Гелий или вакуум: Что лучше для анализа легких элементов?

Характеристическое рентгеновское излучение легких элементов, таких как натрий, магний, алюминий и кремний, очень сильно поглощается воздухом. Это затрудняет анализ указанных элементов с помощью настольных рентгенофлуоресцентных спектрометров. Для повышения эффективности анализа легких элементов производители РФА спектрометров используют вакуумирование рентгенооптической системы или продувку ее газообразным гелием. В чем же разница и какие преимущества и недостатки у каждого из этих методов? 

Воздушный зазор между образцом и рентгеновским детектором, даже при минимально возможном расстоянии между ними, поглощает до 97% интенсивности излучения натрия, 87% излучения магния и 72% - алюминия. Излучение более легких элементов поглощается практически полностью. Именно поэтому рентгенофлуоресцентные анализаторы, работающие в воздушной атмосфере, могут анализировать элементы, начиная от магния (атомный номер 12 в Периодической системе элементов). Чтобы избежать поглощения и расширить диапазон анализируемых элементов, необходимо удалить воздух из пространстве между образцом и детектором. 

Самый очевидный способ для удаления воздуха – это его откачка вакуумным насосом. Главным и, пожалуй, единственным преимуществом этого способа является отсутствие расходных материалов (если пренебречь необходимостью периодической замены вакуумного масла в насосе). А вот недостатков немало. Во-первых, насос шумит. Для комфортной работы его желательно размещать за пределами лаборатории и оборудовать дополнительную шумоизоляцию. Во-вторых, от степени достигнутого разряжения зависит поглощение в остаточном воздухе, что может влиять на точность анализа. Кроме того, в вакууме нельзя анализировать жидкости, поскольку они мгновенно закипают и испаряются. Анализ порошкообразных образцов тоже затруднен, т.к. при напуске воздуха в камеру спектрометра по окончании анализа проба с большой вероятностью может разлететься по всей камере и даже загрязнить окошко детектора и чувствительную электронику внутри прибора. 

Альтернативный метод удаления воздуха – это замещение его газообразным гелием. Гелий – это самый легкий из инертных газов с чрезвычайно малым коэффициентом поглощения рентгеновского излучения даже для легких элементов. В атмосфере гелия (по сравнению с вакуумом) детектора достигают 99,2% квантов характеристического излучения натрия, 99,6% излучения магния и 99,8% - алюминия. Таким образом, с аналитической точки зрения гелий практически не уступает вакууму. К тому же в гелиевой атмосфере могут анализироваться образцы в любом состоянии: твердом, жидком или порошкообразном. Единственным недостатком является расход гелия и необходимость периодической замены баллона. Для спектрометров Elvatech это не большая проблема, поскольку продувка включается автоматически только на время анализа легких элементов, а расход гелия при этом минимальный. Даже при интенсивной работе одного стандартного 40 л баллона хватает на год. 

Возможно, вакуум следует использовать для расширения диапазона анализируемых элементов в сторону более легких, чем натрий? Ведь его пропускание равно 100% при любой энергии квантов, а пропускание гелия уменьшается с понижением энергии. Положительный ответ можно было бы дать только в случае отсутствия других поглотителей на пути от образца к детектору. Но в случае настольных РФА спектрометров это не так. Во-первых, образец устанавливается на измерительное окно спектрометра, которое закрывается специальной сверхтонкой рентгенопрозрачной пленкой. Пленка служит для предотвращения попадания посторонних предметов, пыли, грязи, образцов и их фрагментов на хрупкие окна рентгеновской трубки и детектора. Поглощение на линии натрия даже у самых лучших и тонких пленок составляет 40 – 60% и резко увеличивается с уменьшением атомного номера анализируемого элемента. Во-вторых, рентгеновский детектор оборудован собственным защитным окном. Оно изготавливается из бериллия толщиной 8 – 12 мкм или из Графена толщиной 1 мкм в детекторах нового поколения. Бериллиевое окно пропускает 77% излучения алюминия, 60% излучения магния и всего 38% натрия. Графеновое окно несколько более рентгенопрозрачно, 87%, 76% и 64% для Al, Mg и Na соответственно. В совокупности эти два элемента конструкции спектрометра делают регистрацию излучения элементов с атомными номерами ниже 11 практически невозможной либо малоэффективной даже в вакууме. К тому же, маломощные рентгеновские трубки, используемые в настольных спектрометрах, не могут возбудить сколь-нибудь значительную интенсивность излучения этих элементов из-за резкого снижения выхода флуоресценции с уменьшением атомного номера элемента. 

Таким образом, использование вакуума в настольных лабораторных спектрометрах не дает никаких преимуществ по сравнению с гелиевой продувкой, ограничивает функциональное применение прибора и является нецелесообразным. 

Но в каких же случаях вакуум в спектрометре все-таки незаменим? Вакуумирование действительно позволяет расширить диапазон анализа вплоть до бора (атомный номер 5) в стационарных РФА спектрометрах с волновой дисперсией, оборудованных рентгеновскими трубками мощностью в несколько киловатт, в которых не используются защитные пленки. Но это уже другой класс рентгеноспектрального оборудования.