Андрей Смирнов
Время чтения: ~18 мин.
Просмотров: 1

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

Новые технологии

Существует тенденция к созданию более нового детектора EDS, называемого кремниевым дрейфовым детектором (SDD). SDD состоит из кремниевого чипа с высоким сопротивлением, электроны которого направляются к небольшому собирающему аноду. Преимущество заключается в чрезвычайно низкой емкости этого анода, что позволяет сократить время обработки и обеспечить очень высокую производительность. Преимущества SDD включают:

  1. Высокая скорость счета и обработки,
  2. Лучшее разрешение, чем у традиционных Si (Li) детекторов, при высокой скорости счета,
  3. Меньшее мертвое время (время, затрачиваемое на обработку рентгеновского события),
  4. Более быстрые аналитические возможности и более точные рентгеновские карты или данные о частицах, собираемые за секунды,
  5. Возможность хранения и эксплуатации при относительно высоких температурах, устраняя необходимость охлаждения жидким азотом .

Поскольку емкость SDD-чипа не зависит от активной области детектора, можно использовать SDD-чипы гораздо большего размера (40 мм 2 или более). Это позволяет собирать еще более высокую скорость счета. Дополнительные преимущества микросхем большой площади включают:

  1. Минимизация тока луча SEM, позволяющая оптимизировать визуализацию в аналитических условиях,
  2. Уменьшено повреждение образца и
  3. Меньшее взаимодействие луча и улучшенное пространственное разрешение для высокоскоростных карт.

Там, где интересующая энергия рентгеновского излучения превышает ~ 30 кэВ, традиционные технологии на основе кремния страдают от низкой квантовой эффективности из-за снижения тормозной способности детектора . Детекторы, изготовленные из полупроводников высокой плотности, таких как теллурид кадмия (CdTe) и теллурид кадмия-цинка (CdZnTe), обладают повышенной эффективностью при более высоких энергиях рентгеновского излучения и могут работать при комнатной температуре. Одноэлементные системы и, в последнее время, пиксельные детекторы изображений, такие как система HEXITEC , способны достигать энергетического разрешения порядка 1% при 100 кэВ.

В последние годы стал коммерчески доступным другой тип детектора EDS, основанный на сверхпроводящем микрокалориметре . Эта новая технология сочетает в себе возможности одновременного обнаружения EDS с высоким спектральным разрешением WDS. Микрокалориметр EDS состоит из двух компонентов: поглотителя и сверхпроводящего термометра с краевым датчиком (TES) . Первый поглощает рентгеновские лучи, испускаемые образцом, и преобразует эту энергию в тепло; последний измеряет последующее изменение температуры из-за притока тепла. Микрокалориметр EDS исторически страдал от ряда недостатков, включая низкую скорость счета и малую площадь детектора. Скорость счета затруднена из-за того, что она зависит от постоянной времени электрической цепи калориметра. Площадь детектора должна быть небольшой, чтобы сохранить небольшую теплоемкость и максимизировать тепловую чувствительность ( разрешение )

Однако скорость счета и площадь детектора были улучшены за счет реализации массивов из сотен сверхпроводящих микрокалориметров EDS, и важность этой технологии растет.

Спектроскопия в астрономии

Спектроскопический анализ света солнца и других звёзд показал, что небесные тела состоят из тех же элементов, что и земные. Однако гелий был впервые обнаружен при спектроскопическом исследовании солнечного света. Одна из спектральных линий солнечного излучения не могла быть идентифицирована в течение достаточного долгого времени, таким образом до нахождения гелия на Земле предполагалось, что на солнце существует некий на тот момент неизвестный элемент.

К успехам спектроскопии в астрономии можно приписать:

  • Экспериментальное доказательство существования эффекта Доплера для световых волн
  • Определение температуры звёзд и их спектральных классов

Количественный анализ

Перед проведением количественного анализа требуется специальная настройка спектрометра – его градуировка с помощью стандартных образцов. Спектр исследуемого образца сравнивают со спектром, полученным от облучения калибровочных проб.

Точность определения химических элементов зависит от многих факторов, таких как:

  • эффект межэлементного возбуждения;
  • фоновый спектр рассеяния;
  • разрешение прибора;
  • линейность счетной характеристики спектрометра;
  • спектр рентгеновской трубки и другие.

Этот метод сложнее и требует проведения аналитического исследования с учетом констант, определенных заранее экспериментально или теоретически.

Основы рентгеноспектрального флуоресцентного анализа

Рентгенофлуоресцентный способ широко применяется в промышленности и научных исследованиях. Основным элементом спектрометра является источник первичного излучения, в качестве которого чаще всего используют рентгеновские трубки. Под воздействием этого излучения образец начинает флуоресцировать, испуская рентгеновские лучи линейчатого спектра. Одной из важнейших особенностей метода является то, что каждый химический элемент имеет свои спектральные характеристики, вне зависимости от того, находится он в свободном или связанном состоянии (в составе какого-либо соединения). Изменение яркости линий дает возможность количественно оценить его концентрацию.

Рентгеновская трубка представляет собой баллон, внутри которого создается вакуум. На одном конце трубки имеется катод в виде вольфрамовой проволоки. Она накаливается электрическим током до температур, обеспечивающих испускание электронов. На другом конце расположен анод в виде массивной металлической мишени. Между катодом и анодом создается разность потенциалов, благодаря которой происходит ускорение электронов.

Заряженные частицы, двигаясь с большой скоростью, попадают на анод и возбуждают тормозное излучение. В стенке трубки есть прозрачное окно (чаще всего его делают из бериллия), через которое происходит выход рентгеновских лучей. Анод в приборах рентгеноспектрального анализа изготавливается из нескольких видов металла: вольфрама, молибдена, меди, хрома, палладия, золота, рения.

XRF

Рентгеновская флуоресцентная спектроскопия (XRF), используется для рутинного, относительно неразрушающего химического анализа горных пород, минералов, отложений и жидкостей. Тем не менее XRF, как правило, не может проводить анализы при небольших размерах пятна (2-5 микрон), поэтому он обычно используется для массового анализа больших фракций геологических материалов. Относительная легкость и низкая стоимость пробоподготовки, а также стабильность и простота использования рентгеновских спектрометров делают этот метод одним из наиболее широко используемых для анализа основных микроэлементов в породах, минералах и отложениях.

Физика рентгеновской флуоресцентной спектроскопии XRF зависит от фундаментальных принципов, которые являются общими для нескольких других инструментальных методов, включающих взаимодействия между электронными пучками и рентгеновскими лучами с образцами, включая такие виды рентгенографии, как SEM-EDS, дифракцию (XRD) и дисперсионную рентгенографию длины волн (микрозондовый WDS).

Анализ основных микроэлементов в геологических материалах методом XRF возможен благодаря поведению атомов при их взаимодействии с излучением. Когда материалы возбуждаются высокоэнергетическим коротковолновым излучением (например, рентгеновским излучением), они могут стать ионизированными. Если энергии излучения достаточно, чтобы сместить плотно удерживаемый внутренний электрон, атом становится нестабильным, а внешний электрон заменяет отсутствующий внутренний. Когда это происходит, энергия выделяется из-за уменьшенной энергии связи внутренней электронной орбитали по сравнению с внешней. Излучение имеет более низкую энергию, чем первичное падающее рентгеновское излучение, и называется флуоресцентным.

Спектрометр XRF работает, потому что, если образец освещается интенсивным рентгеновским лучом, известным как падающий луч, часть энергии рассеивается, но часть также поглощается в образце, который зависит от его химического состава.

Характеристическая рентгеновская спектроскопия

Когда электрон из внутренней оболочки атома возбуждается энергией фотона, он перемещается на более высокий энергетический уровень. Когда он возвращается на низкий уровень энергии, энергия, которую он ранее получил в результате возбуждения, излучается в виде фотона с длиной волны, характерной для элемента (может быть несколько характерных длин волн для каждого элемента). Анализ спектра рентгеновского излучения дает качественные результаты об элементном составе образца. Сравнение спектра образца со спектрами образцов известного состава дает количественные результаты (после некоторых математических поправок на поглощение, флуоресценцию и атомный номер). Атомы могут быть возбуждены пучком заряженных частиц высокой энергии, таких как электроны (например, в электронном микроскопе ), протоны (см. PIXE ) или пучок рентгеновских лучей (см. Рентгеновская флуоресценция или XRF, а также недавно в трансмиссия XRT). Эти методы позволяют анализировать элементы всей периодической таблицы, за исключением H, He и Li. В электронной микроскопии электронный луч возбуждает рентгеновские лучи; Существует два основных метода анализа спектров характеристического рентгеновского излучения: энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDS) и рентгеновская спектроскопия с дисперсией по длине волны (WDS). При передаче рентгеновских лучей (XRT) эквивалентный атомный состав (Z eff ) фиксируется на основе фотоэлектрического и комптоновского эффектов.

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

В энергодисперсионном рентгеновском спектрометре полупроводниковый детектор измеряет энергию входящих фотонов. Для сохранения целостности детектора и его разрешения его необходимо охлаждать жидким азотом или охлаждением Пельтье. EDS широко используется в электронных микроскопах (где визуализация, а не спектроскопия является основной задачей) и в более дешевых и / или портативных XRF-приборах.

Рентгеновская спектроскопия с дисперсией по длине волны

В рентгеновском спектрометре с дисперсией по длине волны монокристалл дифрагирует фотоны в соответствии с законом Брэгга , которые затем собираются детектором. Перемещая дифракционный кристалл и детектор друг относительно друга, можно наблюдать широкую область спектра. Для наблюдения в большом спектральном диапазоне могут потребоваться три из четырех различных монокристаллов. В отличие от EDS, WDS — это метод последовательного получения спектра. Хотя WDS медленнее, чем EDS, и более чувствителен к расположению образца в спектрометре, он имеет превосходное спектральное разрешение и чувствительность. WDS широко используется в микрозондах (где рентгеновский микроанализ является основной задачей) и в XRF; он широко используется в области дифракции рентгеновских лучей для расчета различных данных, таких как межплоскостное расстояние и длина волны падающего рентгеновского излучения с использованием закона Брэгга.

EDXS

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDXS) — это метод химического микроанализа, используемый в сочетании со сканирующей электронной микроскопией (SEM). Метод EDXS обнаруживает рентгеновское излучение, испускаемое образцом при бомбардировке электронным пучком, для характеристики элементного состава анализируемого объема. Могут быть проанализированы элементы или фазы размером до 1 мкм.

Когда образец бомбардируется электронным пучком SEM, электроны выбрасываются из атомов, составляющих поверхность образца. Получающиеся электронные пустоты заполнены электронами из более высокого состояния, и рентгеновское излучение испускается, чтобы уравновесить разность энергий между состояниями двух электронов. Энергия рентгеновского излучения характерна для элемента, из которого она была излучена.

Детектор рентгеновских лучей EDXS измеряет относительное количество испускаемых лучей в зависимости от их энергии. Детектор обычно представляет собой твердотельное устройство с кремниевым дрейфующим литием. Когда падающий рентгеновский луч попадает на детектор, он создает зарядный импульс, который пропорционален энергии рентгеновского излучения. Импульс заряда преобразуется в импульс напряжения (который остается пропорциональным энергии рентгеновского излучения) с помощью чувствительного к заряду предварительного усилителя. Затем сигнал отправляется в многоканальный анализатор, где импульсы сортируются по напряжению. Энергия, определенная из измерения напряжения для каждого падающего рентгеновского излучения, отправляется на компьютер для отображения и дальнейшей оценки данных. Спектр энергии рентгеновских лучей в зависимости от счета оценивается для определения элементного состава объема выборки.

15.2. Техника рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии

Получение чистой поверхности в сверхвысоком вакууме. Анализ поверхности твердого тела всегда проводят в сверхвысоком вакууме (p = 10−9—10−7Па). Условия сверхвысокого вакуума необходимы по двум причинам. Во-первых, вероятность рассеяния вторичных электронов, эмиттируемых поверхностью образца, на молекулах остаточного газа в камере анализа должна быть ничтожно мала. Во-вторых, при исследовании образцов с чистой поверхностью скорость ее загрязнения при адсорбции молекул остаточного газа должна быть невелика (обычно один монослой за 30 мин).

Чистой поверхностью называют такую поверхность, на которой с помощью метода РФЭС (или другого метода анализа поверхности) на пределе чувствительности обнаружения регистрируются спектральные линии только тех элементов, из которых состоит исследуемый образец. Существует несколько эффективных способов получения чистой поверхности в условиях сверхвысокого вакуума. К ним относятся ионное травление, нагрев, механическое скобление и вакуумный скол. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Выбор способа определяется прежде всего типом исследуемой поверхности и должен сопровождаться ее минимальной деструкцией. Наиболее эффективным и часто используемым способом является ионное травление поверхности путем бомбардировки ионами инертных газов энергией 1—5 кэВ. Однако следует иметь в виду, что при ионном травлении может происходить преимущественное распыление поверхности многокомпонентных материалов и, соответственно, обеднение поверхности легколетучим компонентом, восстановление поверхности химических соединений или вбивание примесей (углерода, кислорода) в поверхностные слои. Нагрев может приводить к нежелательной поверхностной сегрегации примесей (в первую очередь серы, кислорода и углерода) из объема образца. В особых случаях применяют другие способы получения чистой поверхности. Например, пластичные металлы (свинец, индий и олово) можно очистить с помощью механического скобления поверхности в сверхвысоком вакууме. Для получения чистой поверхности

Задний план

Данные XAS получаются путем настройки энергии фотонов с помощью кристаллического монохроматора в диапазоне, в котором могут быть возбуждены электроны ядра (0,1-100 кэВ). Края частично названы тем, по которым возбуждается остовный электрон: главные квантовые числа n = 1, 2 и 3 соответствуют K-, L- и M-краям соответственно. Например, возбуждение 1s-электрона происходит на K-крае , в то время как возбуждение 2s- или 2p-электрона происходит на L-крае (рис. 1).

В спектре, созданном с помощью данных XAS, обнаруживаются три основных участка, которые затем рассматриваются как отдельные спектроскопические методы (рисунок 2):

  1. Порог поглощения определяется переходом к низших незанятых состояний:
    1. состояния на уровне Ферми в металлах, дающие «передний фронт» в форме дуги ;
    2. что связанные основные экситоны в изоляторах с лоренцевской линией-формой (они имеют место в области , предкраевой при энергиях ниже , чем переходы до самого низкого уровня незанятого);
  2. Передняя структура поглощения рентгеновских лучей ( XANES ), представленная в 1980 г. и позже в 1983 г., также называемая NEXAFS (тонкая структура поглощения рентгеновских лучей у ближнего края), в которой преобладают переходы ядра в квазисвязанные состояния (резонансы многократного рассеяния) для фотоэлектроны с кинетической энергией в диапазоне от 10 до 150 эВ выше химического потенциала, называемые «резонансами формы» в молекулярных спектрах, поскольку они возникают из-за конечных состояний с коротким временем жизни, вырождающиеся с континуумом с формой линии Фано. В этом диапазоне актуальны многоэлектронные возбуждения и многочастичные конечные состояния в сильно коррелированных системах;
  3. В диапазоне высоких кинетических энергий фотоэлектрона сечение рассеяния на соседних атомах невелико, а в спектрах поглощения преобладает EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure), где рассеяние выброшенного фотоэлектрона соседними атомами может можно аппроксимировать событиями однократного рассеяния. В 1985 году было показано, что теорию многократного рассеяния можно использовать для интерпретации как XANES, так и EXAFS ; поэтому экспериментальный анализ, сосредоточенный на обоих регионах, теперь называется XAFS .

XAS — это тип абсорбционной спектроскопии из исходного состояния ядра с четко определенной симметрией; поэтому квантово-механические правила отбора выбирают симметрию конечных состояний в континууме, которые обычно представляют собой смесь нескольких компонентов. Наиболее интенсивные особенности связаны с разрешенными электрическими дипольными переходами (т.е. Δℓ = ± 1) в незанятые конечные состояния. Например, наиболее интенсивные особенности K-края обусловлены переходами ядра из 1s → p-подобных конечных состояний, в то время как наиболее интенсивные особенности L 3- ребра обусловлены 2p → d-подобными конечными состояниями.

Методологию XAS можно в общих чертах разделить на четыре экспериментальные категории, которые могут давать дополнительные результаты друг другу: металлический K-край , металл L-край , лиганд K-край и EXAFS.

Область применения

Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ применяется в следующих целях:

  • определение вредных примесей в нефти и нефтепродуктах (бензин, смазки и другие); тяжелых металлов и других опасных соединений в почве, воздухе, воде, пищевых продуктах;
  • анализ катализаторов в химической промышленности;
  • прецизионное определение периода кристаллической решетки;
  • выявление толщины защитных покрытий неразрушающим методом;
  • определение источников сырья, из которых изготовлен предмет;
  • вычисление микрообъемов вещества;
  • определение основных и примесных компонентов горных пород в геологии и металлургии;
  • исследование объектов, представляющих культурно-историческую ценность (иконы, картины, фрески, украшения, посуда, украшения и прочие предметы из различных материалов), их датирование;
  • определение состава для криминалистического анализа.

Использование в электронной микроскопии

Метод энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии может использоваться при исследовании объектов в сканирующем электронном микроскопе или трансмиссионном электронном микроскопе, где производится исследование объекта с помощью сфокусированного высокоэнергетического пучка электронов.

В камере микроскопа создают высокий вакуум (10−7мБар) с целью минимизации взаимодействия электронов с молекулами воздуха. Детектор рентгеновского излучения требует охлаждения, которое обычно производится либо дьюаром с жидким азотом, либо устройством, базирующемся на эффекте Пельтье.

При работе электронного микроскопа пучок электронов выходит из источника — электронной пушки  — и ускоряется высоким напряжением. При попадании на объект часть электронов рассеивается в зависимости от порядкового номера элемента и его окружения в кристаллической структуре, часть возбуждает атомы вещества объекта, вызывая при этом эмиссию характеристического излучения. Анализируя энергетический спектр эмитированного рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии электронного пучка и атомов объекта, с помощью детектора (кристаллы Si с примесями Li) электронного микроскопа, дополнительно изучают также и его состав.

Анализ отдельных максимумов рентгеновского спектра по их расположению (длина волны одного максимума эмиссии определённого элемента) и интенсивности проводят также в родственном методе дисперсионной рентгеновской спектроскопии по длине волны (WDS), имеющем на порядок более высокую чувствительность и спектральную разделительную способность, однако менее экспрессном.

Вопрос 34. Источники фотонов. Требования к энергетическому разрешению. Энергоанализаторы электронов.

В
РФС обычно применяют

рентгеновское излучение Al или Mg. Оно
дает самые узкие линии. В табл. 1.1
приведены данные по некоторым источникам,
используемым в РФС. Для поглощения
тормозного излучения рентгеновские
лучи направляют на образец через
алюминиевый или магниевый экран.
Применяют также монохромацию излучения.
Дополнительнаямонохромация излучения
позволяет уменьшить полуширину линии
до 0,2 эВ.

Таблица
1.1

Рентгеновские
источники РФС

Рентгеновские
лучи

Энергия, эВ

Ширина линии,
эВ

8048

2,5

4511

1,4

1487

0,9

1254

0,8

Исследуемые
образцы могут находиться в твердом или
жидком состоянии (жидкость требует
особой методики измерений). Образец
должен быть установлен достаточно
близко к оптической системе анализатора,
чтобы испущенные электроны попадали
в анализатор с большой эффективностью.
Вещество образцов не должно разлагаться
в вакууме и под действием рентгеновского
излучения. При исследовании адсорбированных
процессов требования по вакууму
достаточно высокие, до 10-8 Па.

Для
выделения и фокусировки фотоэлектронов
определенной энергии используются
магнитные или электростатические
энергоанализаторы. С целью уменьшения
рассеяния электронов на молекулах
остаточных газов в анализаторе требуется
поддерживать вакуум не хуже 10-3 Па.
Необходима также компенсация рассеянных
магнитных полей применяют катушки
Гельмгольца или магнитные экраны.

Энергоанализаторы
подразделяются на два типа: с задерживающим
потенциалом (с тормозящей сеткой) и
дисперсионные. В спектрометре с
тормозящей сеткой анализ кинетической
энергии электрона проводится методом
задерживающего потенциала, согласно
которому электроны до их регистрации
проходят через тормозящее поле. В случае
дисперсионных анализаторов электроны
могут быть диспергированы или сепарированы
по энергиям в магнитном или электростатическом
поле. Большинство современных
спектрометров являются дисперсионными
приборами с электростатическим полем.
В них используются анализаторы различной
геометрии: отклоняющий сферический
секторный конденсатор, отклоняющее
цилиндрическое зеркало и бездисперсионный
энергетический фильтр. Схематическое
изображение анализаторов первых двух
типов представлены на рис. 1.5 и 1.6.

Рис.
1.5.
Схема
секторного сферического анализатора

С
помощью ЭСХА (РФС) по спектру фотоэлектронов
можно проводить качественный и
количественный анализ состава поверхности.
Спектр фотоэлектронов представляет
собой зависимость числа фотоэлектронов,
попадающих в детектор, от величины их
кинетической энергии. По кинетической
энергии, учитывая поправку на работу
выхода спектрометра, находят энергию
связи. Окончательный анализ химического
состава образца проводится по спектру
интенсивности фотоэлектронов от энергии
связи. На рис. 6. 5 в качестве примера
представлен спектр золотой фольги, на
которой адсорбировано некоторое
количество ртути. С помощью ЭСХА –
спектрометра можно определить менее,
чем 0,1 % монослояHg на поверхности Au.

WDXS

Метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (WDXS) — это поверхностно-чувствительный количественный спектроскопический метод, который измеряет элементный состав в диапазоне частей на поверхности изучаемого материала, а также определяет эмпирическую формулу, химическое состояние и электронное состояние элементов, которые существуют в материале. Проще говоря, WDXS — это полезный метод измерения, поскольку он показывает не только то, какие элементы находятся внутри пленки, но и какие элементы образуются после обработки.

Рентгеновские спектры получают, облучая материал пучком рентгеновских лучей, одновременно измеряя кинетическую энергию и количество электронов, которые выходят из верхних 0-10 нм анализируемого материала. WDXS требует условий высокого вакуума (P ~ 10-8 миллибар) или сверхвысокого вакуума (UHV; P <10-9 миллибар). Хотя в настоящее время разрабатывается область WDXS при атмосферном давлении, в которой образцы анализируются под давлением несколько десятков миллибар.

ESCA (рентгеновская электронная спектроскопия для химического анализа) — аббревиатура, введенная исследовательской группой Кая Зигбана, чтобы подчеркнуть химическую (а не просто элементарную) информацию, которую предоставляет методика. На практике, используя типичные лабораторные источники рентгеновского излучения, XPS обнаруживает все элементы с атомным номером (Z) от 3 (литий) и выше. Он не может легко обнаружить водород (Z = 1) или гелий (Z = 2).

Литература

  • Верховодов П. А. Рентгеноспектральный анализ: вопросы теории и способы унификации. — Наукова Думка, 1984. — 159 с.
  • Верховодов П. А. Рентгеноспектральный анализ: раздельный учет физических процессов. — Наукова Думка, 1992. — 232 с. — ISBN 9785120031028.
  • Коляда В. М., Зайченко А. К., Дмитренко Р. В. Рентгеноспектральный анализ с ионным возбуждением. — Атомиздат, 1978. — 246 с.
  • Петров В. И. Оптический и рентгеноспектральный анализ. — Металлургия, 1973. — 285 с.
  • Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П., Джой Д., Фиори Ч., Лифшин Ф. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. — Мир, 1984.

Методы применения

Методы рентгеновской спектроскопии используются во многих областях науки, включая археологию, антропологию, астрономию, химию, геологию, инженерию и здравоохранение. С ее помощью можно обнаружить скрытую информацию о древних артефактах и ​​останках. Например, Ли Шарп, адъюнкт-профессор химии в Гриннелл-колледже в Айове, и его коллеги использовали метод XRF для выявления происхождения наконечников из обсидиановых стрел, сделанных доисторическими людьми на северо-американском юго-западе.

Астрофизики, благодаря рентгеновской спектроскопии, узнают больше о том, как работают объекты в космосе. Так, исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе планируют наблюдать рентгеновские лучи от космических объектов, таких как черные дыры, чтобы узнать больше об их характеристиках. Команда, возглавляемая Хенриком Кравчинским, экспериментальным и теоретическим астрофизиком, планирует выпустить рентгеновский спектрометр, называемый рентгеновским поляриметром. Начиная с декабря 2018 года, инструмент, при помощи наполненного гелием шара, подвесили в атмосфере Земли на долгое время.

Юрий Гогоци, химик и инженер, по материалам из Университета Дрексел в Пенсильвании создает напыляемые антенны и мембраны для опреснения воды из материалов, проанализированных методом рентгеновской спектроскопии.

Невидимые напыляемые антенны имеют толщину всего несколько десятков нанометров, но способны передавать и направлять радиоволны. Методика XAS помогает гарантировать, что состав невероятно тонкого материала является правильным, и помогает определить проводимость. «Для хорошей работы антенн требуется высокая металлическая проводимость, поэтому мы должны внимательно следить за материалом», — сказал Гогоци.

Гогоци и его коллеги также используют спектроскопию для анализа химии поверхности сложных мембран, которые обессоливают воду путем фильтрации определенных ионов, таких как натрий.

10.3.5.2. Рентгеновский спектрометр

Основными узлами рентгеновского спектрометра являются источник возбуж дения, устройство крепления и ввода образца, диспергирующее устройство и де

тектор рентгеновского излучения.

Источник возбуждения. Для возбуждения спектра в РФА и РАА используют рентгеновскую трубку. Рабочим элементом трубки является пара вакуумирован ных электродов — термоэмиссионный катод и охлаждаемый анод, выполненный из металла (Mo, W, Cu, Rh и др.). Термоэлектроны, ускоряемые напряжением 20 — 60 кВ, попадают на поверхность анода мишени. При прохождении электронов через материал анода происходит их упругое и неупругое рассеяние на связанных электронах атома. Процесс неупругого рассеяния первичного электрона приво дит к постепенному уменьшению его энергии и, следовательно, к торможению. При движении с ускорением в электромагнитном поле атома заряженная части ца (электрон) генерирует непрерывный спектр электромагнитного (рентгеновско го) излучения (тормозное излучение). Если энергия, которую первичный элект рон передал связанному электрону в процессе неупругого рассеяния, больше энергии ионизации соответствующего электронного уровня атома, то с этого уровня происходит эмиссия вторичного электрона (ионизация электронным ударом). Экспериментально установлено, что вероятность этого процесса макси мальна, если энергия первичного электрона в 3 — 4 раза больше энергии иониза ции. Данное обстоятельство используют при выборе рабочих параметров рентге новской трубки. Таким образом, рентгеновский эмиссионный спектр состоит из непрерывного тормозного и характеристического излучения. Обычно рентгенов ские трубки комплектуют металлическим фильтром, позволяющим вырезать из спектра эмиссии трубки ту или иную составляющую.

Для решения специальных задач в качестве источника возбуждения спектра применяют синхротронное излучение, возникающее при движении электрона с релятивистскими скоростями и угловым ускорением в сильном магнитном поле. Синхротрон генерирует непрерывный спектр поляризованного электромагнитно го излучения в диапазоне энергий 101 — 104 эВ. Интенсивность синхротронного излучения на 3 — 4 порядка выше интенсивности излучения рентгеновской труб ки. Перед использованием его монохроматизируют, в результате чего ширина линии возбуждения составляет всего 0,2 — 0,3 эВ.

В методе РСМА для возбуждения рентгеновского спектра используют моно энергетический пучок электронов энергией 10 — 30 кэВ и диаметром 1 — 2 мкм

(анализ в «точке») или сканирующий электронный пучок (растр) размером от 10 × 10 до 500 × 500 мкм (анализ участка поверхности). Таким образом, РСМА является методом локального анализа. Источником возбуждения служит элект ронная пушка, которая состоит из авто или термоэмиссионного катода и уско ряющих и фокусирующих электростатических или магнитных линз, работающих в условиях высокого (10−4 — 10−3 Па) вакуума.

Диспергирующее устройство. Для разложения рентгеновского излучения в спектр применяют волновую или энергетическую дисперсию. В спектрометрах с

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации