5 слоев, без стандартного образца, что очень удобно. На рис. 7 показана схема тонкопленочного метода ФП, на рис. 8 показан пример измерения пленки Au/Ni/Cu.
Тонкопленочный метод FP (основной параметр)
Одновременный неразрушающий анализ толщины и состава тонкой пленки
До 5 слоев и до 20 элементов для каждого слоя
Толщина пленки от 10 нм до 10 мкм (зависит от элемента)
Стандартный образец не требуется (теоретический расчет)
Необходима информация о порядке наслоения, элементах и плотности пленки.
Рис.7 Принципиальная схема тонкопленочного метода ФП
Рис.8 Измерение пленки Au/Ni/Cu тонкопленочной методом FP