آشنایی با دستگاه XRF

تاریخچه

پرتو ایکس در سال ۱۸۹۵ توسط ویلهلم رونتگن، فیزیکدان آلمانی کشف شد و به دلیل ناشناخته بودن ماهیت آن، پرتو ایکس نامیده شد. یعنی با قرار دادن آن در میدان‌های مغناطیس و الکتریکی به هیچ وجه منحرف نمی‌شود. این پرتو قدرت نفوذ بسیاری دارد و تقریباً از هر چیزی به جز استخوان و فلزاوربیتال(d)می‌گذرد. اولین عکس پرتو ایکس از دست همسر رونتگن گرفته شد که انگشتر او به خوبی در عکس مشخص است. این گمان که پرتوهای ایکس، امواج الکترومغناطیس با طول موج بسیار کوتاه هستند، به کمک یک آزمایش پراش دوگانه که در سال ۱۹۰۶ توسط سی.گ. بارکلا انجام گرفت، تأیید شد .اثبات قطعی ماهیت موجی پرتو ایکس در سال ۱۹۱۲ به وسیله فون لاوه ارائه شد، وی اولین جایزه فیزیک نوبل را در سال ۱۹۰۱ گرفت.

                                                                                           انواع دستگاه XRF

اساس کار دستگاه XRF

در دستگاه فلوئورسانس اشعه ایکس XRF، نمونه آنالیز به صورت جامد یا مایع در معرض اشعه پر قدرت X (اشعه ایکس اولیه) قرار می گیرد. همانطور که می دانیم بیشتر اتم ها چندین لایه اوربیتال االکترونی(لایهK ،L ،M و…) دارند. در دستگاه XRF هنگامی که پرتویی با انرژی بالا (طول موج کم) مانند اشعهXبه اتم ها تابیده می شود انتقال الکترون از لایه های درونی تر به لایه های بالاتر صورت می گیرد. این انتقال الکترون به لایه های بالاتر باعث به وجود آمدن یک حفره خالی در لایه درونی اتم می شود و یک حالت ناپایدار ایجاد می گردد. در نتیجه ناپایداری اتم، یک الکترون از میان لایه ها ی خارجی تر به درون این حفره منتقل می شود. انتقال الکترون به درون حفره در لایه پایین تر با آزاد شدن انرژی همراه می باشد. این انرژی به صورت نور آزاد شده و مقدار آن برابر با اختلاف انرژی بین دو لایه ای می باشد که الکترون روی آنها جابجا می شود. این پرتو همان تابش فلورسانس اتم می باشد که اصطلاحاً اشعه ایکس ثانویه نامیده می شود و انرژی کمتر از پرتوXاولیه دارد. اساس کار با دستگاه XRF اندازه گیری انرژی و شدت این پرتو X ثانویه می باشد. اندازه گیری پرتو X ثانویه به دو روش WDS و EDS انجام می گیرد.

• - در روش EDS هنگامی که پرتوXثانویه از نمونه منتشر می شود، شدت و انرژی آن مستقیماً توسط دتکتور اندازه گیری می شود.
• - اما در روش WDX ابتدا پرتو توسط یک کلیماتور (Collimator) به صورت موازی درآمده و سپس با برخورد به یک بلور آنالیز کننده (معمولا فلورید سدیم NaF) همانند آنچه در دستگاه XRD اتفاق می افتد بازتابش یافته و توسط دتکتور اندازه گیری می شود.

                                                                                     انواع کولیماتورها از نظر جهت دهی نور

                                                                                                  یک مدل کولیماتور

هدف استفاده از دستگاه XRF

هدف استفاده از این دستگاه اندازه گیری طول موج و شدت پرتو X ثانویه از عناصر موجود در نمونه می باشد. خروجی دستگاه XRF، نمودار شدت پرتو ثانویه بر حسب انرژی می باشد.

• * انرژی هر پیک نشان دهنده مشخصات هر عنصر است.
• * شدت هر پیک نشان دهنده میزان غلظت هر عنصر است.

تولید اشعه ایکس

هر زمان که ذرات باردار (الکترونها یا یون) با انرژی کافی به مواد برخورد نمایند، اشعه ایکس تولید می‌شوند. هنگام برخورد الکترون های با سرعت بالا به فلزات، الکترون های لایه های پایین تر به لایه های بالاتر منتقل شده (اتم های برانگیخته) و هنگام برگشت الکترون ها به حالت پایه، انرژی اضافه (اختلاف انرژی حالت برانگیخته به حالت پایه) به صورت پرتو ایکس گشیل می شود. هر لامپ تولید پرتو ایکس باید شامل موارد زیر باشد:

1-    منبع الکترون

2-    میدان شتاب دهنده به الکترون ها

3-    هدف فلزی

از آنجا که قسمت عمده انرژی جنبشی الکترون ها هنگام برخورد به فلز هدف به حرارت تبدیل می شود، معمولا فلز هدف را با آب خنک می کنند تا ذوب نشود.

تولید اشعه ایکس از الکترون ها

در این روش از تولید پرتو ایکس، از تیوب پرتو ایکس استفاده می‌شود، که این تیوب یک لوله تحت خلأ می‌باشد که در آن به الکترون‌های تولیدی توسط یک کاتد داغ شتاب داده شده تا به سرعت بالا برسند. الکترون‌های با سرعت بالا پس از برخورد به مانع فلزی که همان آند می‌باشد، پرتو ایکس را ایجاد می‌نمایند.

                                                                  خواص خطوط تابش پرتو ایکس بر اساس مواد مورد استفاده برای آند

 درکاربردهای بهداشتی مانع هدف در تیوب معمولاً از جنس تنگستن یا جنس آلیاژ مقاوم به ترک رنیوم (۵٪)و تنگستن (۹۵٪) می‌باشد، ولی در برخی کاربردهای خاص که به پرتو ایکس نرم نیاز است مانند ماموگرافی از مولیبدن استفاده می‌شود. در کریستالوگرافی استفاده از مانع هدف[1] مسی بسیار معمول است، و در برخی مواقع که فلورسنت موجود در آهن باعث اشکال می‌شود از کبالت استفاده می‌شود. انرژی ماکزیممفوتون(E) پرتو ایکس محدود به انرژی برخورد الکترون می‌باشد، که برابر است با ولتاژ شارژ شده در تیوب ضرب در بار الکترون[2] (Z).

نقاط قوت دستگاه XRF

• - دستگاه XRF قادر به اندازه گیری کیفی و کمی تعداد بسیار زیادی از عناصر (سدیم تا اورانیوم) می باشد.
• - نسبت به روش های معمول آنالیز مانند تیتراسیون دارای سرعت و دقت بالاتر و هزینه کمتری می باشد.
• - ایده ال در آنالیز عناصری مانند سیلیسیم (Si)، تیتانیوم (Ti)، آلومینیوم (Al)، آهن (Fe)، منگنز (Mn)، منیزیم (Mg)، سدیم (Na)، کلسیم (Ca)، پتاسیوم (K) و فسفر(P) در نمونه های سنگ و رسوب.
• - مناسب برای آنالیز شیمیایی عناصر تریس (Trace) مانند باریم (Ba)، روی (Zn)، زیرکونیم(Zr)، سزیم (Ce)، کبالت(Co)، کروم (Cr)، اسکاندیم (Sc)، استرنسیم(Sr)، رودیم (Rh)، اورانیوم (U)، وانادیم (V)، نیکل (Ni)، روبیدیم(Rb)، ایتریم (Y)، لانتان(La) ونیوتیم(Nb) در نمونه های سنگ و رسوب، حد تشخیص برای عناصر Trace در حدود چند ppm می باشد.
• - آماده سازی راحت و کم هزینه نمونه

محدودیت های دستگاه XRF

• - این دستگاه قادر به تشخیص ایزوتوپ های مخنلف یک عنصر نمی باشد و باید از دستگاه های آنالیز دیگر مانند TIMS و SIMS استفاده کرد.
• - بیشتر دستگاه هایXRF موجود توانایی محدودی در اندازه گیری دقیق عناصر با عدد اتمی کمتر از 11 را در بیشتر مواد طبیعی زمین دارند.
• - توانایی تشخیص یون های مختلف یک عنصر را ندارد. بنابراین برای آنالیز این نمونه ها باید از تکنیک هایی مانند شیمیایی تر استفاده کرد.
• - دقت اندازه گیری با دستگاه XRF برای عناصر سنگین بیشتر است.

برترین برندها در زمینه تولید دستگاه XRF

• - Shimazdzu
• - Thermo fisher
• - Oxford
• - PANanalytical
• - Bruker

تاثیر ضخامت تنگستن بر روی شدت تابش اشعه ایکس

با توجه به شکل زیر، در ضخامت خاصی (ضخامت آپتیمم) شدت تابش اشعه ایکس افزایش یافته است. الیته هر چقدر که ولتاژ اولیه الکترون های تابیده شده نیز بیشتر باشد، شدت تابش بیشتر می شود.

[1] Target

[2] Atomic number

                                                                       ویدئو آموزشی درباره معرفی XRF و اساس کار این دستگاه