دستگاه XRF از چه اجزایی تشکیل شده و چه کاربردی دارد؟

آنالیز فلورسانس پرتو ایکس (XRF) یکی از پرکاربردترین روش های آنالیزهای عنصری است. به این معنا که از طریق این روش می توان به سرعت حضور و درصد عناصر گوناگون از سدیم تا اورانیوم را تخمین زد. مدل های پرتابل این دستگاه به خصوص در معادن بسیار کاربرد دارند. در این روش تشخیص عناصر از طریق تحلیل انرژی پرتوهای ساطع شده از نمونه پس از تابش اشعه ایکس به نمونه ها صورت می گیرد. هر عنصر انرژی منحصر به فردی دارد که در نتیجه دستگاه می تواند به تحلیل عناصر نمونه بپردازد. در این مقاله اساس روش XRF و اجزای دستگاه XRF  را با زبانی ساده معرفی شده است تا محققین بتوانند در کمترین زمان شناخت نسبی از روش XRF پیدا کنند.

فلورسانس پرتو ایکس (XRF) با بررسی پرتوهای ایکس ساطع شده از نمونه­ای که بر اثر تابش پرتوهای ایکس یا پرتوهای گاما برانگیخته شده است، می­تواند عناصر موجود در نمونه را تعیین کند. فلورسانس به پدیده‌هایی گفته می‌شود که در آن جذب طول موج با یک انرژی خاص منجر به انتشار مجدد تابش انرژی متفاوت (به طور کلی کمتر) می‌شود. این نوع آنالیز از انواع آنالیزهای عنصری به شمار می­رود، که هدف آن شناسايی عناصر موجود در نمونه به صورت كمی، نيمه‌كمی و كيفی است. باید دقت شود که ساختار کریستالی عنصر یا ماده را نمی­توان به وسیله این روش تعیین کرد و صرفا نوع عنصر شناسایی می­شود.

انجام آنالیز XRF

نحوه عملکرد آنالیز XRF

هنگامی که مواد در معرض پرتو ایکس با طول موج کوتاه یا پرتو گاما قرار می­گیرند، اتم های آن ماده ممکن است یونیزه شوند. یونیزه شدن زمانی اتفاق می­افتد که در اثر تابش طول موجی با انرژی زیاد یک یا چند الکترون از مدار های خود خارج شوند و اتم را ترک کنند. انرژی یونیزاسیون کمترین انرژی لازم جهت بیرون افتادن الکترون از مدار است. پرتوهای ایکس و پرتوهای گاما به علت پر انرژی بودن می­توانند الکترون ها را از مدار خارج کنند. خروج  الکترون باعث می­شود که ساختار الکترونی اتم ناپایدار شود و الکترون های مدارهای بالاتر به مدار پایینی سقوط کنند. در این سقوط، انرژی به شکل فوتون آزاد می­شود که انرژی آن برابر با اختلاف انرژی دو مدار درگیر است. در شکل ۱ این فرآیند به صورت شماتیک نشان داده شده است. 

شکل ۱-شماتیکی از جذب و نشر انرژی.

اساس روش XRF در حقیقت اندازه گیری انرژی پرتوهای ایکس ساطع شده از نمونه است. نشان داده شد که انرژی این پرتوها به فاصله بین ترازهای هر عنصر بستگی دارد. در نتیجه برای هر عنصر انرژی متفاوت است. در نتیجه مانند اثر انگشت الگوی انرژی هر عنصر منحصر به فرد است و می توان آن را از طریق سنجش انرژی شناسایی کرد. خروجی دستگاه در شکل ۲ نشان داده شده است. همانگونه که مشاهده می شود هر پیک که مربوط به یک انرژی خاص است، متعلق به یک عنصر است. درصد هر عنصر وابسته به میزان شدت پیک ها است.

شکل ۲-نتیجه حاصل از آنالیز XRF

اجزاء دستگاه XRF

دستگاه XRF شامل اجزای زیر می­باشد.

لامپ پرتو کاتدی

وظیفه لامپ پرتو کاتدی، ایجاد پرتوی با شدت زیاد و انرژی بالا است تا بتواند تمام عناصر موجود در نمونه را برانگیخته کند. معمولا جنس این لامپ ها از تنگستن است. در اثر عبور جریان از فیلمان الکترون آزاد می­شود و با برخورد این الکترون ها به آند در اثر کاهش انرژی جنبشی الکترون ها پرتوی ایکس تولید می­شود. نیاز است که آند خنک شود، زیرا مقدار زیادی از انرژی جنبشی الکترون های برخوردی به حرارت تبدیل می­شود.

شکل ۳-شماتیکی از لامپ پرتو کاتدی روش XRF.

نمونه مورد آنالیز

نمونه موردنظر برای انجام آنالیز طیف سنجی پرتو ایکسXRF، یک استوانه با قطر ۳ سانتی‌متر و ضخامت حدود ۰/۵ میلیمتر است. البته در حالت پرتابل نمونه نیاز به ویژگی خاصی ندارد. دستگاه پرتابل XRF در شکل ۴ نشان داده شده است. برای نمونه های پودری استوانه را با نمونه پودری پر می کنند.

بلور آنالیز کننده

از بلورهای آنالیز کننده برای شناسایی عناصر استفاده می­شود. نوع و جنس بلور آنالیز کننده بستگی به عدد اتمی عناصری که باید شناسایی شوند، دارد. به طور مثال پرکاربردترین بلور آنالیز کننده، بلور فلورید لیتیم است که برای شناسایی عناصر پتاسیم تا اورانیوم به استفاده می­شود. پرتوی ایکس خروجی از نمونه به سمت یک بلور هدایت می شود. در این مسیر یک سری موازی کننده پرتو قرار دارد که وظیفه موازی کردن پرتوها را برعهده دارد. هدف از قرار دادن این بخش در مسیر پرتو، موازی کردن و برخورد آن با زاویه مشخصی به بلور است. پرتوی خروجی از بلور، شامل طول موج های مختلف است که هر طول موج مربوط به یک عنصر است.

اگر همه طول موج ها به طور مستقیم به داخل آشکارساز فرستاده شود، نمی توان شدت هر یک از طول موج ها را به طور دقیق تعیین کرد. بنابراین باید پیش از فرستادن آن ها به آشکاساز، توسط یک بلور آن ها را تفکیک کرد. بر اساس رابطه براگ، بلور آنالیز کننده باعث پراش هر یک از طول موج ها در زاویه مشخصی می شود. بنابراین با قراردادن بلور در زاویه‌ای مشخص، پرتوی یک عنصر به آشکارساز رسیده و شناسایی می شود. بنابراین برای شناسایی عناصر مختلف، بلور می­چرخد تا در زوایای گوناگونی قرار بگیرد.

آشکارساز

آشکار ساز پرتوی ایکس منتشر شده از  نمونه را می­گیرد و سپس طول موج یا انرژی برحسب شدت آن را  اندازه گیری می‌کند. نوع طول موج نوع عنصر را مشخص می­کند و شدت آن مقدار عنصر موجود را نشان می­دهد. آشکار ساز های پرتوی ایکس به دو نوع تفکیک طول موج (WDS) و تفکیک انرژی (EDS) تقسیم می­شوند.

• تفکیک طول موج (WDS): در این نوع دستگاه‌ها پرتو ایکس خروجی پیش از ورود به آشکارساز توسط یک بلور تفکیک می‌شود. این روش به علت تیز تر بودن پیک هایی که نمایش می­دهد، دقیق­تر است
• تفکیک انرژی (EDS): در این نوع دستگاه ها پرتو ایکس خروجی از نمونه بدون آنکه توسط بلور آنالیز کننده تفکیک شود، وارد آشکارساز می‌شود.

شکل ۴- تصویر دستگاه XRF پورتابل.

ویژگی ها و قابلیت های روش آنالیز XRF

به دلیل دارا بودن سرعت بالا در فرآیند شناسایی عناصر، XRF به طور گسترده در مراکز مختلف استفاده می­شود. این روش همچنین دقیق و غیر مخرب است. مزيت اين روش، ساده بودن تهيه نمونه و چند عنصری بودن آن است.

از قابلیت هایی که  این روش دارد موارد زیر قابل بیان است.

• توانایی اندازه گیری کمی و کیفی عناصر
• قابلیت آنالیز چندین نمونه به صورت همزمان (پلی کروماتور)
• شناسایی عناصر نادر خاکی
• تشخیص عناصر سنگین تر از اکسیژن تا سطح ppm

محدودیت های آنالیز XRF

همانند همه روش­ها، این روش نیز محدودیت های زیر را دارا است.

• عدم شناسایی دقیق عناصر سبک با عدد اتمی کمتر از ۱۱
• عدم توانایی تعیین نوع ایزوتوپ های عناصر
• عدم توانایی اندازه گیری یون های با ظرفیت های مختلف برای یک عنصر

نحوه تشخیص نوع و غلظت عناصر

پس از بدست آمدن نمودار شدت برحسب طول موج یا شدت برحسب انرژی موج، طول موج یا انرژی موج نوع عنصر را تعیین می­کند و شدت آنها غلظت را نشان می­دهد. به منظور تعیین غلظت دقیق از منحنی های کالیبراسیون که یک نمودار با خط راست که شدت برحسب غلظت را نشان می­دهد، می­توان غلظت را تعیین نمود. این نمودارها در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل ۵-نمودار کالیبراسیون