X-Ray Fluorescence, XRF

به منظور فهم و شناخت پديده X-Ray Fluorescence (XRF) لازم است كه پيش زمينه اي از ساختمان اتمي داشته باشيم. در این راستا آشنایی با تئوري اتمي و جذب بين اتم ها و امواج الكترومغناطيسي ضرورت دارد.

مواد، تركيبي هستند ازعناصر شيميايي. تاكنون 112 عنصر در طبيعت براي ما شناخته شده اند. كوچكترين قسمت هر عنصر كه خواص شيميايي آن عنصر را دارا بوده و بنابراين قابل شناسايي نيز مي باشد اتم است. اتم شامل پروتون و نوترون در هسته و الكترون كه به دور هسته مي گردد، مي باشد.

همه الكترون ها دقيقاً نمي توانند يك مسير را تعقيب كنند اما مي توانند خودشان را در ديواره اي كه لايه ناميده مي شود و  هسته را محاط كرده است نظم دهند. اين لايه ها به اسامي K, L, M, N, O, P, Q شناخته مي شوند. لايه K نزديكترين لايه به هسته مي باشد. عناصر با عدد اتمي بالا، لايه هاي بيشتري دارند. هيدروژن و هليم فقط لايه K را دارند. ( به شكل 1 توجه كنيد)

 

 

 

 شكل 1: نظم الكترون وپروتون در يك اتم گاز آرگون با عدد اتمي18

 

 

 

 

تعداد مشخصي از الكترون مي تواند در هر لايه وجود داشته باشد. تعداد الكترون ها در هر لايه به شرح زير است :

Shell                                         K        L           M         N         O          P         Q

Maximum of Electron             2         8          18        32        32        18        8

 

 

 

هر لايه يك سطح انرژي را نشان مي دهد. لايه K حداقل انرژي را دارد و لايه Q بيشترين انرژي را دارد. اما بايد توجه شود كه بيشترين اختلاف سطح انرژي بين دو لايه، بين لايه هاي K و L مي باشد. كمترين اختلاف انرژي بين دو لايه خارجي است. در شكل 2 اين مطلب به وضوح ديده مي شود.

 

 

 

 

 شكل2: بزرگترين اختلاف انرژي بين لايه هاي  L و K مي باشد

 

 

 

 

تصادم ، انتقال و تابش

 

اگر يك الكترون خارجي با يك اتم با نيروي كافي برخورد كند يكي از الكترون هاي چرخنده خود اتم مي تواند از لايه خود خارج شود. اگر انرژي الكترون تصادم كننده به اندازه كافي بزرگ باشد اين الكترون مي تواند تا لايه داخلي اتم نفوذ كند و سپس برخورد ايجاد شود.     

 

يكي از خواص اتم اين است كه بعد از هر حادثه اي هميشه اتم به حالتي كه بيشترين پايداري را دارد برمي گردد. بنابراين اگر يك الكترون از لايه داخلي K خارج شود يك الكترون مي تواند از لايه L به K برود و يكي از لايه M به L خواهدرفت وهمينطور تا آخر. گاهي اوقات نيزيك الكترون ميتواند از لايه  M به K برود. هنگامي كه يك الكترون از يك سطح انرژي به سطح پايين تر حركت مي كند مازاد انرژي به طريقي بايد آزاد شود. در حقيقت اين انرژي به عنوان يك واحد مجزا با ماهيت Quantom يا Photon امواج الكترومغناطيس ساتع مي شود. اين واحد مي تواند به عنوان يك جزء مجرد يا بسته انرژي تصور شود. انتقال بين دو لايه مجاور طيف α و انتقال بين دو لايه با يك لايه فاصله طيف β توليد مي كند. مثلاً اگر از لايه M به لايه K انتقالي صورت بگيرد طيف Kβ ايجاد مي گردد. در شكل 3 مي توان مشاهده نمود كه تشعشع ناشي از انتقالβ انرژي بزرگتري از انتقال α دارد، اما احتمال انتقال β، پنج برابر كمتر از انتقال  α است. همه طيف هاي انتقال اتميك در ناحيه X-Ray طيف الكترومغناطيسي مي باشند. طول موج تابش با انرژي تابش نسبت عكس دارد. طول موج كمتر انرژي بيشتر و بنابراين نفوذ بيشتري خواهد داشت. (شكل هاي 3, 4, 5)

 

 

 

شكل3: انرژي عبور يك الكترون از لايه L بهM ، K به K و… با توجه به شكل در كار با X-Ray معمولاً مطلوب آن است كه الكترون لايــه K خارج شود.

 

 

 

 

 

شكل4: قسمتي از طيف امواج الكترومغناطيسي. هرچند محدوده X-Ray مي تواند بافركانس هم تعريف شود، با اين حال مناسبتــر است كه از طول موج مشخص شده با انگستروم يا نانومتراستفاده كنيم.

 

 

 

 

شكل 5 : توزيع انرژي از پرتوهاي تابيده شده از يك عنصر كه مورد بمباران الكترونــي قرارگرفتــه است.پیک هاي مربوط بـه طيف α  شدت بيشتري ازپیکهاي طيف β دارد. بهميـن دليل طيـــف αچندين مرتبه فراوان تر از β است.

 

 

 

 

 

توليد X-Rays

 

وقتي توده اي از الكترون به يك هدف فلزي ضربه مي زند وآن را تحريك مي كند X-ray توليد مي شود. امواج الكترومغناطيسي X-Ray در تیوبX-Ray  توليد مي شوند. تیوب داراي يك تفنگ الكتروني است، همچنين شامل يك فيلامان گرم شده براي آنكه يك منبع الكترون توليد كند و الكترودهايي در پتانسيل هاي مختلف تا به الكترون ها شتاب بدهد و آنها را روي يك پرتو باريك متمركز كند نيز مي باشد. براي استفاده از اشعه ايكس، اشعه بايد به بيرون تیوب هدايت شود. براي اين كار يك پنجره روي بدنه تیوب قرار مي گيرد كه از جنس بریلیوم با جذب كم است تا بتواند پرتوهاي X را به بيرون تیوب هدايت كند. اگرپنجره در روي بدنه باشد (شكل 6) تیوب را Side window مي ناميم و اگر پنجره در انتهاي تیوب باشد، به آن End Window مي­گويند.

 

شكل6 :  نمودار مربوط بهX-Ray tube side window  . ولتاژ اعمال شده بين target و تفنگ الكتروني مي تواند تا100kv  باشــد. target معمولاً بايد با آب خنك شود.

 

 

 

 

پرتوهاي X-ray هنگامي كه به جسمي برخورد مي كنند مقداري انرژي از دست مي دهند.اگر جسمبهاندازه كافي ضخيم باشد تقريباً تمامپرتوهاجذب مي شوند. مثال مهمدراين مورد سرب است كه به علت جذب بالا جهت شيلدهايحفاظتي عليه نفوذ اشعه ايكس استفاده مي شود. در هر عنصر جذب با طول موج پرتوهاي ايكس افزايش پيدا مي كند و با افزايش انرژي كاهش پيدا مي كند. منحني 7 ميزان جذب را بر حسب انرژي نشان مي دهد.

 

 

شكل7: فرم جذب لبه ها با افزايش طـول مـــوج X-Ray. لايه هاي خارجيX-ray بيشتري جذب مي كنند.

 

 

 

X-Ray Fluorescence

 

دو روش براي تحريك نمونه براي آناليز وجود دارد :

 

الف) تحريك الكتروني بصورتي كه نمونه در خلأ تیوب جاگذاري مي شود و مستقيماً بوسيله پرتوهاي الكتروني بمباران مي شود.

 

ب) Fluorescence يا تحريك با اشعه ايكس، بطوري كه نمونه بيرون تیوب جاگذاري مي شود و X-ray از طريق Window به نمونه تابيده مي شود.

 

                           

 

Fluorescence

 

وقتي كه تابش هاي الكترومغناطيسي سطحي را تحريك مي كند، اين سطح تابش Fluorescence يا ثانويه توليد مي كند.

يك عنصر مشخص به عنوان Target كه بوسيله پرتوهاي الكتروني بمباران مي شود، پرتوهايي در رنج باريكي از طول موج يا سطح انرژي ساتع مي كند. اين پرتوهاي ايكس اوليه پس از برخورد به سطح نمونه، پرتوهاي Fluorescence يا ثانويه در محدوده  طول موج مشخص توليد مي كنند كه كوچكترين طول موج هميشه اندكي از طول موج X-Ray اوليه بالاتر است. عناصر فلزي با عدد اتمي بالا اگر بعنوان Target مورد استفاده قرار بگيرند بيشترين انرژي را توليد مي كنند. به عنوان مثال تنگستن به عنوان Target، پرتوهاي ايكس در ناحيه سخت توليد مي كند يا مس يا نيكل در باند وسط و كروم در ناحيه پايين توليد  X-Rayمي­كنند.

 

 

X-Ray Fluorescence

 

به منظور استفاده از اشعه ايكس به عنوان تكنيك آناليزي، نمونه به وسيله پرتوهاي ايكس با طول موج انتخاب شده جهت توليد  پرتوهاي فلوئورسنت تابانده مي شود. تجزيه پرتوهاي ايكس ري كاملاً با تجزيه پرتوهاي نوري قابل مقايسه است. يك پرتو نور - يك باند از امواج الكترومغناطيسي با طول موج بيشتر از اشعه ايكس- به وسيله منشور به طيف هاي نوري مرئي تجزيه مي شود. زاويه شكستي كه يك رنگ مخصوص در آن ظاهر مي شود از روي طول موج آن اندازه گيري مي شود. تجزيه X-Ray معمولاً به وسيله هدايت پرتوهاي ايكس روي كريستال مخصوص كه شبيه يك منشور عمل مي كند انجام مي شود.

 

 

Defraction of X-Rays

 

وقتي دو پرتوي موازي X-Ray به يك كريستال تحت زاويه θ برخورد كنند، در مورد پرتو متفرق شده تحت همان زاويه رابطه زير (قانونBragg ) برقراراست:

 

nλ=2dsinθ

 

جايي كه λ طول موج، d فاصله بين دو صفحه مجاور شبكه كريستال، θ زاويه تابش و n عدد انتگرال ناميده مي شود. شكل شماره 8 نماياننده بحث فوق است.

 

 

شكل8: تفرق پرتوهاي موازي X-Ray از دو صفحه كريستال. تفـرق مناسب وقتي رخ مي دهد كه طول مسير ABC  معادل طول موج يا ضريبي از آن باشد.

 

 

 

 

با قراردادن منظم Detector وCrystal  درست در زاويه تفرق 2θ و θمطمئن مي شويم كه پرتوهايي با  طول موج موردنظر توسط Detector دريافت مي شود. اين نظم و ترتيب در قرارگرفتن Crystal وDetector  يك Monochromator را تشكيل مي دهد. ( شكل 11 يك مونوكروماتور را نشان ميدهد.)

همچنين يك رنج طول موج نيز مي تواند پوشش داده شود. بدين معني كه با چرخاندن Crystal و Detector تحت قاعده مشخص، قانون Bragg را براي همه عناصر در طول موج هاي مختلف مي توان ايجاد نمود. اين عمل توسط Goniometer انجام مي شود. به عبارت ديگر Goniometer وسيله اي است كه مي تواند با قراردادن كريستال و دتكتور در زواياي مناسب عناصر مختلف را شناسايي كند.

 

 

 

Crystal

 

دردستگاه هایX-Ray  سه نوع كريستال از نظر شكل ظاهري مورد استفاده قرار مي گيرد:

 

1- کريستال تخت ( شكل 9 )

2- كريستال منحني ( شكل 10 )

3- كريستال هم منحني شكل و هم تخت

 

شكل9: نمودار اسپكترومتركريستال تخت

 

 

 

 

 

شكل10: نمودار اسپكترومتركريستال متمرکز کننده

 

 

 

 

 

شكل11: مونوكروماتور seal شده كه در دستگاه ايكسري مورد استفاده قرار مي گيرد. تا24 عدد از اين مونوكروماتورها مي توانـد روي دستگاه نصب شود.

 

 

 

دومين تابش در همه جهات از سطح نمونه تابيده مي شود. پرتوهايي كه با كريستال تخت برخورد مي كنند بايد موازي شوند تا مطمئن باشيم كه فقط پرتوهاي X-Ray در جهت و زاويه صحيح و مورد نظر به كريستال مي رسند. يك روش موازي سازي استفاده از صفحات موازي از جنس فلز سرراه پرتوهاي X است اين فلز معمولاً سرب و يا آلياژي از آن مي باشد. هر پرتوي كه موازي صفحات نباشد به بدنه صفحات برخورد مي كند و جذب مي شود. يكي از معايب اين سيستم تلف شدن مقدار زيادي از انرژي مي باشد. به اين سيستم Collimator مي گويند. در كريستال هايCurve  سيستم Collimator وجود ندارد.

 

 

Detector

 

بعد از انعكاس از كريستال، پرتوهاي تجزيه شده بايد شناسايي شوند. اين كار توسط Detector انجام مي شود. ( شكل 12 )

 

شكل12: نماي دتكتور از جلو و پشت 

 

 

 

 

 

 

دتکتور وسيله ايست كه امواج منعكس شده از كريستال را به يك خروجي الكتريكي قابل فهم براي سيستم  تبديل مي كند. دتکتورها به دو بخش تقسيم مي شوند:

 

1:Gas Filled Proportional Counter  براي طول موج هاي بلند و متوسط كه خود به دو بخـش Flow Prportional Counter ( Fpc )  وSealed ( Exatron , Multitron)  تقسيم مي شود.

 

2:  Scintilation Counter براي طول موج هاي كوتاه

 

  دتکتورهایGas Filled Counter  يك تیوب هستند كه با گاز پر شده اند و داراي يك Window مي باشند تا پرتوهاي منعكس شده از كريستال را هدايت كنند. پرتوهاي وارد شده به داخل دتکتور با اتم هاي گاز داخل آن برخورد مي كنند و الكترون هايي را كه بوسيله ولتاژ بالا شتاب پيدا كرده اند مي رانند. اين الكترون هابا الكترون هاي اتم هاي ديگر برخورد مي كنند و نتيجه  برخوردها اين استكه يك ابر الكتروني اطرافآند جمع مي شودو اين ابر الكتروني توليدپالس مي كند. پرتوها با انرژي بيشتر و طول موج كمتر به يك مسير بلند گاز احتياج دارند كه بيشترين برخوردها را تضمين كنند تا بهره بيشتري جهت Detect بدست دهند. براي انرژي كمتر يك مسير كوتاه گاز كافي است.

 

FPC دتكتوري است كه Sealed نبوده وگاز داخل آن داراي جريان معيني مي باشد.

 

Sc دتكتوري است كه در آن فوتون هاي X-Ray به فوتون هاي نوري تبديل شده و بوسيله Photomultiplier شناسايي مي­شوند.

 

 

 

 

 

 

 

 

© Control System Abzar Novin . All Rights Reserved

طراحی سایت و بهینه سازی سایت