آشنایی با كوانتومتری پرتابل

كوانتومتری يك روش آناليز و مشخصه‌يابی غيرمخرب، جهت تعيين ميزان درصد حضور عناصر مختلف در يك قطعه يا آلياژ، با سرعت بالا است.

اصولا در آزمايش‌های كوانتومتری، نمونه مورد آناليز بايد از نظر ابعاد كاملا استاندارد، و سطح اين نمونه كاملا صاف و صيقلی و عاری از هرگونه آلودگی سطحی، نظير چربی، اكسيد و زنگ زدگی و... باشد. بدين منظور نمونه در اختيار سنگ زنی، سنباده‌زنی و نهايتا پوليش ميشود تا نمونه‌ای استاندارد برای دسنگاه آناليز واقع شود.

خدمات کوانتومتری

در اين آزمايش ابتدا توسط يك محرك، جرقه‌اي (Spark) زده ميشود (تحريك تحت ولتاژ بالا و به مدت 30 ثانيه) و نمونه بخاطر تخليه الكتريكي تبخير شده و اجزای سازنده آن (اتم، يون‌ها، و...) حاصل از تبخير، برانگيخته شده و تابش ميكنند و همزمان با هم طيف توليد ميكنند. با عبور دادن اين نور تابش شده از طريق فيبر نوری از يك طيف منبع نوری، با توجه به بازه طول موج نشر نور عناصر خط نشری مناسب براي تشخيص نوع عنصر و ميزان حضور آن در نمونه انتخاب مي‌شود.  گاه ميتوان برانگيختگی عناصر را با محرك كماني (Arc) كه تحت ولتاژ پايين‌تر و در زمان كمتر (در حدود3 ثانيه) ايجاد كرد كه خطاي بيشتری نسبت به محرك جرقه‌اي خواهد داشت و اغلب مناسب آناليز كيفی و نه كمي عناصر در زمان سريعتر است. 

نكته مهم در آناليز به كمك دستگاه كوانتومتر، تعيين عنصر با بيشترين درصد حضور در نمونه كه عنصر پايه ناميده ميشود است. اين امر به دليل محدوديت‌های مربوط به برخی كوانتومترهاست، زيرا برخي دستگاه‌هاي كوانتومتری صرفا قابليت آناليز نمونه هايی با عناصر پايه مثل آهن، مس و آلومينيم را دارند. براي اين منظور ميتوان نمونه را برروی دستكاه قرار داده و آزمايش را انجام داد و با بررسي داده‌های حاصل شده عنصر مورد نظر كه بيشترين غلظت در نمونه را دارد، عنصر پايه در نظر گرفت.

آناليز كوانتومتری، براي آناليز انواع فولادهای آلياژی، فولادهاي ساده كربنی، انواع چدن‌ها (چدن خاكستری، چدن داكتيل يا نشكن) و آناليز انواع آلياژهای آلومينيم و برنج (خصوصا تعيين ميزان سرب در برنج‌های سرب‌دار) كاربرد دارد.

طیف سنج های دستی (قابل حمل) XRF :

آنالیزورهای فلورسانس اشعه X  دستی يا قابل حمل (Portable XRF) این قابلیت را دارند که به طور غیرمخرب تقریباً هر عنصری را از منیزیم تا اورانیوم، بسته به پیکربندی ابزار، تعیین مقدار و يا كنترل کنند.

شكل1: S1 TITAN ؛ طيف‌سنج دستی ایده آل برای تجزیه و تحلیل سریع هر ماده: کوچک، سبک وزن (کمتر از 1.5 کیلوگرم با باتری)، ازپیش بارگذاری شده با کالیبراسیون نقطه و شلیک انتخابی.

شكل2: TRACER 5 ؛ طيف‌سنج XRF دستی با ارزش بالا، برای پرتقاضا‌ترین آناليز‌ها: قدرت، عملکرد و دقت و صحت را برای تجربه‌ای پويا، ميدانی، و مشابه آزمايشگاه همگام می كند.

شكل3: طيف‌سنج قابل حمل  BenchTop، ایده‌آل برای تجزیه و تحلیل سریع نمونه‌های کوچک یا آماده شده، تنها دارای 14 سانتی‌متر پهنا، سبک وزن (كمتر از7 کیلوگرم)، دارای قفل ایمنی، صفحه نمایش لمسی تعاملی است و با باتری کار می‌کند.

طيف‌سنج‌های قابل حمل چگونه كار ميكنند؟

 فلورسانس پرتو X فرآیندی است که در آن الکترون‌ها از موقعیت‌های مداری اتمی خود جابه‌جا می‌شوند و انفجاری از انرژی مشخصه یک عنصر خاص را آزاد می‌کنند. سپس این آزاد شدن انرژی توسط آشکارساز در دستگاه XRF ثبت می شود که به نوبه خود انرژی ها را بر اساس عنصر طبقه بندی می کند. روند دقيق فرآيند به شرح زير است:

1. یک دسته پرتو اشعه ایکس با انرژی کافی، برای برخورد به الکترون‌های موجود در لایه‌های داخلی اتم‌ها در یک نمونه، توسط یک لوله پرتو ایکس در داخل آناليزور دستی ایجاد می‌شود. سپس پرتو اشعه ایکس از قسمت جلویی آنالایزر XRF دستی ساطع می شود.
2. سپس پرتو اشعه ایکس با جابجاكردن الکترون‌ها از لایه‌های مداری داخلی اتم با اتم‌های موجود در نمونه برهمكنش می‌کند. این جابجایی در نتیجه تفاوت انرژی بین پرتوی ايكس اولیه ساطع شده از آناليزور و انرژی اتصالی که الکترون ها را در مدارهای مناسب خود نگه می دارد، رخ می دهد. جابجایی زمانی اتفاق می‌افتد که انرژی پرتو ایکس بالاتر از انرژی اتصال الکترون‌هایی باشد که با آنها برهم‌کنش می‌کنند.
3. الکترون‌ها با انرژی‌های خاصی در موقعیت‌های خود در یک اتم ثابت هستند و این مدار آنها را مشخص می‌کند. علاوه بر این، فاصله بین لایه‌های مداری یک اتم منحصر به اتم‌های هر عنصر است، بنابراین یک اتم پتاسیم بین لایه‌های الکترونی خود فاصله متفاوتی با اتم طلا، نقره و ... دارد.
4. هنگامی که الکترون ها از مدار خود خارج می شوند، جای خالی باقی می گذارند و اتم را ناپایدار می کنند. اتم باید فوراً اين ناپایداری را با پر کردن جاهای خالی که الکترون‌های جابه‌جا شده ايجاد كرده‌اند، اصلاح کند. این جاهای خالی را می توان از مدارهای بالاتری که به مدار پایین تر حرکت می کنند، جایی که یک جای خالی خارج می شود، پر کرد. برای مثال، اگر یک الکترون از درونی‌ترین لایه اتم (نزدیک‌ترین لایه به هسته) جابجا شود، یک الکترون از لایه بعدی به سمت بالا می‌تواند به سمت پایین حرکت کند تا جای خالی را پر کند. اين همان فلورسانس است.
5. الکترون ها هر چه از هسته اتم دورتر باشند، انرژی های اتصال بیشتری دارند. بنابراین، یک الکترون وقتی از یک لایه الکترونی بالاتر به یک لایه الکترونی نزدیکتر به هسته سقوط می کند مقداری انرژی از دست می دهد. مقدار انرژی از دست رفته معادل تفاوت انرژی بین دو لایه الکترونی است که با فاصله بین آنها مشخص می شود. همانطور که در بالا ذکر شد، فاصله بین دو لايه مداری برای هر عنصر منحصربه‌فرد است.
6. انرژی از دست رفته را می توان برای شناسایی عنصری که از آن ساطع شده استفاده کرد، زیرا مقدار انرژی از دست رفته در فرآیند فلورسانس برای هر عنصر منحصر به فرد است.هريك از انرژی های فلورسنت منفرد شناسایی شده، مختص عناصری است که در نمونه وجود دارند. به منظور تعیین مقدار هر عنصر موجود، نسبتی که در آن اين انرژی های منفرد ظاهر می شود را می توان توسط دستگاه یا نرم افزار محاسبه کرد.

اندازه‌گيری با اين دستگاه‌ها چه مدت طول ميكشد؟

کل فرآیند فلورسانس در کسری از ثانیه رخ می دهد. آناليز با استفاده از این فرآیند و یک تفنگ XRF دستی مدرن را می توان در عرض چند ثانیه انجام داد. زمان واقعی مورد نیاز برای اندازه گیری به ماهیت نمونه و سطوح مورد نظر بستگی دارد. سطوح درصد بالا چند ثانیه طول می کشد در حالی که قسمت در میلیون (ppm) چند دقیقه طول می کشد.

: XRF كاربردهای طيف‌‌سنج

• آناليز عنصری مينرال‌ها      
• آناليز آلياژها وتست PMI 
• تجزیه و تحلیل خاک در محل
• آناليزورهای قابل حمل گوگرد
• تجزیه و تحلیل ایمنی مواد غذایی
• هنر و باستان‌سنجی