Рентгенофлуоресцентный анализ

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

А. В. Абрамов, А. А. Пупышев

РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ  

АНАЛИЗ

Учебно-методическое пособие

Под общей редакцией кандидата химических наук,  

доцента А. В. Абрамова

Рекомендовано методическим советом  

Уральского федерального университета для студентов,  

обучающихся по направлениям подготовки  

18.03.01 «Химическая технология»,  

18.05.02 «Химическая технология материалов  

современной энергетики», 22.03.01 «Материаловедение 

 и технология материалов»

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2017

УДК 543.427.4(075.8)
ББК 22.346я73+24.46я73
          А16

Рецензенты: 
главный научный сотрудник Института геологии и геохимии УрО РАН, 
академик С. Л. Вотяков; 
заведующий лабораторией аналитической химии Института металлургии УрО РАН доктор химических наук, профессор К. Ю. Шуняев

А16

Абрамов, А. В.
Рентгенофлуоресцентный анализ : учеб.-метод. пособие /  
А. В. Абрамов, А. А. Пупышев ; под общ. ред. канд. хим. наук, 
доц. А. В. Абрамова. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 
2017. — 96 с.
ISBN 978-5-7996-2166-7

Учебно-методическое пособие содержит описание устройства и техники работы с рентгенофлуоресцентным спектрометром «ARL ADVANT’X 4200W», 
предназначенным для качественного и количественного элементного анализа растворов, порошков и твердых проб, а также описание устройства и техники работы с приборами для подготовки проб с целью их дальнейшего анализа методами рентгеновской флуоресценции.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 18.03.01 «Химическая технология», 18.05.02 «Химическая технология материалов современной энергетики», 22.03.01 «Материаловедение и технология материалов».
Библиогр.: 25 назв. Рис. 89. Табл. 9.

УДК 543.427.4(075.8)
ББК 22.346я73+24.46я73

ISBN 978-5-7996-2166-7
© Уральский федеральный  
     университет, 2017

ВВЕДЕНИЕ

Р

ентгеноспектральный флуоресцентный анализ (РСФА) — экспрессный, неразрушающий физический метод анализа, обладающий высокой точностью. Метод позволяет качествен
но и количественно определять элементы от бериллия до плутония 
в порошкообразных, твердых и жидких пробах в диапазоне от низких концентраций (нижние пределы обнаружения составляют 
от 0,0001 до 1,0 мас.  %) вплоть до 100  %. Благодаря этим качествам, 
а также универсальности, простоте и быстроте подготовки проб, метод получил широкое распространение. Возможности РСФА особенно полезны при анализах сложных многокомпонентных объектов.

Качественный рентгенофлуоресцентный анализ проводится по по
ложению характеристических рентгеновских линий в регистрируемом спектре, возбуждаемом первичным рентгеновским излучением 
от рентгеновской трубки. Количественный рентгенофлуоресцентный анализ основан на измерении интенсивности характеристических рентгеновских линий определяемых элементов и ее сравнении 
с интенсивностью этих же спектральных линий, зарегистрированных 
от образцов сравнения с известными концентрациями определяемых 
элементов [1–5].

В данном учебно-методическом пособии описаны устройство, 

принцип и порядок работы на волновом рентгенофлуоресцентном 
спектрометре «ARL ADVANT’X 4200W». Прибор предназначен для 
качественного и количественного элементного анализа твердых, порошкообразных и жидких проб. Также в пособии описаны устройство 
и порядок работы на планетарной мономельнице «PULVERISETTE 
6», гидравлическом прессе «VANEOX 40T Automatic» и аппарате для 
сплавления «Katanax Prime K1». Данные приборы предназначены для 
подготовки проб РСФА.

1. ОПИСАНИЕ СПЕКТРОМЕТРА  

«ARL ADVANT’X 4200W»

1.1. Назначение прибора

В

олнодисперсионный рентгенофлуоресцентный спектрометр 
«ARL ADVANT’X 4200W» предназначен для качественного 
и количественного элементного анализа твердых, порошко
образных и жидких проб. При использовании проточно-пропорционального счетчика возможно определение легких элементов от Be 
до Fe, сцинтилляционного счетчика — средних и тяжелых элементов 
от Fe до U [6].

1.2. Принцип действия

Анализируемая проба загружается в спектрометр и возбуждается 

первичным рентгеновским излучением. Высокоэнергетичный рентгеновский фотон взаимодействует с электроном одной из глубинных 
электронных оболочек атома элемента пробы и выбивает его. На месте 
электрона образуется вакансия (рис. 1, а), которая заполняется электроном с более высокой энергетической оболочки атома (рис. 1, б). 
При этом избыточная энергия электрона высвобождается в виде рентгеновского кванта. Количество выделившейся энергии строго определяется разностью энергий между электронными оболочками перехода, т. е. является характерной для данного сорта атомов. Полученное 
характеристическое рентгеновское излучение является вторичным, 

1.3. Внешний вид прибора

или флуоресцентным. Данное излучение выделяется и регистрируется на детекторе спектрометра.

Рис. 1. Образование во внутренней электронной оболочке атома вакансии 

(а) и характеристического рентгенофлуоресцентного излучения (б)

Спектр рентгеновской трубки формируется характеристическим 

рентгеновским излучением атомов элемента анода и непрерывным 
спектром тормозного излучения электронов на аноде (первичное рентгеновское излучение). Вторичное рентгеновское излучение, испускаемое от пробы, состоит из рассеянного первичного излучения и характеристического излучения элементов пробы. Вторичное излучение 
направляется в диспергирующую систему спектрометра и разлагается 
в спектр, интенсивность рентгеновских линий регистрируется с помощью детектора прибора.

1.3. Внешний вид прибора

На рис. 2 показан внешний вид спектрометра «ARL ADVANT’X 

4200W», на рис. 3 — задняя панель прибора.

1. Описание спектрометра «ARL ADVANT’X 4200W» 

Рис. 2. Внешний вид спектрометра «ARL ADVANT’X 4200W»: 

1 — лампа-индикатор работы рентгеновской трубки; 2 — кнопка аварийного  
выключения прибора «EMERGENCY STOP»; 3 — лента для загрузки кассет  

с пробами; 4 — дисплей

Рис. 3. Задняя панель спектрометра «ARL ADVANT’X 4200W»: 

1 — розетка типа J для подключения ЭВМ (нагрузка не более 3 А);  

2 — автоматический выключатель электронных плат; 3 — автоматический  

выключатель рентгеновской трубки; 4 — разъем для связи ЭВМ с прибором;  

5 — выключатель перезапуска; 6 — резервные разъемы

1.3. Внешний вид прибора

Прибор «ARL ADVANT’X 4200W» оборудован собственным дис
плеем (рис. 2, 4). Три строки дают информацию о состоянии спектрометра, рентгеновской трубки и гониометра. На рис. 4 приведен пример индикации дисплея непосредственно после подачи  
питания.

Рис. 4. Вид дисплея спектрометра «ARL ADVANT’X 4200W»  

после подачи питания: 

1 — статус спектрометра; 2 — режим работы рентгеновской трубки;  

3 — статус гониометра

В строке статуса состояния спектрометра отображается его общее 

состояние. В табл. 1 приведен перечень сообщений, которые могут появляться на дисплее в процессе его запуска и работы.

В строке состояния рентгеновской трубки отображается напряжение 

в киловольтах (kV) и сила тока в миллиамперах (mA). В табл. 2 приведены примеры сообщений, возможных в данной строке, и их значения.

Строка статуса состояния гониометра информирует пользователя 

о выбранном кристалле-анализаторе, детекторе и коллиматоре. Здесь 
также отображается текущая измеренная интенсивность в импульсах 
или килоимпульсах в секунду (cps или kcps).

В табл. 3 приведены примеры соответствующих сообщений и их 

значения.

1. Описание спектрометра «ARL ADVANT’X 4200W» 

Таблица 1

Значения сообщений о состоянии спектрометра на его дисплее

Сообщение 
на дисплее
Значение сообщения

RESET
Спектрометр устанавливается в исходное положение

NOT CONFIGURED Конфигурация спектрометра не задана

INIT
Инициализация спектрометра

STAND BY
Спектрометр готов к работе

MEASURE
Происходит измерение аналитического сигнала

ANA 3
Кассета № 3 в аналитической камере прибора

LOAD 3
Кассета № 3 загружается в первичную камеру

EVAC 3
Кассета № 3 выгружается из первичной камеры

SEEK 3
Спектрометр ищет кассету в положении № 3

F1
Выбран фильтр первичного излучения 1

F2
Выбран фильтр первичного излучения 2

F3
Выбран фильтр первичного излучения 3

PUMPING
Откачка газовой среды из аналитической камеры

VENTING
Напуск воздуха в аналитическую камеру

He
Гелиевая среда в аналитической камере 

HS: ON
Закрыта заслонка камеры с гелием

HS: OFF
Открыта заслонка камеры с гелием

WAIT ACO
Прибор ждет ввода аналитических условий

Вращение пробы

1.4. Внутреннее устройство спектрометра

Таблица 2

Значения сообщений о состоянии рентгеновской трубки

Сообщение на дисплее
Значение сообщения

60 kV 40 mA
Параметры питания рентгеновской трубки 
60 кВ и 40 мА

50→30 kV 50→80 mA
Параметры питания рентгеновской трубки меняются с 50 кВ и 50 мА на 30 кВ и 80 мА

30 kV 80 mA WAIT TOL

Параметры питания рентгеновской трубки 30 кВ и 50 мА, спектрометр ожидает выхода 
на заданный режим

20 kV 20 mA ECO-XRF

Активирован режим ECO (экономный), параметры питания рентгеновской трубки 20 кВ 
и 20 мА

Таблица 3

Значения сообщений о состоянии гониометра

Сообщение на дисплее
Значение сообщения

ZERO REQUIRED
Требуется инициализация гониометра

CuKα1 12.36 kcps
Скорость счета на линии Cu Kα1 составляет 
12,36 кимп/с

20.33° LiF200 38.45 kcps

Скорость счета для угла 20,33° при использовании кристалла LiF200 составляет 
38,45 кимп/с

CuKα1 45.03° FPC C4 20 s

УГОЛ для линии Cu Kα1 составляет 45,03°, 
выбран проточно-пропорциональный детектор (FPC) с коллиматором С4, до конца измерения осталось 20 с

1.4. Внутреннее устройство спектрометра

На рис. 5 приведено внутреннее устройство спектрометра «ARL 

ADVANT’X 4200W», на рис. 6 подробно отображена область возбуждения вторичного рентгеновского излучения.

1. Описание спектрометра «ARL ADVANT’X 4200W» 

Рис. 5. Внутреннее устройство спектрометра: 

1 — первичная камера; 2 — блок с электронными платами; 3 — проба;  

4 — универсальный гониометр; 5 — рентгеновская трубка; 6 — регулировка гелия; 

7 — регулировка газа проточно-пропорционального счетчика; 8 — генератор;  

R — первичная и аналитическая камеры (рис. 6)

Рис. 6. Устройство аналитической камеры прибора (область R): 

1 — проба; 2 — фильтр первичного излучения; 3 — эллиптическая маска;  

4 — гелиевая заслонка; 5 — устройство смены коллиматоров; 6 — аналитическая 
камера; 7 — рентгеновская трубка; PC — первичная камера; ST — камера спектрометра