Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Плотников Р.И. Флюоресцентный рентгено-радиометрический анализ

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

24.10.2023

Размер:

10.81 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 262 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

л и шь отдельных аспектов метода или сводятся к пере числению ряда специальных работ. На русском языке рентгенорадиометрический анализ среди прочих ядернофизических методов анализа минерального сырья наи

более	полно изложен в	монографии" А.	Л . Якубовича
и др.	[ 5 ] , однако и в этой	работе многие	в а ж н ы е аспек

ты не рассмотрены или упомянуты вскользь. В моногра

фии А. Ю. Большакова			[52]	рассмотрено	в основном
лишь приложение		метода к		опробованию	горных	пород
и руд	на т я ж е л ы е	элементы		в условиях	естественного
залегания .
Это	обстоятельство		з а д е р ж и в а е т внедрение			метода

в аналитическую практику и вызывает трудности при выборе необходимой аппаратуры и разработке конкрет ных методик. Восполнить указанный пробел и ставили своей целью авторы настоящей работы. Книга пред назначена для научных работников и инженеров, спе


циализирующихся в				области		физических		методов		ана
лиза	и	р а з р а б а т ы в а ю щ и х			новые		экспрессные		аналити
ческие методики			для	различных отраслей промышленно
сти.	Основное		внимание		в	книге	уделено	физическим
основам		флюоресцентного				рентгенорадиометрического
анализа,		рассеянию		рентгеновского излучения					и	ис

пользованию рассеянного излучения, вопросам повыше ния точности, чувствительности и помехоустойчивости


метода,		конкретному		приложению			метода		к	анализу
различных материалов				в	лабораторных,			производствен
ных и полевых			условиях.
В первой главе кратко рассмотрены физические ос
новы	метода — происхождение					и	характер		рентгенов
ских	спектров,		взаимодействие			рентгеновского			излучения
с веществом			(рассеяние,		фотоэффект,			рентгеновская
флюоресценция, эффективные						параметры		взаимодейст
вия	д л я	сложных сред) .			Там	ж е	исследована			зависи

мость плотности потока флюоресцентного излучения от

концентрации определяемого элемента и других	пара
метров, форма аналитических графиков и факторы,	опре
д е л я ю щ и е точность и чувствительность метода. Во	вто

рой главе рассмотрены вопросы, связанные с возбуж дением и детектированием флюоресцентного излучения, приведены данные по источникам возбуждения и харак теристики детекторов, дано описание методов повышения избирательности анализа, связанных с использованием селективных и дифференциальных фильтров и некоторых

других приемов. Глава третья посвящена помехам при рентгенорадиометрическом анализе (матричный эффект, наложение линии, влияние расстояния до исследуемой поверхности и т. д.) и путям их устранения. Особое внимание уделено использованию рассеянного пробой первичного излучения. В четвертой главе приведены наиболее характерные случаи применения рентгенорадиометрического анализа, связанные є анализом следов вещества, определением легких элементов, анализом руд и продуктов их переработки, силикатных материалов и сырья д л я их производства, сплавов, органических ма териалов и т. д. Там ж е даны примеры применения ме тода для опробования горных пород и руд в условиях естественного залегания и анализ на потоке. П я т а я гла ва представляет собой краткий обзор серийно выпускае мой в С С С Р и за рубежом аппаратуры .

В приложении даны таблицы основных величин, не обходимых д л я работников, специализирующихся в этой области, энергии краев поглощения и аналитических линий, относительные интенсивности линий рентгенов ского спектра, массовых коэффициентов когерентного и некогерентного рассеяния, скачков поглощения. Мате риалы, помещенные в приложении, даны на основе ра боты [65].

При написании книги использованы работы							советских
и з а р у б е ж н ы х исследователей,					а т а к ж е	собственные		ре
зультаты		авторов.	Некоторые		материалы, помещенные
в книге, опубликованы				впервые. Введение, главы 2,				4, 5
и приложение написаны Р . И. Плотниковым,							пп.	2—5
главы	1,	главы 3	и 4	(п. 4) — Г . А. Пшеничным, пп. 1
и 6 главы		1 написаны		совместно.
В заключение авторы пользуются случаем							выразить
свою	благодарность			А. П.	Очкуру,	В. А.	Мейеру и

Н. И. Ко'мяку, под руководством и при непосредствен

ном участии которых был выполнен		ряд	эксперимен
тальных	работ, а т а к ж е В. Н . Орлову,	К-	С. Катерино-
ву, А. Н. Жуковскому, Г. В. Закасовскому			и Г. А. Спи
ридонову,	активно участвовавшим в этих		работах.

Глава 1

Ф И З И Ч Е С К И Е О С Н О В Ы

РЕ Н Т Г Е Н О Р А Д И О М Е Т Р И Ч Е С К О Г О

АН А Л И З А

1.О б щ и е сведения

Взаимодействуя с электромагнитным излучением или заряженной частицей достаточной энергии, атом, как

правило, теряет один из своих внутренних электронов и переходит в возбужденное состояние. Это состояние неустойчиво и спустя Ю - 8 — Ю - 9 сек вакантное место заполняется электроном с более удаленной оболочки.

Освободившаяся при этом	энергия	теряется в виде
кванта характеристического	излучения	или оже-элект-

рона. Таким образом, эмиссионные рентгеновские спект ры возникают в результате ионизации и последующего заполнения внутренних электронных оболочек атома. Обычно применяется возбуждение фотонами, однако ха

рактеристические рентгеновские спектры		не изменяются
и при других видах	возбуждения (например, электро
нами или а - ч а с т и ц а м и ) .
Исследование спектрального состава и плотности по
тока, возникающего	при фотопоглощении	флюоресцент

ного излучения, позволяет проводить анализ, т. е. опре


делять,		какие	элементы	и	в	каком	количестве присутст
вуют	в пробе.		Рассеянное		на	пробе	в о з б у ж д а ю щ е е		излу
чение		создает	фон, который во многих случаях огра
ничивает пороговую чувствительность анализа .								С	дру
гой	стороны,		измерение		плотности		потока рассеянного
излучения в ряде случаев позволяет устранить								некото
рые	помехи и		повысить	точность определений.

Характер аналитических зависимостей в рентгенорадиометрическом анализе существенным образом зависит от вида возбуждения и химического состава анализи руемых сред. Это связано с процессами взаимодействия первичного и вторичного излучений с веществом среды.

Взаимодействие у- и рентгеновского излучений с ве ществом приводит к ослаблению пучка первичного излу чения. Ослабление пучка монохроматического излучения

происходит	по экспоненциальному закону	Л а м б е р т а —
Бэра . Мерой	абсорбционных свойств среды	может слу

ж и т ь линейный или массовый коэффициент ослабления .

Линейный		коэффициент	ослабления имеет		размерность
см-1	и численно равен		обратной	величине	длины	пути,
на	котором	происходит	ослабление излучения в є раз .
В	реитгепоспектралыюм		анализе	более удобно		иметь

дело с массовыми коэффициентами ослабления, которые могут быть получены из линейных коэффициентов деле нием на плотность поглощающей среды. Размерность массового коэффициента ослабления — см2/г, его чис ленное значение обратно величине поверхностной плот ности слоя, ослабляющего излучение в е раз. Массовый коэффициент ослабления аддитивен, т. е. в случае слож

ной среды, состоящей из п компонент:
ії=2с/й.	0-1)
п

где д.,- и Сі — массовый коэффициент ослабления и кон центрация отдельных компонент.

Ослабление рентгеновского излучения в среде об условлено двумя основными процессами — фотоэлектри ческим поглощением и рассеянием, которое может быть когерентным или некогерентным. Когерентное рассеяние, при котором энергия рассеянного излучения не изменя ется, происходит на связанных электронах и определя ется коэффициентом стк, н е к о г е р е н т н о е — н а свободных, или слабосвязанных, электронах, приобретающих часть энергии падающего кванта, и определяется коэффици ентом а н к . Полный коэффициент ослабления равен сум ме коэффициентов фотоэлектрического поглощения т и

рассеяния

о к + а н к ,

т.

е.

т + ' а к

стнк.

(1.2)

Значения

массовых

коэффициентов

рассеяния

а к

а н к

д л я

различных

химических элементов

различных

энергий

падающего

излучения

приведены

табл .

П. 1—П.2

(см. П р и л о ж е н и е ) .

К а к

видно

из

таблиц,

рентгеновском

диапазоне

спектра,

за исключением случая взаимодействия наибо

лее

жесткого

излучения

элементами

малыми

\і

во

много

раз

превосходит

а к

+ а н к ,

т. е. наиболее

веро

ятным

процессом

является

фотоэлектрическое

поглоще-

ниє,	и значения	т и \|л близки, т	(и	ц) является функцией
Z и	Е, которая	имеет разрывы	в	точках, соответствую

щих потенциалам ионизации атомных уровней. Отноше ние коэффициента поглощения с коротковолновой сторо


ны разрыва к		коэффициенту				с	длинноволновой			стороны
представляет		собой		скачок		поглощения			5.	Величины
скачков	поглощения			приведены			в	табл .	П . 4 .	В	проме
ж у т к а х между		скачками			поглощения \|л падает					с	увели
чением Е и уменьшением Z.
Вероятность излучения кванта флюоресценции WK в
коротковолновой			области		спектра			(для /(-серий элемен
тов с Z>35 — 40)			близка		к единице. С уменьшением энер
гии (и Z)	WK	быстро		падает. Выход флюоресценции д л я
L-серий	близок		к выходу д л я				/(-серий		с равной		энер

гией.

В отличие от оптических спектров, возникающих в результате ионизации внешней оболочки атома, рент геновские спектры сравнительно просты. Они состоят из отдельных групп линий, называемых сериями. Серии рентгеновских спектров обозначаются буквами К, L , М и т. д. в соответствии с обозначением оболочки, на ко

торую переходит электрон.			Н а и б о л ь ш у ю энергию (или
наименьшую	длину	волны)	имеют	линии /(-серии, за
тем — линии	L-серии	и т.	д. Д л я	возбуждения какой-
либо серии рентгеновского			спектра	энергия фотона (или

передаваемая при взаимодействии энергия заряженной


частицы) д о л ж н а		превосходить	потенциал возбуждения
(ионизации)	соответствующего		уровня. В табл . П. 4		при
ведены значения		потенциалов	ионизации	д л я К-,	L - и
М-уровней различных химических элементов.
Ввиду того что переход электрона на				основной	уро
вень возможен с различных более высоко				расположенных
уровней, которые, в свою очередь, имеют				подуровни	(за
исключением	/( - уровня), к а ж д а я серия			рентгеновского

спектра состоит из целого ряда линий. Наименьшее чис


ло линий содержится в /(-сериях; L - и			/И-серии		более
сложны . Н а и б о л е е интенсивной линией			/(-серии		явля
ется Ка1 -линия, при рентгенорадиометрическом				анализе
обычно не отделяемая от Ка. -линии		(для	т я ж е л ы х			эле
ментов разделение /(-дублета иногда имеет место).						Н а
линию Ка12	приходится около 80%	всего	излучения			се
рии. В L-сериях в качестве аналитических линий обычно
используются	L a , - и Z-p, -линии. М-серии		очень	слабы и

Т а б л и ц а І

Электронные переходы, ведущие к испусканию наиболее ярких линий К- и L-серий

	/С-серия
Линия		Переход			Линия
	L	I I I	—		к
		L n	-	K	оса
h	м	ш	-	к	Pi
					h
					Рз

Р4

L- серия

Переход

M v - L m

M i v ~ L m M I V - L U

My - L m

Mm - L j

M I I - L I

^ I V - L I I

при анализе обычно не используются. Относительные

'интенсивности наиболее ярких линий К- и L-серий при ведены в табл . П. 5. В табл . 1 приведены переходы, при которых излучаются эти линии, в табл . П. 6 даны их энергии.

ГII

Расстояния

между линиями

60 •Л

серий

быстро

возрастают

увеличением

Д л я

одноимен

i j

ных линий различных химиче

K f

ских

элементов

квадратный

.30

корень

из

энергии

приблизи

тельно

пропорционален

(за

Чі

кон

М о з л и ) . Эта

зависимость

д л я

основных

аналитических

Lji^ul

линий

показана

на

рис.

К а к

видно из рисунка, энергии фо

тонов

линий

Х-серий

5—

—

8 р а з превышают энергии со

ответствующих L-серий.

П р е ж д е

чем

перейти

ана

-II

лизу

общих

выражений

д л я

плотностей

потоков

рассеянно

і і ,

го

флюоресцентного

излуче

ЗО 4050 SO 80 Z

ний,

используемых

теории

рентгенорадиометрического

ме

Рис.

І. Зависимость

энергии

тода,

рассмотрим

более

де

основных

линий

рентгенов

тально

процессы рассеяния

ских

спектров от

атомного

фотоэлектрического

поглоще-

номера.

ни я	V"	и	рентгеновского			излучений. Особое		внимание
уделим		процессу		рассеяния излучения			на	связанных
электронах			атома, так		как	в последнее	время	рассеянное
у-излучение все более широко используется								при ана
лизе	в	качестве		линии	сравнения (способы			стандарта-"
ф о н а ) .

2. Комптоновское рассеяние у- и рентгеновского

излучений

Физические основы процесса взаимодействия у-излу- чения с энергией менее 1 Мэв относительно просты, ког да энергия фотонов много больше энергии связи элект ронов атома, с которыми происходит взаимодействие. В этом случае электроны можно считать свободными, и

взаимодействие сводится		к комптоновскому рассеянию
фотонов,	так как процесс	фотоэлектрического	поглоще
ния фотонов невозможен на свободном электроне.
Исследование рассеяния у-кванта свободными элект
ронами,	основанное на	квантовомеханической	теории,

позволяет получить следующее выражение д л я диффе

ренциального		(по	телесному			углу)		сечения			deaK~H~T
комптоновского рассеяния на						электрон			(формула		Клей
на — Нишины — Т а м м а ) :
« ^ * - i		- 4 ( - f ) ' ( - f +					- т - ,		" в	) -	( L 3 )
где г 0 = —		классический				радиус			электрона		(rl —
тс2
= 7 , 9 - Ю - 2 6	см2);		Е	и Е' — энергия фотона						до и	п о с л е '
рассеяния	на	угол-		9;	т с 2 = 511		кэв	— энергия			покоя
электрона.						Е,	Е'
Связь	между		величинами			Е,	Е'	и	0	определяется
формулой
		£ ' =			г - ^			.			(1.4)
					Е
				1 +		(1 — cos В)
Анализ этой формулы и табл . 2 показывают, что мак
симальная	потеря		энергии происходит					при рассеянии на
з а д , когда справедливо					соотношение
			Е'	=				,			(1.5)
					1 + 3 , 9 - Ю - 3 £						'
где Е в ы р а ж е н а			в	килоэлектрон-вольтах.

	Зависимость		Е' от Е	при различных значениях				Т а б л и ц а	2
	Зависимость		Е' от Е	при различных значениях				G [5]
Е, кэв		£ ' ,	кэв		Е,	кэв	Я', КЭ8
Е, кэв	0=9 0°		0=18 0°		Е,	кэв	6=90°	9=180°
	0=9 0°		0=18 0°				6=90°	9=180°
5	4,95		4,9		50		45,5	41,7
20	19,5		18,5		70		61,5	54,7
30	28,3		26,2		100		83,5	71,5
40	37		34,5		200		143	111
М а к с и м а л ь н ое значение энергии рассеянного излуче
ния	при 6 = 90°		равно	511	кэв,	а	при 0 = 1 8 0 ° — 2 5 5		кэв.
	т:	130'120° ПО'100°30° 80°70° В0° 50°						W°

Направление

Эффективное

сечение,

первичных

Wsсмг/(электрон-стер)

фотонов

Рис. 2.

Зависимость

дифференциального

сечения

d e o " K - r r

- T на

электрон

от

угла рассеяния фото

нов

(формула

Клейна — Нишины — Тамма).

Энергия

фотонов

а =

(в

единицах

энергии

тс2

свободного

электрона).

Формула

(1.4)

при

переходе

от

энергии

к длине волны

X=hc/E

использовании

качестве

комптоновской

длины

волны

(АК)х~

=0,024 А имеет

вид

П1С-

X' — Я =

(1 — cos0)(AX)± .

(1.6)

Подставляя

выражение

(1.4)

д л я

потери энергии в

формулу

Клейна — Нишины — Т а м м а

обозначая сс =

= Е/тс2,

1 + а (11— cos5ГТХ

получаем

]•

X .

1 + cos2 9

а 2 ( 1

— cos Є)2

(1.7)

1 + а ( 1 — cos 9)

Р. И. Плотников, Г. А. Пшеничный

- . _

' .ІО-ТЕХНМЧ2С -ЛИОТРНд

При малых энергиях у к в а н т а ,				т. е. при		a - c l , фор
мула Клейна — Нишины — Т а м м а				сводится		к	классиче
скому уравнению Томсопа
	rfeaT=	- £ ( 1	+ c o s 2 0 ) .				(1.8)
Зависимость сечения deaK~n~T				от угла		Q	показана
на рис. 2. При малых энергиях кванта					дифференциаль
ное сечение	(томсоновское) имеет			вид	четной		функции
cos G. С увеличением		энергии	у-кваитов			преобладает
рассеяние вперед.
3. Рассеяние	и фотоэлектрическое			поглощение
у- и рентгеновского излучений			связанными
электронами	атома.	Полный	коэффициент			ослабления

Когда энергия фотонов соизмерима с энергией связи электрона в атоме, необходимо учитывать связь элект ронов, а т а к ж е их распределение в атоме. Особенности взаимодействия фотона со связанным электроном опре деляются атомным фактором (функцией атомного рас сеяния) /, который определяется отношением амплитуд излучения, рассеянного атомом и свободным электроном. Атомный фактор является комплексной величиной и оп ределяется [446, 447]

	/ = / 0 +	A/S + iA.f ?.	(1-9)
где	/о — атомный фактор,	который зависит от	распреде
ления электронов в атоме, но рассчитанный			без учета
сил	связи электронов с ядром; Д/ Р и А/" — д и с п е р с и

онные поправки на связь электронов с ядром в атоме.

Вещественная	часть атомного фактора (fo + Afa) свя
зана с рассеянием	у-кванта, а мнимая часть А/" харак

теризует процесс поглощения. Связь процессов рассея ния и поглощения у-квантов через атомный фактор наи более просто физически можно объяснить, если рассмат ривать мнимую часть атомного фактора А/" как компо

ненту	рассеянной волны, которая по ф а з е отстает от пер
вичной	волны	на я/2 . Влияние этой компоненты сводится
к уменьшению		амплитуды результирующей	рассеянной
волны,	т. е. к процессу поглощения у-квантов		[447].

Рассеяние у-квантов на связанном электроне может быть когерентным (упругим) либо некогерентным (не-

у п р у г и м ) . В первом случае электрон сохраняет свое

первоначальное			состояние,		а	рассеянный	фотон		имеет
ту	ж е энергию,		что и	падающий . Когерентно				рассеян
ное	излучение	д л я различных				электронов	атома	связано
по	фазе, и поэтому амплитуда его интенсивности								про
порциональна		квадрату		атомного фактора
	(/о + А/Г)2			=	1

где	(/оп + Л/л	) — э л е к т р о н н ы й				фактор	рассеяния, а
суммирование		производится			по всем электронам				атома.

При некогерентном рассеянии электрон поглощает часть количества движения, и, следовательно, рассеянный фо тон имеет меньшую энергию, чем первичный. Некоге-

реитмое излучение д л я различных

электронов

не

связа

но по фазе, и интенсивность в этом случае

пропорцио

нальна функции

5 ~ 2 [ 1 - ( / о п

+ Д/Р п)2 ].

Дифференциальное атомное сечение рассеяния связа

но с функцией 5 и атомным фактором

соотношением

[68]:

dua

= dtf"

d a

a K «

Z • ^ - н -

т • £

[ l -

(/„„ +

А/пР )2 ] +

Іі(/

А/

п)

(1.10)

оп

где

с ? е а к ~ н " " т

— дифференциальное

(по

углу)

сечение

комптоновского

рассеяния,

определяемое

формулой

К л е й н а — Н и ш и н ы — Т а м м а и

deaT

— томсоновское

сече

ние

рассеяния.

Возможность

приближенного

аналитического

пред

ставления

атомного

фактора

без

учета

дисперсионных

поправок

подробно

рассмотрена

работах

[448,

449].

В основе приближения принимается, как и в приближе

нии Томаса — Ферми, модель усредненного атома,				когда
фактор	рассеяния	одинаков д л я всех электронов,		т. е.
/о = 2 / о п ~ 2 / о п , г д е		/ ° п — эффективный	(среднестатисти
ческий)	электронный фактор . Согласно		модели	Тома

с а — Ферми, в случае когерентного рассеяния, электрон-

3*19

<<< < Предыдущая 12 / 262 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ

#
20.10.20238.28 Mб7Пластическое деформирование металлов [сборник статей]..pdf
#
29.10.20233.63 Mб11Пластмассы заменяют металлы..pdf
#
25.10.202314.53 Mб5Платонов В.И. Экономические проблемы технического прогресса в хлопководстве.pdf
#
29.10.20233.44 Mб9Плиско В.А. Электронные машины в военном деле.pdf
#
24.10.202311.48 Mб13Плотников Л.А. Огнеупоры в черной металлургии учеб. пособие для учащихся техникумов.pdf
#
24.10.202310.81 Mб8Плотников Р.И. Флюоресцентный рентгено-радиометрический анализ.pdf
#
20.10.20238.04 Mб4Победря, Б. Е. Лекции по тензорному анализу учебное пособие.pdf
#
23.10.20238.32 Mб8Повилейко Р.П. Архитектура машины. Художественное конструирование. Проблемы и практика.pdf
#
25.10.202317.67 Mб26Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении.pdf
#
21.10.202310.04 Mб14Повх, И. Л. Магнитная гидродинамика в металлургии.pdf
#
21.10.20238.94 Mб9Повышение несущей способности механического привода..pdf