انواع دستگاه های XRF و کاربرد آن

آنالیزها و تجهیزاتمتالورژی و مهندسی مواد

نوشته شده توسط:

آنالیز عنصری(Elemental analysis)

پرتو ایکس پس از خروج از لوله پدید آورنده آن و برخورد با نمونه، پرتو ایکس مشخصه عنصرهایی را که در آن وجود دارد را پدید می آورد و این پرتو ثانویه توسط بلور آنالیز کننده، طول موجهای مربوط به هر یک از عنصرها را تفکیک می کند. پرتو مشخصه، پس از پراش از بلور آنالیز کننده، به آشکارساز میرسد. پرتو (مشخصه ای) که از نمونه سرچشمه گرفته است، در مسیر حرکت خود توسط اجزای گوناگون جذب میشود. به عنوان مثال، بخشی از آن توسط اتمهای دیگر نمونه و بخشی نیز ممکن است توسط بلور آنالیز کننده جذب شود. در پایان، مقداری از پرتو نیز توسط دریچه ورودی آشکارساز جذب خواهد شد. ممکن است که در محوطه طیف سنج نیز مقداری از پرتو، توسط مولکولهای هوا جذب شود. این جذبهای پی در پی، شناسایی عنصرهای سبک را که پرتو مشخصه آنها طول موج بلند دارد با مشکل روبرو میکند.

جذب پرتو ایکس، متناسب با توان سوم طول موج آن است. اگر پرتوی طول موج بلند داشته باشد و با توجه به این که به شدت هم جذب شده است، پرتو ضعیفی به داخل آشکارساز میرسد. با خروج هوا از فضای طیف سنج، استفاده از بلورهایی که میزان جذب آنها کم است و همچنین به کمک آشکارسازهایی که در آنها پنجره نازک برلیومی به کار میرود، امروزه به کمک دستگاههای XRF میتوان عنصرهای تا عدد اتمی ۵ را نیز شناسایی کرد. به هر حال، زمانی که آنالیز عنصرهای سبکتر از فلوئور مد نظر است، باید توجه کرد که شرایط کاری لازم پدید آمده باشد.

الگوی پراش XRF

آنچه دستگاه به عنوان طیف رسم میکند، تغییر شدت بر حسب زاویه است که طیفی شبیه الگوی شکل زیر می باشد. در این الگو، پیکها به پرتوهای مشخصه عنصرهای گوناگون موجود در نمونه تعلق دارد. به طور معمول برای هر عنصر، پیک Kαو K β و برای عنصرهای سنگین حتی Lα در الگو مشخص میشود. وقتی که هدف، آنالیز کیفی است، طول موجهایی که سبب پدید آمدن پیکی در الگو میشوند، به کمک رابطه ۲dsinθ =λ تعیین خواهند شد. مقدار، d مربوط به بلور آنالیز کننده و معلوم است. زوایه θ هم در آزمایش تعیین میشود، بنابر این میتوان λ یا طول موج پرتو مشخصه را تعیین نمود.

انواع دستگاه های XRF و کاربرد آن

الگوی XRF کائولینیت

 

تعیین نوع عنصر

با مراجعه به جدولی که طول موج مشخصه همه عنصرها در آن وجود دارد، میتوان نوع عنصر را تعیین کرد. زمانی که آنالیز کمی نمونه مورد نظر باشد، با استفاده از شدت اندازه گیری شده برای یک طول موج و مقایسه آن با شدت دریافت شده از یک نمونه استاندارد (شاهد)، میتوان درصد آن عنصر را در نمونه مشخص کرد. برای این منظور باید با استفاده از نمونه های استاندارد که درصد مشخصی از عنصر مورد نظر را دارند، یک منحنی کالیبراسیون رسم کرد و سپس با اندازه گیری شدت پرتو در نمونه مجهول و مقایسه آن با این منحنی، مقدار آن عنصر را تعیین کرد. باید توجه شود که اثر زمینه (بقیه عنصرهای موجود در نمونه( میتواند در کاهش و یا افزایش مصنوعی شدت پرتو اندازه گیری شده بسیار اثرگذار باشد و نتیجه اشتباه پدید آورد. به دلیل اهمیت، این نکته توضیح بیشتری داده میشود. پرتو مشخصه ای که از نمونه مجهول سرچشمه میگیرد، هنگام خروج از آن، با دیگر عنصرهای موجود در نمونه برخورد میکند. بنابراین، پرتو در مسیر حرکت خود از داخل نمونه به بیرون، توسط عنصرهای دیگری جذب میشود. طبیعی است که این پرتو در مسیر خروج از نمونه، توسط هر عنصری که لبه جذب بزرگتری از طول موج آن داشته باشد، جذب خواهد شد.

اثر فلورسانس

وقتی که عنصرهای سنگین در نمونه حضور دارند، مقدار این جذب شدیدتر است. بر خلاف پدیده جذب، شدت پرتو مشخصه ممکن است به طور مصنوعی توسط دیگر عنصرهای موجود در زمینه افزایش یابد. این حالت وقتی پدید می آید که پرتو مشخصه مربوط عنصر، طول موج کمتری از لبه جذب عنصر مورد نظر داشته باشد و بنابراین باعث برانگیختگی این عنصر شود. بدیهی است که این برانگیختگی، افزون بر برانگیختگی واقعی است که ناشی از پرتو ایکس ابتدایی میباشد و میتواند باعث افزایش شدت در مقایسه با زمانی که آن عنصر وجود نداشته است گردد. به این پدیده در اصطلاح فلورسانس (Fluorescence) گویند. با توجه به این توضیحات، شدت دریافتی توسط آشکارساز، به دلیل وجود عنصرهای موجود در زمینه باید تحصیح شود.

 

تصحیح ZAF

این تصحیح به ZAF معروف است، Zعدد اتمی، Aمیزان جذب و Fاثرفلورسانس میباشد. امروزه نرم افزارهای رایانه ای این تصحیح را انجام میدهند و بنابراین، مانند گذشته به محاسبه های پیچیده و طاقت فرسا نیازی نیست. به هر حال باید توجه کرد که برای افزایش دقت آزمایش، نمونه های شاهد را که زمینه یکسانی با نمونه مجهول دارند و مقدار عنصر مورد نظر در آنها در حد نمونه مجهول باشد، به کار برد. در روش ،XRF آنالیز و شناسایی مواد را می توان در حد ppm انجام داد. البته این حد آنالیز برای روش WDSو عنصرهای غیر سبک (از عدد اتمی ۹به بالا) واقعی میباشد. برای چنین آنالیزی حدود یک دهم درصد از نمونه مجهول کافی است.

انواع دستگاههای XRF

دستگاههای XRF از نوع تفکیک طول موج (WDS) یا تفکیک انرژی (EDS) هستند. در نوع WDSمانند آنچه که پیشتر توضیح داده شد، پرتو ایکس خروجی از نمونه مجهول، پیش از ورود به آشکارساز، توسط یک بلور تفکیک میشود. در نوع EDS پرتو خروجی از نمونه، بدون آن که توسط بلور آنالیز کننده، تفکیک شود وارد آشکارساز میگردد. در این دستگاه، آشکارساز نیمرسانا (semiconductor) از نوع  Si(Li) وجود دارد. این آشکارساز میتواند به کمک مدار الکترونیکی موجود، انرژی پرتوهای ورودی رابه صورت همزمان مشخص کند. شماتیک این دستگاه در شکل ۵ نمایش داده شده است. مداری که همراه آشکارساز نیمرساناست، به آنالیز کننده چند کاناله  (MCA)معروف است و انرژی مربوط به طول موجهای گوناگون را در طیف ورودی به قسمت شمارشگر، تفکیک و تعیین میکند  MCA یک مدار الکترونیکی پیچیده بوده که کانالهای گوناگونی برای دریافت انرژیهای تفکیک شده در آشکارساز نیمرسانا دارد. به این ترتیب، سرعت آنالیز در دستگاه EDS بسیار بیشتر از دستگاه  WDS می باشد. لازم به یادآوری است که در دستگاه ،WDSچرخش بلور برای دریافت طول موجهای گوناگون،  به زمان طولانی نیاز دارد.

 

تفاوت EDS و WDS

در مجموع، آنالیز یک نمونه در دستگاه EDS از زمانی که پرتو ایکس به نمونه تابیده میشود تا پایان کار، حدود ۵دقیقه طول میکشد. در حالی که همین نوع آنالیز در دستگاه ،WDSممکن است بین ۳۰-۶۰دقیقه وقت لازم داشته باشد. ولی مشکل EDSدر درجه اول، نیاز آن به خنک شدن آشکارساز و حساسیت پایین، در مقایسه با WDS است.

انواع دستگاه های XRF و کاربرد آن

نمایش دستگاه فلورسانس پرتو (XRF)Xاز نوع تفکیک انرژی (EDS)

 

تقسیم بندی دستگاه های XRF بر اساس روش همزمان و غیر همزمان

از نظر روش کار نیز دستگاههای XRF به روشهای همزمان و غیر همزمان دسته بندی میشوند. در روش همزمان که به طور عمده در بخش صنعت مورد توجه است، با قرار دادن چند آشکارساز و بلور در اطراف لوله پدید آورنده پرتو ایکس و تنظیم هر بلور برای یک طول موج ویژه (به عبارت دیگر یک عنصر ویژه( میتوان آنالیز نمونه را به صورت همزمان انجام داد. در شکل ۶ نمونه ای از این نوع دستگاه XRF دیده میشود. وقتی که از دستگاه EDS استفاده شود، روش شناسایی، همزمان محسوب میشود. روش غیر همزمان همان روشی است که در بخشهای پیشین توضیح داده شد.

نمایش دستگاه XRF همزمان

نمایش دستگاه XRF همزمان

کاربردهای روش XRF

روش XRF در بسیاری از کاربردها، جایگزین روشهای آنالیز شیمی تر شده است. این جایگزینی به دلیل سرعت بالا و دقت زیاد در آنالیز مواد میباشد. روشهای شیمیایی سنتی، بسیار وقتگیر هستند و همچنین به توانایی شخص آنالیز کننده وابسته اند. اما در روش XRF در حالی که آنالیز و شناسایی با سرعت انجام میگیرد، این وابستگی نیز بسیار کم است. به هر حال دستگاههای XRFاز نظر سرمایه گذاری ابتدایی، هزینه بالایی نیاز دارند و بنابراین همه مراکز صنعتی و آزمایشگاهی توان خرید آن را ندارند. همان طور که بیشتر اشاره شد، کاربرد اصلی دستگاه XRFدر صنایعی مانند فولاد و سیمان است. در این صنایع، تغییر مقدار
عنصرهای موجود در نمونه، در گسترده کوچک و مشخصی است و دوم آن که نیازمند سرعت زیاد آنالیز برای تصمیم گیری در تنظیم ترکیب هستند.

 

محدود بودن عنصرهای موجود در نمونه مجهول و گستره تغییر آنها، 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. در مراکز پژوهشی نیز دستگاه XRF میتواند کمک زیادی بنماید. در این نوع کاربردها، دستگاه EDS به خاطر توان تشخیص نوع عنصرهای موجود در نمونه مجهول، برای شروع کار آنالیز و شناسایی، بسیار مفید است. البته دستگاه WDSنیز میتواند مورد استفاده قرار گیرد، ولی از آنجا که نمونه های پژوهشی، دارای تنوع عنصری زیاد هستند، بنابراین آنالیز با این دستگاه ممکن است با ندیده گرفتن یک یا چند عنصر در نمونه همراه باشد. به هر حال، برای انجام کارهای پژوهشی، استفاده از دستگاه ،XRF چه به صورت EDS و چه  WDS برای انجام آنالیز کیفی که احتیاج به نمونه های استاندارد ندارد توصیه میشود.

 

پژوهشگران و علاقمندان محترم می توانند در صورت تمایل برای درخواست استفاده از فلورسانس پرتو ایکس (XRF) از طریق آنابیز اقدام نمایند. برای سفارش لطفا در اینجا کلیک کنید.

دیدگاهتان را بنویسید

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