Studiul Carotei Euxro 02 cu Ajutorul Spectrometrului Arl 9800xp

Introducere

Teza de doctorat este rezultatul activității de cercetare desfășurate în cadrul Universității din București, Facultatea de Fizică și a Combinatului Siderurgic ArcelorMittal Steel Galați pe parcursul a 9 ani, sub îndrumarea domnului profesor doctor Octavian Duliu, care m-a orientat cu răbdare și bunăvoință către tema abordată și m-a ajutat până la acest punct final al tezei.

Lucrarea „Aplicații ale Fluorescenței de raze X in studiul probelor industriale si de mediu” constituie o introducere în domeniul tehnicilor de fluorescență de raze X a probelor industriale și de mediu care sunt utilizate atât pe plan național cât și internațional în laboratoare de cercetare și industriale sau în scopuri educaționale.

Metodele de examinare nedistructivă în forma conceptuală de astăzi nu au o vechime mai mare de un secol, iar unele dintre ele abia dacă depășesc un deceniu; în acest ultim caz, ne referim în mod deosebit la investigațiile în infraroșu sau la cele cu radiații laser.

Istoria de fluorescență de raze X datează odată cu descoperirea raze X în 1895 de fizicianul german Wilhelm Conrad Roentgen. Descoperirea Roentgen de raze X și posibila utilizare a acestora în chimie analitică a trecut neobservată până în anul 1913. Moseley a fost, de asemenea, responsabil pentru construirea primului spectrometru cu raze X. Progresul în XRF a continuat în 1922 când Hadding a analizat diferite minerale folosind tehnicile XRF.

Dacă, până în 1989, în România aproape anual apărea o monografie sau un tratat dedicat examinărilor nedistructive cu deosebire din domeniul industrial (de unde poate fi și confuzia unora că domeniul examinărilor nedistructive este dedicat exclusiv sferei industriale), în ultimul deceniu abia dacă au apărut câteva traduceri, ce-i drept ale unor specialiști germani recunoscuți mondial ca maeștri ai specialității lor (ultrasunete și, respectiv, pulberi magnetice).

Apariția în ultimul timp a unor domenii ale științei și tehnicii și necesitatea unui control de calitate cât mai eficient au impus elaborarea unor metode de control nedistructiv imagistic și computerizat cu radiații nucleare caracterizate printr-o mare sensibilitate, selectivitate, reproductibilitate si precizie.

Controlul nedistructiv reprezintă ansamblul de metode și mijloace de investigare care au ca scop obținerea de informații maxime cu degradări minime ale subiectului analizat.

Lucrarea este organizată și structurată în 2 părti care cuprind studii teoretice și experimentale care pun în evidență fluorescența de raze X a probelor industriale și de mediu cu scopul de a găsi soluții optime de îmbunătățire a calității informației.

Conținutul acestei lucrări abordează un subiect interdisciplinar la granița dintre: fizică, metalurgie și mediu – toate acestea încorporate pentru observarea, prevenirea, atenuarea, adaptarea, evaluarea și îmbunătățirea calității informației obținute în urma folosirii metodei XRF a probelor industriale și de mediu

Lucrarea este însoțită de anexe și de o listă bibliografică care cuprinde principalele lucrări consultate pe parcursul elaborării prezentei lucrări.

Materialele introduse în lucrare sunt concepute și sintetizate pe baza unor cercetări și interpretări proprii, cât și prin folosirea unei bibliografii bogate și actualizate.

Prin finalizarea acestei lucrări vreau să cred că se deschid noi direcții de cercetare în acest domeniu atât în ceea ce privește studiul prin fluorescență de raze X a probelor industriale și de mediu cât și măsurătorile experimentale.

Prezenta lucrare se adresează cercetătorilor specialiști în fizică, metalurgie sau studiul materialelor, cadrelor didactice din învățământul universitar și preuniversitar, doctoranzi etc.

La final, doresc să aduc alese mulțumiri, în mod deosebit conducătorului meu științific, domnului profesor doctor Octavian Duliu, care m-a sprijinit cu îndrumările competente ale domniei sale și care mi-a acordat încredere deplină în toate deciziile pe care le-am luat privind organizarea întregii activități pe tot parcursul doctoranturii.

Doctorand,

Geta Szabo

Partea I

Materiale și metode

1.1 Combinatul siderurgic Galați. Privire de ansamblu

Galațiul are cel mai mare combinat siderurgic cu flux integrat din România. Combinatul ocupă o suprafață de peste 1600 ha, din care 80% este ocupată de clădiri industriale. Combinatul siderurgic este situat în apropierea orașului Galați, pe malul stâng al fluviului Dunărea, la 80 de mile de Marea Neagră. Datorită poziției sale geografice, orașul Galați este un important centru industrial și comercial.

Construirea combinatului a început în anul 1961 având la bază proiectele realizate de IPROMET București și de către IPROLAM București.

Peste 50% din utilaje în întreaga construcție au fost realizate de către întreprinderi românești. O parte din utilaje specifice au fost realizate de companii străine specializate cum ar fi: Davy, Jeumont – Scheneider, Heurtey, Stein and Rombaix, Demag, AEG, Skoda, Schloemann Siemag.

Complexul este un combinat cu flux integrat având în cadrul său sectoare metalurgice și uzine auxiliare pentru desfășurarea activităților de producție și servicii necesare în vederea asigurării continuității și autonomiei fluxului tehnologic, fiind proiectat pentru realizarea unei producții de maxim 10 mil t/an de oțel concretizat în aproximativ 30 000 de mărci.

Începând cu anul 1992, are propria agenție de comerț exterior –care comercializează o gamă largă de produse metalurgice și reprezintă interesele unui mare număr de producători români de marcă în domeniu.

În România, cercetările privind zgurile de furnal au fost inițiate de savantul Șerban Solacolu, de la Universitatea Politehnică București, încă din anii 1952 – 1957, ale cărui lucrari – documente științifice de referință au stat la baza cercetării și dezvoltării tehnologiei lianților cu zgură.

În siderurgie avem două tipuri mari de zguri: zgura de furnal și zgura de oțelărie.

Zgura de furnal este cel mai important subprodus al industriei siderurgice, prin cantitatea disponibilă, prin domeniile de reutilizare existente si potențiale.

În compoziția zgurilor de furnal intră totalitatea oxizilor nereductibili, precum și diferite combinații ale metalelor cu sulful.

Zgura de furnal se formează la obținerea fontei în furnale, ca produs secundar al reacțiilor de reducere a oxizilor de fier cu monoxidul de carbon provenit de la arderea cocsului. În furnal, alături de minereul de fier și cocs, se introduc și fondanți pentru îndepărtarea impurităților (compuși cu sulf, aluminiu, siliciu etc.) prin reacții în faza lichidă, cu oxidul de calciu. Topitura formată, prin reacția oxidului de calciu cu impuritățile din minereul de fier, se separă în zgură la partea superioară, dat fiind densitatea mult mai mică (aproximativ 2200 kg / m3) față de cea a fontei topite (7800 kg / m3).

Oțelul se obține din fontă prin tratament termic, pe baza unui proces care constă în îndepărtarea carbonului, a sulfului, a azotului, oxigenului, fosforului din fontă și introducerea elementelor de aliere. Fonta lichidă se topește impreună cu fier vechi, minereu de fier, feroaliaje si fondanți (var, dolomită) se elaborează în convertizoare cu insuflare de oxigen și argon sau în cuptoare electrice cu arc. Fondanții se oxidează la monoxid de carbon, care reduce oxizii de fier, iar impuritățile se separă în formă oxidată în zgură.

Zgurile de oțelarie, clasificate după procedeul de obținere a oțelului sunt de două tipuri: zgurile de convertizor cu oxigen (BOS) si zgurile de cuptor cu arc electric (EAF).

La elaborarea oțelului în convertizoare LD, cum este cazul și la Galați, rezultă însemnate cantități de zgură.

Caracteristicile acestor zguri sunt mult diferite de cele ale zgurilor de furnal. Aceste diferențe constau atât în ce privește compoziția chimică, cât și în posibilitățile de prelucrare. Datorită faptului că aceste zguri conțin și fier în stare liberă, nu există posibilitatea răcirii bruște prin granulare sau expandare.

În procesul metalurgic, zgurile au un rol important, deoarece asigură separarea completă a metalului de minereu. În plus au un rol afânant, prin solubilizarea impuritaților din fontă, în special a sulfurilor.

Cantitatea de zgură rezultată depinde, în mare masură de performanțele procedeului. Astfel, cele mai eficiente procedee de obținere a fontei pot produce 250 – 300 kg de zgură per tona de fontă.

În partea a doua a tezei a analizat compoziția chimică pentru zece probe de zgură de la ArcelorMittal Steel Galați.

Pe plan mondial se produc aproximativ 160 kg zgură / tonă de oțel (în tehnologii curente), iar limita de performanță este de 120 kg zgură / tona de oțel (Japonia, Germania).

Direcțiile principale de utilizare a zgurilor siderurgice sunt: fabricile de ciment, industria de construcții pentru zgura de furnal, respectiv construcțiile de drumuri, taluzuri, terasamente în cazul zgurilor de oțelarie.

Rolul zgurii în procesele siderurgice

Procesele siderurgice care stau la baza producerii fontei, feroaliajelor și oțelului și a rafinării și chiar a turnării a oțelului se desfășoară în cea mai mare parte cu participarea zgurii, ale cărei caracteristici chimice și fizice trebuie să fie în concordanță cu esența procesului, cu scopul urmărit. La elaborarea fontei, zgura trebuie să fie fluidă și să aibă capacitate cât mai mare de înglobare a sterilului din încărcătură și a unor impurități, la elaborarea oțelului va trebui să fie oxidantă, pentru a asigurara afânarea băii metalice, sau dezoxidantă, pentru a facilita eliminarea oxigenului din oțel; la retopirea electrică sub zgură a oțelului, zgura trebuie să fie fluidă, neoxidantă și cu mare capacitate de reținere a impurităților (sulf, incluziuni nemetalice), iar la turnarea continuă a oțelului ea trebuie să fie fluidă pentru a lubrifia pereții cristalizatorului și pentru a avea acțiune protectoare împotriva pătrunderii gazelor în oțel. Se poate spune că în principal zgurile siderurgice au următoarele funcții:

protejează baia metalică de pătrunderea unor impurități (hidrogen, azot, sulf);

transmit căldura de la sursa de căldură la baia metalică;

transmit oxigenul din atmosfera oxidantă și contribuie la oxidarea diferitelor elemente din baia metalică ( Ca, P, Mn, Si etc.);

transmit oxigenul din atmosfera oxidantă și contribuie la oxidarea diferitelor elemente din baia metalică ( Ca, P, Mn, Si etc.);

rețin impuritățile (P2O5 , MnS, CaS) în cursul proceselor de afinare.

Structura și proprietățile zgurilor metalurgice

Compoziția chimică a zgurii

După cum s-a mai arătat, zgurile sunt compuse în cea mai mare parte dintr-o serie de oxizi de metale și de nemetale, dar conțin și mici cantități de alți compuși (fluoruri, sulfuri, carburi). După caracterul lor chimic oxizii pot fi împărțiți în: oxizi bazici (CaO, MgO, FeO, MnO,CrO, Na2O, K2O); oxizi acizi (SiO2, P2O5, TiO2, V2O5); oxizi amfoteri (Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, V2O3).

În condițiile proceselor siderurgice, oxizii superiori ai fierului și cromului, Fe2O3 și Cr2O3, au caracter slab acid.

Caracterul unei zguri este dat de raportul dintre conținutul de oxizi acizi și bazici. Astfel :

când zgura este acidă, iar când zgura este bazică.

Raportul de mai sus poartă numele de raport de bazicitate sau, simplu, bazicitate.

Uneori, bazicitatea se exprimă numai prin raportul .

Din punct de vedere tehnologic zgurile siderurgice se împart în:

zguri de furnal și de cuptoare de feroaliaje, care se încadrează în principiu în sistemul CaO – Al2O3 – SiO2 , și în general sunt acide sau ușor bazice; ;

– zguri de afinare, folosite la elaborarea oțelului care se încadrează în principiu în sistemul CaO – FeO – SiO2 și au un caracter oxidant și în marea majoritate a cazurilor, sunt bazice ( ); și în rare cazuri sunt acide();

– zguri de rafinare, folosite la rafinarea oțelului lichid în oala de turnarea sau la retopirea electrică sub zgură. Ele se încadrează în sistemele CaO – Al2O3, CaO – Al2O3 – SiO2 , CaO- Al2O3 – SiO2 – flux; CaF2 -Al2O3; CaF2-Al2O3-CaO etc.

zguri pentru turnarea continuă a oțelului.

Compoziție tipică de zgură de furnal (C.S.Hunedoara)

Compoziție tipică de zgură de afinare (convertizor LD – C.S.Galați)

Compoziții tipice de zguri de rafinare

Compoziție tipică de zgură pentru turnarea continuă a oțelului

Compoziția mineralogică

Componenții zgurii formează între ei soluții solide și compuși definiți mai mult sau mai puțin complecși. Structura lor în stare solidă se stabilește prin studii cristalooptice și petrografice.

Studiile au arătat că în structura zgurilor în stare solidă pot fi distinse cristale de oxizi și compuși chimici mai complecși: CaSiO3 (CaO SiO2), Fe2SiO4 (2 FeO SiO2), Ca2Al2SiO7 (2CaO Al2O3 SiO2).

Compușii chimici pot fi formați din doi sau mai mulți componenți ai zgurii.

Din grupa compușilor cu doi componenți fac parte:

silicații, compuși din SiO2 și un oxid bazic sau amfoter: 2CaO SiO2 (Ca2SiO4 ); MgOSiO2 (MgSiO3 ); 3Al2O32SiO2 (Al6Si2O13 ) etc;

fosfații, compuși din: P2O5 și un oxid bazic: 3 CaO P2O5 (Ca3P2O8);

aluminații compuși din: Al2O3 și un oxid bazic: 5CaO Al2O3 (Ca5Al2O8);

feriții: 2CaO Fe2O3 (Ca2Fe2O5).

În mod analog se formează titanații, cromații etc.

Din grupa compușilor cu trei componenți fac parte:

silicații dubli, compuși din SiO2 și doi oxizi bazici ca 2CaOMgO2SiO2 (Ca2MgSi2O7);

aluminosilicații, compuși din Al2O3, SiO2 și un oxid bazic: CaOAl2O32SiO2 (CaAl2Si2O8).

Compușii cu 4, 5 sau mai mulți componenți sunt de tipul silicaților sau aluminosilicaților.

Se poate considera că majoritatea zgurilor metalurgice fac parte din categoria silicaților.

Vâscozitatea zgurilor lichide

Procesele care au loc în agregatele metalurgice depind în mare măsură de mobilitatea ionilor din zgură. Aceasta își are expresia în vâscozitatea zgurii. Zgurile vâscoase împiedică difuzia substanțelor și transmisia de căldură. În plus, zgurile vâscoase se evacuează dificil din agregatele metalurgice și contribuie la pierderea unei cantități însemnate de metal sub formă de picături înglobate în ele.

Vâscozitatea reflectă frecarea interioară dintre straturile fluidului datorită vitezelor diferite cu care acestea se deplasează sub acțiunea unei forțe exterioare.

Forța de frecare interioară este dată de ecuația lui Newton:

, (1.1 )

unde: F este forța de frecare, în N; S –suprafața de contact între straturi, în m2; – gradientul de viteză pe normală față de curgerea lichidului, în ; η -coeficientul de vâscozitate dinamică, în [N·s/m2] sau [Pa·s]; (1 N/m2=1 Pa)).

Deci în sistemul S.I. coeficientul de vâscozitate dinamică se măsoară în N·s/m2 (kg·m-1·s-1). Conversia din sistemul C.G.S. se face cu relația:

1 N·S/m2=10 dyne·s/cm2 (10 Poise).

Vâscozitatea cinematică este: [m2/s] (1.2 )

unde ρ este densitatea lichidului, în kg/m3,

În tabelul 1.1 este dată vâscozitatea dinamică zgurilor.

Se observă că vâscozitatea zgurilor este mult mai mare decât a metalelor în stare lichidă și a sărurilor topite. În mod normal ea este cuprinsă între 0,02 și 0,8 Ns/m2. În unele cazuri, vâscozitatea zgurilor acide poate atinge 15 Ns/m2 și chiar mai mult.

Tabelul 1.1. Vâscozitatea zgurilor

Vâscozitatea zgurilor de silicați, aluminați și fosfați utilizate la elaborarea aliajelor feroase

Variația vâscozității majorității zgurilor silicatice, aluminoase și fosfatice cu temperatura este bine redată de expresia:

, Ns/m2 (1.3)

unde: A – este un factor aproximativ constant pentru un anumit tip de zgură (depinde de compoziția zgurii);

Ev – energia de activare a curgerii vâscoase.

În relația 1.3 temperatura este la pătrat pentru că însăși energia de activare Ev depinde de temperatură, care, după cum se știe, influențează asupra formei și mărimii anionilor complecși care au rol determinant în curgerea vâscoasă. În cazul silicaților, creșterea temperaturii duce la micșorarea dimensiunilor anionilor complecși, ceea ce micșorează energia de activare Ev și vâscozitatea (pe două căi).

La temperaturi suficient de înalte, vâscozitatea zgurilor bazice este mai mică decât a celor acide. Aceasta se explică prin faptul că zgurile bazice sunt formate din unități structurale mai mici și deci mai mobile decât cele acide.

De obicei, pentru a se stabili variația vâscozității în funcție de compoziția chimică a zgurii, se folosesc izotermele (sau curbele de încălzire egală peste linia lichidus a diagramei de echilibru). În momentul de față există expresii empirice care exprimă variația vâscozității în funcție de conținutul diferiților componenți.

În zgurile de tipul silicaților, influența caracteristicilor anionilor complecși asupra vâscozității este determinantă, deoarece vâscozitatea este determinată de mobilitatea elementelor de curgere. În silicați cea mai mică mobilitate o au anionii complecși. Cu cât zgura este mai acidă, cu atât anionii complecși au o structură mai complicată datorită polimerizării și dimensiunile lor sunt mai mari. Prezența acestora face ca zgura să aibă vâscozitate mai mare decât electroliții topiți în care anionii atât de mari lipsesc.

Compozițiile care asigură cel mai mici temperaturi de topire și vâscozitate mică sunt prezentate în tabelul 1.2.

Tabelul 1.2 Temperaturile lichidus ale unor zguri de rafinare

Vâscozitatea zgurilor pentru turnarea continuă a oțelurilor

Zgurile folosite la turnarea continuă a oțelului au rolul de a asigura protecția oțelului lichid din cristalizor împotriva oxidării și pătrunderii hidrogenului și azotului în oțel, precum și rolul de a lubrifia pereții cristalizorului. De aceea vâscozitatea lor este mică (0.03÷0,05 Ns/m2).

Calculul vâscozității zgurilor

Calculul vâscozității [Ns/m2] în funcție de compoziție se poate face cu formule empirice:

1) Pentru zguri bazice de furnal cu compoziția: 0-10% MgO, 4-10% Al2O3, 0,1-1,0% MnO, 0,2-0,9% FeO, 1,4-2,3% S și CaO/SiO2=1,4-2,3, la t=1500 0C:

;

(1.4)

2) Pentru zguri acide de furnal cu: 37÷57% SiO2, 10÷30% Al2O3, 22÷42% CaO și 7÷27% MgO la temperaturi de 14000C. Conținuturile procentuale reale se calculează astfel încât suma lor să fie 100%.

(1.5)

3)Pentru zgurile acide de furnal cu B=0,7÷1,4, vâscozitatea se poate calcula cu relația:

, (1.6)

unde bazicitatea B se calculează cu relația:

4) Pentru zguri bazice de oțelărie, oxidante, cu: 18÷25% SiO2, 28÷48% CaO, 9÷18% MnO, 5÷11% Al2O3, 7÷14% FeO, 0,7÷3,5% Fe2O3, 13÷18% MgO, 1÷3% P2O5, 0,1÷0,3% S, la 1600 0C.

(1.7)

5). Pentru zguri folosite la turnarea continuă, cu compoziția: 35÷56% SiO2, 12÷45% CaO, 0÷11% Al2O3, 0÷20% Na2O, 0÷20% CaF2.

, unde (1.8):

;

Relația (1.8) se poate utiliza și pentru zgurile de rafinare conținând fluxuri.

Pentru conținuturi mici de MgO și MnO, NCaO se poate lua ca NCaO+NMnO+NMgO.

6). Pentru zguri folosite la retopirea electrică sub zgură, cu compoziția: 43,6÷68,0% CaF2, 7,4÷40,6% CaO, 14,3÷23,0% Al2O3, 1,5÷1,6% SiO2, se poate utiliza relația valabilă pentru 1500 0C:

,în (1.9)

iar pentru zguri cu compoziția: 35,8÷45,0% CaF2, 33,3÷34,5% CaO, 11,8÷15,1% Al2O3 și 5,4÷19,1% SiO2, pentru 1500 0C este:

, în(1.10)

7). Pentru zguri cu 60÷70% CaF2 + 22÷24% Al2O3 + 0,5 ÷ 2% SiO2 + 1 ÷ 6% CaO, variația vâscozității cu temperatura este dată de relația:

, în (1.11)

În zgurile de rafinare din sistemul CaO-Al2O3-SiO2 +flux, energia de activare a vâscozității este de 117÷156,4 kJ/mol.

1.2. Marea Neagră

Marea Neagră este o mare semiînchisă, din bazinul atlantic, situată între Europa și Asia. Granița stabilită de geografi între cele două continente, pe Caucaz și Stramtoarea Bosfor taie aceasta mare în două părți inegale, cea mai mare parte fiind europeană. Rusia, Ucraina, România, Bulgaria, Turcia și Georgia sunt țările vecine Mării Negre. Comunică cu Marea Azov prin Stramtoarea Kerci, cu Marea Marmara prin Stramtoarea Bosfor, iar mai departe prin Stramtoarea Dardanele cu Marea Egee și Marea Mediterană.

Figura 1. Harta Marea Neagră (După http://ecomareaneagra.wordpress.com/marea-neagra/)

Din cauza proceselor dinamice, permanente, de transformare a liniei de coastă, datele lungimii acesteia nu sunt constante. În funcție de dată, autorii și metoda prin care s-a calculat lungimea țărmurilor, au fost emise valori cuprinse între 4020 km și 4500 km. În anul 2011 cercetătorii bulgari de la Institutul de Oceanologie din Varna, utilizând imagini și măsurători efectuate cu ajutorul sateliților au stabilit ca lungimea totală a țărmurilor Mării Negre este de 4869 km, din care 1756 km pe teritoriul Ucrainei, 1700 km în Turcia, 421 km în Rusia, 414 km în Bulgaria, 322 km în Georgia minimă pe meridianul extremității de sud a peninsulei Crimeea (capul Sarici) 263 km.

Suprafața Mării Negre este de 421638 km² (Stanchev et al. 2011),  aproximativ de două ori mai mare decât teritoriul României și înmagazinează circa 537000 m³ de apă.

Adâncimea medie este de 1197 m, iar adâncimea maximă 2212 m.

Salinitatea medie este de 14-17 g ‰. În adânc salinitatea crește până la 23 g ‰. Transparența apei atinge în general 15 m în larg.

Oxigenarea apei variază cu anotimpul și adâncimea, în perioada rece păturile superficiale sunt suprasaturate de oxigen. Concetrația oxigenului scade odată cu adâncimea. De la 150-200m până la fundul mării gazul solvit este hidrogenul sulfurat (H2S). Aici oxigenul lipseste cu desăvârșire.

În partea a doua a tezei vom analiza o carotă extrasă din Marea Neagra cu ajutorul Spectrometrului ARL 9800. Carota este recoltata de la 500 m si are 4,62 m.

2. Fenomene fizice care caracterizează radiațiile penetrante

Producerea și absorbția razelor X în materie sunt rezultatul unor fenomene atomice.

Studiile și experiențele sec XIX au confirmat științific existența atomului ca element structural specific oricărui element material. Totodată, cercetările privind spectrul luminii vizibile și apoi spectrul razelor X au permis o fumdamentare precisă a structurii materiei.

Atomul este cea mai mică particulă ce caracterizează un element chimic, respectiv este cea mai mică particulă dintr-o substanță care prin procedee chimice obișnuite nu poate fi fragmentată în alte particule mai simple. Acesta constă într-un nor de electroni care înconjoară un nucleu atomic dens. Nucleul conține sarcini electrice încărcate pozitiv (protoni) și sarcini electrice neutre (neutroni), fiind înconjurat de norul electronic încărcat negativ. Când numărul electronilor și al protonilor este egal, atunci atomul este neutru din punct de vedere electric; dacă acest lucru nu se întâmplă, atunci atomul devine un ion, care poate avea sarcină pozitivă sau negativă. Atomul este clasificat după numărul de protoni și neutroni: numărul protonilor determină numărul atomic (Z) și neutronii izotopii acelui element.

Dacă, inițial, cuvântul atom însemna cea mai mică particulă indivizibilă, mai târziu, după ce termenul a căpătat o semnificație precisă în știință, atomii au fost găsiți a fi divizibili și compuși din particule și mai mici, subatomice.

Un proton are sarcina electrică pozitivă egală ca mărime cu a unui electron, dar și de semn contrar. Numarul de protoni din nucleu notat cu Z, constituie numărul atomic. El servește la clasificarea diferitelor feluri de atomi. Numărul protonilor fiind egal cu numărul electronilor, înseamnă că, în mod obișnuit, atomul este neutru din punct de vedere electric.

Se consideră că electronii gravitează în permanență în jurul nucleului atomic pe traiectorii liniare, de formă complexă. Ei nu parcurg orbite circulare. De altfel, noțiunea a fost înlocuită cu cea de orbitali care desemnează linii de-a lungul cărora sunt prezenți în mișcarea lor electronii.

Frecvent se utilizează și noțiunea de nori de electroni, noțiune care arată că electronii se găsesc oricând și oriunde în jurul nucleului atomic. De aici reiese că un model de atom, așa cum a fost el conceput de către Rutherford, nu se întâlnește în realitate. Ca atare, structura atomului, în ceea ce privește învelișurile electronice este mult deformată. Explicația se datorează faptului că atomii nu sunt liberi, ci legați în molecule cu alți atomi, asupra învelișurilor electronice, îndeosebi asupra celor exterioare, exercitându-se forțe din afară care deformează straturile de electroni.

Pe un orbital se pot găsi cel mult doi electroni, fiecare orbital corespunzând unui anumit nivel de energie.

Orbitalii electronilor sunt grupați în straturile de electroni notate cu numerele 1, 2, 3,…..sau cu literele K, L, M, N, O, P, Q. Un strat de electroni corespunde unui nivel diferit de energie. În cazul atomilor cu mai mulți electoni, fiecare strat conține mai multe nivele de energie distincte.

Cu cât stratul de electroni este mai apropiat de nucleu, energia lui este mai mică, nivelul diferit de energie fiind determinat de locul mai mult sau mai puțin apropiat pe care îl ocupă electronii față de nucleul atomului. Ca atare, așa-zisele traiectorii urmate de electroni în drumul lor în jurul nucleului nu sunt altceva decât nivele diferite de energie. Datorită locului diferit pe care îl ocupă în mișcarea lor, electronii tind să ocupe straturi cât mai centrale, dar această tendință este limitată de faptul că, pe fiecare strat nu se poate afla decât un număr limitat de electroni.

Între nucleul atomului și electronii dispuși în straturi în jurul lui există forțe de interacțiune.

Mai pregnant, asupra electronilor se exercită două forțe ambele de natură electrostatică. Una este forța de atracție a nucleului iar cealaltă este forță centrifugă, prin care electronii se opun atracției electrice pozitive exercitată de nucleul atomului.

Deoarece forța de atracție este mai puternică, electronii nu se îndepărtează, ci rămân lângă nucleul atomic și circulă în jurul lui. Pentru a se îndepărta un electron dintr-un atom trebuie să se consume o anumită energie, numită energie de legatură. S-a observat că la același atom energiile de legatură nu sunt egale între ele. Această energie crește pentru electonii din straturile interioare și descrește rapid când se trece la un stat mai periferic. În schimb, energia proprie electronilor este mai mare pentru electonii care se găsesc pe un strat extern, mai îndepărtat de nucleul atomului.

În straturile electronice ale atomilor au loc importante fenomene fizice. Drept urmare a schimburilor de energie ce se petrec între diferite straturi de electoni, se emit radiații a căror lungime de undă este determinată de nivelul de energie unde au loc aceste schimburi. Așa, de exemplu, în cazul unui electron îndepărtat de nucleu, deci situat la un nivel mai ridicat de energie decât un electron vecin, schimburile de energie se însoțesc de radiații luminoase, iar când este vorba de electronii situați pe o orbită centrală, mai puternic legați de nucleul atomic, se emit radiații X.

2.1.Radiațiile în interacțiune cu substanța

2.1.1.Generalități

Indiferent de natura lor, corpusculară ( particule alfa, beta, n, etc) sau electromagnetică (fotonii gama și X), în interacțiune cu materia străbătută radiațiile cedează, în general, energie atomilor și moleculelor acesteia.

La nivelul interacțiunilor cu învelișul electronic al atomului au loc efecte de excitare constând în ridicarea electronilor pe nivele energetice superioare sau de ionizare în care, prin îndepărtarea unor electroni se formează ioni pozitivi, susceptibili de noi legături.

Pot avea loc și interacțiuni cu substanța nucleară. Astfel, particulele alfa (datorită masei mari), neutronii și fotonii (datorită lipsei de sarcină electrică) pot interacționa direct cu nucleul atomic provocând modificarea, prin reacții nucleare sau excitarea acestuia.

Un proces particular de interacțiune îl constituie conversia energie-masă a unui foton gamma cu energia mai mare de 1,022 MeV 1 când ajunge în vecinătatea unui nucleu, ca rezultat obținându-se o pereche electron-pozitron.

Cedarea de energie de către particula alfa sau fotonul incident este în majoritatea cazurilor parțială la o interacțiune și este însoțită de modificarea direcției de înaintare. În funcție de felul radiației, mărimea energiei și proprietățile mediului (grosime, densitate, număr atomic, etc.), particula alfa poate să-și cedeze întreaga energie (să fie complet absorbită în substanță), astfel încât numărul particulelor care reușesc să traverseze stratul de substanță să fie mai mic decât cel incident fie chiar egal zero.

Atât modificarea direcției inițiale (împrăștierea fasciculului), cât și absorbția au ca rezultat atenuarea fasciculului incident.

Atenuarea fasciculelor de radiații stă la baza metodelor și aparaturii de detectare, respectiv, măsurare a caracteristicilor acestora. Procesele care caracterizează interacțiunile și care conduc la împrăștierea și/sau absorbția radiațiilor sunt specifice constituenților fasciculelor incidente și sunt influențate de energia acestora și de proprietățile materialelor cu care interacționează.

2.1.2.Interacțiunea fotonilor cu substanța

Interacțiunea radiației electromagnetice cu substanța poate avea loc în multiple moduri, determinate atât de energia incidentă a fotonilor, cât și de numărul atomic Z al atomului – țintă.

La energii joase sunt interacțiunile care conduc la împrăștierea fasciculului incident. Împrăștierea poate fi :de tip Thomson, când centrul împrăștietor are masa mare (este cazul nucleului) sau de tip Rayleigh, când centrul împrăștietor este un electron orbital iar fotonii sunt coerent împrăștiați (fără pierdere de energie).

La energii mari ale fotonilor gama au loc reacții, între fotoni și nuclee, de tip (y, n), (y, p), (y, α), etc. Astfel energia necesară fotonului pentru a scoate un neutron sau un proton din nucleu este cca. 7 MeV (pentru atomii cu Z mare) și de peste 10 MeV (pentru atomii cu Z mic).

Principalele moduri de interacțiune care prezintă importanță sunt: efectul fotoelectric, efectul Compton, efectul formării de perechi electron – pozitron.

Efectul fotoelectric

Efectul fotoelectric constă în absorbția fotonului cu emisia unui electron având energia cinetică: W = E0 − Eb.

Efectul fotoelectric caracterizează un proces de interacțiune care are loc între un foton cu energia E0= hυ și un electron legat, aparținând uneia dintre păturile situate în imediata vecinătate a nucleului, de regulă păturii K (stratul K).

Efectul fotoelectric este procesul principal de absorbție a fotonilor cu energii mici în materialele formate din atomii cu Z mare ( at. grei).

În cursul acestui proces, dacă este îndeplinită condiția de prag:

E0 ≥ Eb ,

unde Eb este energia de legătură a electronului pe orbită.

Întreaga energie E0 a fotonului incident este consumată pentru scoaterea electronului din învelișul electronic, cu o energie cinetică W=mv2/2 dată de relația lui Einstein: W = E0 − Eb

Electronul emis din atom prin efect fotoelectric se numește fotoelectron.

Energia minimă necesară unui foton pentru a interacționa prin efect fotoelectric e de cca 14 eV .

Probabilitatea fotoefectului crește rapid cu numărul atomic Z și scade (repede) cu energia fotonului.

Astfel, pentru energii mari ale fotonilor și pentru atomii cu Z mare, interacțiunile prin efect fotoelectric sunt probabile, în timp ce pentru atomii ușori (Z mic) fotoefectul are loc numai dacă energiile fotonilor sunt mici.

Efectul Compton

Efectul Compton este un fenomen de împrăștiere elastică a fotonilor pe electroni liberi (foarte slab legați) din substanță.

Fotonul împrăștiat are, după interacțiune, energia cu atât mai mică cu cât a fost împrăștiată la un unghi mai mare

Diferența de energie este preluată de electronul de recul.

Acest electron poate avea o energie cinetică cuprinsă între zero și o valoare maximă care corespunde împrăștierii fotonului la 1800.

În urma unor experiențe privind difuzia radiației X prin substanță, în componenta difuzată, pe lângă radiațiile incidente mai apar și radiații cu lungimi de undă mai mari decât ale acestora. Acest fenomen de apariție în componența difuzată a unor lungimi de undă mai mari decât a incidentei a fost denumit efect Compton.

Radiațiile X fiind electromagnetice ar trebui să se comporte în ceea ce privește difuzia ca și undele luminoase. Conform acestei teorii, radiația difuzată rezultă din vibrațiile electronilor provocate de radiația incidentă și deci trebuie să aibă aceeași frecvență ca și a acestora.

Aplicând teoria cuantică, difuzia radiațiilor X trebuie considerată ca un proces de ciocnire elastică între fotonii incidenți și electronii substanței aflați în repaus.

Dispozitivul prin care s-a pus în evidență difuzia radiațiilor X de către Compton este redat în figura de mai jos:

Se folosește o instalație formată dintr-un tub Roentgen (T.R.) și un spectrometru Roentgen (S.R.). Radiația X incidentă provenind de la tubul Roentgen trece prin fantele colimatoare (F), cade pe un bloc de grafit (G) și este difuzată sub un unghi .

Faptul ca radiația difuzată are lungimea de undă ( ' ) mai mare decât lungimea de undă a radiației incidente ( ) nu se poate explica folosind teoria ondulatorie a radiației electromagnetice.

Teoria fotonică a radiației permite o explicație a acestui fenomen.

Conform teoriei fotonice, difuzia radiației X poate fi privită ca o ciocnire elastică între fotonii radiației incidente și electronii substanței difuzate, considerați inițial în repaus.

În figura de mai sus, notațiile reprezintă:

impulsul fotonului din radiația incidentă: pi ,

impulsul fotonului din radiația difuzată: pd ,

m0 masa de repaus a electronului, m impulsul electronului după ciocnire,

m masa electronului după ciocnire: m,

v viteza electronului după ciocnire.

Pentru aceasta ciocnire, legile de conservare ale impulsului și energiei sunt: = + m (2.1)

h + m0 c2 = h' + m0 c2 (2.2)

Având în vedere compunerea vectorilor după regula paralelogramului (pentru relația 2.1) și faptul că impulsul este: p = h / , unde = c / , rezultă:

(2.3)

(2.4)

Din relația (2.4) se calculează viteza v și se înlocuiește în relația (2.3).

După efectuarea calculelor, rezultă: (2.5)

unde: h/m0c= c lungimea de undă Compton care este o constantă universală și are valoarea 2,42 10-6 m.

Ecuația (2.5) reprezintă expresia matematică a efectului Compton.

Observații:

1.Se vede că ' > , pentru că , deci: = ' – > 0

2.Variația lungimii de undă () depinde doar de unghiul de difuzie .

3.Din figura de mai sus se poate calcula unghiul de deviație a electronului.

Din legea conservării impulsului (proiecțiile pe cele două axe de coordonate) rezultă:

(0x) pi = pd cos + mv cos

(0y) pd sin = mv sin

Prin împărțirea celor două relații, se obține:

(2.6)

Datele experimentale coincid cu cele teoretice, deci efectul Compton este o nouă confirmare a ipotezei că radiația electromagnetică este formată din fotoni care au energie și impuls.

Generarea de perechi

Generarea de perechi are loc atunci când un foton de energie înaltă traversează câmpul electrostatic al unui nucleu. Dacă acest câmp este suficient de intens, energia fotonului se pune în evidență prin apariția unui electron și a unui pozitron. Această „materializare” a energiei nu poate avea loc decât dacă energia fotonului depășește de două ori energia de repaus a unui electron. Diferența dintre energia fotonului și cea necesară materializării este regăsită ca energie cinetică a electronului și pozitronului. Această energie este absorbită de mediu prin ionizări similare celor produse de radiația β. Spre deosebire de electron, viața pozitronului este scurtă. După încetinirea datorată ionizărilor, la întâlnirea unui electron, perechea pozitron-electron suferă reacția de anihilare, energia particulelor transformându-se în cuante y. Fotonii de anihilare pot produce, în alte zone decât cea supusă iradierii primare, efecte fotoelectrice sau, mai ales, efect Compton.

Acest mecanism de interacție este specific domeniului energiilor înalte ale fotonilor. Prin acest mod de interacție, fotonul incident interacționează cu câmpul coulombian al atomului determinând apariția unei perechi compuse dintr-un electron și un pozitron. La nivelul atomului, interacția dominantă este cu câmpul coulombian al nucleului dar și interacția cu câmpul coulombian electronic nu poate fi neglijată. Pragul de apariție al generării de perechi este egal cu dublul energiei de repaus a electronului adică 1,022 MeV. Ca și în cazul efectului fotoelectric, fotonul incident dispare în locul lui apărând o pereche electron -pozitron. Energetic, acest proces este descris de ecuația:

E=2m0c2+E1+E2 h=2m0c2 + E1+E2

unde: E1 este energia cinetică a particulelor formate; E2 este energia cinetică a nucleului de recul în al cărui câmp coulombian a avut loc interacția.

În concluzie:

Razele gamma interacționează cu materia prin care trec prin următoarele mecanisme:

1.Efect fotoelectric. Un foton y poate dezlega un electron orbital din învelișul electronic al unui atom. Electronul, care preia toată energia fotonului y, va putea învinge forța electrostatică, eliberându-se de pe orbita sa; fotonul incident dispare: această interacțiune se numește "efect fotoelectric" (energia fotonului incident y trebuie să fie mai mare decât energia de legătura (Wleg) a electronului expulzat (e-) ). Efectul fotoelectric este mult mai probabil la elementele grele (probabilitatea este direct proporțională cu Z5), dacă fotonii incidenți sunt de joasă energie, sub 0,5 MeV. Elementul emis cu o anumită viteză (dependentă de energia fotonului incident și de tipul atomului) produce ionizarea, la fel ca și o particulă beta β (beta), până când surplusul său energetic este cedat complet.

2.Efect Compton apare atunci când fotonii incidenți au o energie mai mare decât 1 MeV. În acest proces numai o parte din energia fotonului este transferată electronului; restul de energie apare ca un foton secundar cu energie mai mică, împrăștiat într-o direcție oarecare. Interacțiunea continuă până la dispariția fotonilor împrăștiați prin efect fotoelectric.

3.Producerea de perechi. Dacă fotonul y are o energie mai mare de 1,02 MeV, el va putea interacționa cu câmpul nucleului, transformându-se în două particule: una pozitivă și cealaltă negativă (conversia energiei în masă). Particula pozitivă este numită pozitron, iar cealaltă electron. Această interacțiune este cunoscută drept "producere (generare) de perechi". Excesul energetic este preluat în mod egal, sub formă de energie cinetică, de către cele două particule electron și pozitron, care vor produce ionizări până la încetinirea lor completă (la fel ca în cazul radiațiilor β). În procesul de încetinire, pozitronii produc ionizări până la momentul când vor fi captați de un electron. Noua pereche se "anihilează" reciproc, generând 2 fotoni y de câte 0,51 MeV. Fenomenul de anihilare este opus fenomenului de generare de perechi. În cadrul acestui fenomen masa se transformă în energie. Fotonii rezultați pot fi împrăștiați prin efect Compton, sau absorbiți prin efect fotoelectric.

2.3.Surse de radiații

Sursele de radiații sunt acele dispozitive care permit obținerea în volume mici de fluxuri de radiații considerabile. După modul de generare al radiațiilor, sursele se împart în izotopice și instrumentale.

Surse izotopice

Sursele izotopice sunt constituite dintr-o cantitate macroscopică dintr-un element radioactiv dispus după o anumită geometrie, în funcție de scopul pentru care este utilizată. Din acest punct de vedere sursele izotopice pot fi punctiforme, planare sau volumice, în cazul în care sunt necesare activității mari. Sursele izotopice sunt caracterizate prin activități1 reduse, dar stabilitate mare pentru intervale de timp mult mai mici decât timpul de înjumătățire. Acest tip de surse se caracterizează prin gabarit redus (abstracție făcând de protecția biologică) si posibilitatea de a fi fasonate după forma și dimensiunile solicitate de utilizatori.

1 Activitatea Λ unei surse reprezintă numărul de dezintegrări ce au loc în sursa considerată în unitatea de timp, aceasta fiind egală cu produsul dintre numărul N de nuclee radioactive existent în sursă și constanta de dezintegrare λ: Λ=λN . În SI, activitatea este exprimată în Bequerel (Bq), 1 Bq reprezentând o dezintegrare pe secundă.

Datorită faptului că radiația nucleară este emisă cu egală probabilitate în toate direcțiile, sursele izotopice sunt izotrope. Din această cauză, debitul fluențelor câmpului de radiații creat de astfel de surse este modest în comparație cu sursele instrumentale. Debitul fluenței Φ este o caracteristică scalară a câmpului de radiații fiind egală cu numărul de particule ce străbat în unitatea de timp unitatea de suprafață propagându-se după toate direcțiile posibile.

În felul acesta, pentru o sursă izotopică punctiformă cu activitatea de 100 GBq debitul fluenței câmpului de radiații, la distanța de 1 metru de sursă este de aproximativ 8∙107 particule cm-2s-1 în timp ce aceeași caracteristică scalară pentru câmpul de radiații produs de un tub clasic de raze X este cu câteva ordine de mărime mai mare.

În tabelul 2.1 sunt reproduse caracteristicile cele mai importante ale unor radionuclizi folosiți la realizarea surselor izotopice de radiații beta, gama și de neutroni.

Tabel.2.1. Cele mai importante caracteristici ale radionuclizilor folosiți în mod curent la realizarea surselor izotopice

* Energia maximă în cazul surselor beta

Surse instrumentale

Sursele instrumentale sunt reprezentate prin dispozitive în care au loc fie reacții nucleare cum este cazul reactorului nuclear sau al generatoarelor de neutroni, fie electronii accelerați prin procedee diferite sunt focalizați pe ținte metalice, iar în urma interacției acestora cu ținta este emisă o radiație X de frânare.

Dintre sursele de radiații X, cea mai importantă și în același timp cea mai utilizată sursă o constituie tubul de raze X sau tubul Coolidge.

Construcția acestui generator constă dintr-un tub vidat din sticlă sau ceramică ce conține doi electrozi – catodul care emite prin încălzire electroni și anodul pe care electronii emiși de catod sunt accelerați și focalizați. Anodul este alcătuit, în funcție de energia și forma spectrului de raze X necesare, din cupru, scandiu, molibden, wolfram etc. Între catod și anod se aplică o diferență de potențial continuu cuprinsă în mod curent între 30 și 500 KV, anodul fiind la un potențial pozitiv față de catod. În concordanță cu natura aplicațiilor, radiația emisă de tub poate fi puternic focalizată sau complet nefocalizată. Focalizarea puternică este utilizată (Figura 2.1A, C și D) în radiografie, tomografie computerizată, difracție și topografie de raze X. În acest caz fasciculul de electroni este fin colimat astfel încât diametrul acestuia să nu depășească 0.5 după care este dirijat spre anod.

Figura 2.1. Schema unor tuburi de raze X cu moduri diferite de focalizare. Tubul cu focalizare puternică (A) este folosit la radiografie și tomografie computerizată în timp ce pentru Fluorescența de Raze X este folosit un tub ce produce fascicule foarte largi (B). Desenele (C) și (D) ilustrează detaliile constructive ale unui anod rotitor (C) și ale unui anod cu microfocalizare (D), ambele folosite în tomografia computerizată (Duliu, 1993). 1 – filament, 2 – catod, 3 – fascicul de electroni accelerați, 4 – corpul tubului, 5 – fasciculul de raze X emis de anod, 6 – fereastră din aluminiu sau beriliu, 7 – pata focală optică, 8 – pata focală termică, 9 – anod, TA – sursă stabilizată de Tensiune Anodică. Schema E ilustrează detaliile constructive ale unui tub cu anod rotitor (după Forester, 1985).

Locul geometric al intersecției fasciculului de electroni cu anodul definește pata focală termică. Proiecția acesteia pe o suprafață paralelă la direcția fasciculului de electroni reprezintă pata focală optică (Figura. 2.1A). Pentru a se obține surse intense în locul fasciculelor cilindrice se folosesc fascicule lamelare incidente pe un anod rotitor care generează o pată focală optică de dimensiuni submilimetrice, dar extrem de intense. Pentru acest tip de tuburi pentru care intensitatea curentului anodic poate ajunge la 200 mA, anodul se rotește cu viteză unghiulară foarte mare astfel încât energia fasciculului de electroni să fie răspândită în mod uniform pe o suprafață cât mai mare. Pentru răcire, tuburile sunt imersate în băi de ulei de transformator care la rândul lor sunt răcite fie cu apă fie cu aer comprimat.

Între diametrul petei focale optice Φ0 și cel al petei focale termice Φt există următoarea relație: Φ0 = Φt sinθ (2.7)

unde : θ este unghiul după care este tăiat anodul (Figura 2.1).

Tuburile de raze X emit în principal radiația de frânare a electronilor ce sunt puternic încetiniți de câmpul coulombian al materialului din care este confecționat anodul. Peste acest spectru energetic continuu se suprapune spectrul energetic discret al radiației caracteristice a elementului din care acesta este confecționat (Figura 2.2).

Energia fotonilor X corespunzătoare spectrului continuu al radiației X produse de tub este cuprinsă între 0 și o valoare maxim determinată de mărimea tensiunii anodice aplicată tubului. Pentru valori ce nu depășesc câteva sute de KV, energia maximă ε0 a fotonilor X este dată de relația: ε0 = eU0 (2.8)

unde: e este sarcina electronului ; U0 este tensiunea anodică maximă.

Cu excepția unei porțiuni restrânse aflate în vecinătatea valorii maxime a energiei ε0 spectrul energetic al fotonilor X emiși de tub este foarte bine descris de funcția: I (ε) = Kc2Zε2(ε –ε0) (2.9)

unde: K este o constantă a cărei valoare se determină experimental din randamentul de emisie al anodului (în mod uzual acest randament nu depășește 3 %); c este viteza luminii în vid; Z este numărul de ordine al materialului din care este confecționat anodul; ε este valoarea curentă a energiei fotonilor X.

Figura 2.2. Spectrul energetic al radiațiilor X emise de tubul Coolidge un anod de Rhodiu (Z=45) nefiltrat. Se observă suprapunerea peste spectrul continuu a spectrului radiațiilor X caracteristice ale rodiului). Curbele reproduse corespund tensiunilor anodice de 38, 44 și 50 KV. Pentru toate cele trei curbe intensitatea curentului anodic a fost aceeași.

În figura 2.2 sunt reproduse spectrele energetice ale fotonilor X emiși de același anticatod pentru o valoare constantă a curentului anodic, dar pentru valori diferite ale tensiunii anodice. Din analiza curbelor reproduse în figură se observă că pentru o valoare constantă a tensiunii anodice funcția de distribuție prezintă un maxim pronunțat a cărui poziție în spectru este funcție numai de această tensiune. În același timp, o dată cu creșterea tensiunii anodice crește și numărul total al fotonilor X emiși de anod, chiar dacă curentul anodic rămâne constant. Lucrul acesta este perfect explicabil dacă se ține cont de faptul că pierderea de energie prin radiația de frânare crește odată cu creșterea energiei electronilor. Pentru a se putea exploata cât mai bine această proprietate, atunci când este necesară obținerea de fascicule de raze X cu valori mari ale debitului fluenței, soluția cea mai directă constă în creșterea energiei electronilor incidenți realizată prin creșterea tensiunii anodice.

Valoarea energiei fotonilor X pentru care spectrul continuu prezintă un maximum se obține derivând ecuația (2.7) și egalând rezultatul cu zero.

Rezultă imediat valoarea căutată ca fiind: Emax =2 ε0/3

Această valoare este valabilă în situația în care tensiunea anodică este constantă în timp. Cum majoritatea tuburilor de raze X sunt alimentate cu tensiune alternativă de înalt voltaj, redresarea acesteia fiind făcută de tubul însuși, energia corespunzătoare maximumului spectrului continuu este cu circa 30% mai mică decât valoarea dată de relația (2.8). Această particularitate trebuie luată în considerație ori de câte ori tensiunea anodică este aleasă în funcție de grosimea și densitatea obiectului radiografiat.

Soluția modernă adoptată pentru a asigura un potențial de accelerare constant constă în folosirea unor surse de tensiune anodică de înaltă frecvență și montarea tubului de raze X la ieșirea unui circuit integrator RC astfel încât tubul să fie alimentat cu o tensiune continuă de înalt voltaj.

Alte surse instrumentale folosite pentru generarea radiațiilor X dure, cu energii peste 3 Mev sunt acceleratorul liniar și betatronul, dar care din cauza dimensiunilor apreciabile sunt folosite în controlul nedistructiv al pieselor industriale ale căror dimensiuni depășesc cu mult dimensiunile eșantioanelor geologice uzuale.

2.4.Detectori de radiații

Radiațiile nucleare nu sunt accesibile percepției senzoriale. Din acest motiv, prezența acestor radiații într-un anumit spațiu nu poate fi constatată direct, ci numai prin intermediul unor dispozitive numite detectori de radiație.

Într-un asemenea dispozitiv are loc interacția radiațiilor cu mediul detectorului; în urma interacției, mediul din volumul sensibil al detectorului preia (integral sau parțial), energia radiațiilor incidente; acest lucru conducând la apariția unor modificări ale mediului care constituie detectorul, modificări ce, în funcție de natura lor, pot fi puse în evidență prin diverse metode (electrice ca în cazul detectorilor cu ionizare, termice – detectori calorimetrici, chimice – detectori chimici).

Apariția în detector a acestor efecte semnalează prezența radiațiilor cu condiția ca efectul acestora să depășească nivelul de sensibilitate al detectorului. Acest proces poartă numele de detectare.

Sistemul bazat pe un asemenea detector, ce este folosit pentru măsurarea unei mărimi caracteristice câmpului de radiație poartă numele de dozimetru sau de sondă dozimetrică.

Principalele tipuri de detectori

Detectorul de radiații nucleare este un sistem care pune în evidență particulele nucleare și permite măsurarea numărului lor și al altor caracteristici cum ar fi energia și masa particulelor.

Detectarea radiațiilor, se bazează pe interacțiunea lor cu substanța, dar nu toate procesele de interacție stau la baza detectării radiațiilor ionizante.

Este necesară luarea în considerare a tuturor mecanismelor de interacție pentru a evidenția eventualele erori sistematice apărute în procesul de detecție. În acest sens, împrăștierea sau producerea radiațiilor de frânare nu servesc, în cazul electronilor, la detectarea acestora dar sunt importante în procesul de măsură, prin introducerea anumitor corecții.

Orice sistem de detecție este format dintr-un detector și o instalație auxiliară. În detector are loc procesul de interacție prin care particula incidentă cedează, parțial sau total, energia sa mediului din volumul sensibil al acestuia în timp ce instalația auxiliară, în cele mai multe cazuri electronică, transformă informația furnizată de detector într-o mărime măsurabilă experimental ca viteza de numărare, număr de impulsuri, curent de ionizare, cantitate de căldura, număr de ioni, etc.

Rezultatul măsurătorii poate fi indicat de către un aparat cu citire directă, afișat pe un numărător sau înregistrator grafic sau trimis la un calculator.

Clasificarea detectorilor de radiații este făcută de regulă după natura procesului de interacție ce are loc în detector. În detector, procesul principal de interacție îl constituie ionizarea.

Se poate presupune că detectorul este compus din două părți.

În prima parte are loc procesul de interacție prin care apar radiațiile primar ionizante, randamentul acestui proces depinzând de proprietățile substanței care formează această parte a detectorului. Astfel, în cazul fotonilor se obțin fotoelectroni, electroni Compton și perechi electron–pozitron, în cazul neutronilor termici se pot obține protoni sau nuclee de heliu prin reacții nucleare adecvate, iar în cazul neutronilor rapizi se obțin protoni de recul.

În partea a doua a detectorului se produce ionizarea de către radiațiile primar ionizante produse în prima parte a detectorului. Funcționarea propriu-zisă a detectorului se bazează tocmai pe ionizarea produsă în această a doua parte.

Clasificarea detectorilor se face, de obicei, după modul în care ionizarea generată în această a doua parte este folosită în mecanismul formarii răspunsului util.

În cazul în care mediul din a doua parte a detectorului este în stare gazoasă și este plasat într-un câmp electric suficient de intens pentru a colecta ionii înainte ca ei să se recombine, este vorba de detectori cu colectarea ionilor în gaze.

În urma procesului de recombinare al electronilor cu ionii pozitivi este emisă o anumită cantitate de energie, specifică mediului respectiv.

În situația în care energia transmisă rețelei este reemisă parțial de aceasta într-un timp mai mic de 10-6 sub forma unor cuante luminoase, are loc fenomenul de fluorescență ce stă la baza detectorilor cu scintilație.

Pe de altă parte, energia eliberată la recombinarea ionilor poate conduce la disocierea anumitor molecule, particularitate ce poate fi folosită de asemenea la detectarea radiațiilor. Astfel, granulele de bromură de argint din emulsia fotografică, activate prin disociere, devin developabile iar înnegrirea emulsiei determinată de formarea granulelor de argint metalic reprezintă fenomenul de baza al detectorilor fotografici.

Disocierea altor tipuri de molecule conduce la modificări de culoare sau la generarea de radicali liberi sau a centrilor de termoluminiscență ce stau la baza detectorilor chimici.

Detectori cu scintilații

Detectorii cu scintilații sunt detectori care se bazează pe apariția scintilațiilor produse în substanța detectorului de către particula încărcată.

Un cristal de substanță fluorescentă ciocnit de o particulă emite în locul ciocnirii radiații luminoase, care se manifestă ca o scânteiere în întuneric. Fiecare scintilație indică prezența unei particule. Se folosesc detectoare cu scintilație pentru radiații, α, β, y, în care scintilația este înregistrată prin efect fotoelectric și amplificată de fotomultiplicatori.

Primul detector de particule α utilizat în fizica nucleară a fost un ecran de sulfură de zinc pe care particulele α rapide produceau scânteieri care puteau fi observate cu un microscop. Fenomenul constă în apariția scintilațiilor în cristale anorganice sau substanțe organice la trecerea unei particule încărcate. Fotonii sunt înregistrați cu ajutorul unui fotomultiplicator care produce un puls de tensiune. Amplitudinea pulsului este proporțională cu numărul de scintilații produse de particula încărcată la trecerea prin cristal și deci cu energia acesteia.

Detectorul cu scintilații se folosește atât la numărarea radiațiilor nucleare cât și la măsurarea energiei acestora.

Acest detector constă din două părți esențiale: scintilatorul și fotomultiplicatorul. Scintilatorul (fosforul) este de obicei un cristal de iodură de sodiu dopat cu taliu, NaI(Tl), care convertește energia fotonilor X în pulsuri de lumină cu energia de aproximativ 3 eV. Fotomultiplicatorul transformă fotonii luminoși în pulsuri de tensiune care, la rândul lor, sunt amplificate. Cum solidele sunt de aproape 1000 de ori mai dense decât gazele, volumul activ al fosforului este relativ mic în comparație cu al contorului proporțional cu gaz. Energia necesară producerii perechilor de ioni în solide este aproape cu un ordin de mărime mai mică decât în gaze și ar trebui, în principiu, ca numărul de perechi pentru un foton X incident să fie mai mare. Totuși, în practică, au loc procese ineficiente de conversie a electronilor liberi în fotoni luminoși în scintilator (eficiență 20%) și de conversie a cuantelor luminoase în electroni în fotomultiplicator (eficiență 5%). Acești doi factori combinați fac ca pierderea totală în eficiență să fie de aproape 100% și aceasta implică o energie efectivă de producere a unui electron de aproximativ 300 eV. În comparație cu contorul proporțional cu gaz, rezoluția energetică este înrăutățită de factorul (300)1/2 / (26,4)1/2 = 3,37 dând o rezoluție egală cu:

Cristalele cu scintilație au o rezoluție energetică relativ slabă pentru radiațiile X emise de elementele cu numere atomice mici. Aceasta crește considerabil la elementele cu numere atomice mari (Z 53).

Contorul proporțional cu circulație de gaz

Fotonii X interacționează cu atomii gazului inert cu care este umplut contorul (He, Ne, Ar, Kr, Xe) prin efect fotoelectric, dând naștere la perechi electron-ion. Dacă este energia medie de producere a unei perechi (25-30 eV), numărul de perechi produse prin ionizare cu radiații X de energie E este dat de:

În cea mai simplă formă acest contor constă dintr-un cilindru metalic cu o fereastră având un fir central subțire, care formează anodul și pe care se aplică un potențial de aproape 1500 V în timp ce cilindrul servește drept catod.

În ipoteza că potențialul de-a lungul contorului este suficient de mare pentru a preveni recombinarea, electronii formați se deplasează către anod iar ionii pozitivi către carcasa contorului. Un electron poate câștiga energie cinetică datorită câmpului electric accelerator și o parte din energie poate fi transferată unui atom de gaz, ionizându-l. Astfel, numărul electronilor se tot mărește pe măsura apropierii de regiunea de câmp intens din jurul firului anodic. Rezultatul este o multiplicare G a numărului N de electroni care în final ating anodul, de ordinul 104 – 105 electroni:

O proprietate importantă a contorului este rezoluția. Deoarece ciocnirile dintre electronii care se deplasează spre anod și atomii gazului – în urma cărora are loc ionizarea gazului – reprezintă un proces statistic, amplitudinea pulsului de la contor nu se află la un nivel discret de tensiune ci mai degrabă ia forma unei distribuții care este aproximativ gaussiană.

Rezoluția contorului se exprimă cu ajutorul lărgimii la semiînălțime FWHM (Full Width at Half Maximum), în eV, ca un procent din valoarea corespunzătoare maximului distribuției amplitudinii, E:

unde: ,

F fiind factorul Fano, având valori cuprinse între 0,22 și 0,5 pentru diferite amestecuri de argon-metan. Spre exemplu, pentru contorul cu argon (= 26,4 eV) rezoluția teoretică este:

Contoarele proporționale sunt adecvate detecției radiațiilor X cu energia mai mică de 30 keV. Fereastra contoarelor se confecționează din mylar, beriliu sau aluminiu iar gazul de umplere este în general un amestec de gaz nobil (Ar, Kr, Xe) și metan în proporție de 90/10.

Pentru elementele cu Z<18 spațiul cuprins între contor și proba de analizat trebuie vidat sau umplut cu un gaz slab absorbant (H, He) deoarece în aer absorbția este foarte mare pentru radiațiile X caracteristice provenite de la elementele ușoare. Din acest motiv, contorul cu gaz se montează în camera principală a spectrometrului cu cristal, care se videază).

Legat de fenomenele de ionizare ce au loc în interiorul contorului, există trei efecte de care trebuie să se țină cont: producerea picurilor de scăpare, scăderea înălțimii pulsului, neliniaritatea dintre numărul de fotoni X incidenți și numărul pulsurilor de ieșire (“timpul mort”).

Detectori cu semiconductori

Detectorii cu semiconductori reprezintă categoria cea mai performantă de detectori folosiți în spectroscopia nucleară, și incidental în dozimetria radiațiilor ionizante.

Caracteristica generală a materialelor semiconductoarelor (anorganice și organice) constă în valoarea conductibilității lor electrice, intermediară, intre valoarea corespunzătoare dielectricilor si cea corespunzătoare conductorilor, astfel încât intervalul de valori al conductibilității lor electrice este cuprins intre 104 și 10-10 Ω-1cm-1. Din punct de vedere al teoriei benzilor de energie, proprietăți semiconductoare au acele materiale a căror banda interzisă ce separă banda electronilor de valență de cea a electronilor de conducție este mai mică de 1,5 eV (1,1 eV pentru siliciu și 0,7 eV pentru germaniu). Din acest motiv, la iradierea cu radiații ionizante, are loc un transfer de electroni din banda de valență în banda de conducție rezultând o pereche electron-gol. Sub influența unei tensiuni de polarizare aplicată semiconductorului, acestea migrează către electrozi generând un puls de tensiune în mod similar cu o cameră de ionizare.

Datorită asemănării între modul de formare a semnalului în camerele de ionizare și în detectorii cu semiconductori, aceștia din urmă sunt numiți și camere de ionizare solide.

Valoarea extrem de scăzută a cantității de energie necesară generării unui perechi electron-gol (de circa 30 – 40 de ori mai mică decât în cazul scintilatorilor sau a detectorilor cu gaz) determină apariția, pentru aceeași cantitate de energie cedată volumului sensibil al detectorului, a unui număr corespunzător mai mare de purtători de sarcină.

Deoarece în semiconductorii reali, energia necesară generării unei perechi electron-gol este de circa trei ori mai mare decât valoarea benzii interzise, o particulă încărcată cu energia de 1 MeV care transferă integral energia sa unui detector cu semiconductori va crea circa 300000 de perechi electron-gol, de 10 ori mai mare decât în cazul unui detector cu gaz. Acest fapt are o dublă consecință, pe de o parte raportul semnal zgomot crește de 10 ori iar pe de altă parte rezoluția energetică se îmbunătățește dramatic, astfel încât semilărgimile liniilor spectrale se reduc la 1,4 – 1,7 keV pentru linia de 1,33 MeV din spectrul gama al 60Co.

Pe de altă parte, detectorii cu semiconductori pot fi folosiți la detectarea particulelor încărcate de mare energie, având în vedere că parcursul acestora în semiconductori este de ordinul milimetrilor.

Timpul scurt de colectare al purtătorilor de sarcină datorat mobilități ridicate a acestora reduce considerabil probabilitatea de recombinare a sarcinilor pozitive si negative. Pentru aceeași intensitate a câmpului electric, efectul de recombinare în detectorii cu semiconductori este neglijabil în comparație cu camerele de ionizare umplute cu gaz.

Dezavantajul major al detectorilor cu semiconductori constă în existența a unui zgomot de fond puternic datorat apariției de sarcini electrice libere, ca urmare a fluctuațiilor energiei purtătorilor de sarcină datorită agitației termice. Aceasta conduce la o conductibilitate “de fond” comparativ mare a semiconductorului, care depinde considerabil de temperatura, ceea ce face ca detectorii cu semiconductori să poată fi folosiți numai răciți la temperatura azotului lichid.

Detectori cu semiconductori sunt considerați cei mai performanți detectori de radiații existenți.

Detectorii cu semiconductori sunt extrem de rar folosiți în dozimetria radiațiilor datorită costulului ridicat (un detector HPG cu eficacitatea de detecție de 15% costă aproximativ 15000 US$) ca și necesitatea menținerii acestora la temperatura azotului lichid (-196° C) în tot timpul măsurătorilor restrânge utilizarea lor la laboratoarele specializate de spectroscopie nucleară.

2.4.1. Sisteme de detecție ale radiațiilor Roentgen

Detecția radiațiilor Roentgen are la bază fenomenele care apar în procesul de interacție cu substanța, fenomene care permit realizarea unor traductori de radiații Roentgen – ce permit punerea în evidență, sau măsurarea unor caracteristici ale acestora – traductori necesari în lucrul cu radiații Roentgen, deoarece ele nu sunt direct sesizate de nici unul din organele de simț ale omului.

Principalele traductoare se bazează pe efectul fotochimic, de ionizare și de fluorescență produs de radiațiile Roentgen asupra anumitor substanțe.

Ele sunt placa (filmul) fotografică, camera de ionizare, ecranele fluorescente (sau varianta lor perfecționată – mult mai sensibilă – detectorii de scintilație).

În funcție de scopul în care sunt folosite radiațiile Roentgen, în funcție de fenomenul analizat, în funcție de precizia cerută, se folosește un traductor sau altul.

Detectori fotografici. Impresionarea (înnegrirea) emulsiilor fotografice cu bromură de argint depusă pe sticlă, plăci sau pelicule de celuloid (filme) sub influența radiațiilor Roentgen – cunoscută încă de la descoperirea acestora, depinde de intensitatea radiației, de compoziția spectrală a ei, de durata expunerii, pe de o parte, și de proprietățile emulsiei: sensibilitate, coeficient de contrast, pe de altă parte, precum și de condițiile de prelucrare ulterioare (fixare, revelare).

Uneori simpla impresionare a unei pelicule fotografice este insuficientă pentru o investigație cu radiații Roentgen cum ar fi cazul radiografiilor medicale (pulmonare, dentare, osoase etc.). Simpla analiză vizuală a radiografiei – pe baza elementelor de contrast ce apar în urma atenuării diferite a radiației și diferite zone ale subiectului este suficientă pentru diagnostic. Alteori, este important gradul de înnegrire al plăcii fotografice (de exemplu, la analiza roentgenospectrală cantitativă), sau distanța, unghiuri între diferite imagini ce apar pe placă (de exemplu la analiza structurală, analiza roentgenospectrală calitativă etc.).

În aceste cazuri simpla analiză vizuală a imaginii obținute pe peliculă nu este suficientă. Există aparatură specializată pentru fiecare din aceste două tipuri de informații ce permit măsurători relative sau chiar absolute ale mărimilor care interesează.

Astfel măsurătorile geometrice se fac cu ajutorul negatoscopului prevăzut cu o riglă gradată sau mai precis (cu precizie de 1μm) cu ajutorul microscopului comparator.

Măsurătorile de înnegrire se fac cu ajutorul microfilamentului simplu sau înregistrator (înregistrarea făcându-se pe placa fotografică sau cu ajutorul unui fotomultiplicator, pe hârtie).

Detectori de ionizare. Se bazează pe efectul de ionizare – efect indirect așa cum am văzut – al radiațiilor Roentgen. Măsurarea propriu–zisă se face cu ajutorul unei camere de ionizare, iar curenții slabi care iau naștere (10-10÷10-7A) sunt de regulă în prealabil amplificați și apoi măsurați cu ajutorul unui montaj electronic adecvat.

În principiu, o cameră de ionizare este un condesator pe care este aplicată o tensiune de ordinul sutelor de volți. În urma ionizării aerului sau gazului din interiorul camerei, la trecerea radiațiilor Rontgen, ionii formați sunt atrași de plăcile de polaritate opuse ale condensatorului (camerei) dând naștere unui curent electric.

Intensitatea curentului variază cu diferența de potențial aplicată (la aceeași intensitate de iradiere), caracteristicile I=I(U), prezentând peste o valoare a tensiunii aplicate, un palier și curentul luând o valoare de saturație (fig. 3.16).

Figura 2.7. Dependența intensității curentului de diferența de potențial

Camerele de ionizare lucrează în regim de saturație și permit măsurători absolute ale intensității radiațiilor Roentgen.

Dat fiind curentul de ionizare mic care apare în camerele de ionizare, se utilizează de multe ori o variantă perfecționată a acestora – contorii cu gaz (sau contorii Geiger-Müller), în care datorită tensiunii mai mari aplicate (400-1500V) și geometriei cilindrice a câmpului electric apare o amplificare internă apreciabilă, permițând sesizarea individuală a fotonilor Roentgen. Prin montaje electronice adecvate se poate face și numărarea acestora, permițându-se deci determinarea fluxului și a intensității fasciculelor de fotoni Roentgen.

Detectori de fluorescență.

Se bazează pe acțiunea de fluorescență a radiațiilor asupra unor substanțe. Acestea, depuse în straturi subțiri pe ecrane rigide, permit vizualizarea fasciculelor de radiații. Deoarece intensitatea luminescenței produse depinde de intensitatea radiației incidente, metoda permite investigarea calitativă a imaginilor unor subiecte străbătute de fascicule Roentgen.

Contrastul care apare pe imagine, datorită absorbției diferite produse de componente macroscopice distincte ale subiectului, permite o apreciere calitativă a structurii sale interne.

Aceste informații sunt de obicei suficiente în cazul unor investigații medicale ale țesuturilor și chiar în defectoscopia metalelor (unde însă această metodă este puțin folosită).

În sfârșit o variantă perfecționată, de mare sensibilitate a detectării prin fluorescența este detectorul cu scintilație.

Elementul de bază este tot o substanță care sub acțiunea radiațiilor Roentgen devine fluorescentă, dar care se prezintă sub formă de monocristal transparent. Luminiscența care apare nu mai este însă apreciată vizual, ci cu ajutorul fotomultiplicatorului; fotonii produși prin fluorescență produc efect fotoelectric iar electronii emiși alcătuiesc un curent care este amplificat în interiorul fotomultiplicatorului de un număr apreciabil de ori.

În aceste condiții este clar că pentru a se obține un curent amplificabil și măsurabil ulterior, este suficient un flux inițial de fotoni, foarte mic, existând chiar posibilitatea înregistrărilor individuale de fotoni Roentgen.

3.Fluorescența de raze x

3.1.Principiile fluorescenței de raze X

Fluorescența de raze X este o metodă nedistructivă folosită pentru determinarea calitativă și cantitativă a compoziției chimice elementare a unor probe cu un număr variabil de elemente.

Spre deosebire de celelalte metode de analiză bazate pe absorbția sau retroâmprăștierea radiațiilor g sau chiar și de analiza prin activare, fluorescența de raze X este o metodă universală de investigație în sensul că poate fi utilizată fără restricții la dozarea tuturor elementelor din tabelul periodic al căror număr de ordine este mai mare de 12, în situația în care pentru excitarea radiației de fluorescență se folosesc radiații X sau g moi. In cazul în care pentru excitarea radiației de fluorescență se folosesc particule încărcate (protoni, particule α) această limită poate fi mult redusă.

Caracteristic fluorescenței de raze X, ca de altfel și celorlalte metode nucleare de analiză, este independența acestora de natura combinațiilor chimice în care intră elementele analizate. Această particularitate este perfect explicabilă având în vedera faptul că enegia radiațiilor nucleare implicate în aceste procese este cu câteva ordine de mărime mai mare decât energia legăturilor chimice. Din acest punct de vedere, atât fluorescența de raze X cât și celelelte metode de analiză prezentate în lucrarea de față permit determinarea compoziției elementare a probelor studiate indiferent de combinațiile chimice ce intervin.

În cadrul fluorescenței de raze X identificarea și dozarea elementelor se realizează detectând radiația de fluorescență în domeniul razelor X moi emisă de acestea în urma excitării lor cu radiații X și φ, sau cu particule încărcate (electroni, protoni, particule α, etc).

Avantajul principial al utilizării radiației de fluorescență din domeniul razelor X constă în primul rând în simplitatea spectrului acestor radiații, spectru care nu depășește câteva linii în opoziție cu spectrele din domeniul optic ce pot conține și mii de linii spectrale. Al doilea avantaj al acestei metode este legat de enegia mare a radiațiilor X ceea ce pemite detectarea fotonilor individuali emiși de probă. Lucrul acesta se reflectă atât în scăderea semnificativă a timpului de măsură cât și în creșterea remarcabilă a sensibilității.

Confom legii lui Moseley, energia radiației de fluorescență depinde de numărul de ordine al elementului emițător după relația:

(3.1)

unde ε este energia radiației de fluorescență; a și b sunt două constante numerice (a = 0.874 , b = 1.13); R este constanta lui Rydberg.

Radiația de fluorescență X poate fi emisă prin trei mecanisme diferite, fiecare având ca rezultat crearea de vacanțe electronice pe păturile atomice profunde. Aceste mecanisme sunt: conversia internă, captura electronică, excitarea cu o radiație nucleară externă.

Primele două mecanisme fiind strict individualizate (se regăsesc la un număr restrâns de specii radioacive) sunt folosite la selectarea acelor izotopi cu ajutorul cărora se obțin surse radioactive de raze X moi în timp ce al treilea mecanism este utilizat la excitarea radiației de fluorescență folosită în scopuri analitice.

Radiația X de fluorescență este emisă în timpul tranzițiilor de dezexcitare ale electronilor pe păturile energetice profunde – K, L, M. Acest proces nu depinde de mecanismul prin care sunt creeate vacanțele electronice pe aceste pături. În cazul în care emisia radiației de fluorescență este determinată de o iradiere exterioară probei, energia radiației emise va fi evident mai mică decât energia radiației de excitare. În figura 5.1 este ilustrat modul în care este generată radiația de fluorescentă X.

Figura 3.1. Modul de notare al liniilor spectrale ale radiației de fluorescență. Prin linie spectrală se înțelege totalitatea radiațiilor ce sunt emise în urma tranziției între aceleași subnivele energetice distincte.

Nivelele ocupate de electroni în atom au energii bine determinate care diferă de la element la element, conform relației:

(3.2)

unde: Z – numărul atomic al elementului; R – constanta lui Rydberg; – constanta de ecranare; h – constanta lui Planck; n – numărul cuantic principal.

Când un electron aflat pe o anumită pătură, m, este expulzat sub acțiunea unei cuante cu energie suficientă, atomul se ionizează iar vacanța formată în pătura respectivă poate fi ocupată de un alt electron aflat pe una din păturile mai îndepărtate de nucleu, n. În conformitate cu legile conservării energiei, va fi emisă o cuantă cu o energie corespunzătoare diferenței dintre energiile nivelelor implicate, adică EX = En – Em. Pentru elementele cu număr atomic mai mare decât litiul, fotonul emis are o energie corespunzătoare domeniului radiațiilor X și se numește radiație X caracteristică sau de fluorescență.

Figura. 3.2 Schema simplificată a liniilor caracteristice

Fiecare orbită electronică este caracterizată prin trei numere cuantice: n, l, j. Nu toate tranzițiile între două nivele energetice disponibile sunt permise ci numai acelea guvernate de reguli de selecție furnizate de principiile teoriei cuantice și anume:

n 1; l = 1; j = 1 sau 0.

Nomenclatura radiațiilor X asociate acestor tranziții permise este însă nesistematică dar totuși se pot face câteva generalizări și anume: locul final al electronului transferat determină întotdeauna seria radiației asociate (K, L, M) iar cea mai intensă linie într-o serie dată se numește linie , liniile mai slabe numindu-se , , ș.a.m.d. În fig. 3.2 sunt redate schema nivelelor și a principalelor linii caracteristice din seriile K, L și M. Folosind expresia (3.1) pentru energia electronilor, obținem că în cazul tranziției electronului de pe una din pături pe o altă pătură, frecvența radiației emise se poate exprima prin relația:

(3.3)

unde m, r sunt constante de ecranare, aflate în relația m < r, pentru m < r. De exemplu, pentru prima linie din seria K (K=1):

(3. 4)

care se mai poate scrie și sub formă simplificată:

; a=const. sau în general (3.5)

și care se numește legea lui Moseley.

Raportul intensităților liniilor spectrale corespunzătoare tranzițiilor permise între două nivele este egal cu raportul ponderilor statistice ale celor două nivele; ponderea statistică w a unui suborbital caracterizat de numărul cuantic j este w=2j+1. În orice spectru de radiații X caracteristice linia Kα este mai intensă decât linia Kβ, raportul intensităților fiind aproximativ:

și

Cele mai intense sunt liniile din seria K și pentru elemente nu foarte grele dozarea acestora se face în raport cu acestea.

Deci, dacă o substanță este potrivit excitată, datorită faptului că intensitatea razelor X caracteristice de la fiecare nivel energetic depinde de concentrația elementului emițător și energia (frecvența) radiațiilor X este dependentă de numărul atomic Z, se poate efectua atât o analiză calitativă cât și una cantitativă.

Emisia radiației de fluorescență este, în cazul excitării cu o sursă de radiații X sau φ, dependentă în primul rând de numărul de ordine al elementului. Mărimea ce caracterizează intensitatea radiației de fluorescență emisă în acest mod este randamentul de fluorescență. Acesta este definit ca raportul dinte numărul de vacanțe de pe un anumit nivel care se dezexcită cu emisie de radiație de fluorescență și numărul total de vacanțe de pe acel nivel. Randamentul de fluorescență z este descris de următoarea relație semiempirică:; unde: Z – numărul de ordine al elementului emițător. (3.6)

În figura 3.3 este ilustrat modul în care randamentul de fluorescență depinde de numărului de ordine Z al elementului emițător.

Figura 3.3. Dependența randamentului de fluorescență de numărul de ordine al elementului emițător.

Radiația X de fluorescență este emisă în timpul tranzițiilor de dezexcitare ale electronilor pe păturile energetice profunde: K, L, M. Acest proces nu depinde de mecanismul prin care sunt create vacanțele electronice pe aceste pături.

În cazul în care emisia radiației de fluorescență este determinată de o iradiere exterioară probei, energia radiației emise va fi evident mai mică decât energia radiației de excitare. Conform legii lui Moseley, energia radiației FRX depinde de numărul de ordine al elementului emițător după o relație simplă:

unde: ε este energia radiației de fluorescență; a și b sunt două constante numerice ale căror valori depind de perioada tabelului periodic în care se află elementul considerat, R este constanta lui Rydberg (Tabelul 3.1).

Tabelul 3.1. Valorile numerice ale constantelor a și b

Pentru probe complexe, compuse dintr-un număr mare de elemente diferite, fluxul Ii al radiației FRX depinde neliniar de concentrațiile acestora:

Ii=kci(1+βci) (3.7)

unde: coeficienții k și β depind în mod complex de concentrațiile celorlalte elemente componente ale probei.

Dependența neliniară este datorată influențelor complexe exercitate de celelalte elemente ce intră in compoziția probei și care împreună alcătuiesc o matrice în care se află localizat elementul i ce urmează a fi dozat. Totalitatea acestor influențe este cunoscută sub numele de efecte de matrice a căror eliminare este destul de laborioasă, dar pentru care există proceduri atât fizice cât și proceduri legate de o procesare complexă a datelor experimentale privind fluxurile fotonilor FRX emiși de elementele constituente.

Intensitatea radiației de fluorescență

Una din problemele importante privind aplicațiile potențiale ale fluorescenței de raze X o constitue determinarea dependenței intensității radiației de fluorescență de concentrația elementului care o emite. Stabilirea unei corelații corecte intensitate – concentrație are o importanță crucială în utilizarea fluorescenței de raze X ca tehnică analitică.

Pentru aceasta se consideră o probă ce conține un număr n de elemente diferite, fiecare element având concentrația masică ci (i = 1 … n). Proba este iradiată cu o radiație X a cărei intensitate este I0 (intensitatea este definită ca reprezentănd numărul de fotoni emiși de sursâ în direcția probei). In urma iradierii, fiecare element din probă va emite o radiație de fluorescență a cărei energie va fi funcție de numărul său de ordine, în concordanță cu legea lui Mosley (3.1).

Deoarece coeficienții de atenuare masici atât pentru radiația incidentă cât și pentru cea de fluorescență sunt funcție atât de energia radiației cât și de numărul de ordine al elementelor ce alcătuiesc proba investigată, contribuția fiecăui element la procesul de propagare al acestor radiații prin probă va fi descris de doi coeficienți de atenuare masici corespunzători, într-o primă aproximație, acestor două radiații. Pentru simplificarea calculelor proba este presupusă plană, omogenă și având grosimea mult mai mare decât de grosimea de înjumătățire pentru radiația incidentă corespunzătoare elementului cu numărul de ordine cel mai mare.

Geometria de iradiere este cea prezentată în figura 3.4, unghiurile de incidență și de emegență al radiației de fluorescență nefiind obligatoriu egale. In același timp, deoarece energia radiației de fluorescență nu este funcție de geometria de măsură, detectorul de radiații trebuie ecranat numai față de acțiunea rediației de excitare.

Figura 3.4. Geometria de măsură tipică pentru fluorescența de raze X. S – Sursă; D – Detector. Grosimea probei investigate este considerată mai mare decât 6 / m, m fiind coeficientul liniar de atenuare al probei pentru radiația de excitare

Procesele fizice ce determină intensitatea radiației de fluorescență a elementului i sunt în principiu: absorbția (predominant prin efect fotoelectric) a radiației incidente; emisia radiației de fluorescență având energia ei; absorbția acestei radiații de către celelalte elemente din probă; emisia secundară a unei radiații de fluorescență de către celelalte elemente din probă având numărul de ordine mai mic decât cel al elementului i în urma absorbției radiației de fluorescență emisă de acesta.

Multitudinea acestor influențe reprezintă efectele de matrice a căror compensare sau eliminare reprezintă una din problemele prioritare ale fluorescenței de raze X.

Intensității radiației de fluorescență Ii corespunzătoare elementului i în final îi corespunde o viteză de numărare ri proporțională cu aceasta, factorul de proporționalitate depinzând de geometria de măsură, de tipul detectorului folosit ca și de energia ei a radiației de fluorescență.

3.2. Spectrometria radiațiilor X

Instrumentația necesară pentru efectuarea măsurătorilor spectroscopice de raze X cuprinde trei părți importante: unitatea sursei primare de excitație, spectrometrul și circuitele electronice de măsură (detecție).

Spectrometrul este un dispozitiv care descompune un fascicul policromatic de radiații X în radiațiile sale componente, proprietate care se numește dispersie. Dispersia se realizează fie după lungimea de undă, fie după energie iar spectrometrele de raze X pot fi cu dispersie după lungimea de undă (WDS – Wavelengh Dispersive Spectrometer) sau după energie (EDS – Energy Dispersive Spectrometer).

Spectrometre cu dispersie după lungimea de undă (WDS)

La baza dipersiei după lungimea de undă stă legea lui Bragg care precizează că dacă radiațiile X cu lungimea de undă cad pe un cristal, având distanța dintre planele cristaline d, sub un unghi de incidență față de suprafața cristalului, vor fi reflectate numai acelea care verifică ecuația lui Bragg:

(3.8)

n fiind ordinul de difracție. Astfel, dacă pe un cristal cade un fascicul de radiații având diferite lungimi de undă, numai aceea pentru care este satisfăcută relația (3.8) va fi reflectată.

Figura.3.5

Numeroase aranjamente geometrice au fost utilizate pentru spectrometrul de raze X, incluzând cristale analizoare plate, curbe sau logaritmice.

Un monocromator fixat are un cristal curbat și poate măsura lungimea de undă (elementul) pentru care a fost proiectat.

Un goniometru este un dispozitiv format dintr-un cerc metalic gradat, în centrul căruia există un sistem care susține și rotește cristalul analizor plat.

Spectrometrele fac parte din două categorii largi: secvențiale (cu baleiaj) și simultane (tip multicanal). În tipul secvențial, un singur spectrometru este baleiat într-un interval unghiular selectat printr-o mișcare continuă în cazul analizei calitative și printr-o mișcare discontinuă, între unghiurile specificate, pentru analiza cantitativă.

a b

Figura. 3.6. Spectrometre secvențiale (a) și multicanal (b)

În sistemul multicanal, mai multe (6 până la 30) spectrometre fixate sunt grupate în jurul probei supusă analizei, furnizând citiri simultane de la elementele pentru care a fost conceput fiecare dintre ele. Aceasta reprezintă și opțiunea firmei ARL (Applied Research Laboratories) în construcția quantometrelor destinate analizelor multielementale în laboratoarele industriale. În general se utilizează goniometrul ca spectrometru secvențial unde un singur cristal trebuie să dea optimum de performanță într-un interval relativ larg de lungimi de undă. Ca spectrometre multicanal se utilizează monocromatoarele deoarece cu cristale curbe se poate selecta geometria optimă pentru fiecare lungime de undă (menținând constant unghiul Bragg). Cele două aranjamente sunt ilustrate în fig. 3.6. a, b.

În cazul cristalului curb (figura 3.6.b) aranjamentul ideal este acela în care sursa S de raze X, cristalul și detectorul D se află toate pe circumferința unui cerc (R) numit “cercul Rowland”. Folosind un astfel de sistem de focalizare, numit Johansson, se asigură o cantitate mare de raze X care intră în spectrometru, deci și în detector, după difracția pe cristal. Pentru a măsura diversele lungimi de undă, cristalul se mișcă pe cercul (R) cu jumătate din viteza unghiulară a detectorului D.

În ambele tipuri de spectrometre axa fasciculului primar este fixată prin intermediul pozițiilor relative ale probei și a unui colimator primar, iar axa fasciculului difractat este determinată de un colimator secundar și detector. Rezultă că pentru lungimea de undă dorită, cristalul trebuie rotit cu un anumit unghi în timp ce brațul care susține detectorul se rotește cu 2 în scopul obținerii unghiului corect de reflexie (fig. 3.7.a,c). Sunt folosiți doi detectori: contorul proporțional cu circulație de gaz, care este cel mai sensibil în domeniul 2-20 Å și detectorul cu scintilație pentru domeniul 0,2-2Å. Cristalele analizoare cele mai utilizate sunt: LiF, Ge, SiO2, NaCl, InSb, mica, PET (pentaerythritol – C5H12O4), ADP (ammonium dihydrogen phosphate), EDdT (ethylene diamine d-tartrate), TAP (thallium acid phtalate – C8H5O4K), KAP (potassium acid phtalate), RAP (rubidium acid phtalate) și altele. Spectrul obținut cu un astfel de spectrometru reprezintă dependența intensității radiațiilor X caracteristice de unghiul 2. Pentru analiza calitativă sunt disponibile tabele standard pentru conversia lui 2 în lungimi de undă sau numere atomice.

Forma profilului unei linii spectrale este dependentă de câțiva factori dintre care cei mai importanți sunt divergențele permise de colimatorii primari și secundari și mozaicitatea cristalului analizor. Spre exemplu, presupunând o distribuție omogenă a intensității provenite de la probă, o singură pereche de lame ale colimatorului primar va da naștere la o distribuție a intensității radiațiilor difractate în formă de triunghi (fig. 3.7.b). Cum colimatorul este constituit din mai multe perechi de lame, profilul total este format din mai multe triunghiuri cu înălțime descrescătoare față de centrul profilului. Deci, lărgimea liniei spectrale este determinată de colimare și de structura mozaicată a cristalului analizor. În cazul acesta, pentru o combinație dată colimator-cristal, înălțimea picului este proporțională cu aria acestuia.

Aranjamentul instrumental tipic lucrului cu un spectrometru cu un cristal include pe lângă sursă (generatorul de tensiune înaltă și tubul de radiații X) și spectrometrul însuși (fig.3.7.c), dispozitivul de detecție și ieșire. Componentele esențiale care formează partea electronică de numărare sunt ilustrate schematic în fig. 5.8. Scopul lor este de a amplifica pulsurile de la detector și de a le converti în diverse semnale care pot fi folosite pentru măsurare și afișaj.

Figura. 3.7.a. Schema unui spectrometru WDS

Figura. 3.7.b. Forma profilului liniei spectrale în funcție de colimare

Sarcina colectată de firul anodic al contorului (cu gaz) este mai întâi stocată într-un condensator care trimite astfel un impuls de tensiune. Acest puls necesită o amplificare înainte de a fi mai departe prelucrat. Cea mai mare parte a amplificării (aprox. x1000) are loc în amplificatorul principal (A) dar se introduce un etaj intermediar, un preamplificator (PA), poziționat aproape de contor, pentru a menține un nivel redus de zgomot în sistem.

Figura. 5.7.c. Spectrometru cu cristal

Figura. 3.7.c. Spectrometru cu cristal

PA produce aproximativ 0,1 V pentru o pereche de ioni și un semnal de ieșire de câțiva mV pentru fiecare puls înregistrat în detector. Pe lângă mărirea semnalului de tensiune, amplificatorul are circuite de formare a pulsului în scopul scurtării pulsului și reducerii nivelelor de zgomot; la rândul său, raportul semnal-zgomot este mărit iar gradul de suprapunere a pulsurilor, care are loc la viteze de numărare mari, este redus. Constanta de timp a circuitului este aproximativ 1 s și produce pulsuri la ieșire având lărgimea de câteva s, suficient de scurte pentru a permite înregistrarea unor viteze de numărare de 105 puls/s, fără a fi create efecte serioase datorate timpului mort.

Analizorul de amplitudine a pulsurilor (PHA – Pulse Height Analyzer) are două funcții. În primul rând, convertește pulsurile de intrare într-o formă adecvată pentru activarea circuitelor de numărare (numărător sau vitezometru) iar în al doilea rând respinge pulsurile nedorite cum ar fi cele produse de radiații X, radiații cosmice, electroni, care intră în camera contorului. Discriminatorul acestui analizor prezintă un prag de joasă energie sub care pulsurile sunt înlăturate. De fiecare dată când pragul este depășit, un puls logic dreptunghiular este format și înregistrat de numărător/vitezometru. Lărgimea impulsului logic contribuie la timpul mort al sistemului electronic. Analizorul mai conține un nivel superior de discriminare astfel încât se poate utiliza o “fereastră” de lărgime reglabilă. În acest caz, numai acele impulsuri de intrare a căror amplitudine depășește nivelul inferior dar nu și pe cel superior vor genera un puls de ieșire.

O reprezentare schematică a comportării acestui etaj este dată în fig. 3.8 (partea inferioară) unde s-a notat nivelul superior (upper) cu EU și cel inferior (lower) cu EL; în acest exemplu EL = 5 V, EU = 7V iar pulsurile I și III sunt respinse.

Figura. 3.8. Dispozitivul de detecție

Și electronica de numărare

Reglajul ferestrei este util pentru suprimarea oricăror reflexii de ordin mai mare de la cristalul analizor. În general, o fereastră îngustă va da rapoarte pic-fond îmbunătățite deși se poate pierde din intensitatea picului. Spectrometrele moderne cu baleiaj au mijloace de aplicare automată a selecției după amplitudinea pulsului prin atenuarea pulsurilor cu un potențiometru sinusoidal cuplat cu goniometrul, astfel încât pot fi optimizate condițiile de analiză pentru fiecare pic.

Vitezometrul controlează continuu viteza cu care pulsurile părăsesc analizorul. Fiecare puls adaugă un supliment de sarcină unui condensator. Sarcina se scurge continuu printr-un rezistor și tensiunea pe condensator este determinată de vitezele relative de încărcare și descărcare și astfel este proporțională cu viteza de sosire a pulsurilor. Tensiunea poate fi controlată de un înregistrator cu peniță sau prin observarea deplasării spotului pe ecranul unui tub catodic.

Numărătorul înregistrează (numără) sosirea pulsurilor logice într-un interval de timp dat. Intervalul de timp este măsurat de un numărător separat (TIMER) care numără pulsurile generate de un ceas electronic (oscilator de înaltă frecvență). În mod uzual timpul este prestabilit iar numărul de pulsuri înregistrat pe un afișaj digital.

Pentru analizele cantitative dispozitivul de ieșire poate fi simplu display unde se afișează conținuturile numărătorului și TIMER-ului, o imprimantă sau interfața unui calculator, care poate la rândul său să prelucreze datele experimentale pentru a da direct concentrațiile elementelor din probă.

Spectrometre cu dispersie după energie (EDS)

În spectrometrele cu dispersie energetică, parametrul măsurat este mărimea pulsului de tensiune ce provine de la un detector cu semiconductori, aceasta fiind proporțională cu energia fotonului X detectat. Factorul critic în evaluarea puterii unui astfel de spectrometru de a separa o energie de alta este rezoluția sa, , care este legată de energia E printr-o ecuație de forma:

=(K1+K2)1/2 (3.9)

unde K1 depinde doar de zgomotul sistemului și K2 este legat de fluctuația statistică a diodei de Si(Li). Contrar spectrometrului cu cristal, rezoluția spectrometrului cu dispersie energetică se îmbunătățește cu descreșterea lungimii de undă ceea ce-l face util pentru lungimi de undă mai scurte. Figura 3.9 arată o reprezentare schematică a acestui tip de spectrometru EDS. Fasciculul policromatic de radiații de fluorescență ce provin de la probă, căzând pe detectorul cu semiconductori, va produce un “spectru” de pulsuri de tensiune care are o distribuție de amplitudini proporțională cu distribuția energetică a fasciculului policromatic incident.

Figura. 3.9. Spectrometru de tip EDS

Detectorul constă dintr-o diodă de Si (Li) și aceasta, împreună cu un preamplificator PA sensibil la sarcină (un FET) este răcită cu azot lichid. Pulsurile de la detector sunt apoi amplificate de amplificatorul A și analiza lor este efectuată de un analizor multicanal cuplat cu un convertor analog-digital ADC (Analogue-Digital Converter) sau de un calculator numeric programat adecvat. Analizorul multicanal este utilizat pentru separarea spectrului de nivele de tensiune în benzi înguste de tensiune permițând astfel măsurarea energiilor individuale. Utilizarea unui calculator ca analizor de spectre oferă avantajul folosirii acestuia și pentru prelucrarea ulterioară a datelor experimentale, incluzând conversia vitezelor de numărare corectate în concentrații și corecțiile pentru intensitățile radiațiilor X caracteristice.

Achiziția unui spectru energetic se face prin măsurarea amplitudinii semnalului fiecărui eveniment și convertirea lui într-un număr proporțional cu amplitudinea. Informația este stocată într-o memorie compusă din adrese individuale (canale) în felul următor: numărul proporțional cu amplitudinea reprezintă adresa canalului.

În prezent se lucrează uzual cu minicalculatoare cu interfață de analizor multicanal și este convenabil să se stocheze spectrul în memoria calculatorului. Spectrul este afișat pe ecranul unui tub catodic ca o histogramă a numărului de pulsuri pe canal în funcție de numărul canalului (energie). Scalele orizontale și verticale pot fi expandate pentru a facilita explorarea detaliilor fine. De asemenea, ca dispozitiv de ieșire se poate utiliza și o imprimantă.

Funcția unui detector este convertirea energiilor fotonilor X în pulsuri de tensiune care pot fi numărate reprezentând astfel o măsură a fluxului total de radiații X .

Toate sistemele de detecție utilizate în spectrometrele moderne de radiații X sunt detectori proporționali. Într-un detector proporțional energia fotonului X incident determină mărimea pulsului de tensiune produs de detector. Această caracteristică permite efectuarea unei forme de discriminare a tensiunii, numită selecția după înălțimea pulsului, care permite trecerea unor pulsuri de tensiune într-o bandă îngustă, selectabilă, spre circuitul de numărare favorizând eliminarea pulsurilor ce provin de la fotoni nedoriți.

Trei tipuri de detectori se folosesc în mod uzual: contorul proporțional cu circulație de gaz; detectorul cu scintilație și detectorul cu semiconductori. Primele două tipuri se utilizează în spectrometrele cu cristal unde se face uz de caracteristicile de proporționalitate pentru eliminarea reflexiilor de ordin superior (armonice) prin selecția după amplitudinea pulsului. Detectorul cu semiconductori are o rezoluție energetică bună și este folosit în spectrometrele cu dispersie energetică.

3.3. Analiza FRX calitativă și cantitativă

Analiza calitativă

Spectrometria de radiații X este adecvată în particular analizei calitative deoarece această tehnică este rapidă și aproape nedistructivă iar semnalele măsurabile se pot obține de la câteva miligrame de probă. Spectrele de radiații X sunt relativ simplu de interpretat iar în cazul spectrometrelor cu cristal există o mică șansă de apariție a erorilor de interpretare grosieră când concentrațiile elementelor depășesc câteva zeci de procente. Sub acest nivel de concentrație există o probabilitate mai mare de interferență spectrală din partea elementelor cu un nivel mai mare de concentrație dar, chiar și așa, în condiții favorabile, semnalele măsurabile pot fi obținute de la elemente aflate în concentrații de ordinul ppm (10-6 g/g).

Înregistrarea spectrelor se face astfel încât să fie acoperit intervalul de energii sau de lungimi de undă necesar, atât din punctul de vedere al excitării cât și al detecției. Spectrele K au în general distribuții similare ale liniilor pentru toate numerele atomice, exceptând lungimile de undă foarte mari, unde există linii satelite sau unde începe formarea spectrelor de benzi. Astfel, dacă este pusă sub semnul întrebării prezența unui element, datorită posibilei identificări a unei linii K, trebuie să fie, de asemenea, prezentă și linia corespunzătoare (mai slabă) K. Dacă linia K nu poate fi confirmată datorită unei linii ce interferă, este posibil ca o linie a seriei K de ordinul 2 sau 3 să fie folosită pentru confirmarea prezenței unui element. Încercările de identificare a unui element cu ajutorul unei singure linii sunt neconcludente, în special în regiunea lungimilor de undă scurte, unde spectrele K sunt aglomerate. O situație similară are loc pentru spectrele L unde prezența unei linii L presupune, de asemenea, existența liniilor L și L.

Identificarea liniilor se face utilizând tabele pentru conversia lui 2 în lungimi de undă și/sau numere atomice, în cazul spectrometrului cu cristal (WDS) și tabele ce leagă energia fotonului X de numărul atomic pentru spectrometrul cu dispersie energetică (EDS). Un aspect important în analiza calitativă îl constituie interferența liniilor spectrale în cazul probelor complexe.

Efecte de matrice

Intensitatea radiațiilor X de fluorescență de la un anumit element într-o probă omogenă depinde practic de prezența tuturor elementelor din probă; aceasta poartă numele de efect de matrice” și reprezintă una din principalele erori sistematice în analiza cantitativă.

Influența elementelor matricii (probei) asupra analizei unui element se concretizează în: a) interferența (suprapunerea) liniilor spectrale;

b) absorbția sau intensificarea radiațiilor X ale elementului analizat de către celelalte elemente.

Un alt efect este efectul celui de al treilea element” sau fluorescența terțiară și are loc atunci când radiația primară excită un element B („al treilea”) care excită la rândul lui un al doilea element” A” care, ca mai înainte, excită elementul i (fig. 3.10.b).

a. b.

Figura. 3.10.

Condiția pentru ca acest efect să se producă este ca λB<λA<λi. Spre exemplu, în oțeluri inoxidabile (sistemul Cr-Fe-Ni) lungimile de undă pentru respectivele linii Kα sunt 2,29; 1,94; 1,66 Å și crestele K de absorbție 2,07; 1,74; 1,49 Å. Astfel, Ni-Kα excită Fe și Cr iar Fe-Kα excită cromul.

Analiza cantitativă

În analiza spectrometrică cantitativă de fluorescență a radiațiilor X se măsoară intensitatea liniei spectrale emise de elementul investigat care este utilizată pentru determinarea concentrației acestuia.

În cazul excitării cu fotoni proveniți de la un tub sau de la un radioizotop, intensitatea radiațiilor emise este afectată de :

distribuția spectrală a fasciculului incident;

absorbția radiației primare de către element și matrice ;

probabilitatea excitării și randamentul de fluorescență;

absorbția liniei analitice de către element și matrice;

geometria aleasă pentru spectrometrul de raze X.

Procesul excitării secundare a liniei analitice este cel mai ușor de înțeles în cazul unui fascicul primar monocromatic. Deducerea ecuațiilor fundamentale se face în ipoteza probelor omogene, cu suprafața netedă, a

fasciculelor primare colimate și în absența efectelor de împrăștiere multiplă și amplificare. În fig. 3.11 se consideră un strat infinitezimal de grosime dx, la adâncimea x în proba de densitate . Unghiul de incidență al fasciculului primar este iar unghiul de emergență al fasciculului secundar .

Figura. 3.11.

Pentru o probă complexă, coeficientul total de atenuare al radiațiilor X este dat de relația:

(3.10)

unde ci este concentrația constituentului i în probă iar i – coeficientul de absorbție al constituentului i pentru radiația X considerată.

Coeficientul masic de absorbție al probei este:

(3.11)

Dacă linia analitică este excitată cu un fascicul de radiații X policromatic este necesară considerarea tuturor lungimilor de undă incidente, aflate între limita λmin și creasta de absorbție λa asociată liniei analitice.

Pentru determinări cantitative se utilizează valorile tabelate ale randamentului de fluorescență, ale raportului de ramificație (probabilității relative de tranziție), iar pentru saltul secțiunii eficace de absorbție pentru crestele K și L se pot folosi valorile tabelate sau formulele empirice:

și

Ariile picurilor pot fi integrate manual sau automat. În cazul picurilor Kα și Kβ suprapuse, se corectează contribuția unei linii particulare Kβ (Z) la aria liniei Kα a elementului cu numărul atomic Z+1 sau Z+2 utilizând raportul intensităților liniilor respective pentru un element, determinat experimental sau tabelat.

Cea mai comodă metodă de determinare a concentrației unui element A într-o probă este metoda relativă în care se utilizează un standard (etalon) cu compoziție matriceală asemănătoare, care conține elementul A în concentrație csA și este excitat identic cu proba iar radiația X caracteristică de la elementul A este detectată în aceleași condiții pentru probă și pentru standard.

În acest fel raportul ariilor picurilor respective în spectrele energetice este egal cu raportul concentrațiilor elementului analizat A în probă și în standard, rezultând:

;

unde: SA este aria picului provenit de la elementul A, exprimată în pulsuri/s, εA este eficacitatea detectorului pentru radiația X caracteristică de la elementul A, tA este transmisia radiației X caracteristice prin aer și prin fereastra detectorului , este cantitatea de radiație caracteristică (exprimată în termeni de eficiență totală a excitării) pentru un element A.

În afară de compoziția matricei, standardele trebuie să fie similare cu probele în ceea ce privește: forma fizică (soluție, praf, solid, pe suporturi din mylar, hârtie de filtru etc), concentrația elementului care trebuie dozat, caracteristicile fizice cum ar fi: finisarea suprafeței, mărimea grăuntelui, densitatea de împachetare etc.

Surse de excitare folosite în fluorescența de raze X

Pentru excitarea emisiei radiației de fluorescență pot fi folosite o multitudine de surse izotopice sau instrumentale. Rezultate bune au fost raportate privind utilizarea surselor izotopice de radiații a, b sau g moi. Totuși, cea mai adecvată sursă de excitare pentru acest tip de măsurători o constituie tubul de raze X datorită în primul rând intensității mari a rdiației emise de acesta.

Tabelul 3.2 Caracteristicile principale ale surselor izotopice folosite pentru excitarea emisiei radiației X de fluorescență.

Deoarece, așa cum s-a arătat anterior, fluorescența de raze X este o metodă se analiză de suprafață, este evident că sursele de radiații folosite vor trebui să aibă o geometrie adecvată, în sensul de a prezenta o suprafață cât mai mare, preferabil de același ordin de mărime cu cel al suprafeței probei.

Sursele de radiații α sunt folosite pentru excitarea radiației de fluorescență a elementelor ușoare având numărul de ordine mai mic de 12 dar datorită scăderii pronunțate a randamentului de fluorescență cu numărul de ordine practic se folosesc pentru elementele cuprinse între oxigen (Z=8) și clor (Z=19). Tot o dată, atenuarea puternică a radiației α în aer implică utilizarea incintelor vidate pentru iradiere, lucru care atrage după sine anumite dificultăți în realizarea instalațiilor de măsură.

Sursele de radiații β sunt folosite cu succes pentru excitarea radiației de fluorescență a elementelor având numerele de ordine superioare argonului, elemente pentru care randamentul de fluorescență este sensibil mai mare ca zero. Excitarea prin iradierea cu radiații β se face atât prin interacția directă a electronilor cât și prin intermediul radiației X de frânare generată de aceștia atât în probă cât și în suportul sursei. Tot în categoria surselor de radiații β între cei câțiva emițători β+ activi pentru care captura electronică este de 100 %, radiația X caracteristică fiind de fapt sursa efectivă de excitare.

Sursele de radiații X și y moi sunt folosite pentru excitarea radiației de fluorescență e elementelor medii și grele. Deoarece marea majoritate a acestor surse sunt și β active, spectrul energetic al radiațiilor emise va consta dintr-o suprapunere de radiații X de frânare, radiații X caracteristice și radiații y moi.

În tabelul 3.2 sunt prezentate caracteristicile celor mai importante surse izotopice folosite pentru excitarea radiației de fluorescență X.

3.4. Aparatura folosită pentru analiza prin fluorescență de raze X

Fluorescența de raze X este una din metodele nucleare de investigație curent folosită în multe ramuri industriale printre care industria metalurgică, industria minieră și cea petrochimică. Până la ora actuală, la realizarea aparaturii de uz industrial ca și celei pentru cercetare se întâlnesc două tendințe constructive distincte, ambele având însă ca scop dozarea simultană a unui număr cât mai mare de elemente dintr-o probă dată.

Din prima categorie de aparate fac parte cele ce folosesc pentru excitarea radiației de fluorescență un tub de raze X cu anod de suprafață mare iar pentru analiza energetică a radiației de fluorescență emise de probă cristale curbe din fluorură de litiu sau din alte materiale cu număr de ordine mic astfel încăt să nu emită o radiație de fluorescență parazită. In urma difracției Bragg, cu ajutorul acestor dispozitive sunt selectate, prin alegerea corespunzătoare a unghiurilor de incidență numai acele radiații X ce corespund elementelor căutate. In felul acesta, practic pot fi analizate simultan un număr de elemente egel cu numărul de cristale analizatoare existente în aparat. În tabelul 3.3 sunt reproduse câteva din caracteristicile materialelor folosite pentru construcția cristalelor curbe analizoare.

Tabelul 3.3. Caracteristicile unora din cristalale analizoare folosite în analiza dispersivă a radiațiilor X de fluorescență.

PET – penta – erithral ; BFT – biftalat de taliu

Radiația de fluorescență, o dată selectată în acest mod, este detectată folosind fie contoare proporționale cu gaz pentru radiațiile de enegie mică fie cristale scintilatoare de NaI(Tl) subțiri pentru radiația de energie mare. Din păcate, în situația în care se dorește analizarea altor elemente decât cele pentru care sunt orientate cristalele analizoare, este necesară reorientarea lor la alte valori ale unghiurilor de difracție corespunzătoare noilor elemente urmată de etalonarea întregului dispozitiv, ceea ce reduce întrucâtva din versatilitatea instalației.

Semnalele electrice produse de detectori sunt apoi amplificate și colectate printr-o interfață de un calculator unde are loc prelucrarea lor folosind un program adecvat pentru eliminarea efectelor de matrice. In final sunt indicate concentrațiile elementelor analizate din probă.

Aparatura din această categorie a cărei schemă generală este reprodusă în figura 3.14 are avantajul unei mai mari simplități în exploatare fiind adecvată măsurătorilor în serie mare. De altfel industriile metalurgice și cea a materialelor de construcție (ciment, ceramică) sunt principalii utilizatori ale acestor instalații.

A doua categorie de aparatură folosită la analize de probe complexe este mult mai versatilă utilizând ca sistem de detecție și analiză energetică un detector cu semiconductori pentre radiația X. Acesta poate fi un detector Si(Li) sau HPG special pentru energii joase cuplat cu un amplificator spectroscopic și un Convertor Analog – Digital (CAD), toate conectate la un calculator PC.

Figura 3.14 Schema bloc a unei instalații pentru analize de rutină prin fluorescență de raze X. Proba (1) se află fixată pe un suport rotitor (2) penru a media efectele datorare neomogenităților acesteia. Radiația X de excitare emisă de anodul (3) tubului de raze X (4) cade pe probă excitând radiația de fluorescență a elementelor ce intră în compoziția sa. După emisie, această radiație este analizată prin difracție pe cristale curbe de LIF (5) si detectată folosind fie contoare proporționale cu gaz (6), fie cristale subțiri de NaI(Tl) (7) cuplate optic cu fotomultiplicatori (8). Semnalele electrice produse de acești detectori sunt colectate după amplificare (9) de o interfață (10) și trimese printr-o magistrală de date la un calculator (11) unde are loc prelucrarea finală a acestora și afișarea pe o imprimantă (12) a rezultatelor finale. Intreg ansamblul compus din sursa de raze X, probe, cristale analizoare și detectori se află în interiorul unei incinte vidate (13).Detectorii sunt alimentați cu tensiune înaltă de la Surse de Iînaltă Tensiune (SIT) iar semnalele produse de aceștia înainte de a ajunge la amplificatoarele (9) sunt preamplificate prin intermediul unor Preamplificatoare (PA).

Specific acestui tip de instalații este utilizarea pentru excitarea radiației de fluorescență numai a unor surse izotopice de raze X sau g moi având o formă inelară și fiind dispuse în jurul detectorului. În figura 3.15 este reprodusă schema bloc a unui astfel de instalații de măsură.

Datorită excelentei rezoluții energetice a detectorilor cu semiconductori poate fi pusă în evidență radiația de fluorescență a tuturor elementelor având numărul de ordine mai mare de 12. Utilizarea calculatorului electronic face posibilă prelucrarea automată a spectrelor de fluorescență ca și efectuarea calculelelor necesare eliminării efectelor de matrice.

Această categorie de dispozitive de măsură prezintă avantajul unei mari flexibilități în exploatare putând fi folosite fără nici un fel de pregătire prealabilă la analiza unei mari diversități de probe.

Singurul dezavantaj, relativ minor de altfel, al acestui tip de aparatură constă în necesitatea utilizării azotului lichid la răcirea detectorilor cu semiconductori, lucru care poate creea unele probleme legate de stocarea și manipularea acestuia.

Indiferent de tipul aparatului folosit, fluorescența de raze X este una din metodele cela mai versatile de analiză elementară și cu toate inconvenientele legate de eliminarea efectelelor de matrice rămâne alături de analiza prin activare una din aplicațiile analitice majore ale radiațiilor nucleare.

Figura 3.15. Schema bloc a unui spectrometru folosit pentru analize prin fluorescență de raze X folosind detectori cu semiconductori. Proba (1) este fixată deasupra sursei izotopice de formă inelară (2) ce înconjoară detectorului (3). Acesta este fixat pe un conductor termic (4) din cupru scufundat permanent în azot lichid (5) păstrat într-un vas Dewar metalic (6). Semnalele electrice produse de detector sunt amplificate de un amplificator spectroscopic (7). convertite în semnale digitale de un convertor analog – digital (8) și apoi prelucrate de un calculator PC (9).' Detectorul este alimentat cu tensiune înaltă stabilizată de la Sursa de Inaltă Tensiune iar semnalul produs de detector este preamplificat de Preamplificatorul sensibil la sarcină (PA).

3.5.Prepararea probelor pentru a fi analizate prin fluorescență de raze X

Fluorescența de raze X folosind radiația X caracteristică a cărei energie, chiar și pentru elementele grele nu depășește 100 KeV este de fapt o metodă de analiză ce se limitează la zonele superficiale ale probelor. Astfel, pentru radiația de fluorescență a fierului adâncimea de saturație este de de circa 20 m, radiația produsă la o adâncime mai mare neputând să mai ajungă la suprafața probei pentru a fi detectată. Fiind deci o metodă de analiză superficială, atât precizia cât și reproductibilitatea rezultatelor vor fi puternic înfluențate de modul în care se prezintă suprafața probelor. Experimental a fost observată o scădere a intensității radiației de fluorescență o dată cu creșterea dimensiunilor granulelor din probă. In același timp, pentru probele având o structură granulară neomogenă, rezultatele experimentale privind dozarea diferitelor elemente prin fluorescență de raze X prezintă fluctuații importante chiar și pentru zone diferite aparținând aceleiași probe.

Din aceste motive modul de preparare al suprafețelor probelor ce urmează a fi măsurate joacă un rol crucial în obținerea unor măsurători de calitate. Metodele utilizate în mod curent pentru prepararea probelor au ca scop și reducerea pe cât posibil a influenței granulației și neomogenităților suprafețelor acestora.

Cea mai simplă metodă de preparare constă în polisarea fină a suprafețelor probelor astfel încât rugozitățile să nu depășească 5 – 10 m. Metoda aceasta este folosită pentru probele metalice sau geologice.

În situația în care, din diferite cauze, probele investigate sunt în stare pulverulentă, atunci este recomandată cernerea lor pentru a selecta fracțiunea granulometrică avănd dimensiunea mai mică de 10 m. după care fracțiunea astfel selectată este amestecată cu un liant inert (stiren sau metaacrilat de metil) până la omogenizarea completă. După ce probele astfel preparate sunt menținute un anumit timp la o temperatură ridicată pentru polimerizarea liantului, acestea sunt comprimate folosind o presă hidraulică. Se obțin în final, folosind acest mod de preparare, probe extrem de omogene a căror suprafață este suficient de netedă pentru a nu influența negativ precizia determinărilor.

Modul cel mai adecvat pentru obținerea unor probe de bună calitate constă însă în vitrificarea acestora. Conform acestei proceduri, materialele ce trebuiesc investigate sunt sfărâmate, amestecate cu o anumită cantitate de tetraborat de litiu după care amestecul astfel obținut este încălzit până la o temperatură la care toate componentele fuzionează formând o masâ de sticlă perfect omogenă. După răcire, suprafața probei astfel formată este fin polisată după care poate fi măsurată. Acest mod de preparare prezintă și avantajul suplimentar de a reduce efectele de matrice ca o consecință a diluării suplimentare a probelor prin intermediul tetraboratului de litiu.

Efectele legate de neomogenitățile probelor sau de rugozițățile suprafeței dispar complet în cazul folosirii probelor lichide, însă lucrul acesta nu este totdeauna posibil.

3.6.Aplicații ale fluorescenței de raze X

În cazul excitării fluorescenței de raze X (FRX) cu surse radioactive, numeroase aplicații industriale s-au îndreptat asupra determinării unor elemente diverse în: minereuri (Fe, Ca, Cu, lantanide, Mg, Al, Si, Zn, Sn, Sb, Au, Ag), concentrate (Zr, Zn, Mo), nisipuri (Zr, Fe), aliaje, oțeluri aliate și inoxidabile (Cr, Mn, Mo, Nb, Pb, V, Ti, W, Si, Zn, Fe), materiale de construcție (Mg, Al, Si), cimenturi (Ca, Al, Fe), aer (Ar, K, Cl) și gaze de furnal (SO2, HCl, Cl2) etc.

Aplicarea metodei FRX pentru determinări în serie, executate continuu, se efectuează prin intermediul spectrometrelor automate cu tub Röentgen aflate în dotarea laboratoarelor rapide care deservesc diferite secții industriale. În industria siderurgică acestea se utilizează curent pentru dozarea elementelor din oțeluri, fonte, zguri, minereuri, feroaliaje și alte materiale de adaos precum și pentru controlul producției din fabricile de îmbogățire a minereurilor de fier.

Tehnica FRX se aplică pe plan național pe scară tot mai largă în industria metalurgică atât la analiza materiilor prime și a materialelor nemetalice (fondanți, zguri, materiale refractare) cât și la analiza unor materiale metalice cu conținuturi ridicate ale unora din componenți. În aceste cazuri FRX prezintă avantaje nete față de metodele spectrale oferind o precizie superioară în domeniul analitic al concentrațiilor mari și o operativitate mai ridicată în analiza materialelor sub formă de pulberi ca urmare a eliminării, în unele cazuri, a unor operații (pastilare, topire cu fondanți) indispensabile pentru pregătirea materialului în vederea efectuării analizei spectrale.

Metoda FRX prezintă avantaje și față de metoda de analiză chimică, pe cale umedă, cum ar fi: timp foarte scurt de analiză, reproductibilitate superioară a valorilor măsurate, influență redusă a neomogenităților structurale și segregațiilor deoarece se iradiază întreaga suprafață a probei.

FRX se poate aplica pentru analiza elementelor majore, minore și urmă în probe: minereuri, probe geologice, minerale și roci, sedimente, monede antice și medievale, aliaje, probe criminalistice, bijuterii, produse alimentare, probe arheologice, ceramică, piese de artă, picturi etc.

Figura 3.17. Spectrometru FRX

4. Elemente de radioprotecție

4.1. Efectele radiațiilor nucleare asupra substanței vii

Considerații generale

Procesele de interacțiune cu substanța vie nu diferă în esență de cele cu substanțe nevii, precum: excitarea, ionizarea, deplasarea atomilor, disocierea moleculei, dar diferă de acestea datorită naturii și proceselor biologice care au loc în substanța vie.

Radiațiile penetrante pot acționa asupra substaței vii în trei moduri:

prin acțiune directă,

prin acțiune indirectă,

prin acțiune la distanță.

Acțiunea directă apare ca urmare a excitărilor și ionizărilor în celula vie și determină ruperea legăturilor chimice ceea ce conduce la distrugerea parțială sau totală a funcțiilor țesuturilor în organism, și implicit la perturbații funcționale care lezează macromoleculele importante: proteine și aminoacizi.

Acțiunea indirectă conduce la apariția altor elemente chimice în urma proceselor radiochimice. Astfel, apa din țesuturi este ionizată, iar produsele de descompunere (ioni, radicali liberi etc.) devin agenți reducători sau oxidanți pentru moleculele din substanța vie.

Acțiunea la distanță provoacă răspândirea toxinelor radioactive și în zone neiradiate, contaminând radioactiv aceste zone.

Apar două tipuri de efecte biologice:

efecte somatice,

efecte genetice.

Efectele somatice apar la individul iradiat sub formă de leziuni ale pielii, modificări ale compoziției sângelui, degradări ale oaselor, degradarea sistemului nervos, neoplasme etc.

Efectele genetice apar la generațiile următoare individului iradiat prin modificări ale codului genetic precum: malformații, aberații cromozomiale, deficiență mintală etc.

Efectul produs de radiațiile penetrante depinde de energia și intensitatea acestora, de timpul de expunere, dar și de sensibilitatea individului sau radiosensibilitatea sa.

Radiosensibilitatea este proprietatea celulelor, țesuturilor sau organelor de a răspunde prin modificări morfologice și funcționale, diferențiate calitativ și cantitativ în funcție de mărimea iradierii. Cele mai radiosensibile sunt celulele în fază de înmulțire.

Efectivitatea biologică este determinată de nivelul valorii energiei absorbite prin procese de iradiere, necesară pentru a produce un anumit efect biologic.

Astfel, particulele care produc ionizare liniară mare, precum protonii, conduc la efecte biologice mai puternice decât particulele care produc ionizare liniară mai mică, precum electronii.

4.2.Protecția contra radiației ionizante

Protecția contra radiațiilor, cunoscută și sub numele de radioprotecție, este știința de protecție a populației și a mediului înconjurător împotriva efectelor nocive ale radiației ionizante, care include atât radiația cu particule cât și radiația electromagnetică de înaltă energie. Ea include: radioprotecția la locul de muncă a lucrătorilor, radioprotecția medicală a pacienților și radioprotecția publicului, atât a fiecărui cetățean în parte cât și a populației în întregul său.

Există trei principii de bază în protecția contra radiațiilor: principiul timpului, al distanței și cel al ecranării. Expunerea la radiații poate fi manageriată prin utilizarea uneia sau a mai multora dintre următoarele măsuri:

-reducerea timpului de expunere micșorează în mod proporțional doza efectivă: de exemplu, se reduce timpul de manipulare a sursei radioactive;

-creșterea distanței reduce doza datorită legii pătratice inverse: de exemplu, folosirea unui clește conduce la creșterea distanței față de sursă, comparativ cu situația manipulării direct cu mâna;

-utilizarea de ecrane adiționale poate reduce semnificativ doza de radiații: în cazul radiațiilor X, mortarul de pe pereții camerelor în care se află surse de raze X conține sulfat de bariu, iar operatorii stau în fața unei ecran din sticlă cu plumb și poartă șorțuri cu plumb; în cazul radiațiilor gamma și al razelor X, aproape orice material poate fi folosit ca ecran dacă are grosime suficientă.

Simbolul de bază al radioactivității

Din punct de vedere practic, protecția contra radiațiilor tinde să devină o profesie care, analizând cele trei principii, să se dedice identificării soluțiilor cu costuri eficiente.

În unele cazuri, ecranările improprii pot înrăutăți situația, mai ales când interacțiunea radiației cu materialul ecranului poate conduce la apariția unor radiații secundare care sunt absorbite de organism mult mai rapid.

Prin urmare, radiații ionizante diferite vor trebui să fie contracarate prin măsuri și tehnici de ecranare diferite.

Partea a II-a

Rezultate și discuții

5. Analiza comparativă a probelor de zgură

Analiza probelor de zgură are un rol important pentru menținerea standardelor de calitate. Analiza prin spectrometria de fluorescență cu radiații X este considerată ca fiind una dintre cele mai evoluate metode instrumentale de stabilire a compoziției chimice a unei probe.

Fluorescența de raze X este o metodă nedistructivă folosită pentru determinare calitativă și cantitativă a compoziției chimice elementare a unor probe cu un număr variabil de elemente.

Fluorescența de raze X este o metodă universală de investigație în sensul că poate fi utilizată fără restricții la dozarea tuturor elementelor din tabelul periodic al căror număr de ordine este mai mare de 12, în situația în care pentru excitarea radiației de fluorescență se folosesc radiații X sau y moi.

Compoziția chimică și caracteristicile fizice ale zgurii au un rol important în conducerea proceselor din furnal, favorizând desfășurarea reacțiilor de reducere, fiind un regulator al stării termice al furnalului prin reglarea transmisiei de căldură spre baia metalică.

Zgura de furnal este un produs secundar care rezultă prin topirea compușilor chimici din sterilul minereurilor, din cenușa cocsului și a cărbunelui injectat și din fondanți.

În compoziția zgurilor intră totalitatea oxizilor nereductibili, precum și diferite combinații ale metalelor cu sulful.

Zgura contribuie la îndepărtarea în principal a sulfului și altor elemente dăunătoare calității fontei.

La un regim termic normal, zgura lichidă este caldă și fluidă, deschisă la culoare (are o culoare galben deschis) și conține o cantitate apreciabilă de gaze care se vor degaja intens la curgerea pe jgheab.

O zgură rece nu degajă gaze, este mai puțin luminoasă, devine vâscoasă, curge încet și se răcește foarte repede, de cele mai multe ori blocând jgheaburile.

Zgurile reci curg, au o culoare roșiatică mai închisă, conțin peste 1,5% FeO și ca urmare proba solidificată are culoare neagră.

Vâscozitatea se exprimă prin coeficientul de frecare interioară și reprezintă rezistența la curgere generată de frecările interne care apar între diferite straturi infinitezimale care se deplasează cu viteze diferite unul față de altul. Vâscozitatea zgurii se măsoară în Poise (p =1g/cm s).

Principalii factori care influențează vâscozitatea zgurilor sunt temperatura și compoziția chimică a acestora. Zgurile acide au vâscozitate mai mare decât zgurile bazice în aceleași condiții de temperatură.

Mecanismele formării zgurilor de furnal

Toți oxizii care nu se reduc în cadrul proceselor din furnal formează zgura. Acești oxizi sunt oxizi ai siliciului, calciului, mangalului, aluminiului, magneziului, în cantități mai mici oxizii feroși și chiar de vanadiu. În zgură trec, de asemenea, sulfuri ale oxizilor metalici. Fierul care se reduce în masura cea mai mare, precum și manganul care se reduce și trece în fontă în proporție de 45-75%, în funcție de regimul termic al zonei inferioare a furnalului, se regăsesc în cantități mai mici în zgură.

Principalii componenți ai zgurilor de furnal și de a căror proporție depind in mare masură proprietățile acestora sunt: SiO, CaO, AlO și MgO. Dintre aceștia, Si se reduce în cantități relativ mici și se regăsește în fontă, ceilalți componenți nereductibili se regăsesc in totalitate în zgură.

Ca loc de formare, în furnal, zgurile încep să apară încă din zonele în care materialele în coborâre se află în stare solidă, în apropierea zonelor de plastefiere a bucăților de material, deci o dată cu dezvoltarea intensă a proceselor de reducere indirectă.

Începând cu prima apariție a zgurilor din faza solidă a minereurilor și până la definitivarea acestora în creuzetul furnalului, compoziția chimică se modifică în permanență. După compoziția chimică și nivelele la care zgurile se regăsesc, literatura de specialitate le departajează după cum urmează:

Zguri primare, în care intră o importantă cantitate de oxizi feroși rezultați din reducerea indirectă a oxizilor superiori. Pot apărea, în funcție de poziția zonei coezive, chiar la câțiva metri sub nivelul de încărcare și se regăsesc până sub partea inferioară a cuvei furnalului;

Zguri intermediare, caracterizate prin scăderea oxizilor feroși ca urmare a reducerii fierului din zgurile primare și intrării în reacție a CaO cu formarea silicaților de calciu mult mai stabili decât silicații feroși;

Zgurile finale, în care se includ restul de oxizi nereductibili aduși fie de încărcătura metalică, fie de cenușa cocsului, precum și definitivarea reacțiilor de desulfurare.

Probele de zgură

Prelevarea probelor de zgură se execută după minim 5 minute de la apariție zgurii inferioare, fiind respectate aceleași prescripții privind timpii, momentul și locul prelevării probelor de fontă.

În timpul evacuării zgurii superioare se pot preleva probe de aspect pentru aprecierea calității.

Prelucrarea probei de aspect a zgurii constă în sfărâmarea simplă a probei de zgură, urmată de preluarea unor bucăți semnificative, aceasta pentru a da unele indicații asupra bazicității și a regimului termic al furnalului.

Partea experimentală

Analiza spectrală e o analiză de suprafață și de aceea suprafața analizată trebuie să fie reprezentativă pentru toată proba respectivă.

În încăperile laboratorului sunt asigurate condițiile tehnice și de mediu necesare activității de pregătire a probelor.

Factorii care joacă un rol important în corectitudinea analizei și depind de modul de pregatire al probelor sunt :

-starea suprafeței și, în general, geometria suprafeței; prezența neuniformităților modifică lungimea traiectoriei radiației în eșantion.

-omogenitatea eșantionului, suprafața eșantionului trebuie să fie omogenă, fără segregații la suprafață sau în profunzime.

-efectul mineralogic datorat structurii cristaline a materialului.

Pentru înlăturarea efectului mineralogic și pentru a atenua efectul de matrice care apare la analiza spectrală, în special la minereuri, se folosește metoda prin topire.

Când efectul de matrice afectează mult analiza, se poate adăuga în probă un element greu, ca tampon pentru matrice (pentaoxid de vanadiu, oxid de lantan). Pentru desprinderea mai ușoară a probei de pe forma de turnare se adaugă bromura de litiu sau iodura de potasiu.

Modul de lucru

1.Prelevarea și primirea probelor

Prelevarea probelor se face de către secții conform STAS-urilor în vigoare.

1.1. Primirea probelor: în laboratorul probele sunt aduse în plicuri bine individualizate pe care se notează:

– locul de prelevare

– tipul probei

– numărul probei (conține ziua și numărul probei din ziua respectivă)

– data și ora intrării în laborator

– numele în clar și semnatura celui care a prelevat proba.

Recepția probelor se face de către laboranți care verifică inscrisul de pe plic.Toate probele intrate în laborator sunt înregistrate în registrul de primire probe.

1.2. Aspectul și forma probelor – Probele de minereuri brute și preparate, feroase și neferoase, produse silico-aluminoase, probele pentru determinarea umidității și cele pentru determinarea granulației se prelevează și se receptionează în laborator în forma prevazută de STAS 2769-90.

Probele de fontă se prelevează și se pregatesc în vederea analizei. În vederea analizei prin metoda spectrală, se prelevează trei probe de fontă pe descărcare, care se pregătesc și se analizează individual, rezultatul final reprezentând media celor trei analize.

2. Uscarea probelor – se efectuează pentru toate probele curente, cu excepția fontelor, zgurilor de furnal, aglomeratelor curente, returului și a probei medii de aglomerat. Uscarea are loc în etuvă, la temperatura de 105-115 C, timp de o oră.

3. Mojararea probelor – Mojararea se efectuează după uscare, la moara oscilantă. Înainte de mojarare, capsula morii oscilante de 100 cmc se curață cu o pensulă și prin mojararea unei cantități din proba de mojarat, timp de 3 sec. Se curață capsula și se mojarează restul de probă. Cu cât se mojarează mai multa probă, timpul de mojarare va fi mai mare. Timpul de mojarare trebuie sa fie mai mare de 10 sec. pentru a obține o dimensiune a particulelor sub 90 um.

4. Uscarea probei mojarate – Uscarea probei după mojarare se face pentru toate probele cu excepția fontelor, la etuvă, la temperatura de 105-115° C timp de 30 min.

Pregătirea probelor pulverulente pentru analiza spectrală prin fluorescență de raze X

1. Cântărirea probei

Cântărirea fondantului și a probei se face la balanța analitică cu precizia de 0.0002 g.

Cantitatea de fondant (și de probă) cântărită depinde de rețeta folosită la intocmirea programului analitic (5g borax/0.4g proba; 5g borax/0.5g proba;5g tetraborat de litiu/0.5g proba; etc.).

Pentru zgurile de furnal, cântărirea va fi precedată de scoaterea fierului metalic din proba ce urmează a fi cântărită, cu ajutorul unui electromagnet.

Pentru toate probele, cu excepția calcarelor și a dolomitelor, se va pune în creuzet mai întâi fondantul, peste care se adaugă materialul de analizat.

2. Topirea și turnarea probelor

Topirea probelor în creuzet din Pt-Rh pe becul suflător cu aer și gaz metan, se face timp de 10 min., agitându-se creuzetul după primele 4 min., după următoarele 3 min., și după alte 3 min. Creuzetul se va acoperi cu un capac tot din Pt-Rh.

După ultima agitare, capacul se înlocuiește cu forma de turnare din Pt-Au, folosind doi clești de laborator din crom, se rotește (agită) forma în plan orizontal și se așează pe un suport refractar până la răcirea completă, alături de creuzet.

Când topirea probei are loc la instalația automată, fondantul și proba se introduc într-un creuzet special din Pt-Au, care este în același timp și forma de turnare. Pentru ca desprinderea de creuzet să se facă mai ușor, se adaugă 3 picături de iodură de potasiu 7%. Topirea are loc timp de 15 min., agitarea probei în timpul topirii făcându-se automat.

Pentru calcare și dolomite se face mai întâi pierderea la calcinare, în creuzet de Pt-Rh. După răcirea și recântărirea creuzetului, se introduce fondantul și se execută topirea și turnarea eșantionului după cum s-a arătat anterior.

Ustensilele din aliaje de platină se curăță într-o soluție de acid azotic 1:9.

Pregătirea probelor de fontă pentru analiza spectrală cantitativă prin fluorescența de raze X.

Modul de prelevare a probei trebuie să permită furnizarea unei probe reprezentative pentru analiza compoziției chimice medii a șarjei. Deoarece nu întotdeauna o șarjă este omogenă, se vor lua trei probe pe sarjă.

Proba pentru analiză trebuie sa fie suficient de omogenă în ceea ce privește compoziția chimică, astfel încât eterogenitatea ei să nu influențeze într-un mod semnificativ erorile de analiză. Cu toate acestea, în cazul unei probe prelevate din topitură, o variație în analiză este inevitabilă, atât în aceeași probă cât și între mai multe probe pentru analiză. Această variație face parte integrantă din repetabilitatea și reproductibilitatea analizei.

Pe cât posibil, proba pentru analiză nu trebuie să aibă fisuri, sufluri și porozități, ca și bavuri, cruste sau alte defecte de suprafață.

O probă prelevată din topitură trebuie răcită astfel încât compoziția chimică și structura metalografică a probei să fie aceeași de la o probă la alta, mai ales în cazul fontelor care pot prezenta o structură albă sau cenușie.

Proba pentru analiza spectrală prin fluorescență de raze X trebuie să aibă forma unui disc cu diametrul de 35-40mm și grosimea de 4-6mm.

După îndepărtarea marginilor rămase de la turnare, se utilizează o mașină de rectificat pentru a pune în evidență o structură de fontă albă, care să fie reprezentativă pentru eșantion. Cantitatea de material îndepărtată prin acest procedeu, depinde de compoziția chimică a fontei și de condițiile de prelevare; grosimea stratului îndepărtat este de cel puțin 1mm.

În timpul rectificării se recomandă răcirea cu aer. O rectificare excesivă poate conduce la erori de analiză. Trebuie evitată supraîncălzirea probei în timpul rectificării, aceasta putând duce la fisurarea suprafeței, ce poate afecta corectitudinea analizei.

Dacă suprafața probei prezintă urme de arsuri, sau rectificarea nu se face uniform, proba se va șlefui la o mașină de șlefuit, folosindu-se discuri de hârtie abrazivă cu granulația 40-80.

Proprietăți fizico-chimice

Temperatura zgurii la evacuare variază între 1450÷1550°C, în funcție de regimul termic și de compoziția chimică.

Temperatura de topire, este temperatura la care zgura începe să curgă liber, ceea ce de fapt reprezintă temperatura de cristalizare a zgurii. Aceasta variază în limite largi, cuprinse între 1300÷1600°C, în funcție de structura mineralogică.

Căldura de topire sau fuzibilitatea este definită de căldura consumată pentru topire care este legată de compoziția chimică. Zgurile de furnal nu au o temperatură de topire fixă ci au un interval de temperaturi. Zgurile acide au intervale de topire mai ridicate, cele bazice au un interval mult mai mic. Căldura necesară pentru topire este dependentă de mărimea acestui interval. Căldura de topire a zgurilor de furnal variază între 350-440 kcal/kg.

În condiții normale zgurile bazice au vâscozități de 3-5 poise. Zgurile acide sunt admisibile chiar cu vâscozități de 20-30 Poise, deoarece se pot evacua din furnal fără riscuri, în timp ce la zgurile bazice nu se pot admite nici vâscozități de 6-7 Poise.

Caracteristicile principale ale zgurilor și anume temperatura de topire și vâscozitatea se determină pe baza diagramelor ternare ale principalelor trei oxizi constituenți: SiO – CaO – AlO. Diagramele ternare pot fi folosite și pentru urmărirea modului de cristalizare al zgurilor în timpul răcirii.

Folosirea diagramelor ternare se face prin recalcularea primilor trei componenți principali din zgură.

Bazicitatea, reprezintă raportul dintre oxizii bazici și oxizii acizi și se exprimă prin indicele de bazicitate Ib.

Indicatorul principal care caracterizează calitatea zgurii este bazicitatea (Ib) care este definită de raportul sau uzual CaO/ SiO.

Indicele de bazicitate complet : Ib =

În exploatare se utilizează raportul: Ib =

5.1.Rezultate și concluzii.

Aspectul zgurii, compoziția chimică

ZGURA DE FURNAL

Zgura 1

12:21:02

ZGURI CONVERTIZOR OȚELĂRIE

Compoziția finală a zgurilor de furnal variază în general între următoarele limite: 30-37% SiO, 35-50% CaO, 5-20% AlO, 2-8% MgO, 0,5-1,5% FeO.

Zgurile în care predomină oxizii bazici la care Ib=1,20÷1,30 (CaO/ SiO) sunt zguri bazice și asigură o desulfurare superioară.

Zgurile cu un caracter acid au Ib =1,00÷1,15 sunt dense, conținând cantități mai mari de FeO decât cele bazice. Au un aspect filiform la curgere (zgurile lungi) iar în spărtură au un caracter sticlos-maroniu.

În condiții normale se funcționează cu zguri a căror bazicitate este cuprinsă între 1,18-1,25 cu cu o vâscozitate de 3-4 poise.

În spărtură, proba solidificată de zgură acidă are un aspect sticlos, iar cele bazice au un aspect de culoare albă, uneori cu incluziuni sticloase (zguri pestrițe).

La încălzirea furnalului se intensifică procesul de reducere a siliciului prin creșterea acestuia în fontă, determinând micșorarea conținutului de SiO din zgură, ceea ce mărește indicele de bazicitate.

La răcirea furnalului gradul de reducere al Si scade, în zgură trecând o cantitate mai mare de SiOdevenind mai acidă iar în fontă crește conținutul de S.

La răcirea intensă a furnalului, în zgură trece o cantitate mare de FeO.

Zgura solidă se apreciază în spărtura probei după culoare și luciu.

Zgurile mai acide pot avea o culoare fie maroniu-lucios, fie verde albăstruie, în funcție de conținutul de AlO din zgură.

În cazul zgurilor bazice, culoarea acestora este alb-pietros nuanțată cu verde sau albastru, în functie de conținutul de Mn și AlO din zgură.

La un mers rece al furnalului, zgurile în spărtură se colorează în brun până la negru, din cauza proceselor de reducere incomplete, a oxizilor de Fe și Mn trecând în cantitați mai mari sub formă de FeO și MnO în zgură.

Proprietățile zgurei influențează și coborârea încărcăturii. Astfel, zgurile vâscoase care umplu spațiile dintre bucățile de material înrăutățesc permeabilitatea încărcăturii și pot provoca agățări, care limitează cantitatea de aer suflat în furnal.

Zgura cu vâscozitate mare aderă pe pereții furnalului, ducând la formarea de lipituri și agățări. Zgurile prea fluide pot distruge căptușeala părții inferioare a furnalului.

Îmbunătățirea vâscozității zgurelor cu bazicitate ridicată, necesare pentru buna desulfurare a fontei în cazul încărcăturilor sulfuroase, se poate realiza prin utilizarea în încărcătură a calcarelor dolomitice sau a dolomitei, astfel încât conținutul de MgO din zgură să crească la 5-8% sau prin mărirea adaosului de minereu de mangan astfel încât MnO din zgură să crească la 3-4%.

Zgura 1 12:21:02

Zgura 2 12:26:22

Zgura 3 12:31:42

Zgura 4 12:37:02

Zgura 5 12:42:22

Zgura 6 12:47:42

Zgura 7 12:53:02

Zgura 8 12:58:22

Zgura 9 13:23:42

Zgura 10 13:29:02

6. Studiu comparativ – analiza fontelor prin spectrometrie cu fluorescență de raze x cu dispersie după lungimea de undă (wdxrf) și emisie optică cu scânteie (spark-oes)

Pentru a determina cu precizie concentrația elementelor dintr-o anumită probă, se folosesc metode de determinare cantitativă. Tehnicile de analiză sunt variate și bazate pe diferite principii fizice sau pe reacții chimice.

Analiza cantitativă bazată pe instrumente de masură performante folosește una sau mai multe tehnici complementare: spectroscopie de emisie optică cu scânteie (Spark-OES), spectroscopie cu plasmă inductivă – emisie optică (ICP-OES), glow- discharge – emisie optică (GD-OES) spectroscopie cu fluorescență de raze X cu dispersie după lungimea de undă sau după energie (WDXRF, EDXRF), analiza chimică, metode de combustie, fuziune în gaze inerte (IG). Tipul de analizor selectat va depinde de tipul probei care se dorește a fi analizată, de cantitatea de material disponibilă pentru analiză, de precizia rezultatului dorit și costul analizei. Cu aceste tehnici de analiză se pot detecta concentrații de nivelul ppm-urilor.

Majoritatea acestor tehnici de investigație sunt destructive, cu exceptia XRF iar în cazul utilizării metodei Spark-OES, se obține o deteriorare minimă a suprafeței de analiză ( amprenta scânteii), asta în condițiile în care proba are dimensiunile necesare introducerii în instrumentul de măsură, fără a fi tăiată. Pentru restul metodelor menționate, se prelevă o mică parte din materialul ce se dorește analizat și care este folosită în analiză.

Alegerea metodei de analiză, în cazul în care două metode îndeplinesc condițiile necesare determinării cantitative, pentru un anumit tip de material, se dovedește deseori dificilă. În acest material, vom încerca să comparăm rezultatele obținute la calibrarea a doua instrumente spectrale, WDXRF și Spark-OES, în vederea analizării eșantioanelor de fontă solidă pentru determinarea elementelor C, Mn, Si, S și P.

XRF. Spectrometria cu fluorescență de raze X este o tehnică ce permite analiza directă a probelor solide, a peliculelor fine metalice, a produselor petroliere, ciment, cărbune, cocs, etc. XRF este o tehnică nedistructivă și folosită frecvent pentru analizele în teren pentru controlul industrial al calității.

Ca sursă, se folosește un tub de raze X pentru iradierea probei. Razele X primare sunt absorbite de elementele din probă prin efect fotoelectric – toată energia razelor X este absorbită de un electron de pe straturile inferioare ale învelișului electronic. Acesta duce la excitarea și eliberarea electronului excitat. Locul eliberat de către electron este ocupat de către electronii de pe nivelurile energetice superioare, emițănd radiație X de fluorescență. Energia radiației emise este caracteristica elementului care a emis-o.

Radiația X de fluorescență trece printr-un colimator și pică pe un detector, fiind astfel înregistrate energia fascicolului și numărul radiațiilor emise. Intensitatea razelor X, pentru fiecare nivel de energie este comparată cu valorile cunoscute ale materialelor de referință certificate analizate (probe) rezultând curbele de calibrare.

În cazul spectrometriei de raze X cu dispersie după lungimea de undă (WDXRF), se analizează fiecare element, în condiții optime. Pentru a realiza acest lucru, fiecare element dispune de un set specific de condiții (putere a tubului de raze X, colimator, cristal, detector) în funcție de intervalul de concentrații ce urmează a fi analizat, pentru a preveni astfel liniile suprapuse:

Sursa de raze X și filtrele pentru radiația primară, asigură excitarea optimă a fiecărui element analizat;

Masca elimină semnalele nedorite (cum ar fi cele rezultate de la excitarea marginilor capsulei port proba);

Obturatorul separă camera probei de cameră spectrală (care conține goniometrul și sistemul de detecție);

Colimatorii îmbunatățesc rezoluția;

Cristalele analizoare separă spectrul total de fluorescență după lungimea de undă specifică fiecărui element, lucru esențial în rezoluția și sensibilitatea unui instrument WDXRF;

Detectorii sunt calibrați pentru nivelul energetic respectiv; pentru elementele ușoare se folosește un detector proporțional cu gaz, iar pentru elementele grele un detector cu scintilație.

Metoda spectrometriei cu fluorescență de raze X permite analiza elementelor de la Be la U, iar limita inferioară de detecție este de obicei la nivelul ppm-urilor. Probele analizate pot fi solide, prăfoase sau lichide. Probele solide au nevoie de un minim de pregătire a suprafeței de analizat (rectificare pentru planeitate și șlefuire). Diametrul probei de analizat poate fi de minim 1 mm pentru o analiză calitativă, dar de un minim de aprovimativ 30 mm diametru pentru o riguroasă analiză cantitativă.

Spark-OES. Spectrometrele cu emisie optică cu scânteie sunt folosite în general, pentru analiza rapidă a materilelor metalice. Proba este “scâinteiată” cu o serie de scântei de energie înaltă create între un electrod (catodul) și suprafața probei de analizat (anodul) în mediu de argon. În primă fază, scanteile ionizează argonul, apoi vaporizează o cantitate mică de probă. Atomii și ionii conținuți în vapori sunt excitați de un fascicul de radiații, ei trecând pe un nivel înalt de energie. La trecerea pe nivelul inferior și stabil energetic, ei vor emite lumina caracteristică fiecărui element în parte. Lumina va intra în spectrometru ori direct, ori purtată de o fibră optică printr-o fantă îngustă căzând pe o rețea de difracție concavă, care datorită constantei mare (peste 3600/mm) va difracta radiația luminoasă până la nivelul lungimi de undă individuale. Fiecare radiație specifică este măsurată de un fotomultiplicator. Intensitatea radiației este proportională cu concentrația elementului din probă, rezultând astfel curbele de calibrare. Durata totala a scanteii este de numai cateva milisecunde.

La analiza unei probe necunoscute, intensitățile caracteristice lungimilor de undă ale fotonilor emiși, sunt măsurate și comparate materialelor de referință certicate cu care a fost etalonat instrumentul, rezultând valori procentuale ale concentrației până la nivel de ppm. Astfel pot fi detectate simultan toate elementele metalice, plus C, S și P.

Probele analizate trebuie să fie solide, metalice, cu un diamentru minim de 5 mm, depinzând de configurația standului instrumentului de măsură.

6.1. Rezultate și discuții

Vom analiza rezultatele obtinute pe un set de probe de fonta si vom compara curbele de calibrare obținute cu un instrument WDXRF, și un instrument Spark-OES, pe un set de materiale de referință certificate de fontă, la elementele C, Mn, Si, S și P.

Deviația standard pentru fiecare element, comparativ pentru cele 2 metode:

Dacă la sulf se observă o deviație standard mai mică la trasarea curbei de calibrare prin metoda WDXRF, la carbon, metoda OES s-a dovedit net superioară.

Performanțe în determinarea C cu WDXRF se pot obține, cu o pregătire specială a probei de analizat (șlefuire metalografică). Cum cele două metode excelează prin timpul mic de analiză (aproximativ 30 de secunde pentru OES și între 20-60 sec. pentru XRF (depinzând dacă instrumentul este secvențial sau simultan – dotat și cu monocromatori), un timp prelungit de pregătire a probei ce urmează a fi analizată poate deveni un inconvenient.

Concluzii:

În concluzie, ce metodă alegem?

OES și XRF sunt două metode de bază pentru analiza materialelor metalice.

Prepararea probelor pentru analiza OES necesită o rectificare ușoară, iar analiza poate fi redusă la 13 secunde.

Pentru metoda XRF, pregătirea probelor durează până la 10 minute în vederea analizării carbonului.

Analiza OES lasă o amprentă pe suprafața materialului (scânteia) pe când XRF este o analiză complet nedistructivă.

Instrumentele bazate pe OES nu au nevoie de licență specială ca în cazul instrumentelor XRF (datorită tubului de raze X).

Cum aceste instrumente nu sunt în general destinate analizei unui singur tip de material, putem spune că alegerea unei metode de analiză depinde de gama de materiale analizate frecvent; ambele metode au puncte forte și inconveniente, asociate cu aliajele de temperatură înaltă sau detecția elementelor ușoare. Analizoarele OES sunt compatibile cu analiza oțelului aliat și a aliajelor de aluminiu, pe când XRF este compatibilă cu aliajele de temperatură înaltă.

De asemenea, cu metoda XRF se pot analiza și probe prăfoase și lichide, o gama care asigură controlul calității pe un intreg flux tehnologic.

(c)

7.Studiul carotei EuxRO 02 cu ajutorul Spectrometrului ARL 9800XP. Rezultate și concluzii.

Vom analiza o carotă extrasă din Marea Neagră cu ajutorul Spectrometrului ARL 9800 XP. Carota este recoltata de la 500 m si are o lungime de 4,62 m.

Figura 7.1. Harta Marea Neagră (După http://ecomareaneagra.wordpress.com/marea-neagra/)

În figurile de mai jos sunt prezentate imaginile detaliate ale carotei EuxRO 02

Matricea coeficientilor de corelatie

Diagrama ternara

Clusterul superior contine probele din primul metru

7. Anexe

Anexa 1. Norme specifice de securitate a muncii la efectuarea analizelor fizico-chimice

Prevederi generale

La începerea lucrului, operatorul care intră primul în sala laboratorului trebuie să se convingă ca atmosfera nu este încarcată cu gaze inflamabile sau toxice.

Dacă se observă scurgeri de gaze în laborator, se vor lua următoarele măsuri:

a)se întrerupe lucrul și se evacuează imediat personalul care nu are sarcini de muncă legate de remedierea situației;

b)se decuplează alimentarea cu energie electrică de la tabloul central, lăsându-se numai coloana de forță pentru ventilare și se întrerupe funcționarea tuturor becurilor cu gaz metan BUNSEN;

c)se pun în funcțiune toate ventilatoarele;

d)se deschid toate ferestrele;

e) se controlează robinetele de gaz, pentru a fi închise, și se verifică dacă există perforații sau fisuri în conducte sau în traseele flexibile din cauciuc;

f)se oprește scurgerea gazului prin remedierea defecțiunii;

g)se aerisește camera până la dispariția completă a mirosului de gaz.

Se va supraveghea, în mod deosebit, etanșeitatea robinetelor la instalația de gaze, verificându-se cel puțin la 3 zile.

Întreg personalul laboratorului trebuie să cunoască unde este situat ventilul central al rețelei de gaze. Pentu aceasta se vor afișa, la loc vizibil, indicații cu poziția ventilului, iar ventilul va fi etichetat.

La aparatele care radiază cantități mari de căldură și la temperatură înaltă nu se vor utiliza legături de cauciuc sau material plastic; legăturile vor fi făcute cu tuburi metalice.

Se interzice blocarea căilor de acces către dușurile de intervenție în caz de incendiu și către hidranți.

Nu se va gusta nici un fel de substanță utilizată în laborator și nu se vor folosi vasele de laborator pentru băut și pentru mâncare.

Înainte de a pune o substanță într-o sticlă sau vas, recipientul respectiv va fi etichetat.

Este interzisă păstrarea de vase, sticle, cutii cu diferite substanțe neutilizabile la lucrarea respectivă, pe mesele sau în dulapurile executanților.

Analizele vor fi efectuate numai în recipiente curate.

Mesele de laborator trebuie să fie folosite numai pentru operații care nu produc degajări de substanțe nocive.

La sfârșitul fiecărei zile de lucru, mesele de laborator trebuie să rămână curate, fără reactivi sau vase. Pe mese pot rămâne aparatele montate care urmează să fie folosite în ziua urmatoare.

Nișele trebuie menținute permanent curate și în bună stare de funcționare.

Chiuvetele din laboratoare vor fi folosite pentru depozitarea provizorie a vaselor murdare, pentru spălari accidentale, pentru deversarea unor lichide nevătămătoare și nepericuloase, care vor fi diluate în prealabil cu apă.

În sălile de lucru este interzis să se spele pardoseala cu benzină, petrol sau alte produse volatile; să se țină materiale textile îmbibate cu produse volatile.

Este interzis ca în sălile de lucru să se usuce diverse obiecte pe conductele de abur, gaz, pe calorifer etc. să se lase neșterse mesele sau pardoseala de produsele răspândite pe ele sau să se facă curațenie cu substanțe inflamabile în timp ce funcționează becurile de gaz.

Manipularea reactivilor

Toți recipienții care conțin reactivi toxici trebuie să poarte, obligatoriu, semnul convențional de avertizare.

Este interzisă manipularea vaselor deschise ce conțin reactivi toxici; deschiderea acestora se va face numai sub nișa prevăzută cu aspirație corespunzătoare.

Instalațiile în care se lucrează cu reactivi toxici sau în care se obțin produse toxice se amplasează în intregime sub nișă.

Pipetarea reactivilor toxici lichizi se va face cu ajutorul perelor de cauciuc sau cu pipete speciale, fiind interzisă pipetarea direct cu gura.

Operațiile de dizolvare în care pot lua naștere substanțe toxice (de exemplu dizolvarea metalelor în acizi) se vor efectua numai sub nișă.

Acizii se vor păstra în flacoane de sticlă cu dop rodat, iar hidroxizii în flacoane cu dop de cauciuc.

La turnarea în vase a lichidelor care reacționează energic cu apa, vasele trebuie sa fie perfect uscate, iar turnarea se va face obligatoriu prin pâlnie.

La manipularea reactivilor caustici și corozivi, vasele din sticlă trebuie ținute cât mai departe de corp, chiar dacă se utilizează ochelari de protecție.

La manipularea reactivilor caustici și corozivi se va evita contactul acestora cu epiderma.

La manipularea acizilor concentrați trebuie să se ia următoarele măsuri:

-vasele mai mari se vor păstra în coșuri, în perfectă stare, cu umplutura elastică; în cazul acidului azotic sau a altui acid cu actiune oxidantă, materialul elastic va fi de natură necombustibilă, ca Kiesselgur, deșeuri de azbest sau vată de sticlă;

-se va turna obligatoriu prin pâlnie;

-pentru golirea damingenelor se va utiliza un sistem basculant (acid sulfuric) sau un sistem de sifonare (acid azotic, acid clorhidric, amoniac);

-acizii clorhidric și azotic concentrați, precum și soluția concentrată de amoniac, se toarnă sub continua ventilare a aerului;

-la diluarea acidului sulfuric concentrat se toarnă acidul în apă și nu invers, iar operația se va executa cât mai lent.

La dizolvarea acidului sulfuric concentrat în apă, la amestecarea acizilor sulfuric și azotic concentrați și, în general, la un amestec de substanțe însoțit de o degajare de caldură, se vor întrebuința vase rezistente la șocuri termice.

Manipularea aparaturii de laborator

Aparatele electrice de încălzit (cuptoare, etuve, băi electrice etc.) trebuie asezate pe mese protejate cu tablă de oțel și foi de azbest.

Se interzice conectarea aparatelor electrice dacă lipseste fișa. Se interzice utilizarea conductorilor neizolați sau montați neregulamentar (improvizații electrice). Pentru conectarea aparatelor se vor utiliza numai circuite electrice standardizate.

Se interzice conectarea mai multor aparate electrice la o singură priză.

Se interzice folosirea aparatelor la care se observă scântei sau care prezintă scurtcircuite.

Se interzice manipularea cu mâinile libere neprotejate cu mănuși electroizolante, a aparatelor și a instalațiilor electrice aflate sub tensiune.

Anexa 2. Instrucțiuni tehnice de lucru pentru utilizarea Spectrometrului cu Fluorescența de Raze X ARL 9800XP

1.Scop/ Domeniu

1.1. Prezenta Instrucțiune de lucru stabilește etapele privind determinarea compoziției chimice pentru diferite probe ca: fontă, zgura de furnal, minereuri de fier, minereuri de mangan, aglomerat, calcar, dolomită, praf de furnal; sarcinile pentru personalul ce efectuează analizele chimice, pentru preîntâmpinarea situațiilor ce pot perturba desfășurarea procesului de producție din Departament Furnale.

1.2. Prevederile prezentei Instrucțiuni se aplică intregului personal al laboratorului.

1.3. Personalul laboratorului este subordonat direct șefului de formație și șefului de laborator.

2. Personalul Laboratorului

2.1.Cunoaște și respectă prezenta instrucțiune de lucru.

2.2.Intervine promt pentru prevenirea oricărei stări care poate genera avarii.

2.3.Verifică integritatea și modul de funcționare a dispozitivelor de protecție, siguranță și control.

2.4.Răspunde de folosirea în permanență a echipamentului de protecție și după caz a dispozitivelor de siguranță din dotare.

2.5.Fiecare lucrător trebuie să își desfășoare activitatea, în conformitate cu pregătirea și instruirea sa, precum și cu instrucțiunile primite din partea angajatorului, astfel încât să nu expună la pericol de accidentare sau îmbolnăvire profesională atât propria persoană, cât și alte persoane care pot fi afectate de acțiunile sau omisiunile sale în timpul procesului de muncă.

2.6.Lucrătorii mai au următoarele obligații:

-să utilizeze corect mașinile, aparatura, uneltele, substanțele periculoase, echipamente de transport și alte mijloace de producție;

-să utilizeze corect echipamentul individual de protecție acordat și, după utilizare să îl înapoieze sau să îl pună la locul destinat pentru păstrare;

-să nu procedeze la scoaterea din funcțiune, la modificarea, schimbarea sau înlăturarea arbitrară a dispozitivelor de securitate proprii, în special ale mașinilor, aparaturii, uneltelor, instalațiilor tehnice și clădirilor, și să utilizeze corect aceste dispozitive;

-să comunice imediat angajatorului și/sau lucrătorilor desemnați orice situație de muncă despre care au motive întemeiate să o considere un pericol pentru securitatea și sanatatea lucrătorilor, precum și orice deficiență a sistemelor de protecție;

-să aducă la cunoștința conducătorului locului de muncă și/sau angajatorului accidentele suferite de propria persoană;

-să coopereze cu angajatorul și/sau cu lucrătorii desemnați, atât timp cât este necesar, pentru a face posibilă realizarea oricăror măsuri sau cerințe dispuse de către inspectorii de muncă și inspectorii sanitari, pentru protecția sănătății și securității lucrătorilor;

-să coopereze, atât timp cât este necesar, cu angajatorul și/sau cu lucrătorii desemnați, pentru a permite angajatorului să se asigure că mediul de muncă și condițiile de lucru sunt sigure și fără riscuri pentru securitate și sănătate, în domeniul său de activitate;

-să își însușească și să respecte prevederile legislației din domeniul securității și sănătății în muncă și măsurile de aplicare a acestora;

-să dea relațiile solicitate de către inspectorii de muncă și inspectorii sanitari.

3.Echipamente de muncă

Caracteristici

Această instructiune descrie o metodă pentru determinarea secvențială sau simultană (în funcție de spectrometrul folosit) a compoziției chimice pentru o mare diversitate de probe (masive, pulverulente sau lichide).

Metoda de analiză spectrală prin XRF se bazează pe determinarea intensității liniilor caracteristice fiecarui element din spectrul de fluorescență, obținut prin iradierea probei cu raze X; intensitatea acestor linii este proportională cu concentrația elementului respectiv în probă.

Spectrometrul se compune, în principiu, din sursa de excitare a probei (tubul de razeX), goniometru (monocromatorii pentru spectrometrele simultane) pentru separarea radiațiilor X secundare caracteristice elementelor din probă, detectorii care transformă energia radiațiilor X caracteristice în impulsuri electrice și sistemul electronic de procesare a datelor.

4.Echipamentul de analiză

Spectrometru: ARL 9800XP

Condiții de folosire a echipamentului

Laboranții au sarcina respectării prezentei instrucțiuni.

Răspund de utilizarea corectă, conform instrucțiunilor de lucru, a aparaturii și utilajelor din dotare și sesizează orice abatere ivită de la normele și parametrii metrologici ai aparatului.

5.Succesiunea operațiilor

La spectrometrul ARL 9800XP se vor analiza numai materialele masive sau pulverulente pentru care au fost întocmite, în prealabil , programe de lucru.

Inainte de efectuarea analizei, probele se vor pregăti în mod corespunzător:

– probele masive (fontele) se vor rectifica și șlefui;

– probele pulverulente se vor dezagrega prin topire cu borax, folosind rețeta corespunzatoare programului respectiv.

Pentru efectuarea analizei, eșantionul se introduce în una din casetele aflate în magazia de probe.

După așezarea casetei cu eșantionul de analizat în sus se inchide capacul.

Se selectează pe monitorul calculatorului programul de lucru în care se trece: poziția casetei, de câte ori se repetă analiza, numele /nr.probei.

Se pornește analiza cu tasta „ ENTER”.

După înregistrarea analizei, se apasă „ Continue” și „ Exit”; proba se scoate din casetă, iar capacul magaziei de probe se închide.

6.Situații anormal previzibile

6.1.Nu se vor depozita nici un fel de obiecte străine (în afara de casetele de analizat) în magazia de probe. Caruselul se învarte și poate antrena obiectele străine în interiorul spectrometrului. Capacul magaziei de probe trebuie să fie neapărat închis.

6.2.Instrumentul este prevazut cu circuite de apă, gaz și aer comprimat. În cazul în care se observă vreun fluid în imediata vecinătate a instrumentului (provenind din interiorul lui) operatorul anunță imediat șeful de schimb care dispune la scoaterea imediată a instrumentului de sub tensiune și anunță imediat șeful de laborator și/sau inginerul de service.

6.3.În caz de avarie, se apasă pe butonul „ EMERGENCY STOP” și se anunță seful laboratorului și personalul specializat în vederea determinării cauzei și remedierea defecțiunilor. Se va citi pe ecranul calculatorului „ Alarm reporter” și se va menționa înscrisul la anunțarea defecțiunii.

7.Securitatea muncii

7.1.Măsuri specifice

Pentru evitarea accidentelor de lucru este necesar ca lucratorii să respecte urmatoarele reguli:

7.1.1. să cunoască și să îndeplinescă instrucțiunile generale ale Departamentului Furnale și ale prevederilor prezentei instrucțiuni.

7.1..2.să nu se prezinte la program obosit, sub influența bauturilor alcoolice sau în stare de ebrietate.

7.1.3.să poarte echipamentul individual de protecție prevazut în normativ, curat și în bună stare.

7.1.4.să supravegheze în permanență aparatele, instalațiile mecanice.

7.1.5.să intervină pentru remedierea eventualelor defecțiuni aparute în funcționarea echipamentelor și instalațiilor din cadrul laboratorului cu luarea măsurilor de securitate ce se impun.

7.1.6.să nu folosească improvizații pentru funcționarea diverselor aparate și echipamente din cadrul laboratorului.

7.1.7.la toate locurile de muncă vor fi utilizate indicatoare de securitate, vizibile atât ziua cât și noaptea.

7.1.8. este obligatorie purtarea echipamentului de protecție.

7.1.9. Prevenirea incendiilor și exploziilor:

-nu fumați și nu utilizați focul deschis în zonele unde există posibilitatea de acumulare a gazelor combustibile (metan, gaz de furnal, oxigen);

-semnalizați zonele unde există posibilitatea de acumulare sau de emanație a gazelor;

-verificați dacă funcționează instalațiile/sistemele de sesizare, alarmare și stingere a incendiilor.

7.2.Factori de risc

Pe durata executării analizelor spectrale există sau pot aparea o serie de factori de risc. Personalul trebuie să ia măsurile adecvate pentru eliminarea sau reducerea factorilor de risc cunoscuți. Lista principalilor factori de risc specifici lucrului cu spectrometrul este dată în continuare:

7.2.1.Mișcare periculoasă a capacului camerei probei pe verticală sub acționare pneumatică

7.2.2.Autoblocare instrument spectral

7.2.3.Suprafețe cu contururi periculoase-eșantionul de probă prăfoasă

• înțepare

• taiere

7.2.4.Factori de risc electric

• curent electric – risc de electrocutare prin atingere directă

7.2.5.Factori de risc chimic

• vapori de ulei din pompele de vid

7.2.6.Factori de risc fizic

• radiații ionizante

7.2.7.Executare defectuoasă de operații

7.2.8.Nesincronizari de operații

7.2.9.Efectuare de operații neprevăzute prin sarcina de muncă

7.3.Măsuri de prevenire a factorilor de risc

Pentru menținerea capacității de lucru și evitarea accidentelor sau îmbolnăvirilor, personalul laborant trebuie să cunoască și să respecte următoarele dispoziții generale:

-Este interzisă punerea în funcțiune a unei instalații care nu satisface normele de securitate a muncii și normele de protecție împotriva incendiilor. Recurgerea la improvizații pentru asigurarea funcționalității unui aparat, utilaj sau instalație este interzisă.

-Este interzisă efectuarea unei lucrări/manevre care prezintă un pericol de accidentare, chiar dacă neexecutarea ei ar putea conduce la deranjamente sau pagube materiale.

-Personalul care primește o dispoziție contrară prevederilor regulilor S.S.M. trebuie să refuze indeplinirea ei și să se adreseze unui șef ierarhic superior celui care a dat dispoziția.

-În zonele cu pericole speciale (gaze toxice, substanțe inflamabile sau explozive, temperaturi extreme etc.) trebuie luate măsuri suplimentare de protecție în timpul intervenției (utilizarea detectorului de gaze portabil, folosirea măștii de gaze sau aparatului de respirat autonom, utilizarea aparatelor certificate pentru lucrul în medii cu pericol de explozie, evitarea operațiilor care pot produce scântei etc.).

Măsuri de prevenire a factorilor de risc propuse pentru menținerea capacității de lucru și evitarea accidentelor sau îmbolnăvirilor la lucrul cu aparatul spectral ARL 9800XP:

-Nu se va așeza nici un obiect pe o raza de 5 cm în jurul capacului;

-Nu vor exista 2 operatori în același timp în zona instrumentului în momentul introducerii sau scoaterii eșantionului de probă din aparat;

-Respectarea graficelor de revizii și a instrucțiunilor de lucru;

-Manipulare cu atenție deosebită;

-Inspecție vizuală a eșantionului;

-Menținerea ușilor instrumentului închise și încuiate;

-Curățarea periodică a filtrelor de ulei;

-Asigurarea etanșeității camerei spectrale;

-Menținerea curățeniei în camera probei;

-Respectarea normelor de circulație în sector.

8.Situații de urgență

8.1.Măsuri specifice

Lucratorul:

8.1.1.Verifică la intrarea în schimb existența și starea mijloacelor de primă intervenție cu care este dotat locul de muncă unde își desfășoară activitatea;

8.1.2.Își însușește temeinic modul de utilizare a mijloacelor de primă intervenție din dotarea locului de muncă;

8.1.3.Nu permite folosirea și nu folosește mijloacele inițiale de prevenire și stingere a incendiilor din dotare în alte scopuri decât pentru cele pentru care acestea au fost destinate;

8.1.4.Este interzis fumatul și manipulările cu foc deschis în zona instrumentului spectral.

8.2. Măsuri generale

Intervenția la locul de muncă presupune:

1.alarmarea imediată a personalului de la locul de muncă sau a utilizatorilor prin mijloace specifice, anunțarea incendiului la forțele de intervenție, precum și la dispecerat;

2.salvarea rapidă și în siguranță a personalului, conform planurilor stabilite;

3.întreruperea alimentării cu energie electrică, gaze și fluide combustibile a consumatorilor și efectuarea altor intervenții specifice la instalații și utilaje de către persoanele anume desemnate;

4.acționarea asupra focarului de incendiu cu mijloacele tehnice de apărare împotriva incendiilor din dotare;

5.evacuarea bunurilor periclitate de incendiu și protejarea echipamentelor care pot fi deteriorate în timpul intervenției;

6.protecția personalului de intervenție împotriva efectelor negative ale incendiului: temperatură, fum, gaze toxice;

7.verificarea amănunțită a locurilor în care se poate propaga incendiul;

Pentru asigurarea condițiilor de evacuare și salvare a utilizatorilor în siguranță în caz de incendiu se adoptă următoarele măsuri:

-întreținerea în bună stare de funcționare a elementelor de limitare a propagării focului ori de izolare termică din compunerea construcțiilor și instalațiilor

-păstrarea căilor de evacuare libere și în stare de utilizare la parametrii la care au fost proiectate și realizate

-funcționarea iluminatului de siguranță și a celei de-a doua surse de energie electrică, conform reglementărilor tehnice

-funcționarea sistemelor de alarmare și semnalizare a incendiilor la parametrii de performanță pentru care au fost proiectate

-organizarea și desfășurarea, periodic, de exerciții și aplicații cu salariații, în condițiile legii

Căile de evacuare se marchează cu indicatoare standardizate, conform reglementărilor tehnice specifice, astfel încât traseele acestora să fie recunoscute cu ușurință.

Se montează indicatoare corespunzătoare la rampele scărilor care duc la demisol sau subsol ori la ușile de acces către alte spații și încăperi din care evacuarea nu poate fi continuată.

Dispozitivele care asigură închiderea automată în caz de incendiu a elementelor de protecție a golurilor, cele de acționare a trapelor și clapetelor, precum și cele care mențin în poziție închisă ușile încăperilor tampon se mențin în permanență în stare de funcționare.

Se interzice blocarea în poziție deschisă a ușilor caselor scărilor, a celor de pe coridoare, a celor cu dispozitive de închidere automată sau a altor uși care, în caz de incendiu, au rolul de a opri pătrunderea fumului, gazelor fierbinți și propagarea incendiilor pe verticală sau orizontală.

Este interzisă blocarea căilor de acces, de evacuare și de intervenție cu materiale care reduc lățimea sau înălțimea liberă de circulație stabilită ori care prezintă pericol de incendiu sau explozie, precum și efectuarea unor modificări la acestea, prin care se înrăutățește situația inițială.

Se interzice:

– utilizarea aparatelor electrice, cablurilor electrice, prizelor, întrerupătoarelor, dispozitivelor de protecție cu defecțiuni sau cu improvizații;

– suprasolicitarea rețelei electrice;

– nesupravegherea aparatelor electrice sub tensiune;

– folosirea siguranțelor fuzibile supradimensionate prin înlocuirea cu liță a fuzibilului calibrat;

– așezarea sau păstrarea buteliilor de gaze în apropierea oricăror surse de căldură ori sub acțiunea directă a razelor solare;

– folosirea buteliilor de gaze lichefiate fără regulatori de presiune, cu garnituri deteriorate ori cu furtunuri de cauciuc fisurate sau lărgite la capete.  

Lucrătorii sunt obligați:

-să respecte și să aplice normele și regulile de protecție civilă stabilite de autoritățile administrației publice centrale și locale, precum și de conducătorii agenților economici;

-să ducă la îndeplinire măsurile de protecție civilă dispuse, în condițiile legii, de autoritățile competente;

-să informeze autoritățile sau serviciile de urgență abilitate, prin orice mijloace, inclusiv telefonic, prin apelarea numărului 112, despre iminența producerii sau producerea oricărei situații de urgență despre care iau cunoștință;

-să informeze serviciile de urgență profesioniste sau poliția, după caz, inclusiv telefonic, prin apelarea numărului 112, despre descoperirea de muniție sau elemente de muniție rămase neexplodate;

-să participe la pregătirea de protecție civilă la locul unde își desfășoară activitatea;

-să permită, în situații de protecție civilă, accesul forțelor și mijloacelor de intervenție în incinte sau pe terenuri proprietate privată;

-să accepte și să efectueze evacuarea din zonele afectate sau periclitate de dezastre, potrivit măsurilor dispuse și aduse la cunoștință de către autoritățile abilitate.

Anexa 3. Imagini din laboratorul de analize

Referințe bibliografice

Angelescu D., Moisil D., Muller L. ( 1982) Fizică, E.D.P., București;

Angelescu T., Bercea S., Duliu O., Haranguș L., Oncescu M., Pop M. (2005) Probleme rezolvate de dozimetrie și radioprotecție, Editura Universității din București, București;

ARL 9800 Series, User manual, Thermo Electron Corporation;

ARL Quant’x, Thermo Electron Corporation;

Barrett H., Swindell W. (1981) Radiological imaging – The Theory of Image Formation Detection and Processing, Editura Academic Press, Arizona;

Bertin e.p (1978) Introduction to X-ray spectrometric analysis, Plenum Press, New York;

Bunuș F. (1976) Chimie nucleară, Editura Științifică și Enciclopedică, București;

Ciobotaru D., Angelescu T., Munteanu I., Melnic M., Gall M. (1982) Fizică, E.D.P., București;

Ciobotaru D., Angelescu T., Munteanu I., Melnic M., Gall M. (1995) Fizică, E.D.P., București;

Ciobotaru D., Angelescu T., Munteanu I., Melnic M., Gall M. (2000) Fizică, E.D.P., București;

Ciobotaru D., Levai Șt., Angelescu T., Munteanu I., Melnic M., Gall M. (2000) Fizică, E.D.P., București;

Codorean I., Bugeac G. (1985) Imaginea scintigrafică în practica clinică, Editura Militară, București;

Cosma T. (1970), Fizică atomică și nucleară, Intreprinderea Poligrafică Cluj;

Creangă D. (2005) Elemente de radiobiofizică, , Editura Cermi, Iași;

Dobre E., Grecu V., Rusu M. (1980) Fizică, E.D.P., București;

Dobrovici D. (1978) Tehnologia fontei, EDP, București;

Doca C. M., Păunoiu C. (2007) Introducere în lumea reactoarelor nucleare de fisiune, Editura Universității din Pitești;

Dragomir I. (1985) Teoria proceselor siderurgice, E.D.P., București;

Duliu O. (2005) Metode imagistice atomice și nucleare în geologie, București;

Ene A. (2006) Tehnici radiometrice de analiză și control, Editura Fundației Universitare „ Dunărea de Jos” , Galați ;

Friș S.E., Timoreva A.V. (1965) Curs de fizica generală, volumul III, Editura Tehnică, București ;

Ganea C. Elemente de radiobiologie – Curs de biofizica;

Gaspar E., Șerban D. (1976) Elemente de radioprotecție, Editura tehnică, București;

Gâdea S., Rău A., Oprea F., Tripșa I., Geru N. (1978) Manualul inginerului metalurg, volumul I, , Editura Tehnică, București;

Gheorghiu A. (2000) Metode fizice de control nedistructiv, Editura Victor;

Iușan V., Pop I. (1983) Fizică, E.D.P., București;

Janssens KHA, Adams FCV, Rindby A., John Wiley & Sons (2000) Microscopic X-ray Fluorescence Analysis, NewYork;

Jenkins R., DeVries J.L. (1982) Practical X-ray Spectrometry, 2nd ed., Springer-Verlag;

Kak A., Slaney M. (2001) Principles of Computerized Tomographic Imaging, Society of Industrial and Applied Mathematics,; http://www.slaney.org/pct/pct-toc.html

Lakowicz J. R. (2006) Principles of fluorescence spectroscopy, 3rd Edition, Editura Springer;

Mamleev A. N. (1952) Metalurgie generală, Editura tehnică, București;

Marcu G., Marcu T. (1996) Elemente radioactive, Editura Tehnică București;

Mateescu G., Craciunescu T. (2000) Ingineria medicinii nucleare, Editura Haria Hulubei, București;

Nat A. (1998) Fizică atomică și nucleară, Universitatea „ Dunărea de Jos”, Galați;

Niculescu D. (1999) Fizică atomică și nucleară, Editura Eficient, București;

Oncescu M., Petrescu-Prahova M., Petrescu-Prahova I., Popescu Tr. (1978) Fizică, E.D.P., București;

Oprea F., Taloi D., Constantin I., Roman R. (1978) Teoria proceselor metalurgice, EDP București;

Optical emission Spectrometers, Product Range, Thermo Electron Corporation;

Panaiotu L., Georgescu L., Rusu M., Borșan D. (1978) Fizică, E.D.P., București;

Pană I. (1973) Radiodiagnosticul și radioterapia în otorinolaringologie, Editura Medicală, București;

Pană I. (1977), Radiodiagnosticul și radioterapie, V Grancea EDP, București;

Papadatu C. P. (2007) Posibilități de creștere a calității unor oțeluri solicitate în industria metalurgică, Editura Fundației Universitare „Dunarea de jos” Galați;

Păscuț M. (2008) Curs de radiologie și imagistică medicală, UMF Timișoara;

Popescu I. (1983) Fizică, volumul II, E.D.P., București;

Popescu I. M. (1983) Fizica, volumul 2, București;

Procedura de fabricație, Evacuarea fontei și a zgurii din furnal, Combinatul Siderurgic Galați;

Pumnea C., Ioniță N., Șontea S. (1979) Tehnologii din industria metalurgică și prelucrătoare, EDP, București;

Rodeanu E. (1986) Aparate și metode de masură, analiză și control cu radiații, Editura Academiei Republicii Socialiste România, București;

Semenescu G., Râpeanu S., Magda T. (1976), Fizică atomică și nucleară, Editura Tehnică, București;

Teorie Nucleară, Rev. 1 ,Septembrie – 2001;

Tertian R., Claisse F. (1982) Principles of Quantitative X-ray Fluorescence Analysis, Heyden, London;

Totolici S. (2001) Tehnologii speciale, editura Fundației Universitare „Dunărea de Jos”, Galați;

Turcitu D., Pop V. ( 2005) Fizică, Editura Radical;

Țocu P, Vlădescu M, Călinescu S (1976) Cartea furnalistului, Editura Tehnică, București;

Vacu S., Dragomir I., Oprea S. (1975) Metalurgie generală, EDP, București;

Vâlceanu S. (1985) Raze vizibile, raze invizibile, Editura Ion Creangă, București;

Referințe bibliografice

Angelescu D., Moisil D., Muller L. ( 1982) Fizică, E.D.P., București;

Angelescu T., Bercea S., Duliu O., Haranguș L., Oncescu M., Pop M. (2005) Probleme rezolvate de dozimetrie și radioprotecție, Editura Universității din București, București;

ARL 9800 Series, User manual, Thermo Electron Corporation;

ARL Quant’x, Thermo Electron Corporation;

Barrett H., Swindell W. (1981) Radiological imaging – The Theory of Image Formation Detection and Processing, Editura Academic Press, Arizona;

Bertin e.p (1978) Introduction to X-ray spectrometric analysis, Plenum Press, New York;

Bunuș F. (1976) Chimie nucleară, Editura Științifică și Enciclopedică, București;

Ciobotaru D., Angelescu T., Munteanu I., Melnic M., Gall M. (1982) Fizică, E.D.P., București;

Ciobotaru D., Angelescu T., Munteanu I., Melnic M., Gall M. (1995) Fizică, E.D.P., București;

Ciobotaru D., Angelescu T., Munteanu I., Melnic M., Gall M. (2000) Fizică, E.D.P., București;

Ciobotaru D., Levai Șt., Angelescu T., Munteanu I., Melnic M., Gall M. (2000) Fizică, E.D.P., București;

Codorean I., Bugeac G. (1985) Imaginea scintigrafică în practica clinică, Editura Militară, București;

Cosma T. (1970), Fizică atomică și nucleară, Intreprinderea Poligrafică Cluj;

Creangă D. (2005) Elemente de radiobiofizică, , Editura Cermi, Iași;

Dobre E., Grecu V., Rusu M. (1980) Fizică, E.D.P., București;

Dobrovici D. (1978) Tehnologia fontei, EDP, București;

Doca C. M., Păunoiu C. (2007) Introducere în lumea reactoarelor nucleare de fisiune, Editura Universității din Pitești;

Dragomir I. (1985) Teoria proceselor siderurgice, E.D.P., București;

Duliu O. (2005) Metode imagistice atomice și nucleare în geologie, București;

Ene A. (2006) Tehnici radiometrice de analiză și control, Editura Fundației Universitare „ Dunărea de Jos” , Galați ;

Friș S.E., Timoreva A.V. (1965) Curs de fizica generală, volumul III, Editura Tehnică, București ;

Ganea C. Elemente de radiobiologie – Curs de biofizica;

Gaspar E., Șerban D. (1976) Elemente de radioprotecție, Editura tehnică, București;

Gâdea S., Rău A., Oprea F., Tripșa I., Geru N. (1978) Manualul inginerului metalurg, volumul I, , Editura Tehnică, București;

Gheorghiu A. (2000) Metode fizice de control nedistructiv, Editura Victor;

Iușan V., Pop I. (1983) Fizică, E.D.P., București;

Janssens KHA, Adams FCV, Rindby A., John Wiley & Sons (2000) Microscopic X-ray Fluorescence Analysis, NewYork;

Jenkins R., DeVries J.L. (1982) Practical X-ray Spectrometry, 2nd ed., Springer-Verlag;

Kak A., Slaney M. (2001) Principles of Computerized Tomographic Imaging, Society of Industrial and Applied Mathematics,; http://www.slaney.org/pct/pct-toc.html

Lakowicz J. R. (2006) Principles of fluorescence spectroscopy, 3rd Edition, Editura Springer;

Mamleev A. N. (1952) Metalurgie generală, Editura tehnică, București;

Marcu G., Marcu T. (1996) Elemente radioactive, Editura Tehnică București;

Mateescu G., Craciunescu T. (2000) Ingineria medicinii nucleare, Editura Haria Hulubei, București;

Nat A. (1998) Fizică atomică și nucleară, Universitatea „ Dunărea de Jos”, Galați;

Niculescu D. (1999) Fizică atomică și nucleară, Editura Eficient, București;

Oncescu M., Petrescu-Prahova M., Petrescu-Prahova I., Popescu Tr. (1978) Fizică, E.D.P., București;

Oprea F., Taloi D., Constantin I., Roman R. (1978) Teoria proceselor metalurgice, EDP București;

Optical emission Spectrometers, Product Range, Thermo Electron Corporation;

Panaiotu L., Georgescu L., Rusu M., Borșan D. (1978) Fizică, E.D.P., București;

Pană I. (1973) Radiodiagnosticul și radioterapia în otorinolaringologie, Editura Medicală, București;

Pană I. (1977), Radiodiagnosticul și radioterapie, V Grancea EDP, București;

Papadatu C. P. (2007) Posibilități de creștere a calității unor oțeluri solicitate în industria metalurgică, Editura Fundației Universitare „Dunarea de jos” Galați;

Păscuț M. (2008) Curs de radiologie și imagistică medicală, UMF Timișoara;

Popescu I. (1983) Fizică, volumul II, E.D.P., București;

Popescu I. M. (1983) Fizica, volumul 2, București;

Procedura de fabricație, Evacuarea fontei și a zgurii din furnal, Combinatul Siderurgic Galați;

Pumnea C., Ioniță N., Șontea S. (1979) Tehnologii din industria metalurgică și prelucrătoare, EDP, București;

Rodeanu E. (1986) Aparate și metode de masură, analiză și control cu radiații, Editura Academiei Republicii Socialiste România, București;

Semenescu G., Râpeanu S., Magda T. (1976), Fizică atomică și nucleară, Editura Tehnică, București;

Teorie Nucleară, Rev. 1 ,Septembrie – 2001;

Tertian R., Claisse F. (1982) Principles of Quantitative X-ray Fluorescence Analysis, Heyden, London;

Totolici S. (2001) Tehnologii speciale, editura Fundației Universitare „Dunărea de Jos”, Galați;

Turcitu D., Pop V. ( 2005) Fizică, Editura Radical;

Țocu P, Vlădescu M, Călinescu S (1976) Cartea furnalistului, Editura Tehnică, București;

Vacu S., Dragomir I., Oprea S. (1975) Metalurgie generală, EDP, București;

Vâlceanu S. (1985) Raze vizibile, raze invizibile, Editura Ion Creangă, București;

Anexe

Anexa 1. Norme specifice de securitate a muncii la efectuarea analizelor fizico-chimice

Prevederi generale

La începerea lucrului, operatorul care intră primul în sala laboratorului trebuie să se convingă ca atmosfera nu este încarcată cu gaze inflamabile sau toxice.

Dacă se observă scurgeri de gaze în laborator, se vor lua următoarele măsuri:

a)se întrerupe lucrul și se evacuează imediat personalul care nu are sarcini de muncă legate de remedierea situației;

b)se decuplează alimentarea cu energie electrică de la tabloul central, lăsându-se numai coloana de forță pentru ventilare și se întrerupe funcționarea tuturor becurilor cu gaz metan BUNSEN;

c)se pun în funcțiune toate ventilatoarele;

d)se deschid toate ferestrele;

e) se controlează robinetele de gaz, pentru a fi închise, și se verifică dacă există perforații sau fisuri în conducte sau în traseele flexibile din cauciuc;

f)se oprește scurgerea gazului prin remedierea defecțiunii;

g)se aerisește camera până la dispariția completă a mirosului de gaz.

Se va supraveghea, în mod deosebit, etanșeitatea robinetelor la instalația de gaze, verificându-se cel puțin la 3 zile.

Întreg personalul laboratorului trebuie să cunoască unde este situat ventilul central al rețelei de gaze. Pentu aceasta se vor afișa, la loc vizibil, indicații cu poziția ventilului, iar ventilul va fi etichetat.

La aparatele care radiază cantități mari de căldură și la temperatură înaltă nu se vor utiliza legături de cauciuc sau material plastic; legăturile vor fi făcute cu tuburi metalice.

Se interzice blocarea căilor de acces către dușurile de intervenție în caz de incendiu și către hidranți.

Nu se va gusta nici un fel de substanță utilizată în laborator și nu se vor folosi vasele de laborator pentru băut și pentru mâncare.

Înainte de a pune o substanță într-o sticlă sau vas, recipientul respectiv va fi etichetat.

Este interzisă păstrarea de vase, sticle, cutii cu diferite substanțe neutilizabile la lucrarea respectivă, pe mesele sau în dulapurile executanților.

Analizele vor fi efectuate numai în recipiente curate.

Mesele de laborator trebuie să fie folosite numai pentru operații care nu produc degajări de substanțe nocive.

La sfârșitul fiecărei zile de lucru, mesele de laborator trebuie să rămână curate, fără reactivi sau vase. Pe mese pot rămâne aparatele montate care urmează să fie folosite în ziua urmatoare.

Nișele trebuie menținute permanent curate și în bună stare de funcționare.

Chiuvetele din laboratoare vor fi folosite pentru depozitarea provizorie a vaselor murdare, pentru spălari accidentale, pentru deversarea unor lichide nevătămătoare și nepericuloase, care vor fi diluate în prealabil cu apă.

În sălile de lucru este interzis să se spele pardoseala cu benzină, petrol sau alte produse volatile; să se țină materiale textile îmbibate cu produse volatile.

Este interzis ca în sălile de lucru să se usuce diverse obiecte pe conductele de abur, gaz, pe calorifer etc. să se lase neșterse mesele sau pardoseala de produsele răspândite pe ele sau să se facă curațenie cu substanțe inflamabile în timp ce funcționează becurile de gaz.

Manipularea reactivilor

Toți recipienții care conțin reactivi toxici trebuie să poarte, obligatoriu, semnul convențional de avertizare.

Este interzisă manipularea vaselor deschise ce conțin reactivi toxici; deschiderea acestora se va face numai sub nișa prevăzută cu aspirație corespunzătoare.

Instalațiile în care se lucrează cu reactivi toxici sau în care se obțin produse toxice se amplasează în intregime sub nișă.

Pipetarea reactivilor toxici lichizi se va face cu ajutorul perelor de cauciuc sau cu pipete speciale, fiind interzisă pipetarea direct cu gura.

Operațiile de dizolvare în care pot lua naștere substanțe toxice (de exemplu dizolvarea metalelor în acizi) se vor efectua numai sub nișă.

Acizii se vor păstra în flacoane de sticlă cu dop rodat, iar hidroxizii în flacoane cu dop de cauciuc.

La turnarea în vase a lichidelor care reacționează energic cu apa, vasele trebuie sa fie perfect uscate, iar turnarea se va face obligatoriu prin pâlnie.

La manipularea reactivilor caustici și corozivi, vasele din sticlă trebuie ținute cât mai departe de corp, chiar dacă se utilizează ochelari de protecție.

La manipularea reactivilor caustici și corozivi se va evita contactul acestora cu epiderma.

La manipularea acizilor concentrați trebuie să se ia următoarele măsuri:

-vasele mai mari se vor păstra în coșuri, în perfectă stare, cu umplutura elastică; în cazul acidului azotic sau a altui acid cu actiune oxidantă, materialul elastic va fi de natură necombustibilă, ca Kiesselgur, deșeuri de azbest sau vată de sticlă;

-se va turna obligatoriu prin pâlnie;

-pentru golirea damingenelor se va utiliza un sistem basculant (acid sulfuric) sau un sistem de sifonare (acid azotic, acid clorhidric, amoniac);

-acizii clorhidric și azotic concentrați, precum și soluția concentrată de amoniac, se toarnă sub continua ventilare a aerului;

-la diluarea acidului sulfuric concentrat se toarnă acidul în apă și nu invers, iar operația se va executa cât mai lent.

La dizolvarea acidului sulfuric concentrat în apă, la amestecarea acizilor sulfuric și azotic concentrați și, în general, la un amestec de substanțe însoțit de o degajare de caldură, se vor întrebuința vase rezistente la șocuri termice.

Manipularea aparaturii de laborator

Aparatele electrice de încălzit (cuptoare, etuve, băi electrice etc.) trebuie asezate pe mese protejate cu tablă de oțel și foi de azbest.

Se interzice conectarea aparatelor electrice dacă lipseste fișa. Se interzice utilizarea conductorilor neizolați sau montați neregulamentar (improvizații electrice). Pentru conectarea aparatelor se vor utiliza numai circuite electrice standardizate.

Se interzice conectarea mai multor aparate electrice la o singură priză.

Se interzice folosirea aparatelor la care se observă scântei sau care prezintă scurtcircuite.

Se interzice manipularea cu mâinile libere neprotejate cu mănuși electroizolante, a aparatelor și a instalațiilor electrice aflate sub tensiune.

Anexa 2. Instrucțiuni tehnice de lucru pentru utilizarea Spectrometrului cu Fluorescența de Raze X ARL 9800XP

1.Scop/ Domeniu

1.1. Prezenta Instrucțiune de lucru stabilește etapele privind determinarea compoziției chimice pentru diferite probe ca: fontă, zgura de furnal, minereuri de fier, minereuri de mangan, aglomerat, calcar, dolomită, praf de furnal; sarcinile pentru personalul ce efectuează analizele chimice, pentru preîntâmpinarea situațiilor ce pot perturba desfășurarea procesului de producție din Departament Furnale.

1.2. Prevederile prezentei Instrucțiuni se aplică intregului personal al laboratorului.

1.3. Personalul laboratorului este subordonat direct șefului de formație și șefului de laborator.

2. Personalul Laboratorului

2.1.Cunoaște și respectă prezenta instrucțiune de lucru.

2.2.Intervine promt pentru prevenirea oricărei stări care poate genera avarii.

2.3.Verifică integritatea și modul de funcționare a dispozitivelor de protecție, siguranță și control.

2.4.Răspunde de folosirea în permanență a echipamentului de protecție și după caz a dispozitivelor de siguranță din dotare.

2.5.Fiecare lucrător trebuie să își desfășoare activitatea, în conformitate cu pregătirea și instruirea sa, precum și cu instrucțiunile primite din partea angajatorului, astfel încât să nu expună la pericol de accidentare sau îmbolnăvire profesională atât propria persoană, cât și alte persoane care pot fi afectate de acțiunile sau omisiunile sale în timpul procesului de muncă.

2.6.Lucrătorii mai au următoarele obligații:

-să utilizeze corect mașinile, aparatura, uneltele, substanțele periculoase, echipamente de transport și alte mijloace de producție;

-să utilizeze corect echipamentul individual de protecție acordat și, după utilizare să îl înapoieze sau să îl pună la locul destinat pentru păstrare;

-să nu procedeze la scoaterea din funcțiune, la modificarea, schimbarea sau înlăturarea arbitrară a dispozitivelor de securitate proprii, în special ale mașinilor, aparaturii, uneltelor, instalațiilor tehnice și clădirilor, și să utilizeze corect aceste dispozitive;

-să comunice imediat angajatorului și/sau lucrătorilor desemnați orice situație de muncă despre care au motive întemeiate să o considere un pericol pentru securitatea și sanatatea lucrătorilor, precum și orice deficiență a sistemelor de protecție;

-să aducă la cunoștința conducătorului locului de muncă și/sau angajatorului accidentele suferite de propria persoană;

-să coopereze cu angajatorul și/sau cu lucrătorii desemnați, atât timp cât este necesar, pentru a face posibilă realizarea oricăror măsuri sau cerințe dispuse de către inspectorii de muncă și inspectorii sanitari, pentru protecția sănătății și securității lucrătorilor;

-să coopereze, atât timp cât este necesar, cu angajatorul și/sau cu lucrătorii desemnați, pentru a permite angajatorului să se asigure că mediul de muncă și condițiile de lucru sunt sigure și fără riscuri pentru securitate și sănătate, în domeniul său de activitate;

-să își însușească și să respecte prevederile legislației din domeniul securității și sănătății în muncă și măsurile de aplicare a acestora;

-să dea relațiile solicitate de către inspectorii de muncă și inspectorii sanitari.

3.Echipamente de muncă

Caracteristici

Această instructiune descrie o metodă pentru determinarea secvențială sau simultană (în funcție de spectrometrul folosit) a compoziției chimice pentru o mare diversitate de probe (masive, pulverulente sau lichide).

Metoda de analiză spectrală prin XRF se bazează pe determinarea intensității liniilor caracteristice fiecarui element din spectrul de fluorescență, obținut prin iradierea probei cu raze X; intensitatea acestor linii este proportională cu concentrația elementului respectiv în probă.

Spectrometrul se compune, în principiu, din sursa de excitare a probei (tubul de razeX), goniometru (monocromatorii pentru spectrometrele simultane) pentru separarea radiațiilor X secundare caracteristice elementelor din probă, detectorii care transformă energia radiațiilor X caracteristice în impulsuri electrice și sistemul electronic de procesare a datelor.

4.Echipamentul de analiză

Spectrometru: ARL 9800XP

Condiții de folosire a echipamentului

Laboranții au sarcina respectării prezentei instrucțiuni.

Răspund de utilizarea corectă, conform instrucțiunilor de lucru, a aparaturii și utilajelor din dotare și sesizează orice abatere ivită de la normele și parametrii metrologici ai aparatului.

5.Succesiunea operațiilor

La spectrometrul ARL 9800XP se vor analiza numai materialele masive sau pulverulente pentru care au fost întocmite, în prealabil , programe de lucru.

Inainte de efectuarea analizei, probele se vor pregăti în mod corespunzător:

– probele masive (fontele) se vor rectifica și șlefui;

– probele pulverulente se vor dezagrega prin topire cu borax, folosind rețeta corespunzatoare programului respectiv.

Pentru efectuarea analizei, eșantionul se introduce în una din casetele aflate în magazia de probe.

După așezarea casetei cu eșantionul de analizat în sus se inchide capacul.

Se selectează pe monitorul calculatorului programul de lucru în care se trece: poziția casetei, de câte ori se repetă analiza, numele /nr.probei.

Se pornește analiza cu tasta „ ENTER”.

După înregistrarea analizei, se apasă „ Continue” și „ Exit”; proba se scoate din casetă, iar capacul magaziei de probe se închide.

6.Situații anormal previzibile

6.1.Nu se vor depozita nici un fel de obiecte străine (în afara de casetele de analizat) în magazia de probe. Caruselul se învarte și poate antrena obiectele străine în interiorul spectrometrului. Capacul magaziei de probe trebuie să fie neapărat închis.

6.2.Instrumentul este prevazut cu circuite de apă, gaz și aer comprimat. În cazul în care se observă vreun fluid în imediata vecinătate a instrumentului (provenind din interiorul lui) operatorul anunță imediat șeful de schimb care dispune la scoaterea imediată a instrumentului de sub tensiune și anunță imediat șeful de laborator și/sau inginerul de service.

6.3.În caz de avarie, se apasă pe butonul „ EMERGENCY STOP” și se anunță seful laboratorului și personalul specializat în vederea determinării cauzei și remedierea defecțiunilor. Se va citi pe ecranul calculatorului „ Alarm reporter” și se va menționa înscrisul la anunțarea defecțiunii.

7.Securitatea muncii

7.1.Măsuri specifice

Pentru evitarea accidentelor de lucru este necesar ca lucratorii să respecte urmatoarele reguli:

7.1.1. să cunoască și să îndeplinescă instrucțiunile generale ale Departamentului Furnale și ale prevederilor prezentei instrucțiuni.

7.1..2.să nu se prezinte la program obosit, sub influența bauturilor alcoolice sau în stare de ebrietate.

7.1.3.să poarte echipamentul individual de protecție prevazut în normativ, curat și în bună stare.

7.1.4.să supravegheze în permanență aparatele, instalațiile mecanice.

7.1.5.să intervină pentru remedierea eventualelor defecțiuni aparute în funcționarea echipamentelor și instalațiilor din cadrul laboratorului cu luarea măsurilor de securitate ce se impun.

7.1.6.să nu folosească improvizații pentru funcționarea diverselor aparate și echipamente din cadrul laboratorului.

7.1.7.la toate locurile de muncă vor fi utilizate indicatoare de securitate, vizibile atât ziua cât și noaptea.

7.1.8. este obligatorie purtarea echipamentului de protecție.

7.1.9. Prevenirea incendiilor și exploziilor:

-nu fumați și nu utilizați focul deschis în zonele unde există posibilitatea de acumulare a gazelor combustibile (metan, gaz de furnal, oxigen);

-semnalizați zonele unde există posibilitatea de acumulare sau de emanație a gazelor;

-verificați dacă funcționează instalațiile/sistemele de sesizare, alarmare și stingere a incendiilor.

7.2.Factori de risc

Pe durata executării analizelor spectrale există sau pot aparea o serie de factori de risc. Personalul trebuie să ia măsurile adecvate pentru eliminarea sau reducerea factorilor de risc cunoscuți. Lista principalilor factori de risc specifici lucrului cu spectrometrul este dată în continuare:

7.2.1.Mișcare periculoasă a capacului camerei probei pe verticală sub acționare pneumatică

7.2.2.Autoblocare instrument spectral

7.2.3.Suprafețe cu contururi periculoase-eșantionul de probă prăfoasă

• înțepare

• taiere

7.2.4.Factori de risc electric

• curent electric – risc de electrocutare prin atingere directă

7.2.5.Factori de risc chimic

• vapori de ulei din pompele de vid

7.2.6.Factori de risc fizic

• radiații ionizante

7.2.7.Executare defectuoasă de operații

7.2.8.Nesincronizari de operații

7.2.9.Efectuare de operații neprevăzute prin sarcina de muncă

7.3.Măsuri de prevenire a factorilor de risc

Pentru menținerea capacității de lucru și evitarea accidentelor sau îmbolnăvirilor, personalul laborant trebuie să cunoască și să respecte următoarele dispoziții generale:

-Este interzisă punerea în funcțiune a unei instalații care nu satisface normele de securitate a muncii și normele de protecție împotriva incendiilor. Recurgerea la improvizații pentru asigurarea funcționalității unui aparat, utilaj sau instalație este interzisă.

-Este interzisă efectuarea unei lucrări/manevre care prezintă un pericol de accidentare, chiar dacă neexecutarea ei ar putea conduce la deranjamente sau pagube materiale.

-Personalul care primește o dispoziție contrară prevederilor regulilor S.S.M. trebuie să refuze indeplinirea ei și să se adreseze unui șef ierarhic superior celui care a dat dispoziția.

-În zonele cu pericole speciale (gaze toxice, substanțe inflamabile sau explozive, temperaturi extreme etc.) trebuie luate măsuri suplimentare de protecție în timpul intervenției (utilizarea detectorului de gaze portabil, folosirea măștii de gaze sau aparatului de respirat autonom, utilizarea aparatelor certificate pentru lucrul în medii cu pericol de explozie, evitarea operațiilor care pot produce scântei etc.).

Măsuri de prevenire a factorilor de risc propuse pentru menținerea capacității de lucru și evitarea accidentelor sau îmbolnăvirilor la lucrul cu aparatul spectral ARL 9800XP:

-Nu se va așeza nici un obiect pe o raza de 5 cm în jurul capacului;

-Nu vor exista 2 operatori în același timp în zona instrumentului în momentul introducerii sau scoaterii eșantionului de probă din aparat;

-Respectarea graficelor de revizii și a instrucțiunilor de lucru;

-Manipulare cu atenție deosebită;

-Inspecție vizuală a eșantionului;

-Menținerea ușilor instrumentului închise și încuiate;

-Curățarea periodică a filtrelor de ulei;

-Asigurarea etanșeității camerei spectrale;

-Menținerea curățeniei în camera probei;

-Respectarea normelor de circulație în sector.

8.Situații de urgență

8.1.Măsuri specifice

Lucratorul:

8.1.1.Verifică la intrarea în schimb existența și starea mijloacelor de primă intervenție cu care este dotat locul de muncă unde își desfășoară activitatea;

8.1.2.Își însușește temeinic modul de utilizare a mijloacelor de primă intervenție din dotarea locului de muncă;

8.1.3.Nu permite folosirea și nu folosește mijloacele inițiale de prevenire și stingere a incendiilor din dotare în alte scopuri decât pentru cele pentru care acestea au fost destinate;

8.1.4.Este interzis fumatul și manipulările cu foc deschis în zona instrumentului spectral.

8.2. Măsuri generale

Intervenția la locul de muncă presupune:

1.alarmarea imediată a personalului de la locul de muncă sau a utilizatorilor prin mijloace specifice, anunțarea incendiului la forțele de intervenție, precum și la dispecerat;

2.salvarea rapidă și în siguranță a personalului, conform planurilor stabilite;

3.întreruperea alimentării cu energie electrică, gaze și fluide combustibile a consumatorilor și efectuarea altor intervenții specifice la instalații și utilaje de către persoanele anume desemnate;

4.acționarea asupra focarului de incendiu cu mijloacele tehnice de apărare împotriva incendiilor din dotare;

5.evacuarea bunurilor periclitate de incendiu și protejarea echipamentelor care pot fi deteriorate în timpul intervenției;

6.protecția personalului de intervenție împotriva efectelor negative ale incendiului: temperatură, fum, gaze toxice;

7.verificarea amănunțită a locurilor în care se poate propaga incendiul;

Pentru asigurarea condițiilor de evacuare și salvare a utilizatorilor în siguranță în caz de incendiu se adoptă următoarele măsuri:

-întreținerea în bună stare de funcționare a elementelor de limitare a propagării focului ori de izolare termică din compunerea construcțiilor și instalațiilor

-păstrarea căilor de evacuare libere și în stare de utilizare la parametrii la care au fost proiectate și realizate

-funcționarea iluminatului de siguranță și a celei de-a doua surse de energie electrică, conform reglementărilor tehnice

-funcționarea sistemelor de alarmare și semnalizare a incendiilor la parametrii de performanță pentru care au fost proiectate

-organizarea și desfășurarea, periodic, de exerciții și aplicații cu salariații, în condițiile legii

Căile de evacuare se marchează cu indicatoare standardizate, conform reglementărilor tehnice specifice, astfel încât traseele acestora să fie recunoscute cu ușurință.

Se montează indicatoare corespunzătoare la rampele scărilor care duc la demisol sau subsol ori la ușile de acces către alte spații și încăperi din care evacuarea nu poate fi continuată.

Dispozitivele care asigură închiderea automată în caz de incendiu a elementelor de protecție a golurilor, cele de acționare a trapelor și clapetelor, precum și cele care mențin în poziție închisă ușile încăperilor tampon se mențin în permanență în stare de funcționare.

Se interzice blocarea în poziție deschisă a ușilor caselor scărilor, a celor de pe coridoare, a celor cu dispozitive de închidere automată sau a altor uși care, în caz de incendiu, au rolul de a opri pătrunderea fumului, gazelor fierbinți și propagarea incendiilor pe verticală sau orizontală.

Este interzisă blocarea căilor de acces, de evacuare și de intervenție cu materiale care reduc lățimea sau înălțimea liberă de circulație stabilită ori care prezintă pericol de incendiu sau explozie, precum și efectuarea unor modificări la acestea, prin care se înrăutățește situația inițială.

Se interzice:

– utilizarea aparatelor electrice, cablurilor electrice, prizelor, întrerupătoarelor, dispozitivelor de protecție cu defecțiuni sau cu improvizații;

– suprasolicitarea rețelei electrice;

– nesupravegherea aparatelor electrice sub tensiune;

– folosirea siguranțelor fuzibile supradimensionate prin înlocuirea cu liță a fuzibilului calibrat;

– așezarea sau păstrarea buteliilor de gaze în apropierea oricăror surse de căldură ori sub acțiunea directă a razelor solare;

– folosirea buteliilor de gaze lichefiate fără regulatori de presiune, cu garnituri deteriorate ori cu furtunuri de cauciuc fisurate sau lărgite la capete.  

Lucrătorii sunt obligați:

-să respecte și să aplice normele și regulile de protecție civilă stabilite de autoritățile administrației publice centrale și locale, precum și de conducătorii agenților economici;

-să ducă la îndeplinire măsurile de protecție civilă dispuse, în condițiile legii, de autoritățile competente;

-să informeze autoritățile sau serviciile de urgență abilitate, prin orice mijloace, inclusiv telefonic, prin apelarea numărului 112, despre iminența producerii sau producerea oricărei situații de urgență despre care iau cunoștință;

-să informeze serviciile de urgență profesioniste sau poliția, după caz, inclusiv telefonic, prin apelarea numărului 112, despre descoperirea de muniție sau elemente de muniție rămase neexplodate;

-să participe la pregătirea de protecție civilă la locul unde își desfășoară activitatea;

-să permită, în situații de protecție civilă, accesul forțelor și mijloacelor de intervenție în incinte sau pe terenuri proprietate privată;

-să accepte și să efectueze evacuarea din zonele afectate sau periclitate de dezastre, potrivit măsurilor dispuse și aduse la cunoștință de către autoritățile abilitate.

Anexa 3. Imagini din laboratorul de analize