طیف نگاری فلوئورسانس اشعه ایکس XRF

طیف نگاری فلوئورسانس اشعه ایکس XRFReviewed by جلالی on Sep 18Rating: 5.0

طیف نگاری فلوئورسانس اشعه ایکس XRF

۱- مقدمه
درباره همه چیز : طیف نگاری فلوئورسانس اشعه ایکس، (XRF=X-ray Fluorescence Spectroscopy)  ، از روش های آنالیز عنصری است که به دلیل سرعت بالای آنالیز در بعضی از صنایع دارای اهمیت است. در این روش، اشعه ایکس به نمونه می تابد و در اثر برانگیختن اتم ها و انتقال الکترونی در لایه های مختلفِ اتم، اشعه ایکس ثانویه، تولید می شود که با تعیین طول موج (انرژی) اشعه ایکس ثانویه که مشخصه اتم است؛ می توان عناصر موجود در نمونه مورد نظر را شناسایی کرد.
با استفاده از این تکنیک، می توان آنالیز عنصری را به ‌صورت کیفی و تا حدودی کمی به خصوص در مورد نمونه های معدنی، باستانی، زمین‌شناسی، کانی‌ها، سنگ‌ها، شیشه، سیمان، سرامیک‌ها و آلیاژهای فلزی انجام داد که رد یابی عناصر از سدیم تا اورانیوم را ممکن می سازد که دقت آن برای عناصر سنگین بیشتر است.
۲- اساس کار طیف نگاری فلوئورسانس اشعه ایکس
در XRF ، اشعه ایکس اولیه در لوله تنگستن – مولیبدن یا کروم تولید می شود. اشعه ایکس خروجی از لوله، در اثر برخورد با نمونه و بمباران آن، الکترون های مدارهای داخلی اتم را آزاد می کند و فضاهای خالی در پوسته الکترونی اتم ها ایجاد می شود که این فضاهای خالی معمولا با الکترون هایی که در سطح انرژی بالاتر قرار گرفته اند؛ پر می شوند. در اثر گذار الکترون از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی پایین تر، اشعه ایکس ثانویه (فلوئورسانس) تولید می شود که مشخصه عنصرهای موجود در نمونه است و به این ترتیب شناسایی عناصر مختلف صورت می گیرد. شکل ۱ تولید اشعه ایکس ثانویه k و L را در اثر انتقال الکترونی نشان می دهد.

filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e
 
شکل ۱ – طرح واره تولید اشعه ایکس ثانویه در اثر انتقال الکترونی (راست) از M به L و (چپ) از L به K



۳- اجزای تشکیل دهنده طیف نگار فلوئورسانس اشعه  ایکس
دستگاه XRF معمولا از منبع انرژی با ولتاژ بالا، لوله تولید کننده اشعه ایکس، نگهدارنده نمونه، توازن دهنده های طیف های تابشی حاصل از نمونه، بلور فلوئورسدیم یا بلورهای دیگر، توازن دهنده های طیفی بعد از عبور از بلور فلوئورسدیم، دستگاه شمارش برای اندازه گیری شدت اشعه ایکس با طول موج های مختلف برای عناصر گوناگون، ثبت کننده قوی و تقویت کننده الکترونی تشکیل شده است. شکل ۲ طرح واره ای از دستگاه فلوئورسانس اشعه ایکس را نشان می دهد.

filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1
شکل ۲ – طرح واره دستگاه XRF
نمونه با استفاده از اشعه ایکس اولیه ی تولید شده در لوله اشعه ایکس، بمباران می شود و انتقال الکترونی انجام و اشعه ایکس ثانویه که پرتو مشخصه عنصرهای موجود در نمونه مجهول است؛ تولید می شود. این اشعه ایکس ثانویه، پس از عبور از جمع کننده (Collimator)، به سمت بلوری که در بخش آشکارساز قرار دارد؛ هدایت می-شود. جمع کننده متشکل از چند ورقه ی موازی است که با جمع و موازی کردن اشعه ایکس، آن را وادار به حرکت موازی و برخورد با زاویه ی مشخص به بلور می کند. اشعه برخوردکننده به بلور در واقع گستره ای از طول موج ها را داراست که هر یک به یک عنصر تعلق دارد. بنابراین، پیش از ارسال گستره طول موج ها به آشکارساز بایستی با استفاده از بلور، تفکیک شوند. بلور آنالیزکننده، بر اساس رابطه براگ منجر به پراش هر یک از طول موج ها در زاویه ی مشخصی می شود و سپس این طول موج های پراشیده، به آشکارساز فرستاده می شوند. از آن جاییکه در هر زاویه، یک طول موج ویژه در رابطه براگ صدق می کند؛ با پراش یک طول موج ، بقیه ی طول موج ها در فضای اطراف بلور پخش شده و از بین می روند. سپس، اشعه ایکس تفکیک شده، پس از عبور از جمع کننده ی ثانویه، به داخل آشکارساز هدایت می شود. آشکارساز و جمع کننده بر روی یک دایره هستند و بلور در مرکز آن قرار دارد. در آشکارساز، شدت اشعه ایکس ثانویه برای هر طول موج تعیین می شود و در نهایت اطلاعات به دست آمده به قسمت ثبت کننده فرستاده می شود.
۳-۱ منابع اشعه ایکس
در XRF، از لوله های گوناگونی استفاده می شود تا اشعه ایکس با شدت زیاد برای برانگیختگی همه عنصرهای موجود در نمونه مجهول را تولید کند. تفاوت این لوله ها در توانِ استفاده شده در لوله، نوع سرمایش و محل قرار گرفتن پنجره برلیومی است. این پنجره از جنسِ برلیوم ساخته می شود که در برابر اشعه ایکس شفاف است و اشعه ایکس تولید شده می تواند از آن عبور کند. این پنجره ی خروجی می تواند در دیواره و یا در انتهای لوله قرار داشته باشد. آند به صورت یک لایه ی نازک بر روی پنجره ی برلیومی قرار دارد. جنس آند یا هدف (Target) معمولا تنگستن، کُرُم، مولیبدن یا رنیوم است. شکل ۳، طرح واره ای از لوله اشعه ایکس را نشان می دهد.

filereader.php?p1=main_7bc3ca68769437ce9
شکل ۳ -طرح واره لوله تولید اشعه ایکس اولیه
۳-۲ تحلیلگر انرژی
اشعه ایکس ثانویه گستره ای از فوتون ها با انرژی های گوناگون را شامل می شود که برای تفکیک فوتون ها بر حسب انرژی آنها، از بلورهای تحلیلگر و پدیده ی پراش اشعه ایکس استفاده می شود تا بر اساس رابطه براگ، n.λ=۲d.sinθ ( نماد n عددی صحیح، λ طول موج، d فاصله بین صفحات بلور تحلیلگر و θ زاویه ی پراش است) فوتون های هم انرژی در زاویه های مشخصی پراشیده و از یکدیگر جدا شوند. معمولا بلورهای تحلیلگر از جنس فلورید سدیم اند و برای شناسایی عناصر از پتاسیم تا اورانیوم به کار برده می شوند. از بلور تحلیلگر ژرمانیوم نیز برای شناسایی عناصر، از فسفر تا کلر استفاده می شود.
۴- نمونه مجهول
در کارهای پژوهشی، استفاده از دستگاه XRF برای انجام آنالیزهای کیفی که بی نیاز از نمونه های استاندارد است؛ پیشنهاد می شود. نمونه استاندارد نمونه ای است که عناصر تشکیل دهنده و مقدار آنها مشخص و معین است. نمونه مورد مطالعه و نمونه استاندارد بایستی از نظر روش آماده سازی و یکنواخت و مسطح بودن سطح یکسان باشند تا نتایج XRF از دقت لازم برخوردار باشد. مهمترین عناصری که به وسیله XRF اندازه گیری می شود عبارتند از آلومینیوم، کلسیم، سدیم، پتاسیم، آهن، کرم، تیتانیم، منگنز، سیلیکون و گوگرد است که نتایج حاصل از سنجش عناصر به صورت اکسیدهای عناصر بیان می شود. در XRF های متداول، عناصر سبکتر از سدیم با عدد اتمی ۱۱ قابل شناسایی نیستند.اشعه ایکس ثانویه ای که از هر عنصر گسیل می شود؛ بر اساس انتقال های الکترونی می تواند به صورت طول موج های مختلفی با نمایش Kα، Kβ،Lα ، Lβ ظاهر شود که مشخص کننده سطوح الکترونی حاصل از جابه جایی الکترون ها است (شکل ۴). خطوط طیفی Kα و Kβ معمولا بهترین خطوط برای سنجش عیار عناصر است در حالی که برای عناصر سنگین مانند مس، روی و سرب از خطوط Lα و Lβ استفاده می شود.
filereader.php?p1=main_13207e3d5722030f6
شکل ۴ – انتقال های الکترونی گوناگون که منجر به تابش اشعه ایکس ثانویه می شود.
بخشی از اشعه مشخصه  (فلوئورسانس) که از نمونه گسیل شده است؛ در مسیر حرکت خود به وسیله اتم های دیگر نمونه، بلور تحلیلگر انرژی (طول موج)، پنجره ورودی آشکارساز و یا مولکول های هوا جذب خواهد شد که شناسایی عناصر سبک که فلوئورسانس مشخصه آنها طول موج بلند دارد را با مشکل مواجه می کند (جذب اشعه ایکس متناسب با توان سوم طول موج است). خروج هوا از فضای طیف نگار، استفاده از بلورهایی که میزان جذب اندک دارند و استفاده از آشکارسازهایی که پنجره ی نازک آنها برلیومی است؛ به کاهش میزان جذب فلوئورسانس کمک می کند. امروزه به کمک دستگاه های XRF اصلاح شده و فراهم آوردن شرایط مناسب می-توان عناصر تا عدد اتمی ۵ را نیز شناسایی کرد.
۵- طیف فلوئورسانس اشعه ایکس
آنچه دستگاه XRF به عنوان طیف رسم می کند، تغییر شدت بر حسب انرژی است که طیف فلورسانس اشعه ایکس سکه نمایش داده شده، در شکل ۵ مشاهده می شود. پیک ها مربوط به فلوئورسانس مشخصه ی عنصرهای گوناگون موجود در نمونه است که نشان می دهد این سکه از عنصرهای طلا و مس تشکیل شده است و آنالیز کمی که انجام شده است بیانگر حضور ۹۰% طلا در این سکه است. به طور معمول برای هر عنصر ، پیک K و برای عنصرهای سنگین K وL در الگو مشخص می شود.
filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a
شکل ۵ – طیف XRF سکه طلا نمایش داده شده
۶- کاربردها
روش XRF به دلیل سرعت بالا، دقت زیاد و استقلال از وابستگی به شخص آنالیز کننده، جایگزین مناسبی برای سایر روش های آنالیز شیمی در شناسایی مواد است. کاربرد اصلی دستگاه XRF در صنایعی مانند فولاد و سیمان است. در این صنایع، سرعت بالای آنالیز برای تنظیم ترکیب؛ و قرار گرفتن عنصرهای موجود در نمونه در گستره ی کوچک و مشخص، استفاده از XRF را سودمند کرده است. زیرا محدود بودن عناصر موجود در نمونه-ی مجهول و گستره تغییر آنها، باعث می شود که بتوان از منحنی های کالیبراسیون با اطمینان بیشتری استفاده کرد. این روش به‌عنوان مکمل مطالعات کانی‌شناسی و متالوگرافی در بررسی‌های باستان‌شناسی و حفاظت از آثار استفاده می شود.
در لایه های نازک، رابطه میان شدت، ترکیب و ضخامت از قوانین تئوری محاسبه شده اند که ازXRF می توان برای تعیین دقیق ترکیب و ضخامت لایه ی نازک استفاده کرد.

نمایه ها : طیف نگاری فلوئورسانس اشعه ایکس آنالیز عنصری آنالیز کیفی فلوئورسانس انتقال الکترونی

منابـــــع :

  • ۱٫ Ron Jenkins, “X-Ray Fluorescence Spectrometry”, New York, Wiley (1999).
  • ۲٫ Potts, P. J., West, M. “Portable X-ray Fluorescence Spectrometry Capabilities for In Situ Analysis”, UK, Royal Society of Chemistry (2008).


سایتی به وسعت همه چیز که در اون سعی میکنم تجربیات و مطالب در خور توجه رو که دوستشون دارم قرار بدم و امیدوارم با پیشنهادات و انتقادات خودتون من رو راهنمایی کنید. با تشکر


پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دوست داری سایت خودتو داشته باشی همین الان این کار رو بکن
امتیاز دهید:
به این صفحه

به این سایت
برای محبوب کردن سایت روی 1+ کلیک کنید