مطيافية الفلورسنت بالأشعة السينية

مطيافية الأشعة السينية الفلورية (XRF، الهباء الجوي للأشعة السينية، مطيافية الأشعة السينية الفلورية) هي طريقة تحليلية لتحديد تركيزات العناصر من Be (رقم 4) إلى U (رقم 92) في النطاق من جزء في المليون إلى 100٪ في مواد ومواد مختلفة.

مطياف الفلورسنت بالأشعة السينية.

بفضل تنوعها ودقتها وسرعة قياساتها، فضلاً عن سهولة استخدامها، وجدت تحليلات الأشعة السينية الفلورية تطبيقًا واسع النطاق في الصناعة والعلوم.
يعتمد تحليل الأشعة السينية الفلورية على اعتماد شدة إشعاع الأشعة السينية على تركيز عنصر في العينة.

عندما يتم تشعيع العينة بتدفق إشعاع قوي من أنبوب الأشعة السينية، ينشأ إشعاع فلوري مميز للذرات، وهو متناسب مع تركيزها في العينة.
عند استخدام أجهزة قياس الطيف التشتتية للموجات، يتم تحليل الإشعاع الفلوري إلى طيف باستخدام أحادي اللون البلوري، ثم باستخدام أجهزة الكشف والإلكترونيات العدية، يتم قياس شدته كميًا.
في أجهزة قياس الطيف التشتتية للطاقة، يتم تحليل الإشعاع الفلوري إلى طيف بفضل أجهزة الكشف عن أشباه الموصلات (Si أو Ge)، حيث يتم تسجيل كل الإشعاع من العينة وتحويله إلى نبضات كهربائية، مما يشكل طيفًا في شكل اعتماد عدد النبضات على طاقة كل عنصر.
يتم إجراء التحليل الكمي والنوعي عن طريق معالجة الطيف باستخدام طرق التبعيات الرياضية والإحصاء.

فلورسنت الأشعة السينية .

لإجراء تحليل الأشعة السينية، يجب تعريض ذرة العينة المحللة لإشعاعات عالية الطاقة من الأشعة السينية الأولية (من أنبوب الأشعة السينية أو مصدر النويدات المشعة). عند تعريضها للإشعاع، تنتقل الذرات إلى حالة مثارة، والتي تتكون من انتقال الإلكترونات إلى مستويات طاقة أعلى. تظل الذرة في الحالة المثارة لجزء من الثانية، وبعد ذلك تعود إلى الحالة الأساسية. في هذه الحالة، إما أن تملأ الإلكترونات من الأغلفة الخارجية الشواغر الناتجة، وتنبعث الطاقة الزائدة كفوتون ثانوي، أو تنتقل الطاقة إلى إلكترون آخر من الأغلفة الخارجية. تقع طاقة الفوتون الثانوي في نطاق طاقات إشعاع الأشعة السينية، والتي تقع في طيف التذبذبات الكهرومغناطيسية بين الأشعة فوق البنفسجية والإشعاع جاما.

المدارات الإلكترونية في الذرة تسمى K، L، M، إلخ، K هو المدار الأقرب إلى النواة. كل مدار إلكتروني في ذرة كل عنصر له مستوى طاقة خاص به. يتم تحديد طاقة الفوتون الثانوي المنبعث من خلال الفرق بين طاقة المدارات الأولية والنهائية التي حدث بينها انتقال الإلكترون.

يرتبط طول موجة الفوتون المنبعث بالطاقة. وفقًا لقانون براج

E = E1-E2 = hc/l ،

حيث E1 و E2 هما طاقات المدارات التي حدث بينها انتقال الإلكترون، h هو ثابت بلانك، c هي سرعة الضوء، l هو الطول الموجي للفوتون المنبعث (الثانوي).

وبالتالي، فإن طول موجة الفلورسنت هو سمة فردية لكل عنصر وهو الفلورسنت المميز. وتتناسب شدة (عدد الفوتونات المستقبلة لكل وحدة زمنية) مع تركيز (عدد الذرات) العنصر المقابل. وهذا يجعل من الممكن تحديد عدد ذرات كل عنصر مدرج في العينة.

أنبوب الأشعة السينية.

أنبوب الأشعة السينية هو مصدر للإشعاع الأولي عالي الطاقة. وهو مدعوم بمولد عالي الجهد مستقر للغاية.
آلية الإشعاع الأولي تشبه آلية الفلورسنت، لكن إثارة مادة أنود الأنبوب تحدث عندما يتم قصفها بالإلكترونات عالية الطاقة، وليس بالأشعة السينية، كما هو الحال في الفلورسنت. يعتمد التركيب الطيفي لإشعاع الأنبوب على مادة الأنود. يتم استخدام أنود الروديوم Rh بشكل أساسي، ولكن بالنسبة لمهام معينة يمكن استخدام مواد أخرى - Mo و Cr و Au وما إلى ذلك.
أثناء تحليل الفلورسنت بالأشعة السينية، تصدر جميع عناصر العينة في وقت واحد فوتونات من الإشعاع المميز. لتحديد تركيز عنصر معين في العينة، من الضروري عزل إشعاع الطول الموجي المحدد بالضبط (لأجهزة قياس الطيف VD) أو تلك الطاقة (لأجهزة قياس الطيف ED) من إجمالي تدفق الإشعاع القادم من العينة. يتم ذلك عن طريق تحليل إجمالي تدفق الإشعاع القادم من العينة حسب الأطوال الموجية/الطاقات والحصول على طيف. الطيف عبارة عن منحنى يصف اعتماد شدة الإشعاع على الطول الموجي/الطاقة.

تحلل الإشعاع إلى طيف

أجهزة قياس تشتيت الموجات. عند تحليل الإشعاع إلى طيف (فصل الأطوال الموجية المختلفة)، يتم استخدام أحاديات اللون البلورية ذات المستويات البلورية الموازية للسطح والتي لها مسافة بين المستويات d
. إذا سقط إشعاع بطول موجي l على البلورة بزاوية q ، فلن يحدث الانعراج إلا إذا كانت المسافات التي تقطعها الفوتونات عند الانعكاس من المستويات البلورية المجاورة تختلف بمقدار عدد صحيح ( n ) من الأطوال الموجية. مع تغير الزاوية q، عندما تدور البلورة بالنسبة لتدفق الإشعاع، سيحدث الانعراج على التوالي لأطوال موجية مختلفة وفقًا لقانون براج: nl = 2d sinq . يتم ضبط الموضع الزاوي ( q ) للبلورة اعتمادًا على الطول الموجي الذي يجب فصله عن الطيف لتحليل العنصر المطلوب. أحاديات اللون البلورية. نظرًا لأن فصل قمم فلورسنت الأشعة السينية يعتمد على نسبة الطول الموجي والمسافة بين المستويات ( د )، لزيادة انتقائية وحساسية الجهاز، يتم قياس طيف العينة المدروسة في نطاق طاقة واسع باستخدام العديد من أجهزة قياس اللون أحادية البلورة المصنوعة من مواد مختلفة. تعد البلورات المفردة مثل الجرمانيوم (Ge111) وفلوريد الليثيوم (LiF200/220/440) أجهزة تحليل مثالية لإشعاع العديد من العناصر. تُستخدم الطلاءات الاصطناعية متعددة الطبقات لزيادة الحساسية في تحليل العناصر الخفيفة.

أجهزة قياس تشتيت الطاقة. على عكس طريقة تشتيت الموجات، فإن تحديد تشتيت الطاقة يسجل في نفس الوقت النطاق الكامل للطاقة للإشعاع الثانوي (المميز) من العينة. الطيف هو اعتماد الشدة على طاقات الإشعاع للعناصر.
يدخل الإشعاع المحدد إلى كاشف الأشعة السينية لقياس الشدة. الشدة هي عدد الفوتونات المستقبلة لكل وحدة زمنية.

كشف الإشعاع

عند اكتشاف الإشعاع الفلوري، يتم تحويل طاقة الفلورسنت إلى نبضات جهد ذات سعة معينة.

أجهزة قياس الطيف المشتتة للطول الموجي. هناك أنواع مختلفة من أجهزة الكشف. بالنسبة للأطوال الموجية الطويلة نسبيًا، تُستخدم أجهزة الكشف المتناسبة المملوءة بالغاز (التدفق والمختومة) لتحليل العناصر الخفيفة. يعتمد تشغيلها على تأين الغاز بالإشعاع وقياس عدد النبضات الكهربائية التي مرت عبر الغاز المؤين. لتحليل العناصر الثقيلة (للأطوال الموجية القصيرة)، تُستخدم أجهزة الكشف عن الوميض، والتي تقيس تيار الخلية الضوئية الحساسة لإضاءة مادة خاصة - مادة وميضية (NaI/Tl) عندما تضربها الأشعة السينية. يتناسب عدد النبضات المسجلة بشكل مباشر مع عدد ذرات العنصر في العينة.

تستخدم أجهزة الكشف عن الحالة الصلبة لأشباه الموصلات للكشف عن الإشعاعات المميزة؛ ويعتمد عملها على التأين داخل أشباه الموصلات. يتم إنشاء منطقة حساسة في كاشف أشباه الموصلات، حيث لا توجد حاملات شحنة حرة. بعد دخول هذه المنطقة، يتسبب الجسيم المشحون في التأين، وبالتالي، تظهر الإلكترونات في منطقة التوصيل، والثقوب في منطقة التكافؤ. تحت تأثير الجهد المطبق على الأقطاب الكهربائية المترسبة على سطح المنطقة الحساسة، تتحرك الإلكترونات والثقوب، ويتشكل نبضة تيار. يتم تطبيق جهد يصل إلى عدة كيلو فولت على بلورة أشباه الموصلات، مما يضمن جمع جميع الشحنات التي تشكلها الجسيم في حجم الكاشف. تبدأ أزواج الإلكترونات والثقوب في التحرك إلى الأقطاب الكهربائية. نتيجة لهذه الحركة، يتم توليد نبضة كهربائية، يتم تضخيمها وتسجيلها بعد ذلك بواسطة إلكترونيات العد. يتكون كاشف أشباه الموصلات بشكل أساسي من Si أو Ge، ومن الضروري تبريد الكاشف أثناء التحليل باستخدام تأثير Pellet أو النيتروجين السائل.

عد الالكترونيات

تسجل إلكترونيات العد عدد النبضات القادمة من أجهزة الكشف ومستويات الطاقة المقابلة للسعات.
تسمح مكبرات الصوت ومحللات النبضات الحديثة بالحصول على خطأ قياس إحصائي مرضٍ في أقل من ثانيتين. يلزم وقت عد أطول للعناصر الخفيفة، وكذلك لتحليل العناصر ذات التركيزات القريبة من حد الكشف، لأنه في هذه الحالة، يلزم تحليل عدد صغير من الفوتونات ذات الطاقات المنخفضة.
يتم إجراء تحليل ومعالجة نتائج القياس تلقائيًا. لهذا الغرض، تم تطوير طرق التحليل في شكل حزم برامج (برامج كمبيوتر). أثناء القياسات، يتحكم البرنامج في جميع وحدات المطياف وفقًا لبرنامج التحليل المحدد. تسمح جميع أجهزة المطياف الحديثة ذات وحدة التغذية التلقائية للعينات بإجراء التحليل بشكل مستمر ودون تدخل المشغل، وعند الانتهاء من القياسات، يتم حساب التركيزات. يتم نقل نتائج التحليل إلكترونيًا تلقائيًا إلى العناوين المحددة أو تجميعها في قاعدة بيانات القياس لمزيد من المعالجة.

أنواع أجهزة قياس الطيف بالأشعة السينية

مطياف الأشعة السينية المشتت للموجات (WD). تسمى مطياف الأشعة السينية الفلورية، التي يتم فيها الحصول على الإشعاع المميز باستخدام أحادي اللون البلوري، "مطياف التشتت للموجات". ينقسم مطياف التشتت للموجات إلى مطياف من النوع المتسلسل والمتوازي (أجهزة قياس الكم).

أجهزة قياس الطيف التسلسلي

في أجهزة قياس الطيف من هذا النوع، يتم عزل كل خط مميز من إشعاع الأشعة السينية لأي عدد من العناصر بشكل متسلسل باستخدام أحادي اللون البلوري المتحرك ومقياس الزوايا عالي الدقة (جهاز لقياس الزوايا) مقترنًا بجهاز دوران يتم التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر.

مزايا أجهزة قياس الطيف التسلسلي VD:

• تعريف أي عدد من العناصر.
• تمت برمجة ظروف القياس المثالية لكل عنصر.
• حساسية عالية ومستويات اكتشاف منخفضة.
• تكلفة أقل مقارنة بأجهزة قياس الطيف الموازية.

أجهزة قياس الطيف من النوع الموازي

باستخدام أجهزة قياس الطيف المتوازية، يتم إجراء القياسات في وقت واحد (بالتوازي). يتم قياس شدة الإشعاع المميز للعناصر في وقت واحد باستخدام عدة "قنوات" ثابتة مضبوطة تقع حول العينة. يمكن القول أن كل قناة عبارة عن مطياف منفصل مع أحادي اللون البلوري وكاشف مضبوط لاستقبال طول موجي محدد لعنصر واحد.

مزايا أجهزة قياس الطيف المتوازية:

• أعلى سرعة للتحليل عند استخدامه لمراقبة الجودة المباشرة في الصناعة - تحليل سريع للعملية التكنولوجية.
• أجزاء متحركة قليلة وموثوقية ممتازة في البيئات الصناعية

مطياف تشتيت الطاقة

مزايا أجهزة قياس ضعف الانتصاب:

• تكلفة أقل بشكل ملحوظ مقارنة بأجهزة قياس الطيف XRF المشتتة للطول الموجي.
• الاكتناز، الراحة، البساطة، إمكانية عمل إصدارات سطح المكتب والمحمولة.
• إن الدقة والحساسية عند قياس العناصر الثقيلة لا تقل عن دقة وحساسية أجهزة قياس الأشعة السينية المشتتة للأطوال الموجية.