Рентгенофлуоресцентный анализ минерального сырья и продуктов его переработки на принципах использования рассеянного излучения (19.07.2010)

Автор: Бахтиаров Андрей Викторович

На правах рукописи

Андрей викторович бахтиаров

РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗ

МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ И ПРОДУКТОВ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ

НА ПРИНЦИПАХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАССЕЯННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 02.00.02 – АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2010

Работа выполнена на кафедре ядерной геофизики геологического факультета и на кафедре аналитической химии химического факультета Санкт-Петербургского (Ленинградского) государственного университета

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Брытов Игорь Александрович,

доктор физико-математических наук,

профессор Филиппов Михаил Николаевич,

доктор технических наук

Симаков Владимир Александрович.

Ведущая организация: Физический факультет

Южного федерального университета

(Ростов-на-Дону).

Защита состоится 21 октября 2010 года в 15.00 часов на заседании совета

Д 212.232.37 по защите докторских и кандидатских диссертаций

при Санкт-Петербургском государственном университете

по адресу: 199004 Санкт-Петербург, В.О., Средний пр., дом 41-43,

Большая химическая аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке

Санкт-Петербургского государственного университета

Автореферат разослан «___» ______________ 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета В.В. Панчук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность работы. Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА), являющийся одним из самых распространенных методов элементного анализа разнообразных веществ, осложнен сильными матричными эффектами: основной аналитический параметр – интенсивность рентгеновской флуоресценции IA – зависит не только от содержания определяемого элемента, но и от валового элементного состава и микроабсорбционных неоднородностей пробы. Наибольшее влияние оказывает поглощение возбуждающего первичного излучения и самой флуоресценции в матрице пробы, называемое матричным эффектом или эффектом наполнителя. В условиях неконтролируемого изменения состава матрицы учет его влияния становится ключевой проблемой метода, т.к. при этом невозможно выбрать адекватный стандартный образец для применения традиционного способа внешнего стандарта.

Для исключения влияний матричного поглощения и других матричных эффектов на результаты количественных определений применяются различные способы РФА, требующие дополнительных операций введения в пробы дозированных количеств элемента сравнения или определяемого элемента (способы внутреннего стандарта и добавок), или более сложные способы, для реализации которых необходимо измерение флуоресценции всех компонентов пробы (способы фундаментальных параметров, теоретических поправок, множественной регрессии в системе эмпирических уравнений связи).

Более рациональной оказалась идея использовать в качестве своеобразного внутреннего стандарта IS - интенсивность рассеянного на пробе первичного излучения рентгеновской трубки, а в качестве аналитического параметра – отношение интенсивностей IА / IS [G. Andermann, J.W. Kemp, 1958]. Благодаря простоте измерений и эффективному устранению влияния матричного поглощения, это направление, названное способом стандарта-фона, получило достаточно широкое распространение. Но его развитие сдерживалось отсутствием сведений о фундаментальных параметрах для расчета интенсивности рассеянного излучения (о дифференциальных коэффициентах когерентного и некогерентного рассеяния), а также не были однозначно определены принципы расчета интенсивности рассеяния (соотношение диффузного и дифракционного компонентов) в условиях РФА.

Кроме того, в первых вариантах способ стандарта-фона был ориентирован на решение частной аналитической задачи: определение низких содержаний тяжелых элементов в легких матрицах. Попытки преодолеть это ограничение и расширить возможности применения способа на высокие содержания привели к методикам, осложненным дополнительными измерениями и вычислениями с введением дополнительных параметров, что лишало способ стандарта-фона одного из главных достоинств - простоты измерений и вычислений. Это особенно существенно при использовании РФА для контроля состава минерального сырья и продуктов его переработки, которые представляют весьма сложный многокомпонентный объект количественного элементного анализа.

Горные породы и руды содержат практически все элементы периодической системы Д.И.Менделеева, а их содержания могут изменяться от трудно определяемых кларковых концентраций до матричных, составляющих основу объекта анализа. В процессе переработки минерального сырья образуются продукты с высокими содержаниями рудных, редких и рассеянных элементов, что усиливает эффекты избирательного поглощения и возбуждения, усложняя задачу количественного анализа. В этих условиях универсальный и экспрессный метод РФА, не требующий вскрытия твердофазных образцов, приобретает доминирующее положение, поэтому все лаборатории геологических, горнодобывающих и горно-перерабатывающих организаций оснащены рентгеноспектральной аппаратурой, и на долю РФА приходится до 70% объема аналитических работ в этой области. При таком объеме анализов предпочтение получают универсальные методики, основанные на принципах, позволяющих анализировать широкий круг продуктов с минимальным количеством адекватных стандартных образцов. Одним из таких общих принципов является способ стандарта-фона, но для решения перечисленных сложных аналитических задач было необходимо найти универсальный алгоритм и дать ему соответствующее теоретическое обоснование.

Цель настоящей работы – развитие методологии РФА на принципах использования рассеянного излучения в качестве внутреннего стандарта, создание теоретических основ универсальных вариантов способа стандарта-фона с использованием квантовомеханических данных о рассеянии рентгеновского излучения и распространение разработанной методологии на сложные многокомпонентные объекты в условиях производственного анализа минерального сырья и продуктов его переработки.

Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие основные задачи:

На основе квантовомеханических форм-факторных данных исследовать зависимости коэффициентов когерентного и некогерентного рассеяния от длин волн излучения, атомных номеров элементов и углов рассеяния в диапазоне РФА.

Количественно определить влияние диффузного и дифракционного процессов формирования интенсивности рассеянного излучения, установить принцип расчета интенсивности рассеянного излучения в условиях РФА и доказать адекватность методов расчета описываемым физическим процессам

Теоретически и экспериментально определить применимость различных вариантов способа стандарта-фона для определения низких содержаний тяжелых элементов в легких матрицах.

Расширить применимость способа стандарта-фона на определение высоких содержаний определяемых элементов при наличии мешающих элементов, вызывающих избирательное поглощение и вторичное возбуждение рентгеновской флуоресценции. Оценить адекватность нового подхода условиям производственного анализа реальных руд различных металлов и продуктов их обогащения и обосновать универсальный алгоритм выполнения РФА многоэлементных руд и продуктов их переработки.


загрузка...