آنالیز XRF (طیف سنجی فلورسانس پرتو ایکس)

احتمالا شما نیز به محض شنیدن آنالیز XRF ، اولین چیزی که به خاطر بیاورید آنالیز XRD باشد و تصور می کنید که این دو روش تا حدود زیادی با هم شباهت داشته باشند. شاید هم تصور کنید که این دو روش مکمل هم هستند و در بسیاری از مواقع برای شناسایی نمونه ها باید از هر دو روش استفاده کرد!

هر چند که در هر دو روش آنالیز XRF و XRD از پرتوهای ایکس برای شناسایی نمونه ها استفاده می شود، اما ماهیت، دستگاه ها و کاربردهای این دو روش کاملا با یکدیگر متفاوت است! گرچه اساس طیف سنجی در روش طیف سنجی فلورسانس پرتو ایکس تقریبا همان چیزی است که در بحث آنالیز عنصری در مقاله ” آنالیز EDS و آنالیز WDS ” به بررسی آن پرداخته بودیم. اما با توجه به اهمیت این موضوع و کاربرد آن در این روش آنالیز، مختصرا به این دو روش اشاره ای خواهیم داشت.

محور بحث ما در این مقاله پیرامون موضوعات زیر است:

• آنالیز XRF چیست؟
• اساس کار در روش طیف سنجی فلوئورسانس اشعه ایکس چگونه است؟
• دستگاه آنالیز XRF از چه قسمت هایی تشکیل شده است؟
• چگونه توسط آنالیز XRF آنالیز عنصری انجام دهیم؟
• تفاوت آنالیز XRF و XRD چیست؟
• مزایا و محدودیت های آنالیز XRF در چیست؟

آنالیز XRF (طیف سنجی فوئورسانس اشعه ایکس) چیست؟

[quotes]روش طیف سنجی فلورسانس پرتو ایکس (X-ray Fluorescence Spectroscopy) یا آنالیز XRF یکی از روش های آنالیز عنصری در شناسایی و آنالیز مواد محسوب می شود که به دلیل داشتن سرعت زیاد در فرآیند شناسایی عناصر، به طور گسترده در مراکز صنعتی و پژوهشی به کار برده می شود. این روش، سریع، دقیق و غیر مخرب است و به همین دلیل کاربردهای آن بسیار زیاد و گسترده است.[/quotes]

در این روش از پرتو ایکس برای تجزیه لایه‌ های سطحی استفاده می ‌شود. در اثر تابش اشعه ایکس و برانگیختگی نمونه، انتقال الکترونی در لایه ‌های مختلف اتمی انجام می ‌شود که هر انتقال الکترونی همراه با نشر یک خط طیفی اشعه ایکس است. طول موج خطوط طیفی نشر شده مبنای تجزیه کیفی عناصر و شدت پرتوها، متناسب با فراوانی یا کمیت عناصر موجود در نمونه است.

اساس روش آنالیز XRF

در روش طیف سنجی فلورسانس پرتو ایکس XRF نیز همانند روش پراش اشعه ایکس(XRD) پرتو ایکس از یک لامپ تولید اشعه ایکس به نمونه مجهول تابیده می شود. بخشی از این پرتو های ایکس تابیده شده از ماده عبور می کنند. بخشی از پرتوها در اثر برخورد با الکترون های اتم ماده، جذب می شوند و بخشی نیز باعث جابه‌جایی (خروج) الکترون ها از مدار خود می شوند. به این برخورد، برخورد الاستیک (کشسان) می گویند.

در اثر خروج الکترون ها از مدارهای داخلی، الکترون هایی از مدارهای بالاتر جایگزین آن ها می شوند که این پدیده باعث به وجود آمدن پرتوی ایکس مشخصه می شود.

در اثر عبور از گذار الکترون از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی پایین‌تر، اشعه ایکس ثانویه (پرتو مشخصه) تولید می‌شود و بخشی از آن به عقب پراکنده می‌شوند. پرتوهای خروجی از بلور هر یک طول موج خاصی دارند که برای هر عنصر منحصر به فرد است و به این طریق عناصر سازنده نمونه تشخیص داده می‌شوند.

نحوه جذب و تفرق اشعه ایکس در روش طیف سنجی فلورسانس پرتو ایکس XRF

پرتوی ایکس خروجی از نمونه (پرتوهای مشخصه) به سوی یک بلور هدایت می شود. در مسیر این پرتوها یک سری موازی کننده پرتو (Collimator) قرار داده می شود که وظیفه جمع و 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 گستره ای از طول موج های مختلف است که هر طول موج به یک عنصر تعلق دارد. اگر این گستره 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 باید بچرخد تا در زوایای گوناگونی قرار بگیرد.

اجزاء دستگاه روش طیف سنجی فلورسانس پرتو ایکس XRF

۱٫      لامپ تولید پرتو ایکس:

پرتوهای ایکس را می‌توان به عنوان امواج الکترومغناطیس یا طول موج مختص خود، یا پرتوهای فوتون‌ها با انرژی های مخصوص به خود در نظر گرفت در دستگاه‌های مختلف روش طیف سنجی فلورسانس پرتو ایکس XRF از لامپ های گوناگونی استفاده می شود که در توان استفاده شده، محل پنجره برلیمی، و نوع انجام سرمایش سیستم با هم تفاوت دارند. وظیفه لامپ تولید پرتو ایکس، ایجاد پرتوی با شدت زیاد است تا بتواند تمام عناصر موجود در نمونه را برانگیخته کند. (طول موج پرتو خروجی از لامپ کمتر از لبه جذب عناصر موجود در نمونه باشد.)

۲٫      بلور آنالیز کننده:

از بلورهای آنالیز کننده به منظور شناسایی عناصر استفاده می شود که با تغییر عدد اتمی عناصری که باید شناسایی شوند، نوع و جنس بلور آنالیز کننده تغییر می‌کند . به طور مثال پرکاربردترین بلور آنالیز کننده، بلور فلورید لیتیم است که برای شناسایی عناصر پتاسیم تا اورانیوم به کار می‌رود.

۳٫      ساخت نمونه:

نمونه موردنظر برای انجام آنالیز طیف سنجی پرتو ایکس  XRF ، یک استوانه با قطر ۳ سانتی‌متر و ضخامت حدود ۰٫۵ میلیمتر است.و در یک جا نمونه ای فلزی به  نحوی در دستگاه قرار می گیرد که  پرتو ایکس از زیر به آن بتابد.

۴٫      آشکارسازها:

پرتو ایکس در اثر بمباران ماده با الکترون های پرانرژی پدید می‌آید در اثر برخورد الکترون ها به اتم های ماده انرژی الکترون های بمباران کننده به الکترون های ماده منتقل می‌شود و در نتیجه اتم های ماده برانگیخته می‌شوند  و در بازگشت به حالت اولیه و پایدار خود برای از دست دادن انرژی یک پرتو ایکس تابش می‌کنند که این پرتو ایکس تابش شده وارد آشکار ساز شده و شدت آن اندازه گیری می‌شود و با توجه به آن ویژگی ها و خواص نمونه مورد نظر مورد بررسی قرار می‌گیرد.

روش های آشکارسازی انواع مختلفی دارند که روش هایی که امروزه از آنها استفاده می‌شود با دقت بیشتری آشکارسازی پرتو ایکس را انجام می‌دهند. روش های آشکارسازی عبارتند از:آشکارسازی با فیلم عکاسی ، آشکارسازهای گازی، آشکارسازهای تهییجی

اجزاء یک دستگاه طیف سنجی فلورسانس پرتو ایکس XRF

آنالیز عنصری

پرتو ایکس تولید شده از لامپ به نمونه برخورد کرده، باعث به وجود آمدن پرتو ایکس مشخصه می‌شود و توسط بلور آنالیز کننده طول موج های مربوط به هر یک از عناصر، تفکیک می‌شود ، به آشکارساز رسیده و در نهایت منجر به رسم طیف مورد نظر ما می‌شود. (آنچه دستگاه XRF به‌عنوان طیف رسم می‌کند، نشان دهنده تغییر شدت پرتو بر حسب انرژی آن است.)

در دستگاه طیف سنجی پرتو ایکس XRF آنالیز کمی عناصر نیز امکان پذیر است. بدین صورت که با اندازه گیری شدت پرتوهای با طول موج برابر با نمونه استاندارد، می توان درصد آن عنصر را نیز تعیین کرد.

انواع دستگاه های طیف سنجی فلورسانس پرتو ایکس XRF

سیستم های طیف سنجی در آنالیز XRF بر دو دسته تقسیم می شوند:

• تفکیک طول موج (WDS)

در این نوع دستگاه‌ها پرتو ایکس خروجی پیش از ورود به آشکارساز توسط یک بلور تفکیک می‌شود.

• تفکیک انرژی (EDS)

در این نوع دستگاه ها پرتو ایکس خروجی از نمونه بدون آنکه توسط بلور آنالیز کننده تفکیک شود وارد آشکارساز می‌شود.

تفاوت آنالیز XRD و XRF

آنالیز XRD روشی برای تعیین فازها و ساختار کریستالی نمونه ها محسوب می شود. بنابراین با استفاده از این روش می توان مواردی مثل فرمول شیمیایی ترکیبات نمونه، درصد بلورینگی ساختار و تنش های پسماند ساختار را تعیین کرد. به عبارتی دیگر می توان گفت که آنالیز XRD یک روش آنالیز کیفی است.

اما آنالیز XRF یک روش آنالیز کمی محسوب می شود. در اصل، از این روش برای شناسایی عناصر موجود در نمونه استفاده می شود و می توان درصد عناصر نمونه را تعیین کرد.

غالبا مرسوم است که نتایج XRF به صورت اکسیدی گزارش می شود، اما این مسئله اصلاً به معنای وجود قطعی آن عنصر در فاز اکسیدی نیست!

قابلیت های آنالیز XRF

• قابلیت اندازه گیری کمی و کیفی عناصر
• آنالیز عناصر نادر خاکی
• قابلیت آنالیز چندین نمونه به صورت همزمان
• قابلیت اعلام نتایج به صورت اکسیدی

محدودیت های آنالیز XRF

• وجود مشکل در اندازه گیری عناصر سبک
• عدم توانایی اندازه گیری ایزوتوپ های عناصر
• عدم توانایی اندازه گیری ظرفیت های یک عنصر مثل Cu

کاربردهای آنالیز XRF

روش طیف سنجی فلورسانس پرتو ایکس XRF  با توجه به سریع انجام شدن آن و در عین حال دقت بالا و استقلال از وابستگی نتیجه به توانایی شخص آنالیز کننده در بسیاری از موارد مخصوصا در صنایعی مانند سیمان و فولاد جایگزین روش‌های آنالیز شیمیایی شده است. در این صنایع تغییر در مقدار عناصر موجود در نمونه، در گستره کوچک و مشخصی بوده و همچنین نیازمند سرعت زیاد آنالیز برای انتخاب ترکیب مورد استفاده است.

همچنین این روش در مراکز پژوهشی نیز به دلیل توان تشخیص نوع عناصر موجود در نمونه مجهول برای شروع کار آنالیز، تحلیل و شناسایی بسیار مورد توجه است .

منابع

کتاب روش های شناسایی و آنالیز مواد، فرهاد گلستانی فرد

مقدمه ای بر روش های پیشرفته آنالیز مواد، یانگ لنگ

آشنایی با روشهای نوین شناخت و آنالیز مواد، وحید ابویی‌ مهریزی