Des scientifiques de la Faculté de chimie de l'Université d'État Lomonossov de Moscou ont effectué des calculs et dérivé de nouvelles équations pour effectuer une analyse de fluorescence des rayons X avec une plus grande précision par rapport aux algorithmes actuels. Cette méthode ne nécessite pas un grand nombre de matériaux de référence et fonctionne avec des échantillons de composition complexes. Les chimistes ont représenté leurs recherches dans la revue Instruments et méthodes nucléaires en recherche physique Section B :Interactions des faisceaux avec les matériaux et les atomes .
L'analyse par fluorescence X (analyse XRF) est une méthode de détection des compositions chimiques de substances. Cette technique est basée sur la mesure et l'analyse de spectres d'irradiation aux rayons X. Lors de l'interaction avec les photons, les atomes du matériau de référence deviennent excités, après quoi ils retournent à leur état fondamental. Pendant l'irradiation, chaque atome émet un photon avec une énergie définie, qui fournit aux chimistes des informations sur la structure de la substance.
Les tubes à rayons X sont souvent utilisés comme source de rayonnement. Les matériaux de référence dont la composition est connue permettent aux chercheurs de déterminer la teneur en éléments à partir de l'intensité de rayonnement mesurée. L'un des problèmes non résolus de l'analyse de fluorescence X est la présence d'une quantité substantielle d'éléments légers (périodes II-III du système périodique de Mendeleïev) dans de nombreux échantillons réels. Très souvent, le rayonnement de ces éléments légers ne peut pas être enregistré. Le rayonnement de fluorescence X des éléments légers est appelé rayonnement doux (à ondes longues), les chercheurs ne peuvent donc pas utiliser des cristaux de sel pour analyser la longueur d'onde du rayonnement, car les distances entre les plans où se trouvent les atomes de ces cristaux sont trop petites.
À la fois, réseaux de diffraction ordinaires, à savoir les dispositifs optiques composés d'un ensemble de fentes régulièrement situées sont également inadaptés. La raison en est qu'ils sont appropriés pour un rayonnement d'une longueur d'onde d'environ dizaines ou centaines de nanomètres, plutôt qu'un rayonnement d'une longueur d'onde de plusieurs nanomètres. La seule solution est donc d'utiliser des miroirs synthétiques multicouches coûteux, qui ne sont pas disponibles dans tous les spectromètres.
Il existe également un problème fondamental de faible rendement de fluorescence des éléments légers. Cela signifie que des tubes à rayons X très puissants sont nécessaires, entraînant des augmentations de coûts. De plus, ces procédés sont plus compliqués que ceux d'excitation d'éléments lourds, et ne sont pas aussi étudiés, les techniques traditionnelles d'analyse par fluorescence X ne garantissent donc pas de bons résultats à tout moment.
Andreï Garmay, un doctorant au Département de chimie analytique de la Faculté de chimie de l'Université d'État Lomonossov de Moscou et l'un des auteurs du projet, dit, "Il y a trois difficultés avec l'oxygène, carbone et autres éléments légers :un technique et deux fondamentaux. Vous avez besoin d'appareils coûteux pour résoudre les premier et deuxième problèmes et de recherches physiques fondamentales pour résoudre le troisième. De nos jours, les méthodes indirectes de détermination de la teneur en éléments légers sont moins chères et plus précises, même lorsqu'un bon équipement est disponible. C'est pourquoi nous allons également dans cette direction."
Des difficultés apparaissent également dans le cas d'objets non standard différents, par exemple, produits technologiques de forme complexe, s'il n'est pas facile de trouver des documents de référence appropriés pour eux. Dans le même temps, les techniques analytiques les plus précises fonctionnent dans des gammes étroites de compositions d'échantillons et nécessitent souvent des dizaines de matériaux de référence.
Garmay dit, "Compte tenu de l'expérience de l'analyse XRF, plutôt que des intensités absolues de rayonnement des éléments, on utilise leurs rapports ainsi que le rapport des intensités de rayonnement caractéristique du tube à rayons X, de manière cohérente (sans changement de longueur d'onde) à incohérente (l'énergie d'une partie des photons diffusés est inférieure à l'énergie des quanta de faisceau initiaux) diffusée par un échantillon. Nous avons réussi à dériver de nouvelles équations pour effectuer des analyses avec une précision égale ou même supérieure à celle des algorithmes existants. À la fois, ces équations ne nécessitent pas plus d'un ou deux matériaux de référence et pourraient fonctionner dans de larges gammes de compositions d'échantillons."
Les scientifiques ont commencé à utiliser une méthode standard interne afin de neutraliser l'impact des facteurs expérimentaux, passer d'une mesure à une autre, sur la réponse analytique. Ainsi, ces facteurs, influençant deux signaux proches dans le spectre de manière approximativement identique, se compensent et l'erreur de mesure diminue lorsque les rapports de ces signaux sont utilisés. Les chimistes ont utilisé des calculs afin de devenir moins dépendants d'échantillons standard coûteux et d'opérer dans des gammes plus larges de compositions d'échantillons.
De plus, la méthode élaborée par les chimistes s'est avérée être la seule adaptée à l'analyse d'objets non standard à forte teneur en éléments légers non détectés en l'absence de matériaux de référence adéquats.
Garmay dit, "Initialement, nous recherchions des outils pour améliorer la précision de l'analyse des échantillons d'acier, mais plus tard, confronté à un problème d'analyse des matériaux oxydés. Et comme notre spectromètre n'a pas pu enregistrer le rayonnement d'oxygène, il fallait chercher d'autres moyens, partir des techniques existantes. Nous avons étudié les équations fondamentales, reliant les intensités des rayonnements caractéristiques et diffusés à la composition des matériaux de référence et dérivé de nouvelles formules simplifiées pour notre analyse."
Au cours des travaux, les scientifiques ont mesuré les spectres d'échantillons d'acier fortement allié, des échantillons de minerai de fer et un mélange en poudre d'oxydes métalliques de composition connue. En utilisant la nouvelle approche, ainsi que d'autres techniques d'analyse XRF éprouvées, les chimistes ont effectué des analyses et se sont assurés que l'outil élaboré produit des résultats plus précis, surtout en l'absence de documents de référence adéquats.
Les scientifiques doivent encore prouver expérimentalement que leur méthode est applicable pour la détermination non seulement des éléments de période IV, mais aussi d'éléments plus lourds. Par ailleurs, les chercheurs vont optimiser la procédure d'analyse et la rendre plus facile sans perte de précision.
Andrey Garmay dit, "À long terme, nous allons vérifier s'il est possible d'estimer la composition qualitative des éléments légers non détectés, à en juger par la distribution de longueur d'onde du rayonnement de bremsstrahlung d'un tube à rayons X, dispersés par un échantillon. Cela pourrait rendre notre méthode plus universelle."
