مبانی XRF

 

مشخصه های تابش

هر عنصر دارای اوربیتال های الکترونیکی با انرژی مشخص است. پس از حذف یک الکترون درونی توسط فوتون پر انرژی که توسط یک منبع پرتوی اولیه رخ می دهد، یک الکترون از یک پوسته بیرونی به جای آن منتقل میشود. این انتقال میتواند از راه های مختلفی رخ دهد که بعضی به عنوان انتقال اصلی ذکر میشوند و عبارت اند از:

انتقال از لایه L به K که Kα نامیده میشود.

انتقال از لایه M به K که Kβ نامیده میشود.

انتقال از لایه M به L که Lα نامیده میشود و ...

هر یک از این انتقال ها یک فوتون فلورسنت با انرژی مشخص که برابر با تفاوت انرژی در مدار اولیه و نهایی است را ایجاد میکند. طول موج این تابش فلورسنت را می توان از قانون پلانک محاسبه کرد

تابش فلورسنت را می توان با دسته بندی انرژی فوتون ها (تجزیه و تحلیل انرژی-پراش) و یا با جدا کردن طول موج اشعه (تجزیه و تحلیل پراکندگی طول موج) مرتب کرد. پس از مرتب شدن، شدت هر پرتو مشخصه به طور مستقیم مربوط به مقدار هر عنصر در ماده است. این فرآیند یک تکنیک قدرتمند در شیمی تحلیلی است.

 

تابش اولیه

برای برانگیختن یک اتم، یک منبع انرژی با انرژی کافی برای خارج کردن الکترونهای مستحکم لایه درونی مورد نیاز است. ژنراتورهای معمولی اشعه ایکس به علت قدرت بالا و امکان تنظیم آن برای کاربرهای مختلف معمولا برای این کار استفاده می شوند. با این حال، منابع پرتو گاما نیز چون می توانند بدون نیاز به یک منبع تغذیه خاص مورد استفاده قرار گیرند و همچنین امکان استفاده آسان از وسایل کوچک قابل حمل را نیز فراهم می آورد مورد استفاده قرار میگیرند. هنگامی که منبع انرژی سنکروترون یا اشعه ایکس توسط یک اپتیک مانند یک polycapillary متمرکز شود، پرتو اشعه ایکس ایجاد شده می تواند بسیار کوچک و شدید باشد. در نتیجه، می توان اطلاعات اتمی در مقیاس زیر میکرومتر به دست آورد. ژنراتور اشعه ایکس در محدوده 20-60 کیلو ولت استفاده می شود که باعث تحریک طیف وسیعی از اتم ها می شود. سرعت الکتررون های تابشی تولید شده، زمانی که این الکترون های با انرژی بالا از طریق لوله عبور می کنند، به وسیله مواد آند ("هدف") به تدریج کاهش می یابد.

 

پراش

در آنالیز با پراش اشعه ایکس، اشعه های فلورسنت که توسط نمونه منتشر می شوند، به یک آشکارساز حالت جامد هدایت می شوند که یک توزیع "پیوسته" از پالس ها را تولید می کند که ولتاژ آنها متناسب با انرژی های فوتون است. این سیگنال توسط یک تحلیلگر چند کاناله (MCA) پردازش می شود که یک طیف دیجیتالی را تولید می کند که می تواند پردازش شود تا داده های تحلیلی را ایجاد کند.

در تجزیه و تحلیل طول موج، اشعه های فلورسنت اشباع شده توسط عناصر مواد به یک مونو کروماتور پنجره ای هدایت می شوند. این مونوکوروماتور استفاده شده معمولا یک تک کریستال است. با تغییر زاویه برخورد و خروج از کریستال، یک اشعه ایکس (X-Ray) با طول موج واحد ایجاد میشود.

 

تشخیص

در آنالیز توسط پراش انرژی، همانطور که قبلا ذکر شد پراش و تشخیص یک عملیات واحد است. برای این کار از شمارنده های نسبی یا انواع مختلفی از آشکارسازهای حالت جامد (دایود PIN، سیلیسیوم (لیتیوم)، ژرمانیوم (لیتیوم)، آشکار سازهای سیلیکونی SDD) استفاده می شود. همه آنها از یک اصل پیروی میکنند؛ یک فوتون ورودی اشعه ایکس تعداد زیادی از اتم های آشکارساز را یونیزه می کند که مقدار انرژی ایجاد شده متناسب با انرژی فوتون ورودی است. سپس انرژی آزاد شده جمع آوری می شود و فرایند برای فوتون بعدی تکرار می شود. سرعت تشخیص آشکارساز بسیار مهم و بحرانی است. تمام اندازه گیری های انجام شده باید از یک فوتون باشد تا اندازه گیری انرژی فوتون به درستی انجام شود (کاستن از اندازه پیک زمانی رخ میدهد که دو فوتون به صورت همزمان به آشکارساز رسیده اند). پس از آن طیف گسسته ای از انرژی توسط اندازه گیری انرژی پالس ها و شمارش تعداد پالس های ثبت شده مربوط به هر انرژی ایجاد می شود. 

در آنالیز توسط پراکندگی طول موج، تابش تک موجی تولید شده توسط monochromator به یک فوتو مولتیپلر (photomultiplier) منتقل می شود، که یک آشکارساز شبیه به یک شمارنده گایگر است که فتون های منفرد کهاز آن عبور میکند را میشمارد. شمارنده یک محفظه ای است حاوی گاز که توسط فوتون های اشعه ایکس یونیزه شده است. یک الکترود مرکزی (به طور معمول) تا +1700 V شارژ میشود  (با توجه به رسانا بودن دیوارهای محفظه)، هر فوتون یک جریان آبساری پالسی را در این میدان به وجود می آورد. این سیگنال ها تقویت شده و  به صورت دیجیتالی تبدیل و جمع می شوند. سپس این داده ها پردازش می شوند تا اطلاعات تحلیلی بدست آید.

 

شدت اشعه ایکس

فرایند فلورسانس بازده بسیار کمی دارد و تابش ثانویه بسیار ضعیف تر از پرتو اولیه است. علاوه بر این، تابش ثانویه از عناصر سبک تر به همان نسبت انرژی کمتری (طول موج طولانی) دارد و قدرت نفوذ آن کم است. همچنین در صورتی که پرتو از طریق هوا عبور کند (هر میزان از مسافت)، انرژی به شدت کاهش می یابد. به همین دلیل، برای تجزیه و تحلیل با کارایی بالا، مسیر رسیدن به نمونه و از نمونه به آشکارساز باید تحت خلاء نگهداری شود (حدود 10 Pa باقی مانده فشار). این به این معنی است که اکثر بخش های کار دستگاه باید در یک محفظه بزرگ خلاء قرار بگیرند. مشکلات نگهداری قطعات متحرک در خلاء و همچنین وارد  و خارج کردن نمونه با سرعت و بدون از دست دادن خلاء، چالش عمده ای را برای طراحی این ابزار بوجود می آورد. برای کارهایی با اهمیت کمتر و یا زمانی که نمونه تحت خلاء آسیب میبینند (به عنوان مثال یک نمونه فرار)، میتوان یک محفظه اشعه ایکس از هلیوم  خالص را جایگزین کرد.