طیف سنجی فلوئورسانس پرتو ایکس (XRF)

۱- اصول کار طیف سنجی فلوئورسانس اشعه X

در ابتدا اشعه ایکس تولید شده وارد محفظه نمونه شده و آن را بمباران می‌کند. پرتوهای پر انرژی باعث کنده شدن الکترون‌های مدارهای داخلی اتم‌ها شده و ماده را یونیزه می‌کنند. در اثر گذار الکترون با سطح انرژی بالاتر به جای خالی الکترون با تراز انرژی پایین‌تر، اشعه ایکس ثانویه  (فلوئورسانس) تولید می‌شود.

شکل ۱- شماتیک نحوه تولید اشعه ایکس ثانویه

این اشعه سپس از جمع کننده عبور می‌کند. جمع کننده از چند ورق موازی تشکیل شده که اشعه ایکس ثانویه را هم جهت و موازی کرده و به سمت بلور آنالیزکننده می‌فرستد. اشعه ایکس ثانویه حاوی گستره‌ای از فوتون‌ها با انرژی‌های متنوع است که برای تفکیک آن‌ها برحسب انرژی‌شان از بلورهای آنالیزکننده (تحلیلگر) استفاده می‌شود. پرتوهای مشخصه با انرژی‌های مختلف پس از برخورد به بلور آنالیزکننده که دارای فاصله صفحات مشخصی است مطابق رابطه براگ در زاویه‌های مختلف تفکیک شده و پس از عبور از جمع کننده‌های ثانویه، وارد آشکارساز می‌شوند. آشکارساز و نمونه بر روی یک دایره هستند و بلور آنالیزکننده در مرکز آن قرار دارد. در آشکارساز، شدت پرتو X ثانویه برای هر طول‌موج تعیین می‌شود و در نهایت اطلاعات به‌دست آمده به قسمت ثبت‌کننده فرستاده می‌شود.

بلورهای آنالیزکننده معمولا از جنس سدیم فلورید بوده و برای شناسایی عناصر از پتاسیم تا اورانیوم قابل استفاده هستند. همچنین بلورهای ژرمانیوم برای شناسایی عناصر از فسفر تا کلر به کار می‌روند. اما همواره بخشی از پرتو ایکس ثانویه در مسیر حرکت خود از نمونه تا آشکارساز، به دلیل برخورد با مولکول‌های هوا، اتم‌های بلور و پنجره ورودی آشکارساز جذب می‌شوند و تشخیص عناصر سبک را با مشکل مواجه می‌کنند. امروزه دستگاه‌های XRF اصلاح شده با کاهش جذب توسط بلورهای تحلیلگر و شیشه برلیومی آشکارساز و همچنین خروج هوای دستگاه، عناصر تا عدد اتمی ۵ را نیز می‌توانند شناسایی کنند.

شکل ۲- شماتیک اجزای دستگاه XRF

۲- انواع دستگاه‌های XRF

دستگاه‌های XRF از دو نوع تفکیک طول‌موج (WDS) و تفکیک انرژی (EDS) هستند. در نوع WDS، پرتوهای ثانویه اشعه X پیش از ورود به آشکارساز با استفاده از یک بلور آنالیزکننده تفکیک می‌شوند. در نوع EDS، پرتوهای مشخصه بدون نیاز به بلور آنالیزکننده مستقیما وارد آشکارساز می‌شوند. آشکارسازهای EDS حاوی یک آنالیزکننده چند کاناله (MCA) هستند که توانایی تفکیک همزمان تمامی طول‌موج‌های پرتوهای X ثانویه را داراست. بنابراین آنالیز عنصری در دستگاه‌های EDS با سرعت بسیار بیشتری در مقایسه با دستگاه‌های WDS است. در مجموع زمان آنالیز در دستگاه‌های EDS از زمانی که پرتو به نمونه تابیده می‌شود تا زمانی که آنالیز عنصری نمونه انجام می‌شود در حدود ۵ دقیقه زمان می‌برد. این در حالی است که برای آنالیز عنصری همین نمونه در دستگاه $\mathrm{WDS}$، ۳۰-۶۰ دقیقه زمان لازم است. ولی از جمله مشکلات کار با دستگاه های EDS، نیاز آشکارساز به سرمایش و حساسیت پایین‌تر این دستگاه‌ها در مقایسه با دستگاه‌های WDS است.

۳- طیف فلوئورسانس اشعه X

آنالیز پرتوهای ایکس مشخصه از روی انرژی و یا طول‌موج پرتوها صورت می‌گیرد. آنچه که دستگاه به عنوان خروجی ترسیم می‌کند، تغییر شدت بر حسب انرژی است. در شکل ۳ طیف فلوئورسانس اشعه ایکس یک سکه طلا نشان داده شده‌است. با مشاهده پیک‌های رسم شده می‌توان دریافت عناصر طلا و مس در ترکیب این سکه حضور داشته است. آنالیز کمی انجام شده نیز حضور ۹۰ درصد طلا را در این ترکیب بیان می‌کند.

شکل ۳- طیف XRF سکه طلا

۴- کاربردهای طیف‌سنج فلوئورسانس پرتوی X

کاربردهای XRF بر حسب نوع نمونه و محدوده‌ی غلظت متفاوت بوده و تا حد زیادی به تکنیک انتخابی وابسته است. همچنین روش آماده‌سازی نمونه نیز عاملی تاثیرگذار بر کاربرد این تکنیک است. از این روش می‌توان برای تحلیل در محل فرآیندهای تولید و یا بررسی نمونه‌های زمین‌شناسی، کنترل کیفیت محصولات نظیر تعیین ناخالصی سطوح ویفرهای سیلیکونی و بررسی‌های زیست محیطی استفاده کرد. به طور کلی از زمینه‌های کاربردی مختلف این روش می‌توان به مطالعه‌ی فلزات و آلیاژها، سنگ‌های معدنی، کانی‌ها، سیمان‌ها، روغن‌های روانکار، آثار باستانی و داروها اشاره کرد.

۵- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

طیف‌سنجی فلوئوروسانس اشعه X تکنیکی موثر و محبوب جهت شناسایی عناصر موجود در یک نمونه مجهول به همراه درصد آن‌هاست. از این تکنیک که مبتنی بر اندازه‌گیری انرژی پرتوهای مشخصه خارج شده از نمونه‌ای است که تحت تابش پرتو X قرار گرفته است، به طور گسترده در مراکز پژوهشی و صنعتی استفاده می‌شود.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۶- منابع

[1]. فرزاد حسینی نسب، محسن افسری ولایتی " علوم و فناوری نانو 2، روشهای مشخصه‌یابی" چاپ اول، تابستان 1394 ، نشر کوچک آموز

[2]. عبدالرضا سیمچی، خدیجه خدرلو، مسعود وصالی ناصح "روشهای شناسایی و مشخصه یابی مواد" ، چاپ اول، 1392 ، نشر دانشگاهی کیان

[3]. edu.nano.ir