Определение легких элементов C, N, O в различных минералах и синтетических соединениях методом рентгеноспектрального микроанализа

Цель исследования — разработка методики рентгеноспектрального определения легких элементов C, N и O, совместно входящих в состав различных минералов и синтетических соединений, в том числе, ультрадисперсных алмазов, углеродных нитевидных волокон и др. Основную проблему представляло нахождение оптимальных условий возбуждения и регистрации Kα-линий C, N, O. Использовали ускоряющее напряжение 10 кВ, достаточно высокое для того, чтобы уменьшить вклад от поверхности образцов в интенсивность линий, и в то же время позволяющее не завышать поправки на поглощение линий; ток пучка — 90 - 120 нА. Линии азота и кислорода особенно сильно поглощаются углеродом. Интенсивность фона измеряли рядом с линией. В области Kα-линий C и O фон меняется линейно, но для кислорода — с большим наклоном. Форму непрерывного рентгеновского спектра от образца при 10 кВ в области линии азота можно аппроксимировать полиномиальной зависимостью. В анализе используется дифференциальный режим дискриминации амплитуды сигнала. Показано, что на положение и форму линии углерода влияет вид химической связи: от ковалентной (алмаз, графит) до более ионной связи с кислородом (карбонаты). Широкие в алмазе и графите Kα-линии в карбонатах смещаются в коротковолновую область и существенно сужаются, появляется дополнительный максимум, обусловленный примешиванием волновой функции 2р-электронов углерода к волновым функциям 2в-электронов кислорода. Избежать ошибок, связанных с влиянием типа химической связи на форму спектров, позволяет анализ по интегральным интенсивностям. В некоторых случаях устойчивость образцов к воздействию электронного пучка повышается режимом растра размером 5-8 мкм или перемещением образца в пределах площадки —100 X 100 мкм². Расчет концентраций проводили в программе PAP с использованием коэффициентов поглощения B. L. Henke. Отдельные ошибки в поправочных факторах на поглощение линий обычно исправляют подбором коэффициентов поглощения. Предел обнаружения углерода составляет 0,10 % масс., а кислорода в карбонатах — 0,39 - 0,90 % масс., в образцах, выращенных из наноалмазных коллоидов, — 0,75 % масс.

1. Bastin G. F., Heijligers H. J. M. Quantitative Electron Probe Microanalysis of Carbon in binary Carbides. Parts I and II / X-Ray Spectrom. 1986. Vol. 15. N 2. P 135 - 150.

2. Bastin G. F., Heijligers H. J. M. Quantitative Electron Probe Microanalysis of Ultra Light Elements / J. Microsc. Spectr. Electron. 1986. Vol. 11. P 215 - 228.

3. Bastin G. F., Heijligers H. J. M. Quantitative Electron Probe Microanalysis of Oxygen. — Eindhoven, Netherlands: University of Technology, 1989. — 165 p.

4. Bastin G. F., Heijligers H. J. M. Quantitative Electron Probe Microanalysis of Boron / J. Solid State Chem. 2000. Vol. 154. P 177-187.

5. Rigby M., Droop G., Plant D., Graser P. Electron probe micro-analysis of oxygen in cordierite: potential implications for the analysis of volatiles in minerals /South African J. Geol. 2008. Vol. 111. P 239 - 250.

6. Носенко В. А., Носенко С. В., Авилов А. В., Бахмат В. И. Рентгеноспектральный микроанализ поверхности карбида кремния после микроцарапания титана / Вест/ ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». 2015. Т. 15. № 1. С. 69 - 77.

7. Batsanov S. S., Guriev D. L., Gavrilkin S. M., et al. On the nature of fibres grown from nanodiamond colloids / Mater. Chem. Phys. 2016. Vol. 173. P 325 - 332.

8. Куликова И. M., Георгиевская O. М., Баринскии Р. Л. Особенности микрозондового анализа бора в различных соединениях и минералах: в сб. «Физико-химические методы анализа минерального сырья». — М.: ИМГРЭ, 1989. С. 37 - 43.

9. Куликова И. М., Баринскии Р. Л., Руднев В. В. и др. Микрозондовое исследование химического состава разновалентных ионов в образцах людвигита и пинакиолита / Доклады АН. 1999. Т. 367. № 3. С. 394 - 396.

10. Куликова И. М., Баринскии Р. Л. Микрозондовое определение концентраций фтора в минералах / Заводская лаборатория. 1988. Т. 54. № 12. С. 38 - 41.

11. Henke B. L., Lee P, Tanaka T. J., et al. Low-energy X-ray interaction coefficients: photoabsorption, scattering, and reflection / Atomic Data and Nuclear Data Tables. 1982. Vol. 27. P. 1 - 144.

12. Фомичев В. А. Рентгеновские спектры бора и его соединений / ФТТ. 1967. Т. 9. № 11. С. 3167 - 3171.

13. Фомичев В. А. Исследование энергетической структуры B и BN методом ультрадлинноволновой рентгеновской спектроскопии / Изв. АН СССР. 1967. Т. 37. № 6. С. 957 - 964.

14. Pouchou J. L., Pichoir F. A new model for quantitative X-ray microanalysis / Rech. Aerosp. 1984. Vol. 3. P. 13 - 38.

15. Pouchou J. L., Pichoir F. Quantitative analysis of homogeneous or stratified micro volumes applying the model “PAP” / “Electron Probe Quantitation”. Ed. by K. F. J. Heinrich and Dale E. Newbury. — New York: Plenum Press, 1991. P 31 - 75.

16. Pouchou J. L., Pichoir F. Proc. of 11th Inter. Congr. on X-Ray Optics and Microanalysis. — Canada: University of Western Ontario, 1987. P. 249.