بسم الله الرحمن الرحيم
روش فلوئورسانس پرتو X
روش فلوئورسانس پرتو X
روش فلوئورسانس پرتو X )XRF(، یا طیف سنجی پرتو X یکی از روش های آنالیز عنصری است که امروزه از آن به طور وسیعی در صنعت و مراکز پژوهشی استفاده می شود. این روش ، به ویژه به خاطر سرعت زیاد در شناسایی عنصری ، برای برخی از صنایع ، ضروری است. در این روش ، پرتو X به نمونه مجهول تابیده و در اثر برانگیختن اتم ها باعث پدید آمدن پرتو X ثانویه می شود. سپس با تعیین طول موج یا انرژی پرتو X ثانویه ، عنصرهای مورد نظر را می توان شناسایی کرد.
اساس کار
پرتو خروجی از لوله ی پدیدآورنده ی پرتو X به نمونه می تابد و در اثر بمباران الکترون های موجود در مدارات داخلی اتم خارج شده و جایگزینی این الکترون ها از مدارات بالایی ، سبب پدید آمدن پرتو X (پرتو مشخصه) خواهد شد. اساس این پدیده ، مانند حالتی است که نمونه ، توسط الکترون بمباران گردد. شکل زیر نمونه ای از دستگاه فلوئورسانس پرتوی X را نشان می دهد :
پرتوی X خروجی از نمونه که در حقیقت پرتو مشخصه عنصرهای موجود در نمونه مجهول است پس از عبور از جمع کننده (کلیماتور) ، به سوی یک بلور هدایت می شود(در بخش آشکارساز داخل شکل بالا). جمع کننده دارای چند ورقه ی موازی است که وظیفه ی جمع کردن و موازی نمودن پرتو X را بر عهده دارد. هدف از قرار دادن چنین قسمتی در مسیر پرتو X ، مجبور نمودن آن به حرکت موازی و برخورد با زاویه ی مشخص به بلور می باشد. پرتو برخورد کننده به بلور گستره ای از طول موج هاست ، که هر کدام به یک عنصر تعلق دارد. اگر این گستره به طور مستقیم به داخل آشکارساز فرستاده شود ، نمی توان شدت هر یک از طول موج ها را تعیین کرد. بنابراین آن ها را بایستی قبل از ارسال به آشکارساز امواج ، توسط قسمتی ، به عنوان مثال یک بلور ، تفکیک کرد. بلور آنالیز کننده ، طبق رابطه براگ باعث پراش هر یک از طول موج ها در زاویه ی ویژه ای می شود و پس از پراشیدن ، آن ها را به آشکارساز می فرستند. بنابراین بلور باید در برابر تابش پرتئ X بچرخد و زاویه های گوناگونی را اختیار کند . از آنجا که این بلور با یک زاویه ی ویژه و با فاصله ی صفحات معین ، در برابر تابش پرتو X قرار دارد ، طبق رابطه ی براگ در هر زاویه یک طول موج ویژه که در این رابطه صدق کند را انتخاب می کند و آن طول موج را به طرف آشکارساز بازتاب می دهد. با پراش یک طول موج ، بقیه ی طول موج ها که با این رابطه سازگاری ندارند در فضای اطراف بلور پخش شده و از بین می روند. پرتو X پس از پراش و عبور از جمع کننده ی ثانویه ، به داخل آشکارساز می رود. آشکارساز و جمع کننده بر روی یک دایره هستند و بلور در مرکز آن قرار دارد. در حالی که زاویه ی بین پرتو X اولیه و بلور T درجه باشد ، زاویه ی بین پرتو X ثانویه و پرتواولیه ، T2 بوده و بنابراین آشکارساز باید با سرعتی دو برابر سرعت چرخش بلور بچرخد. وظیفه ی آشکارساز ، تعیین شدت پرتو ثانویه ورودی و ارسال آن به قسمت ثبت کننده است.
اجزای دستگاه XRF
1- لوله ی پدیدآورنده ی پرتو X :
در دستگاه های مختلف XRF از لوله های گوناگونی استفاده می شود. تفاوت آن ها در توان استفاده شده در لوله ، محل قرار گرفتن پنجره ی برلیومی و نوع سرمایش می باشد . پنجره ی خروجی می تواند در دیواره مناری و یا در انتهای لوله قرار داشته باشد. در این نوع لوله آند به صورت یک لایه ی نازک بر روی پنجره ی برلیومی قرار دارد. نمونه ای از این لوله در شکل بالا نمایان است. جنس آند(تارگت) در دستگاه XRF به طور معمول فلز کرم ، مولیبدن ، رنیم یا تنگستن است. وظیفه ی لوله پرتو X ، پدید آوردن پرتو باشدت زیاد برای برانگیختگی همه عنصرهای موجود در نمونه مجهول است. به عبارت دیگر ، طیف پرتو خروجی از لوله ، باید طول موج کمتری از لبه ی جذب عنصرهای موجود در نمونه مجهول داشته باشد.
2- بلور آنالیزکننده :
معمولا این بلور ها از جنس فلورید سدیم بوده و بیشترین کاربرد را در دستگاه های XRF دارد. و برای شناسایی عناصر از پتاسیم تا اورانیوم به کار می رود. از بلور ژرمانیوم هم برای عناصر از فسفر تا کلر استفاده می شود.
3- آشکارسازها : که شامل دو دسته ی تهییجی و آشکارسازهای گازی می شود.
آنالیز عنصری
همانطور که اشاره شد ، پرتو X سرچشمه گرفته از لوله پدیدآورنده آن ، پس از برخورد با نمونه ، پرتو X مشخصه عنصرهایی را که در آن وجود دارد پدید می آورد و این پرتو ثانویه توسط بلور آنالیز کننده ، طول موج های مربوط به هریک از عناصر را تفکیک می کند. پرتو مشخصه پس از پراش از بلور آنالیز کننده ، به آشکارساز می رسد. پرتو (مشخصه ای) که از نمونه سرچشمه گرفته است ، در مسیر حرکت خود توسط اجزای گوناگون جذب می شود. به عنوان مثال ، بخشی از آن توسط اتم های دیگر نمونه و بخشی نیز ممکن است توسط بلور آنالیزکننده جذب شود. در پایان مقداری از پرتو نیز توسط دریچه ی ورودی آشکارساز جذب خواهد شد. ممکن است که در محوطه ی طیف سنج نیز مقداری از پرتو، توسط مولکول های هوا جذب شود. این جذب های پی در پی شناسایی عناصر سبک را که پرتو مشخصه آن ها طول موج بلند دارد با مشکل روبرو می کند. جذب پرتو X ، متناسب با توان سوم طول موج آن است. اگر پرتو طول موج بلند داشته باشد ، و باتوجه به آنکه به شدت هم جذب شده است ، بنابراین پرتو ضعیفی به داخل آشکارساز می رسد. با خروج هوا از فضای طیف سنج ، استفاده از بلورهایی که میزان جذب آن ها کم است و همچنین به کمک آشکازهایی که در آن ها پنجره ی نازک برلیومی به کار می رود، امروزه به کمک دستگاه های XRF می توان عناصر تا عدد اتمی 5 را نیز شناسایی کرد. به هر حال ، زمانی که آنالیز اتم های سبکتر از فلوئور مورد نظر است ، باید توجه کرد که شرایط کاری لازم پدیدآمده باشد. آنچه دستگاه به عنوان طیف رسم می کند، تغییر شدت بر حسب انرژی است که طیفی شبیه الگوی شکل زیر است :
در این الگو پیک ها به پرتوهای مشخصه ی عنصرهای گوناگون موجود در نمونه تعلق دارند. به طور معمول برای هر عنصر ، پیک K و K و برای عنصرهای سنگین حتی L در الگو مشخص می شود.
کابردهای روش XRF
روش XRF در بسیاری از کاربردها ، جایگزین روش های آنالیز شیمی تر ، شده است. این جایگزینی به دلیل سرعت بالا و دقت زیاد در آنالیز مواد می باشد. روش های شیمیایی سنتی ، بسیار وقت گیر هستند و همچنین به توانایی شخص آنالیز کننده وابسته اند. اما در روش XRF در حالی که آنالیز و شناسایی با سرعت انجام می گیرد ، این وابستگی نیز بسیار کم است. به هر حال دستگاه های XRF از نظر سرمایه گذاری ابتدایی ، هزینه ی بالایی دارند و بنابراین همه مراکز صنعتی و آزمایشگاهی توان خرید آن را ندارند. همانطور که پیشتر اشاره شد ، کاربرد اصلی دستگاه XRF در صنایعی مانند فولاد و سیمان است. در این صنایع ، تغییر مقدار عنصرهای موجود در نمونه ، در گستره ی کوچک و مشخصی است و دوم آنکه نیازمند سرعت زیاد آنالیز برای تصمیم گیری در تنظیم ترکیب هستند. محدود بودن عناصر موجود در نمونه ی مجهول و گستره تغییر آن ها ، امکان استفاده از منحنی های کالیبراسیون را با اطمینان به وجود می آورد. بدیهی است که در این نوع صنایع ، دستگاه همزمان بیشتر مورد توجه باشد. و در حالت کلی برای انجام کارهای پژوهشی ، استفاده از دستگاه XRF برای انجام آنالیز های کیفی که احتیاج به نمونه های استاندارد ندارد توصیه می شود.
به طور خلاصه مشخصات این روش آزمون در زیر ارائه می گردد :
در روش اشعه ی ایکس فلوئورسانس (XRF) ، یک پرتوی اشعه ی ایکس به نمونه تابش می شود ، و اشعه ی ایکس فلوئورسانس خارج شونده از نمونه توسط یک طیف سنج بلوری و سنتیلاتور یا شمارشگر تناسبی آنالیز می شوند. تابش فلوئورسانس معمولا با بلوری در زوایای مختلف پراشیده شده تا طول موج های حاصله را جدا کند و لذا به این واسطه عناصر را مشخص نماید ، غلظت ها از شدت پیک ها مشخص می شوند . برای لایه های نازک روابط شدت – ترکیب – ضخامت که از قوانین تئوری محاسبه شده اند ، برای تعیین دقیق ترکیب و ضخامت در XRF استفاده می شوند. همچنین می توان این را برای هر لایه ی مجزا از فیلم های چندلایه انجام داد.
محدوده ی عناصر : همه بجز عناصر با عدد اتمی کم : هیدروژن ، هلیم ، و لیتیم
دقت : بعلاوه و منهای 1% برای ترکیب ، بعلاوه و منهای 3% برای ضخامت
مخرب بودن : خیر
عمق نمونه برداری اشعه : معمولا در محدوده ی 10 میکرومتر ، اما می تواند در شرایط انعکاس کلی چند ده آنگستروم هم باشد
پروفایل برداری عمقی : معمولا خیر
حد آنالیز : معمولا 1/0 % در غلظت
حساسیت : 10 تا 10 به توان 5 آنگستروم قابل آزمون است
قابلیت تفکیک عرضی : معمولا خیر
اطلاعات راجع به پیوند شیمیایی : معمولا خیر ، اما از طیف اشعه ی ایکس نرم قابل استنتاج است
ملزومات نمونه : قطر کمتر از 5 سانتی متر
استفاده ی اصلی : مشخص کردن : عناصر ، تعیین ترکیب و ضخامت
منبع: http://edu.nano.ir/index.php/articles/show/59
آخرین ویرایش:
