آنالیز طیف سنجی پراش انرژی اشعه ایکس (EDS یا EDX) روشی است که برای تجزیه و تشخیص عنصرهای شیمیایی یک نمونه به کار می‌رود. این تکنیک بر مطالعه اشعه ایکس تولید شده بر اثر بر هم کنش بین پرتو الکترونی و نمونه مورد آنالیز استوار شده است. EDAX به صورت کلی بر اساس این اصل استوار شده است که هر عنصر دارای یک ساختار اتمی منحصر به‌ فرد است که مجموعهٔ منحصر به‌ فردی از قله‌ها (peaks) را در طیف پرتو ایکس آن ایجاد می‌کند. اتم های موجود در نمونه، شامل الکترون‌های برانگیخته نشده بوده که در ترازهای گسستهٔ انرژی یا لایه‌های الکترون متصل به هسته قرار دارند. پرتو ایکس تابیده شده به نمونه می‌تواند یک الکترون در تراز داخلی را تحریک کند و آن را از اتم به بیرون پرتاب کند و منجر به تشکیل یک حفره الکترونی در ساختار اتمی شود. پس از آن اتم برای کاهش سطح انرژی خود یک الکترون را از یک لایهٔ بیرونی‌تر به لایه داخلی‌تر که الکترون آن به بیرون پرتاب شده است، می‌فرستد تا جایگزین حفره تشکیل شده شود. اختلاف انرژی بین این دو لایه می‌تواند به صورت اشعه ایکس آزاد شود. تعداد و انرژی اشعه های X ساطع شده از نمونه را می شود با استفاده از یک طیف سنج پراش انرژی اندازه‌گیری کرد. آز آنجایی که انرژی اشعه های ایکس نشان دهنده اختلاف انرژی بین دو لایه است و این اختلاف انرژی برای هر عنصر منحصر به فرد است پس هر انرژی اشعه ایکس تولید شده مربوط به ساختار اتمی عنصر مورد نظر می باشد و با مشخص کردن و تفکیک انرژی اشعه ایکس‌های خارج شده از نمونه، امکان مشخص شدن نوع عناصر نمونه امکان پذیر است و با مشخص کردن انرژی پرتو اشعه ایکس و شدت آن می‌توان نوع و مقدار عنصر مورد نظر را در نمونه تشخیص داد.

توانایی‌های روش EDS یا EDAX

  •  بررسی درصد وزنی و درصد جرمی عناصر سنگین‌تر از لیتیم در یک نقطه و یا یک منطقه دلخواه از نمونه
  • بررسی میزان آلودگی
  • بررسی ترکیب شیمیایی ترکیبات معدنی
  • بررسی ترکیب شیمیایی آلیاژ‌ها
  • بررسی خلوص مواد شیمیایی و معدنی
  • بررسی تغییرات درصد عناصر در راستاهای مختلف نمونه
  • بررسی جدایش غلظتی در فرایند‌های ریخته گری
  • بررسی توزیع یک نواخت مواد در کامپوزیت‌ها و نانو کامپوزیت‌ها

ساختار دستگاه EDAX یا EDS

سنسور EDS یا EDAX معمولا به صورت یک افزونه  به دستگاه SEM متصل می‌شود. در این حالت نمونه درون دستگاه SEM قرار می‌گیرد. در این حالت از نمونه هم می‌توان تصویر برداری کرد و هم این که از مناطق مورد نظر آنالیز EDAX، Mapping و یا Linescan گرفته شود. در صورتی که نیاز به تصویر برداری وجود نداشته باشد، دستگاه SEM باز می‌تواند شرایط خلا و پرتو الکرونی را برای آنالیز فراهم کند. در صورتی که نیاز به تصویر برداری از نمونه وجود نداشته باشد، برای نمونه‌های نارسانا، نیازی به ایجاد پوشش طلا هم نیست و برخورد پرتو الکترونی به نمونه می‌تواند اشعه ایکس مشخصه را تولید کند.

انرژی اشعه ایکس بسیار بیشتر از نور مرئی است از این رو جهش الکترون، زمانی می‎‌تواند انرژی لازم برای تولید اشعه ایکس را تولید کند که الکترون به لایه اول یا دوم  اتم سقوط کند و معمولا سقوط الکترون به لایه های بالاتر اشعه ایکس تولید نمی‌کند ولی می‌تواند نور مرئی یا ماوراء بنفش تولید کند که کاربردی برای روش EDS ندارد. از طرف دیگر انرژی ترازهای انرژی الکترون در اتم وابسته به بار هسته است. به این صورت که هرچه بار هسته یا همان عدد اتمی افزایش یابد اختلاف انرژی بین لایه‌های داخلی و لایه‌های بیرونی‌تر بیشتر می‌شود. این امر باعث می‌شود سقوط الکترون به لایه اول اتم‌های سنگین‌تر (با عدد اتمی بیشتر) اشعه ایکس پر انرژی‌تری را ایجاد کند و اتم‌های سبک‌تر اشعه ایکسی با انرژی کم‌تر تولید می‌کنند. اتم‌های تناوب اول (هیدروژن و هلیم) به دلیل انرژی خیلی کم لایه اول نمی‌توانند اشعه ایکس تولید کنند و انرژی اشعه ایکس عناصر تناوب دوم خیلی کم است. از طرف دیگر در عناصر سنگین به غیر از لایه اول، لایه دوم هم می‌تواند اشعه ایکس مشخصه تولید کند. ولی انرژی اشعه ایکس لایه دوم، کم‌تر از لایه اول است به همین دلیل برای عناصر سبک، اشعه ایکس مشخصه تک انرژی است ولی برای عناصر سنگین اشعه ایکس مشخصه از چند انرژی تشکیل شده است. در نمودار خروجی از آنالیز EDAX، قله‌ها بر برمبنای این که  این که اشعه ایکس ایجاد شده مربوط به کدام عنصر باشد و این که سقوط الکترون به کدام لایه باشد و این سقوط از چند لایه بالاتر ایجاد شده باشد نامگذاری می‌شوند. مثلا، Si Ka یعنی  این پیک مربروط به انرژی سقوط الکترون به لایه اول (لایه K) در عنصر سیلیسیم است و وجود a یا الفا بعد از K نشان‌دهنده سقوط الکترون از یک لایه بالاتر از لایه اول (سقط از لایه L به K) است. یا پیک In Lb،  نشان می‌دهد که اشعه اکس تولید شده به دلیل سقوط الکترون به لایه دوم (لایه L) عنصر ایندیم از دو تراز بالاتر از لایه L ( یعنی لایه N) روی داده است.

از آنجایی که عناصر تناوب اول یعنی هیدروژن و هلیم نمی‌توانند اشعه ایکس تولید کنند، پس این عناصر در EDS قابل اندازه‌گیری نیستند. عناصر تناوب دوم می‌توانند اشعه ایکس تولید کنند ولی انرژی اشعه ایکس تولید شده از این عناصر کم است و انرژی آن‌ها نزدیک به هم است، از این رو اندازه گیری این عناصر به روش EDS با خطای قابل توجهی همراه است. این خطا بسته به نوع و شرایط آشکارساز و نوع نمونه متغییر است. آشکار سازهای جدید می‌توانند با دقت قابل قبولی عناصر تناوب دوم را اندازه‌گیری کنند.

آشکار سازهای EDS به طور مستقیم نمی‌توانند انرژی اشعه ایکس ورودی را تفکیک کنند. برای تفکیک انرژی اشعه ایکس در این آشکار سازها نیاز است تا در ابتدا اشعه ایکس به یک سطح فلزی یا نیم رسانا سرد (کل مجموعه معمولا با نیتروژن مایع سرد می‌شود) برخورد کند. بر اثر این برخورد الکترونی از سطح خارج می‌شود که انرژی این الکترون وابسته به انرژی پرتو ایکس برخورد کرده به سطح است. این الکترون‌های تولیدی درون یک میدان مغناطیسی و یا الکتریکی منحرف می‌شوند. الکترون‌های سریع‌تر (الکترون‌های پر انرژی‌تر که بر اثر برخورد اشعه ایکس پر انرژی‌تر تولید شده‌اند) کم‌تر منحرف می‌شوند و الکترون‌های کم انرژی‌تر بیشتر منحرف می‌شوند. الکترون‌های منحرف شده به یک صفحه نیم رسانا برخورد می‌کنند که این صفحه می‌تواند تعداد الکترون‌های برخوردی را اندازه گیری کند. از این رو با تغییر شدت میدان الکتریکی یا مغناطیسی در منحرف کننده می‌توان مشخص کرد که چه الکترون‌هایی با چه انرژی‌ای به صفحه نیم هادی برخورد کند و صفحه نیم هادی می‌توتند تعداد الکترون‌های برخوردی به آن را بشمارد. با استفاده از این مکانیزم می‌توان به صورت غیر مستقیم مقدار و شدت پرتو اشعه ایکس در هر طول موج (انرژی) را اندازه گیری کرد.

حالت‌های آنالیزی Linescan و Mapping دو حالت آنالیزی EDS متصل به SEM است. در حالت Linescan دستگاه در مسیر یک خط مشخص شده از چندین نقطه آنالیز EDS می‌گیرد و نتایج این آنالیز‌ها را به صورت یک نمودار از تغییر ترکیب شیمیایی در طول مسیر مشخص شده نمایش می‌دهد از این حالت برای بررسی تغییر ترکیب شیمیایی برای بررسی فرایندهای نفوذ، جوشکاری، لایه نشانی، انجماد و … استفاده می‌شود. حالت Mapping به بررسی نقطه به نقطه یک ناحیه مشخص از نمونه می‌پردازد. در این حالت از تعداد زیادی از نقاط در یک منطقه مشخص شده، آنالیز EDAX گرفته می‌شود و نتایج حاصل از این آنالیز به صورت یک سری نقاط رنگی نمایش داده می‌شود. هر رنگ نشان‌دهنده یک عنصر است. در جای که میزان این عنصر بیشتر است تعداد نقاط با آن رنگ مشخص بیشتر است. با استفاده از این حالت آنالیزی می‌توان توزیع یک فاز و یا یک

شرایط نمونه برای آنالیز  EDS یا EDAX

روش EDS یا EDAX می‌تواند درصد وزنی و درصد اتمی عناصر نمونه را مشخص کند ولی باید  به چند نکته توجه کرد:

  • آنالیز EDS یا EDAX یک آنالیز سطحی است و می‌تواند درصد عناصر را در چند میکرومتری سطح مشخص کند.
  • برای بررسی نمونه‌های بالک مانند سنگ، بهتر است نمونه به صورت پودر در بیاید.
  • در آنالیز EDS یا EDAX امکان اندازه‌گیری عناصر هیدروژن و هلیم را ندارد و در اندازه‌گیری عناصر تناوب دوم (مانند کربن، نیتروژن، اکسیژن و …) با خطای قابل توجهی رو به رو است.
  • برای استفاده از Linescan باید مشخص شود که از چه نقطه‌ای تا چه نقطه ای از نمونه باید آنالیز انجام شود (مثلا از لبه نمونه تا مرکز آن) و برای چه عناصری.
  • برای استفاده از حالت Mapping باید منطقه مورد بررسی و ابعاد ناحیه تصویر برداری مشخص شود.

عناصر تشکیل‌ دهنده نمونه باید مشخص باشد.  روش EDS یا EDAX برای بررسی نمونه‌های کاملا مجهول مناسب نیست.

نتایج آنالیز EDS یا EDAX به صورت زیر ارائه می شود:

کلیه نتایج به صورت یک فایل Word برای متقاضی ارسال می‌شود.برای آنالیز مپینگ این فایل شامل یک تصویر SEM از منطقه مورد بررسی است. نتایج EDAX شامل تصویر نمودار شدت پرتو اشعه ایکس بر حسب انرژی آن و یک جدول شامل درصد وزنی، درصد جرمی و خطای اندازه گیری عناصر تشکیل دهنده است، گزارش می‌شود. نتایج Linescan به صورت یک نمودار از تغییرات درصد وزنی عناصر مورد بررسی در طول خط اسکن ارائه می‌شود. نتایج Mapping به صورت چندین عکس با نقاط رنگی است، هر تصویر نشان‌دهنده توزیع یک عنصر در منطقه مورد بررسی (منطقه‌ای که از آن تصویر SEM گرفته شده است) می‌باشد.

 

نکات مهم

عناصر تشکیل دهنده نمونه لازم است حتما در فرم ثبت درخواست آورده شود.
حالت پایه آنالیز مربوط به انجام آنالیز نقطه ای است. با انتخاب هر کدام از گزینه های بخش خدمات می توانید آنالیزهای mapping‌ یا line scan را انتخاب نمایید.
نمونه های پودری باید دارای حداقل وزن ۱۰ میلی گرم باشند. اندازه نمونه های بالک باید کوچکتر از ۲ سانتی متر در ۲ سانتی متر باشد.
نمونه ها می بایستی کاملاً خشک باشند. نمونه های حاوی رطوبت و چربی پذیرش نمی گردد. برای چنین نمونه هایی می توانید از میکروسکوپ الکترونی روبشی محیطی (ESEM) استفاده نمایید.