روش دستگاه آنالیز XRF
روش 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 با استفاده از یک منبع پرتو ایکس خارجی عمل می‌کند. الکترون‌ها بر اثر گرما از کاتد آزاد شده و به سمت آند شتاب داده می‌شوند. هنگامی که این الکترون‌های شتاب‌دار به آند برخورد می‌کنند، تابش سفید از طریق مکانیزم تابش ترمزی تولید می‌شود که شامل فوتون‌های پرتو ایکس مشخصه آند است. در نهایت، این فوتون‌ها از پنجره برلیومی تعبیه شده در تیوب خارج می‌شوند.
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 این الکترون‌های شتاب‌دار به آند برخورد می‌کنند، تابش سفید از طریق مکانیزم تابش ترمزی تولید می‌شود که شامل فوتون‌های 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 گستره وسیعی از اعداد اتمی، از عناصر سبک تا سنگین، طراحی شده‌اند، رویکرد متفاوتی برای تولید پرتو ایکس به کار می‌رود, این تابش پیوسته به ماده‌ای به عنوان تارگت ثانویه برخورد می‌کند و پرتو مشخصه تارگت را تولید می‌کند. در حالی که سایر بخش‌های طیف حذف می‌شوند. سپس از این پرتو 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 متصل است که تمام امواج تابیده از نمونه را دریافت کرده و سپس آن‌ها 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 نمایش داده شده است. پرتوهای ایکس که از نمونه ساطع می‌شوند و حاوی پرتو فلورسانس ثانویه عنصر مورد آزمایش هستند، ابتدا از میان موازی‌کننده (collimator) عبور می‌کنند. این موازی‌کننده از لایه‌های بسیار نزدیک فلزی تشکیل شده است و پرتوها را به سمت بلور آنالیزکننده هدایت می‌کند.
شماتیک روش تفکیک طول موج WD-XRF
بلور آنالیزکننده پرتوهای ورودی را طبق قانون برگ (nλ = 2dsinθ) بر اساس طول موجشان در زوایای مختلف می‌پراکند. به منظور پوشش طول موج‌های مختلف، از بلورهای متفاوت با فاصله صفحات مختلف استفاده می‌شود. در جدول زیر فهرستی از بلورهای متداول و محدوده کاربری آن‌ها آورده شده است.
امواجی که توسط کریستال پراکنده می‌شوند، در نهایت به آشکارساز می‌رسند در WDXRF از دو سری آشکارساز 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 استفاده شود که در مکان‌هایی با زوایای مشخص قرار داده شده‌اند. بدین ترتیب، میتوان چندین عنصر را به طور همزمان و بارها 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 می‌پردازیم. در شکل زیر، شماتیک این طیف‌سنج نمایش داده شده است. همانطور که مشاهده می‌شود، برخلاف طیف‌سنج تفکیک طول موج، دیگر خبری از بلور برای تفکیک طول موج‌ها نیست و فوتون‌ها بر اساس انرژی توسط یک دتکتور شناسایی می‌شوند. محل قرارگیری دتکتور در برابر نمونه ساده است، اما استفاده از دتکتورهایی با الکترونیک پیچیده و پیشرفته ضروری است. با پیشرفت تکنولوژی، تهیه این دتکتورها دیگر دشوار 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 ولتاژ بالا اعمال می‌شود تا بار الکتریکی در یک خازن ذخیره شود. این بار پس از تقویت توسط یک تقویت‌کننده به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌گردد و در نهایت یک آنالایزر چند کاناله (Multi-Channel Analyzer) آن را پردازش می‌کند. داده‌های پردازش‌شده به کامپیوتر ارسال می‌شوند و نرم‌افزار با استفاده از الگوریتم‌های محاسباتی آن‌ها را به اعداد و اطلاعات قابل درک برای اپراتور نمایش می‌دهد. در برخی دستگاه‌های جدیدتر، برای دستیابی به حساسیت بیشتر، از دو یا چند دتکتور برای طول موج‌های مختلف استفاده می‌شود. با این حال به طور معمول حد تشخیص روش EDXRF به خوبی WDXRF نیست.
Spectron
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.
SW-D3
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.
کاربردها
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.
در صنایع پلاستیک و پلیمر نیز از آنالیزورهای آنلاین XRF برای کنترل خط تولید و مانیتورینگ فلزات موجود در خط اکستروژن استفاده می‌شود.
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 بهره‌گیری از دستگاه‌های پیشرفته و قدرتمند و همچنین دانش فنی متخصصان خود در زمینه طیف‌بینی فلورسانس پرتو ایکس (XRF)، راه‌حل‌های کاربردی برای حل مشکلات موجود در حوزه‌های نفت و گاز، پتروشیمی، پایش محیط زیست، معدن‌کاری، متالورژی، ژئولوژی و زمین‌شناسی ارائه می‌دهد.
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.
نتیجه گیری:
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. روش ICP-MS به مصرف موادی مانند گاز آرگون و نگهداری بیشتری نیاز دارد که می‌تواند هزینه انجام تست را افزایش دهد. با این حال، این روش نه‌تنها حد تشخیص بسیار پایین‌تری نسبت به سایر روش‌ها دارد، بلکه از سرعت عمل بالاتری نیز برخوردار است. علاوه بر این، ICP-MS قادر است ایزوتوپ‌های مختلف یک عنصر را 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: XRF، نمایندگی Spectron ، تامین تجهیزات آزمایشگاهی،