Фізичні основи РМА

Незалежно від характеру мікроаналізу невідомого зразка його першою стадією є ідентифікація присутніх елементів, тобто якісний аналіз. Хоча він відносно простий метод, без нього неможливе застосування інших, більш точних методів.

Для проведення якісного або кількісного аналізу використовується неруйнівна техніка рентгенівського випромінювання на основі рентгеноспектральних мікро-аналізаторів або растрових мікроскопів. Дані таблиці 7.1 характеризують можливості вітчизняних приладів (ВАТ“Selmi”, м. Суми) з точки зору проведення РМА.

Таблиця 7.1 – Основні характеристики вітчизняних мікро- аналізаторів

У методиці РМА використовуються два типи спектрометрів. До 1968 р., коли в мікроаналізаторах були вперше застосовані детектори, використовувалися лише спектрометри із дисперсією по довжині хвиль, принцип роботи якого полягає в наступному (див. також частину 1).

Частка рентгенівського випромінювання, яке генерується під дією первинного пучка електронів, потрапляє на поверхню кристала – дифрактометра. У результаті відбиття від поверхні кристала рентгенівські промені дифрагують відповідно до рівняння Бреггів (6.1), реєструються пропорціональним лічильником, подаються на детектор і перетворюються в стандартний імпульс. Звичайний якісний МРА полягає у безперервному записуванні розподілу інтенсивності рентгенівського випромінювання залежно від кута повороту кристала-дифрактометра. Потім положення піків співвідносяться із довжинами хвиль згідно із законом Бреггів (оскільки як кристал-дифрактометри використовується Si, то для нього добре відомі міжплощинні відстані). Скориставшись законом Мозлі, який пов’язує величину λ максимальної інтенсивності піка із порядковим номером (Z) елементів у невідомому зразку у вигляді

де В і С – відомі константи для кожної серії випромінювань, можна визначити порядковий номер елемента.

Рисунок 7.1 ілюструє у самому загальному випадку механізм утворення K -, L -, та M - серій рентгенівського випромінювання у результаті електронних переходів. Ступінь складності діаграми переходів залежить від порядкового номера елемента. Зокрема, якщо побудувати

Рисунок 7.1 – Узагальнена діаграма електронних переходів, які обумовлюють утворення К-, L- та К- серій рентгенівського випромінювання

діаграму для атома вуглецю (Z =8), то на ній буде лише К _α серія, оскільки в атомі на К - і L - оболонках знаходяться відповідно два і шість електронів, а на М -оболонці немає електронів, які б зайняли ці вакансії на L -оболонці. У випадку Na (Z=11) будуть випромінюватися як К _α, так і К _β-лінії, оскільки у нього на М-оболонці знаходиться один електрон. Складність діаграми випромінювання зростає при збільшенні величини Z, і, наприклад, у Cu, Ti i Tb лінії К _α1 і К _α2 не розрізняються спектрометром із дисперсією за довжинами хвиль.

На рисунку 7.2 показані залежності енергії рентгенівських фотонів з даною довжиною хвилі від порядкового номера елемента, на основі яких разом із діаграмою електронних переходів (рис. 7.1) можна встановити хімічний склад невідомого зразка.

Рисунок 7.2 – Залежність енергії рентгенівських фотонів від порядкового номера елементів

Другий тип спектрометра, який використовується при мікроаналізі, має назву спектрометра із дисперсією з енергією. Принцип його роботи полягає у наступному.

Рентгенівське випромінювання від зразка проходить через тонке вікно із берилію у кріостат, в якому знаходиться охолоджений кремнієвий детектор, легований літієм. При поглинанні кожного рентгенівського фотона утворюється фотоелектрон, який більшу частину своєї енергії витрачає на утворення електрон-діркової пари, яка розділяється шляхом прикладання напруги. Після підсилення напруги сигнал надходить до багатоканального аналізатора, де відбувається розподіл імпульсів за амплітудами. Після цього вміст комірок пам’яті аналізатора надходить до комп’ютера для ідентифікації піків і встановлення хімічного складу невідомого зразка.

Відмітимо, що охолодження кристалу Si дозволяє зменшити шуми, а також рухливість атомів Li, які нейтралізують центри рекомбінації електронів і дірок.