مبانی و اصول کارکرد XRF

مقدمه

روش فلورسانس پرتو x (XRF) یا طیف سنجی پرتو x یکی از روشهای آنالیز عنصری است که امروزه از آن به طور وسیعی در صنعت و مراکز پژوهشی استفاده می شود. این روش به ویژه به خاطر سرعت زیاد در شناسایی عنصری برای برخی از صنایع ضروری است. در این روش پرتو x به نمونه مجهول تابیده و در اثر برانگیختگی اتمها باعث پدید آمدن پرتو x ثانویه می شود سپس با تعیین طول موج یا انرژی پرتو ایکس ثانویه عنصر یا عنصرهای مورد نظر را می توان شناسایی کرد.

۱٫ اساس کار

پرتو خروجی از لوله پدید آورنده پرتوx به نمونه می تابد و در اثر بمباران، الکترونهای موجود در مدار داخلی اتم خارج شده و جایگزینی این الکترونها از مدارهای بالایی، سبب پدید آمدن پرتو x یا همان پرتو مشخصه خواهد شد.

شکل اجزای این دستگاه در شکل ۱ نشان داده شده است. پرتو x خروجی از نمونه که در حقیقت پرتو مشخصه عنصرهای موجود در نمونه است پس از عبور از جمع کننده به سوی یک بلور هدایت می شود.

۲٫ اجزای دستگاه XRF

لوله پدید آورنده پرتو x

دردستگاه های مختلف XRF ، از لوله های گوناگونی استفاده می شود . تفاوت آنها در توان استفاده شده در لوله ، محل قرار گرفتن پنجره برلیومی و نوع سرمایش می باشد.

پنجره خروجی می تواند در دیواره کناری و یا در انتهای لوله قرار داشته باشد . در این نوع لوله آند به صورت یک لایه نازک بر روی پنجره برلیومی قرار دارد . نمونه ای از این نوع لوله ، در شکل زیر نشان داده شده است. جنس آند در دستگاه XRF به طول معمول فلز کرم، مولیبدن، رنیم یا تنگستن است. وظیفه لوله پرتو x پدید آوردن پرتوی با شدت زیاد برای برانگیختگی همه عنصر های موجود در نمونه مجهول است . به عبارت دیگر ، طیف پرتو خروجی از لوله ، باید طول موج کمتری از لبه جذب عنصرهای موجوددر نمونه مجهول داشته باشد

طیف سنجی فلورسانس اشعه ایکس (XRF)

 طیف سنجی فلوئورسانس پرتو ایکس یک روش آنالیز دستگاهی است که در آن از روش طیف نشری اشعه ایکس. برای تجزیه لایه های سطحی استفاده می شود.

  این دستگاه توانایی انجام آنالیز عنصری بصورت کیفی و نیمه کمی نمونه های معدنی مانند نمونه های زمین شناسی، کانی ها، سنگها، شیشه، سیمان،سرامیک ها، آلیاژهای فلزی و غیره را دارد.

 برانگیختگی نمونه در اثر تابش پرتو ایکس موجب انتقال الکترونی در لایه های مختلف اتم می شود که هر انتقال الکترونی همراه بانشر یک خط طیفی پرتو x است. طول موج خطوط طیفی نشر شده مبنای تجزیه کیفی عناصر وشدت پرتوها متناسب با فراوانی یا کمیت عناصر موجود در نمونه است.

ردیابی عناصراز سدیم تااورانیم با این روش امکان پذیر است، اما دقت آنالیز برای عناصر سنگین بیشتر خواهد بود. یکسانبودن روش آماده سازی نمونه مورد مطالعه و نمونه استاندارد،و یکنواخت و مسطح بودن سطح مورد آزمایش نقش مهمی در دقت وصحت نتایج حاصله دارد.

این روش به عنوان مکمل مطالعات کانی شناسی و متالوگرافی کاربرد زیادی دربررسی های باستان شناسی و حفاظت از آثار دارد که می توان به موارد زیر اشارهکرد

  شناسایی کیفی و کمی عناصر موجود در سکه ها

  شناسایی نوع آلیاژ فلزیدر ظروف فلزی مکشوفه

 شناسایی کیفی و کمی عناصر در نمونه های سنگ، سفال و شیشه، خاکستر، خشت و غیره

معرفی XRD:

پراش اشعه x (X-ray diffraction) یک روش غیر تخریبی با چند کاربرد است که اطلاعات جامعی درباره ترکیبات شیمیایی و ساختار کریستالین مواد طبیعی و صنعتی ارائه می‌دهد.

هر کریستالی طرح (pattern) اشعه x منحصر به فرد خود را داراست که ممکن است به عنوان اثر انگشت (fingerprint) برای تعیین هویت آن (identification) استفاده شود.

گسترده‌ترین استفاده XRD در شناسایی ترکیبات کریستالین بر اساس طرح پراش آنهاست. از دیگر کاربردهای XRD می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

تعیین ساختار کریستالین

اندازه‌گیری دقیق پارامترهای شبکه

شناسایی نمونه‌های ناشناخته

آنالیز کمی پودرهای چند ترکیبه

شناسایی و آنالیز ساختاری کانی‌های رسی

تعیین متوسط اندازه کریستالیت توسط پهن‌شدگی پیک (peak broadening)

جهت‌گیری ترجیحی کریستال (بافت)

کریستالینیتی

کرنش (strain)و نقص شبکه

تنش باقیمانده (residual stress)

XRD کاربردهای وسیعی در زمین‌شناسی، علم مواد، علم محیط، شیمی، فیزیک، علوم جزائی و صنعت دارویی دارد (Connolly, 2005; ANalytical).

معرفی XRF:

پرتو ثانویه اشعه x (X-ray fluorescence spectrometry) حاصل از مواد می‌باشد که جهت اندازه گیری درصد عناصر متشکله یک ترکیب استفاده می‌شود .

آماده‌سازی نمونه:

آماده‌سازی نمونه یکی از بخشهای بسیار مهم برای تعیین کیفیت داده‌های XRD و XRF به دست آمده از نمونه می‌باشد. این کار در آزمایشگاه آماده‌سازی نمونه به روشهای مختلف صورت می‌گیرد.

فلورسانس اشعه X

فلورسانس اشعه X ، روشی غیر تجربی است که برای عیارسنجی نرمال نیازهایی چون کنترل کیفیت داخلی در ساخت و تولید یا برای تصدیق عیار طلا در بازار مناسب است. این روش، تحت شرایط مناسب دارای دقتی برابر با ۰۰۵/۰ – ۰۰۲/۰ می باشد، یعنی در سطحی از جواهر که نسبتاً صاف و به اندازه کافی پهن است، اندازه گیری می شود. روی سطوح منحنی، اشعه های X طلای تولید شده و اندازه گیری شده، پراکنده می شوند و میزان دقت به طور قابل توجهی کاهش می یابد. این روش، بسیار سریع صورت می گیرد و سنجش عیار در حدود ۳ دقیقه طول می کشد و نتیجه آن می تواند به طور اتوماتیک توسط کامپیوتر چاپ شود و این روش همچنین عیار فلزات مرکب ( آلیاژهای ) موجود دیگر را اندازه گیری می کند. از آنجایی که این روش فقط عیار ورقه ی نازکی از طلا را اندازه گیری می کند، بنابراین در جایی که جواهر، سطحی شیمیایی داشته باشد (برای تشدید رنگ) با لایه ای از طلای خالص آبکاری می شود، دقت کاملاً توافقی است.

تجهیزات دقیق تر فلورسانس اشعه X (XRF)، شدت اشعه های X تولید شده طلا را از طریق آنالیز انتشار طول موج اندازه گیری می کند. استفاده از آنالیزورهای پراکنده کننده انرژی، تجهیزات ارزانتری داشته اما دقت را کاهش می دهد. اگر در آزمایش XRF، نیاز به دقت داشته باشیم، به استانداردهای آلیاژ مرجع ترکیب شناخته شده نزدیک به نمونه آزمایشی نیز نیاز داریم.

ابزار و وسایل بسیاری خصوصاً برای عیارسنجی طلا و جواهر در بازار ایجاد شده است مانند X تستر و از قیمت متعادل تری نیز برخوردار است. یک عمده فروش در هند، هر یک از فروشگاه هایش را با چنین وسایل و ابزاری تجهیز کرده است. عیار طلای هر قطعه جواهر سنجیده شده و به همان اندازه فروخته می شود، سپس سندی رسمی صادر شده و بدین وسیله متابعت عیار را ضمانت می کند و اعتماد مشتری را در کشوری که قانون درج عیار ملی وجود ندارد، جلب می کند.

فلورسانس اشعه ایکس

 شرح :

این دستگاه یک پرتو اشعه ایکس با واگرایی زیاد تشعشع اشعه ایکس را از اورانیوم و پلوتونیوم نشر می دهد. شدت های اشعه های ایکس القاء شده ممکن است برای تعیین نسبت اورانیوم به پلوتونیوم در یک نمونه و یا بعد از درجه بندی مناسب برای تعیین مطلق مقادیر نسبی عناصر استفاده شود. در مورد اول نسبت اورانیوم به پلوتونیوم از نقطه اوج منحنی UKa1 و اشعه های ایکس PuKa1 بدست می آید. در مورد دوم با اندازه گیری نقطه اوج منحنی Kb1، سه خطی اورانیوم و پلوتونیوم مقادیر تعیین می شوند. تداخل ها از هر اشعه ایکس یا خطوط گاما ضعیف انرژی مشابه بوجود می آیند. بعلاوه خود جذبی در نمونه نیز محاسبه می شود. عدم قطعیت اندازه گیری حدود ۷/۰ درصد نشان داده می شود.  این طیف سنج مجهز به یک مبدل نمونه ۶۰ نمونه ای است که به صورت اتوماتیک کار می کند. از دیگر اجزای این طیف سنج می توان یک تیوپ اشعه ایکس هدف رادیومی و نیز یک ژنراتور ۴ کیلوواتی را نام برد که برای تولید اشعه های ایکس اولیه مورد استفاده قرار می گیرد. این امر موجب ایجاد سطح حساسیت بسیار عالی در تعیین و اشکارسازی عناصر مختلف از برم گرفته تا اورانیوم می گردد. از ویژگیهای این ابزار ان است که کنترل ان به صورت کاملا کامپیوتری انجام می گیرد و کاربر به هر دو نرم افزار انالیزی کمی و کیفی دسترسی دارد. نمونه ها را می توان به صورت یک جامدهای توده ای ( برای مثال به شکل پودر، قرص و یا ذوب شده ) و یا به صورت لیکوئیدی یا نیمه جامد وارد دستگاه طیف سنجی نمود. این ازمایشگاه همچنین مجهز به انواع مختلفی از تجهیزاتی است که طی فرایند اماده سازی نمونه XRF  مورد استفاده قرار می گیرد.

اساس کار XRF آزاد نمودن الکترونهای عناصر توسط اشعه X ثانویه می باشد. اشعه X اولیه که در لوله تنگستن مولیبدن یا کروم تولید می شود در اثر برخورد با نمونه الکترونها را آزاد می نماید و باعث بوجود آمدن فضاهای خالی در پوسته الکترونی اتم ها می گردد . فضاهای خالی معمولا بوسیله الکترونهای با سطح انرژی بالاتر پر می شود. در اثر جابجایی الکترونها طیف اشعه X ثانویه ( فلورسانس) بوجود می آید که برای سنجش عناصر مختلف بکار برده می شود. برای هر عنصر طول موجهای مختلف بصورت Kα، ۱ Kβ، Lα، ۲ Lβ ظاهر می گردد، که مشخص کننده سطوح الکترونی حاصل از جابجایی الکترونها می باشد. معمولا خطوط طیفی Kα و ۱ Kβ بهترین خطوط برای سنجش عیار عناصر می باشد. با این وجود برای عناصر سنگین مانند مس، روی، سرب و۰۰۰ از خطوط Lα و ۲ β L استفاده می گردد. دستگاه XRF طول موج انتشاری انرژی انتشاری و از نوع ایزوتوپی عمل می کند. متداول ترین نوع دستگاه معمولا بصورت طول موج انتشاری می باشد که از قسمتهای زیر تشکیل گردیده است:

۱- منبع انرژی با ولتاژ بالا

۲- لوله تولید کننده اشعه X

۳- نمونه

۴- توازن دهنده های طیف های تابشی حاصل از نمونه

۵- بلور فلوئور سدیم یا بلورهای دیگر

۶- توازن دهنده های طیفی بعد از عبور از بلور فلوئور سدیم

۷- دستگاه شمارش برای اندازه گیری شدت اشعه X با طول موجهای مختلف برای عناصر گوناگون

۸- ثبت کننده قوی، تقویت کننده الکترونی و نوار نتایج

مهمترین عناصری که بوسیله XRF اندازه گیری می شود عبارتند از: Al ، Ca ، Mg ، Na ، K , U, ، Fe ، Cr ، Ti ، Mn ، Si ، S و ۰۰۰ است نتایج حاصل از سنجش عناصر بصورت اکسیدهای عناصر بیان می گردد. .

مزایای این روش شامل موارد زیر است:

۱) تجزیه برای چندین عنصر در حد .۱۰۰ ppm

۲) اندازه گیری عناصری مانند Zr ، REE ، Ta ، Nb ، W ، Th ، V آنتیموان

۳) اقتصادی بودن تجزیه برای هر نمونه.

     معایب این روش شامل موارد زیر است:

۱) قیمت زیاد دستگاه

۲) حساسیت کم (ppm )

۳) مشکل حاصل از زمینه ( ماتریکس) در نمونه (همان مسئله بازالت و انتخاب نمونه استاندارد)

۴) احتیاج به افراد مجرب برای انجام مراحل مختلف آزمایش

جهت جستجو سریع موضوع مقاله ، پرسشنامه ، پاورپوینت و گزارش کارآموزی می توانید از قسمت بالا سمت راست جستجو پیشرفته اقدام نمایید.

همچنین جهت سفارش تایپ ، تبدیل فایل پی دی اف (Pdf) به ورد (Word) ، ساخت پاورپوینت ، ویرایش پایان نامه و مقاله با ما در تماس باشید.