Spectroscopia cu Raze X

Bazele spectroscopiei cu radiații Röntgen

Radiaţia Röntgen este folosită în tehnică pentru analiza de structură şi analiza chimică elementară la materiale anorganice precum şi pentru depistarea de defecte interne în materiale metalice şi nemetalice. Radiaţiile Röntgen sunt radiaţii electromagnetice cu lungimea de undă cuprinsă între 10-12 m > λ > 10-8 m şi cu energii cuprinse în limitele 106 eV > hν >102 eV. Pe plaja lungimilor de undă radiaţia Röntgen se găseşte între radiaţia ultravioletă (lungime de undă mai mare) şi radiaţia Gamma (lungime de undă mai mică), vezi şi figura 1.

Fig.1. Spectrul radiaţiilor electromagnetice cu evidenţierea domeniului spectrului vizibil

Radiaţia Röntgen apare la salturi electronice în straturilor interioare ale invelişurilor atomice şi este în strînsă corelare cu structura învelişului electronic. Radiaţia Röntgen prezintă un spectru care este o reprezentare a intensităţii în funcţie de lungimea de undă (λ) sau a energiei (E), între aceste două mărimi existînd relaţia:

E[ keV]=12,34/(λ [A°])

Legătura între Energia E, frecvenţa n , lungimea de undă λ, viteza luminii c, constanta Plank h a radiaţiei electromagnetice, precum şi conversiile reciproce

dintre acestea sînt descrise de legea lui Plank:

E = h* ν = h*c/ λ

Radiaţia Röntgen poate fi definită în două moduri:

- ca undă electromagnetică, cu indicarea lungimii de undă în [Ǻ] sau în [mm]

- ca o succesiune de cuante Röntgen din care fiecare are o anumită energie indicată în [eV]

Fig. 2. Spectrul continuu al radiaţiei de franare şi

spectrul de franare discontinuu caracteristic

Radiaţiile Röntgen iau naştere atunci cînd electroni puternic acceleraţi întalnesc materie care produce franarea lor. La locul franării, în funcţie de frecvenţă iau naştere două feluri de radiaţii Röntgen, figura 2, o radiaţie de frînare Röntgen discontinuă (spectru de linii) şi o radiaţie de franare Röntgen continuă (spectru continuu). Radiaţia de frînare discontinuă este o radiaţie Röntgen specifică elementelor chimice şi formează baza analizei spectrale Röntgen folosită pentru determinarea compoziţiei chimice elementale a materiei precum şi pentru cercetarea structurii atomice a acesteia. Radiaţia de frînare continuă formează baza analizei Röntgen nedistructive a materiei fiind utilizată pentru determinarea defectelor interne in materiale şi piese.

Producerea de radiaţii Röntgen

Producerea de radiaţii Röntgen se face într-un tub vidat prin frînarea electronilor acceleraţi într-un cîmp de înaltă tensiune de către materialul anodului. În figura 3 este prezentat principiul constructiv al unui tub Röntgen.

Fig. 3. Principiul constructiv al unui tub Röntgen

Tuburile Röntgen sînt cilindri vidați din sticlă în care se găsesc doi electrozi. Catodul tubului este format dintr-o spirală de wolfram ce emite termoelectroni liberi. La o tensiune înaltă aplicată între anod şi catod electronii sînt puternic acceleraţi. La impactul electronilor cu materialul anodic cel din urmă emite radiaţii Röntgen. Natura radiaţiei este specifică materialului anodic. Corespunzător diferitelor aplicaţii materialul anodic poate fi din: Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag, W. Deoarece numai o mică parte a electronilor acceleraţi provoacă emisia de radiaţii Röntgen, restul ducînd la suprăîncălzirea anodului, acesta se răceşte cu apă. Cerinţele principale pentru tuburi Röntgen sînt: randament mare de radiaţie, securitate mare la radiaţii, securitate mare la străpungeri de înaltă tensiune. Pentru obţinerea de radiaţie Röntgen cu lungimi de undă bine definită (radiaţie monocromatică) se folosesc filtre sau monocromatoare. Filtrele absorb

puternic lungimile de undă nedorite, iar pe cele dorite mult mai puţin. Cu ajutorul unor filtre adecvate se poate obţine o radiaţie Röntgen quasimonocromatică. Monocromatoarele au la bază substanţe cristaline şi sînt mai performante decît filtrele în sensul că banda lungimilor de undă de trecere este mult mai îngustă decît la filtre. Pentru cristale monocromatoare sînt folosite substanţele: SiO2, CaCO3, NaCl, LiF, Pentaeritrit. Cerinţele impuse monocromatoarelor cristaline sînt:

- capacitate de reflexie ridicată