В науке и технике нередко требуется определить состав объекта, не повреждая его. Существуют интересные методы, позволяющие это сделать.
Один из них — визуальный анализ искр при шлифовании металлов. Еще в советской литературе, в книге Е.Н. Маслова «Теория шлифования материалов», подробно описано, как по цвету и форме искр можно судить о содержании примесей в стальных заготовках.
Искры — это мелкие капельки расплавленного металла, отлетающие от шлифовального круга. Высокая скорость вращения круга и трение нагревают частицы до свечения. Характеристика пучка искр (длина, яркость, форма «звездочек») зависит от состава металла:
- Углеродистая сталь даёт желтоватый поток искр. Чем выше содержание углерода, тем короче пучок и выразительнее «звёздочки».
- Марганцевая сталь (до 14% Mn) образует тёмно-красные вытянутые «листочки»-искры.
- Быстрорежущая сталь (с вольфрамом) характеризуется коротким красноватым пучком и толстоватым «звёздчатым» эффектом.
- Хромистая сталь светится красными искрами средней длины с заметными утолщениями «звёздочек».
- Кремнистая сталь даёт очень яркую, почти белую основу потока, что объясняется интенсивным горением кремния.
Чугун определить сложнее всего: его искры сильно разнятся в зависимости от примесей.
Таким образом, при достаточной «наблюдательности» можно научиться определять основные марки стали «по искрам». Но что делать, если объект не металлический или мы не хотим применять шлифовальный круг?
В таком случае на помощь приходит точный безразрушимый метод — рентгенофлуоресцентный анализ.
Суть его в том, что образец облучают рентгеновскими фотонами, выбивающими электроны из внутренних оболочек атомов. При возвращении на исходные уровни они испускают флуоресцентное излучение с энергиями, характерными для каждого элемента. Специальный спектрометр регистрирует эти пики, а программа сравнивает их с эталонной базой и выводит процентное содержание компонентов.
Типичный рентгенофлуоресцентный анализатор состоит из излучателя и детектора:
- Рентгеновская трубка — в вакуумном объёме создаётся разность потенциалов между катодом и анодом. Электроны бомбардируют анод, генерируя «тормозное» излучение. Преимущества: регулируемые параметры, высокая мощность и безопасность в выключенном состоянии. Недостатки: требуется охлаждение и мощный источник питания.
- Радиоизотопный источник — компактный, не требует питания и охлаждения, но невозмоно подстроить энергетику излучения, а фоновое радиоактивное излучение всегда присутствует.
Анализ выполняется так: трубка излучает фотоны разных энергий, образец флуоресцирует, детектор измеряет пики. После нескольких прогонов под разными напряжениями ПО строит спектр, определяет элементы и рассчитывает их долю в процентах.
Реальная стоимость портативных XRF-анализаторов начинается от ≈30 000 USD.
Главное ограничение метода — слабая чувствительность к элементам органики (C, H, N и др.) и строгие требования к безопасной эксплуатации рентгеновской техники.
Рентгенофлуоресцентная спектроскопия — лишь один из видов оптической спектроскопии. Меньшие по энергии фотоны (ультрафиолет, видимый свет) проникают в поверхностные слои непрозрачных объектов или полностью через прозрачные, что позволяет анализировать жидкости и растворы.
Использование слишком жёсткого излучения (например, глубокого УФ) может разрушить органические связи вместо простого анализа.
Поэтому на практике проводят итеративный анализ: от мягких длин волн (для выявления молекул и функциональных групп) к более жёстким (для элементного состава).
Итог: для поверхностного анализа непрозрачных объектов подойдут методы с низкоэнергетическими фотонами, для прозрачных — любые волны, а для глубинного анализа — рентгенофлуоресцентный метод или лазерная абляция с последующим спектроскопическим исследованием.
