طیف سنجی فلوئورسنس اشعه X

اصول دستگاه آنالیز XRF

طیف‌سنجی فلورسانس پرتو ایکس (X-Ray Fluorescence) یکی از تکنیک‌های پرکاربرد آنالیز عنصری در پروژه‌های صنعتی و آزمایشگاهی است که بر پایه‌ی تهییج اتم‌های مورد مطالعه توسط یک منبع پرتو ایکس خارجی کار می‌کند. اتمی که برانگیخته می‌شود، به هنگام بازگشت به حالت پایه فوتون‌های اشعه ایکس با انرژی و طول موج مشخصه ساطع می‌کند که به کمک دتکتور شناسایی و خوانش می‌شود.

اصول دستگاه XRF

اغلب دستگاه‌های XRF بر اساس نحوه‌ی آشکارسازی پرتو ایکس فلورسانس بر دو دسته تقسیم‌بندی می‌شوند: تفکیک انرژی (Energy Dispersive) و تفکیک طول موج (Wavelength Dispersive)

منبع. قسمت ابتدایی هر دو مدل دستگاه‌های ED-XRF و WD-XRF منبع پرتو ایکس است. منبع شامل یک محفظه خلا است که در آن یک کاتد (معمولا به شکل یک سیم تنگستنی) و یک آند با اختلاف پتانسیل چند هزار کیلو ولت نسبت به کاتد قرار دارد. الکترون‌ها بر اثر گرما از کاتد آزاد شده و به سمت آند شتاب داده می‌شوند. هنگامی که الکترون‌های شتاب‌دار به آند برخورد می‌کنند، با مکانیزم تابش ترمزی،  تابش سفید رخ می‌دهد که شامل فوتون پرتو ایکس مشخصه آند است. در نهایت این فوتون‌ها از پنجره برلیومی تعبیه شده در تیوب خارج می‌شوند.

شماتیک یک تیوپ پرتو ایکس

ناگفته نماند یک منبع همه‌کاره برای روش XRF وجود ندارد که پاسخگوی همه نیاز‌ها باشد. قدرت تیوب‌های پرتو ایکس از چند وات برای EDXRF تا چند کیلووات برای WDXRF تنظیم می‌شود. در مورد آخر تیوب باید مایع خنک باشد چرا که بخش زیادی از توان تیوب به صورت گرما ظاهر می‌شود. همچنین ماده آند باید به دقت انتخاب شود چرا که انرژی پرتو مشخصه‌ی آن برای تهییج مناسب نمونه به کار گرفته خواهد شد. بعضی آندهای تک عنصر عبارتند از آلومینیوم، کروم، تنگستن، پالادیوم و طلا. برای شناسایی عناصر سبک به پرتو با شدت زیاد و انرژی کم در محدوده ۱ تا ۱۰ الکترون‌ولت کافی است. در حالی که برای تهییج عناصر سنگین‌تر به انرژی بیشتر تا محدوده ۵۰ کیلو‌الکترون‌ولت نیاز است. همچنین مهم است بدانیم که دلیل اصلی وجود پس‌زمینه در آشکارساز (detector) به منبع تابش پرتو ایکس برمی‌گردد.

در دستگاه‌هایی که برای پوشش گستره‌ی وسیعی از اعداد اتمی از سبک تا سنگین طراحی شده‌اند، دیدگاه متفاوتی برای تولید پرتو ایکس به کار گرفته شده است. از یک آند برای تابش سفید استفاده می‌شود. سپس این تابش پیوسته به یک ماده تارگت ثانویه برخورد می‌کند که پرتو مشخصه تارگت است و بقیه طیف را در پوشش نمی‌دهد. سپس از این تابش برای تهییج نمونه استفاده می‌شود.

دتکتور

دو نوع اصلی دستگاه‌های XRF یعنی WD و ED به طور کل در سیستم دتکتور متفاوت هستند. EDXRF به یک دتکتور نیمه‌هادی وابسته است که کل امواج تابیده از نمونه را گرفته و سپس آن را به یک هیستوگرام از اعداد و انرژی فوتون‌ها تبدیل می‌کند. در طرف مقابل WDXRF از یک کریستال استفاده می‌کند که امواج تابیده از نمونه را بر اساس طول موجشان پراکنده‌ و تفکیک کرده و دتکتور را درست در محلی قرار می‌دهد که فوتون‌هایی با انرژی مشخص و دلخواه را دریافت کنند.

طیف‌سنج WDXRF

در شکل زیر شماتیک یک طیف‌سنج تفکیک طول موج آورده شده است. پرتو‌های ایکس که از نمونه می‌آیند و حاوی پرتو فلورسانس ثانویه عنصر مورد آزمایش هستند، ابتدا توسط موازی‌کننده (collimator) که از لایه‌های بسیار نزدیک فلزی ساخته شده است، عبور داده می‌شوند و سپس به بلور آنالیز کننده می‌رسند.

شماتیک روش تفکیک طول موج WD-XRF

بلور آنالیز کننده پرتوهایی ورودی را طبق قانون برگ (nλ=2dsinθ) بسته به طول موجشان در زوایای مختلف می‌پراکند. به منظور پوشش طول موج مختلف از بلورهای متفاوت با فاصله صفحات متفاوت استفاده می‌شود. در جدول زیر فهرستی از بلورهای متداول و محدوده کاربری آنها آورده شده است.

امواجی که توسط کریستال پراکنده شده‌اند در نهایت به آشکارساز می‌رسند. دو سری آشکارساز در WDXRF استفاده می‌شود. در ابتدا آشکارساز شمارنده تناسبی گاز (gas-flow proportional detector) قرار دارد که برای طول موج‌های بزرگ استفاده می‌شود. پرتوهای پرانرژی از این آشکارساز عبور کرده و توسط آشکارساز NaI خوانش می‌شوند.

در سیستم WDXRF این امکان وجود دارد که از چند دتکتور که در مکان‌هایی با زوایای مشخص قرار داده شدن‌اند، استفاده کرد. بدین ترتیب می‌توان چندین عنصر را بارها و بارها به طور همزمان آنالیز کرد. این سیستم انعطاف‌پذیری بالا به همراه حساسیت فوق‌العاده خوب در کارهای تحقیقاتی دارد. همچنین از معایب این روش در قیاس با روش EDXRF می‌توان به سرعت کمتر برای پردازش کل طیف برای همه عناصر، هزینه بالاتر و همچنین دستگاه‌هایی با اندازه بزرگ‌تر اشاره کرد.

طیف‌سنج EDXRF

در ادامه به بررسی طیف‌سنج تفکیک انرژی بپردازیم. در شکل زیر شماتیک این طیف‌سنج آورده شده است. همانطور که مشاهده می‌شود برخلاف طیف‌سنج تفکیک طول موج دیگر خبری از بلور برای تفکیک طول موج‌ها مختلف نیست و فوتون‌ها بر اساس انرژی توسط یک دتکتور شناسایی می‌شوند. در حالی که محل قرارگیری دتکتور در برابر نمونه ساده است ولی نیاز با دتکتورهایی با الکترونیک پیچیده و پیشرفته دارد که با پیشرفت تکنولوژی تهیه‌ی آن چندان مشکل نیست.

شماتیک روش تفکیک انرژی ED-XRF

تفکیک انرژی در روش EDXRF در دتکتورهای نیم‌رسانا انجام می‌شود. برای مثال می‌توان به دتکتور‌های ژرمانیومی و همچنین دتکتورهای سیلیسیومی اشاره کرد که مورد دوم کاربرد گسترده‌تری دارد. آشکارساز‌های نیم‌رسانا بر این مبنا کار می‌کنند که فوتون‌های پرتو ایکس با برخورد به دیود نیم‌رسانا، جفت الکترون-حفره تولید می‌کنند که هرچقدر تعداد آن بیشتر باشد، انرژی فوتون فرودی بیشتر بوده است. سپس با اعمال ولتاژ بالا، بار الکتریکی ایجاد شده در یک خازن ذخیره شده و پس از تقویت توسط یک تقویت‌کننده به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌شود و در نهایت با یک آنلایزر چند کاناله (Multi-Channel Analyzer) پردازش می‌شود. داده‌های حاصل به یک کامپیوتر ارسال شده و توسط نرم‌افزار و الگوریتم‌های محاسباتی به شکل اعداد و اطلاعات قابل درک برای اپراتور نمایش داده ‌می‌شوند. در برخی دستگاه‌های جدید‌تر به منظور دستیابی به حساسیت بیشتر از دو یا چند دتکتور برای طول موج‌های مختلف استفاده شده است. با این حال به طور معمول حد تشخیص روش EDXRF به خوبی WDXRF نیست.

شرکت Spectron سازنده‌ی دستگاه‌های XRF در هر دو مدل تفکیک انرژی (EDXRF) و تفکیک طول موج (WDXRF) است. به عنوان مثال دستگاه Spectron MAKC-GVM که به روش تفکیک طول موج کار می‌کند، به واسطه کریستال‌های متنوع قابلیت اندازه‌گیری عناصر از عدد اتمی ۱۱ (Na) تا عدد اتمی ۹۲ (U) را دارد. همچنین مدل‌های دیگری نیز برای اندازه‌گیری عناصری خاص مانند گوگرد طراحی و عرضه شده‌اند و به اپراتور این امکان را می‌دهند بدون انجام هیچ گونه تنظیمات اولیه آزمایشات روزانه و روتین رو به خوبی و در کمترین زمان ممکن انجام دهد. از این موارد می‌توان مدل‌های SW-D3 برای اندازه‌گیری سولفور با روش تفکیک طول موج، CLSW برای اندازه‌گیری کلر و سولفور به طور همزمان و به روش تفکیک طول موج و SL برای اندازه‌گیری سولفور به روش تفکیک انرژی را نام برد که به طور گسترده در آزمایشگاه‌های پالایشگاه‌های نفت و گاز و همچنین صنایع پتروشیمی کاربرد دارند.

از دیگر کاربرد‌های دستگاه‌های XRF می‌توان صنایع فولاد و صنایع سیمان را نام برد که به صورت روتین هم برای تحقیق و توسعه مواد جدید و هم برای کنترل کیفیت از روش‌های آنالیز عنصری و XRF استفاده می‌کنند. همچنین در صنایع پلاستیک و پلیمر نیز مواردی وجود دارد که از آنالیزور‌های آنلاین XRF برای کنترل خط تولید و مانیتورینگ فلزات موجود در خط اکستروژن استفاده شده است.

معدن کاری، زمین‌شناسی و باستان‌شناسی از دیگر زمینه‌هایی است که از روش XRF برای مطالعه ترکیب خاک و شناخت عناصر موجود در نمونه تا مقادیر بسیار کم استفاده می‌شود.

کمپانی Spectron با تکیه بر دستگاه‌های پیشرفته و قوی و همچنین دانش فنی متخصصان خود در زمینه طیف‌بینی فلورسانس پرتو ایکس (XRF) توانسته است راه‌ حل‌های کاربردی در رابطه با مشکلات موجود در زمینه‌های نفت و گاز، پتروشیمی، پایش محیط زیست، معدن‌کاری، متالورژی، ژئولوژی و زمین‌شناسی ارائه دهد.

بطور خلاصه روش XRF در مقایسه با سایر روش‌های آنالیز عنصری، روشی منعطف و سریع است که قابلیت آزمایش نمونه‌های مختلف از پودر جامد تا مایع را دارد. همچنین روش XRF به راحتی در دسترس بوده و هزینه به مراتب کمتری نسبت به سایر روش‌ها دارد. قسمت عمده هزینه‌های این روش مربوط به خریداری دستگاه است و آماده‌سازی نمونه، انجام تست و همچنین نگهداری خود دستگاه زمان و هزینه‌ بسیار کمی را شامل می‌شوند.

بطور کلی مهم‌ترین نقطه ضعف روش XRF حد تشخیص بالای آن نسبت به روش‌هایی از قبیل طیف‌سنجی جذب اتمی کوره گرافیتی (Graphite Furnace Atomic Absorption Spectroscopy) و طیف‌سنج جرمی پلاسمای جفت‌شده‌ی القایی (ICP-MS) است که هر دو روش حد تشخیص‌های بسیار پایین‌تری نسبت به XRF دارند. در مقابل ذکر این نکته خالی از لطف نیست که تکنیک جذب اتمی اگرچه حد تشخیص بهتری دارد ولی یک روش مخرب است که در هر زمان فقط یک عنصر را می‌توان اندازه گرفت، بنابراین سرعت آنالیز کمتری دارد. همچنین از نیاز به موارد مصرفی مانند گاز آرگون و نگهداری بیشتر دارد که در کل هزینه انجام تست را بالا می‌برند. روش ICP-MS علاوه بر داشتن حد تشخیص به مراتب پایین‌تر و بهتر نسبه سایر روش‌های ذکر شده، سرعت عمل بالاتری نیز دارد و همچنین قادر است ایزوتوپ‌های یک عنصر را نیز شناسایی کند. با این حال فقط نمونه‌های مایع را میتوان به آن تزریق کرد و برای نمونه‌های جامد نیاز به مراحل آماده‌سازی بیشتر از قبیل حل‌سازی در اسید نیاز است. مصرف گاز آرگون خالص در این روش بسیار زیاد است و هزینه‌های انجام تست را به شدت بالا می‌برد. ناگفته نماند که هزینه اولیه تهیه دستگاه ICP-MS به مراتب بیشتر از دستگاه جذب اتمی و XRF است.

شرکت آرتین آزما به عنوان نماینده Spectron در ایران، دستگاه‌های XRF را برای متقاضیان داخل کشور تأمین کرده و با ضمانت معتبر و خدمات پس از فروش ده ساله به مشتریان عرضه می‌نماید.

برچسب ها: برند Spectron ، تکنیک XRF، نمایندگی Spectron ، تامین تجهیزات آزمایشگاهی، اصول دستگاهی XRF، ططیف‌سنجی پرتو ایکس، پرتو  ایکس، اشعه ایکس، طیف‌سنجی فلورسانس پرتو ایکس

دیدگاه خود را بنویسید