ООО "Современные Технологии Неразрушающего Контроля" 


+7 (499)703-40-44  info@lab-ndt.ru



 

Принцип работы анализаторов металла

изображение Принцип работы анализаторов металла

Основные принципы проведения рентген флуоресцентного анализа анализатором X-met 8000

Полное описание

Основные принципы проведения рентген флуоресцентного анализа анализатором X-met 8000

x-met-8000

Фотоэлектрическая абсорбция

Фотон выбивает электрон с одной из внутренних электронных оболочек бомбардируемого атома. Электрон переходит в возбужденное состояние за счет энергии фотона и удаляется за пределы атома

x-met-8000

Этот процесс возможен только в том случае, когда энергия фотона больше энергии ионизации  данной оболочки

x-met-8000-41.jpg

Энергетические уровни и различные энергитические переходы

x-met-8000

x-met-8000

Характеристическое излучение

          Характеристическое излучение и рентгеновское излучение  как объект Рентгено-Флуоресцентного Анализа (РФА). Анализатором x-met 7500 серии

                Энергия линий в спектре флуоресценции несет информацию об элементном составе. Если в спектре мы видим линии с энергией характерной для FeKα и FeKβ мы можем утверждать, что Fe присутствует в образце.

=> Идентификация элементов

                Интенсивность линии пропорциональна количеству элемента в пробе

=> Концентрация элемента, количественный анализ

Вероятность излучательного перехода

x-met-8000

Выход флуоресценции

          Возвращение в исходное состояние после ионизации

         Эмиссия характеристического фотона

         Эмиссия Оже-электрона

          Это конкурирующие процессы

x-met-8000

Выход флуоресценции

x-met-8000

Комптоновское рассеяние

x-met-8000

Статистическая обработка данных

          Точность

         степень близости результата анализа к истинному или принятому опорному значению.

          Воспроизводимость

         степень близости друг к другу независимых результатов измерений, полученных в конкретных установленных условиях.

Правильность и воспроизводимость

x-met-8000

Статистическая обработка

          Стандартное отклонение

         Степень разброса данных относительно среднего значения.

          Чем меньше стандартное отклонение, тем ближе результаты анализа сгруппированы относительно среднего значения.

Статистическая обработка

          Образование рентгеновских лучей является случайным процессом и подчиняется распределению по закону Пуассона.

          Распределение Пуассона подобно распределению Гаусса или нормальному распределению (особенно при увеличении объема обрабатываемых данных). 

Нормальное распределение (Гаусса).

x-met-8000

Нормальное (Гаусса) распределение

          Для нормального распределения при большом количестве значений (измерений):

         68%    результатов лежат в пределах 1 s от среднего.

         95.5% результатов лежат в пределах 2 s от среднего.

         99.7% результатов лежат в пределах 3 s от среднего.

          Обычно результаты ограничены 95% доверительной вероятностью (т.е 95.5% результатов лежат в пределах 2 s от среднего)

Теоретическое стандартное отклонение

x-met-8000

Примеры

x-met-8000

Статистическая обработка

x-met-8000-13.jpg

Рентгеновская трубка

          Принцип работы: Бомбардировка анода заряженными частицами вызывает испускание  электромагнитного излучения:

         При нагревании с катода C происходит (LV = ~10V / If = ~5 A) испарение электронов

         В направлении анода «мишени» электроны ускоряются за счет приложения ВВ напряжения (HV = 10 – 150 kV); энергия электронов: Ke = e ´ HV

Замедление электронов материалом мишени образует «тормозной спектр», а возбуждение материала мишени - пики флуоресцентного излучения

x-met-8000-14.jpg

Тормозной спектр

          Сплошной спектр ЭМ излучения образуется при торможении заряженных частиц.

          Торможение происходит за счет отклонения частиц в кулоновском поле ядра.

          Большая часть энергии преобразуется в тепловую энергию, ~0.5 % в рентгеновские лучи

x-met-8000-15.jpg

Излучение на выходе из трубки

          Спектр рентгеновской трубки содержит участок сплошного спектра в диапазоне от 0 энергии до значения максимума энергии ускоряющего напряжения трубки.

          Потери энергии за счет торможения частиц описываются выражением:

x-met-8000-16.jpg

          где q электрический заряд ускоренной частицы, Z атомный номер материала мишени, T кинетическая энергия частицы, M масса покоя частицы.

          Как следует из выражения, облучаемая мишень из более тяжелого материала образует  более интенсивное излучение тормозного спектра, т.к. I квадрату заряда Z.

          Эффективность Eff преобразования электрической энергии в рентгеновское излучение приблизительно описывается следующим выражением:

x-met-8000-17.jpg

Излучение на выходе и трубки

Образование характеристических рентгеновских лучей зависит от напряжения рентгеновской трубки

x-met-8000-18.jpg

, где Е - энергия электронов (напряжение трубки), а E(I) энергия ионизации. Функция достигает максимума при значении U ~3-4. Поэтому для получения максимума интенсивности характеристической линии необходимо установить напряжение трубки приблизительно в три раза выше чем край поглощения анализируемого материала

 

Спектр рентгеновской трубки

x-met-8000-19.jpg

x-met-8000-20.jpg

x-met-8000-21.jpg

Преобразование излучения источника

Для преобразования формы или интенсивности излучения или формы пучка источника используются различные приспособления.

§  Фильтры источника

§  Вторичная мишень

§  Мишень - поляризаторы

§  Коллиматоры

§  Фокусирующая оптика

Фильтры

Фильтры выполняют одну из двух функций

          Уменьшение фона

          Увеличение выхода флуоресценции

x-met-8000-22.jpg

Пропускание фильтра

x-met-8000-23.jpg

На кривых пропускания фильтра можно увидеть, какие части спектра источника проходят, а какие поглощаются фильтром

Флуоресцентные фильтры анализатора x-met 8000

x-met-8000-24.jpg

Метод фильтрации флуоресцентного излучения позволяет понизить уровень фона и увеличить выход флуоресценции не требуя дополнительной энергии источника.

 

Поглощающие фильтры

x-met-8000-25.jpg

Использование поглощающих фильтров позволяет понизить уровень фона при сохранении той же эффективности возбуждения.

x-met-8000-26.jpg

 

ЭД РФА

          Энергодисперсионный рентгенофлуоресцентный (ЭД РФА) анализ основан на таком принципе, что высота импульса сигнала детектора пропорциональна энергии рентгеновского кванта, связанного с длиной волны. Таким образом, используется более простая оптическая схема по сравнению с ВД РФА, не требующая дополнительных кристаллов или гониометров, т.к. рентгеновские кванты попадают непосредственно на детектор.

          В качестве источника излучения в ЭД РФА x-met 7500 используют излучение рентгеновской трубки, с более низкой энергией по сравнению с ВД РФА, или радиоизотопы. При определении содержаний элементов производится подсчет импульсов с разными уровнями энергии. Обычно используются многоканальные анализаторы для сбора и обработки данных. В таких системах параллельно отдельные каналы считают импульсы определенной энергии.

          Разрешение энергодисперсионных спектрометров зависит только от характеристик используемого детектора. Разрешение улучшается на высоких энергиях в отличие от ВДРФ.

Под воздействием флуоресцентного излучения в детекторе генерируется фототок. Причем, величина генерируемого фототока пропорциональна энергии входящего импульса

x-met-8000-27.jpg

Преобразование сигнала

*       В детекторе импульсы фототока преобразуются в отсчёты, (counts) cps (counts per second) (отсчёты в секунду).

*       Импульсы распределяются по каналам в зависимости от энергии через МКА (Много Канальный Анализатор).

x-met-8000-28.jpg

 

Mn и Fe на Si-PIN

x-met-8000-29.jpg

 

Pb и As на Si-PIN

x-met-8000-30.jpg

 

Показатель скорости счета

          Показатель скорости счета описывает способность системы обрабатывать высокие значения в отсчётах в секунду. Высокие скорости счета требуются в ситуациях когда необходимо добиться определённой производительности в заданное время.

          Показатель скорости счета зависит от комбинации характеристик детектора совместно со способностью электроники обрабатывать полученные сигналы.

          Высокие скорости счета могут привести к проблемам связанным с мёртвым временем, с потерями импульсов, с ухудшением разрешения, со смещением пиков, с наложениями линий.

          Спектральные наложения

x-met-8000-31.jpg

 

Вычислительные методы

          Рентгенофлуоресцентный анализатор x-met 8000 позволяет вычислить содержания элементов в образцах неизвестного состава. 

Различные типы материалов доступных для анализа:

         Твёрдые материалы

         Порошки

         Жидкости

         Взвеси

         Определение тонкости покрытий

         И т.д.

          Существует несколько алгоритмов и/или методов подготовки проб к анализу для создания калибровочных моделей для количественного анализа содержаний.

Вычислительные методы

          В РФА элемент который необходимо проанализировать называется аналит. Все остальные элементы составляют матрицу или матричные элементы.

          Каждый элемент в пробе оказывает влияние на интенсивности остальных элементов в пробе. Влияние различных элементов на интенсивность анализируемого элемента называется матричным эффектом.

          Чтобы обеспечить должную точность калибровочной зависимости необходимо учитывать матричные эффекты.

          Вычисление содержаний всегда связано с вычислением интенсивностей при измерении спектра.

Вычислительные методы

          В РФА существуют два вида матричных эффектов

         Поглощение сигнала

         Усиление сигнала

          Существует два основных способа обработки матричных эффектов.

         Математические коррекции

          Вычисление матричного эффекта  Calculate matrix effects explicitly

         Модели коррекции интенсивности. Intensity correction models

         Коэффициенты взаимного влияния. Influence coefficients

         Метод фундаментальных параметров. Fundamental parameters

         Компенсационные методы.

         Компенсировать эффекты матрицы проще вычисления   Compensate matrix effects rather than calculate

         Исключение матричных эффектов

»          Метод стандартных добавок Standard addition method

»          Метод внутреннего стандарта Internal standard method

»          Тяжелый сорбент (поглотитель)  Heavy absorber

 

Вычислительные методы

          Воздействие матричных эффектов на величину сигнала может быть от незначительного до преобладающего.

          Эффект поглощения сигнала присутствует всегда.

          Усиление сигнала в наибольшей мере проявляется  для средних элементов в диапазоне Z от Z+2 до Z-2

 

Возбуждение рентгеновского излучения

x-met-8000-32.jpg

Каждый элемент обладает своим набором энергий  характеристического излучения

Измеряя интенсивность соответствующих рентгеновских линий, можно определить концентрацию химического  элемента.

 

Флуоресценция хрома. Пример

x-met-8000-33.jpg

Спектр Ni-сплава перед обработкой

x-met-8000-34.jpg

 

Вычислительные методы

Измеренная интенсивность связана с содержанием анализируемого элемента

x-met-8000-35.jpg

          Коррекция не используется (Fi = 1)

         Применяется для узких диапазонов на хорошо известных образцах.

          Комптоновское рассеяние Compton Scatter

         Применяется для определения следовых содержаний (Fi = 1/Icc)

         Комптоновские пики обратно пропорциональны коэффициенту массового поглощения материала образца. Compton peak is inversely proportional to mass absorption coefficient of sample

          Модели коррекции интенсивности (Fi функция интенсивности элемента)

         Модель (Lucas, Tooth и Pyne)

          Модели расчета коэффициентов взаимного влияния

         Модель ЛаШанса и Траилла (LaChance and Traill)

          Метод Фундаментальных параметров

         Прямое применение уравнения Шермана

Общее уравнение интенсивности, уравнение Шермана

x-met-8000-36.jpg

Уравнение Шермана

 

          Ii Интенсивность наблюдаемой характеристической линии элемента I.

          E Энергия падающего излучения Energy of incident radiation

          Ei Энергия характеристической линии элемента I.

          S площадь облучаемой поверхности образца.

          Ci - Концентрация элемента I в образце.

          gi - коэффициент пропорциональности для характеристической линии I.

          Ψ1 - Угол между поверхностью образца и подающими лучами.

          Ψ2 - Угол между поверхностью образца и детектором.

          Ω - Телесный угол покрываемый детектором.

          Κ(E,Ii) – Отклик инструмента  характеристической линии  элемента I на  энергии Ei.

          μi(E) массовый  коэффициент поглощения  элементом I  энергии первичного  излучения  E.

          μ(E) Total absorption coefficient of specimen at incident energy E

          μ(Ei) Total absorption coefficient of specimen at characteristic energy  of element I

          Ji Jump ratio of the photoelectric mass absorption coefficient at the absorption edge of line of element being measured

          ωi Выход флуоресценции измеряемой линии элемента Fluorescence yield for the line of element being measured

          I0(E) Интенсивность излучения с энергией Intensity of incident radiation at energy E

          τi(E) Mass photoabsorption coefficient of element i at incident energy E

          τi(Ej) Mass photoabsorption coefficient of element I at energy Ej of characteristic line of element j

          Pi Вероятность Transition probability of observed line of element I

          Ei edge energy of absorption edge of characteristic line of element I

          Emax Maximum energy at incident radiation

 

Вычислительные методы

          Уравнение Шермана фундаментально и является основой для различных алгоритмов расчета содержания элементного состава. 

          Уравнение Шермана не имеет прямого решения, но содержания элементов можно расчитать методом подбора.

          Уравнение Шермана учитывает коррекцию поглощения и первичное и вторичное флуоресцентное излучение.  Sherman equation contains both absorption correction and primary and secondary fluorescence. It does not contain tertiary fluorescence.

Метод Lucas - Tooth Pyne

x-met-8000-37.jpg

          Требуется набор калибровочных образцов из которых по определенной зависимости вычисляются коэффициенты.

          Калибровка работоспособна только в пределах диапазона концентраций и набора элементов присутствующих в наборе калибровочных образцов.

          Применяется на приборах серии X-Met 7500

           

Метод эмпирических калибровок

x-met-8000-38.jpg

 

Метод коррекции интенсивностей

x-met-8000-39.jpg

 

Метод фундаментальных параметров

          Метод фундаментальных параметров основан на непосредственном применении уравнения Шермана.

          Метод фундаментальных параметров учитывает

         Коэффициенты поглощения  Absorption coefficients

         Относительные энергии переходов Relative transition rates

         Выход флуоресценции

         Скачки поглощения Absorption jumps

         и тому подобное

          Теоретически, требуется только один стандарт

Метод фундаментальных параметров

          Пригоден для всех элементов от 0% - 100%

          Необходимо знание о всех элементах, присутствующих в образце.

          Необходимо точное представление об используемых параметрах и условиях возбуждения излучения.

          Необходимо точное вычисление интенсивностей измеряемых элементов.

          Уравнение не решаются на прямую. Требуются промежуточные вычисления (итерации).

Необходимы высокие вычислительные мощности

Расчет методом фундаментальных параметров

x-met-8000-40.jpg

 

 

 

 

 


ООО "Современные Технологии Неразрушающего Контроля" 


+7 (499)703-40-44  info@lab-ndt.ru

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru