ما هي المكونات التي يتكون منها جهاز XRF وما هو تطبيقه؟
يعد تحليل فلورية الأشعة السينية (XRF) أحد أكثر الطرق المستخدمة على نطاق واسع لتحليل العناصر. وهذا يعني أنه يمكن تقدير وجود ونسبة العناصر المختلفة من الصوديوم إلى اليورانيوم بسرعة من خلال هذه الطريقة. تعتبر النماذج المحمولة لهذا الجهاز مفيدة بشكل خاص في المناجم. وفي هذه الطريقة يتم الكشف عن العناصر من خلال تحليل طاقة الأشعة المنبعثة من العينة بعد إشعاع الأشعة السينية إلى العينات. ولكل عنصر طاقة فريدة، ونتيجة لذلك يستطيع الجهاز تحليل عناصر العينة. في هذه المقالة، يتم تقديم أساس طريقة XRF ومكونات جهاز XRF بلغة بسيطة حتى يتمكن الباحثون من الحصول على فهم نسبي لطريقة XRF في أقصر وقت.
يمكن لفلورية الأشعة السينية (XRF) تحديد العناصر الموجودة في العينة عن طريق فحص الأشعة السينية المنبعثة من العينة التي تم تحفيزها بواسطة الأشعة السينية أو أشعة جاما. يشير الفلوریة إلى الظواهر التي يؤدي فيها امتصاص الطول الموجي بطاقة معينة إلى إعادة انبعاث إشعاع ذو طاقة مختلفة (أقل عمومًا). هذا النوع من التحليل هو أحد أنواع التحليل العنصري، والغرض منه هو التعرف على العناصر الموجودة في العينة كمياً وشبه كمياً ونوعياً. تجدر الإشارة إلى أنه لا يمكن تحديد التركيب البلوري للعنصر أو المادة بهذه الطريقة ويتم تحديد نوع العنصر فقط.
كيف يعمل تحليل XRF
عندما تتعرض المواد للأشعة السينية ذات الطول الموجي القصير أو أشعة جاما، قد تتأين ذرات تلك المادة. يحدث التأين عندما يخرج إلكترون أو أكثر من مداراتهم ويترك الذرة بسبب إشعاع الطول الموجي عالي الطاقة. طاقة التأين هي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لسقوط الإلكترون خارج المدار. بسبب طاقتها العالية، يمكن للأشعة السينية وأشعة جاما إزالة الإلكترونات من المدار. يؤدي انسحاب الإلكترون إلى عدم استقرار البنية الإلكترونية للذرة وهبوط الإلكترونات الموجودة في المدارات الأعلى إلى المدار الأدنى. في هذا الهبوط، يتم إطلاق الطاقة على شكل فوتونات، طاقتها تساوي فرق الطاقة بين الدائرتين المعنيتين. ويبين الشكل 1 هذه العملية بشكل تخطيطي.
رسم تخطيطي لامتصاص الطاقة وانبعاثها.
الشكل 1- رسم تخطيطي لامتصاص الطاقة وانبعاثها.
أساس طريقة XRF هو في الواقع قياس طاقة الأشعة السينية المنبعثة من العينة. وتبين أن طاقة هذه الأشعة تعتمد على المسافة بين مستويات كل عنصر. ونتيجة لذلك، يختلف كل عنصر من عناصر الطاقة. ونتيجة لذلك، مثل بصمة الإصبع، فإن نمط الطاقة لكل عنصر فريد من نوعه ويمكن التعرف عليه من خلال قياس الطاقة. يظهر إخراج الجهاز في الشكل 2. كما ترون، كل قمة تقابل طاقة معينة تنتمي إلى عنصر ما. تعتمد نسبة كل عنصر على شدة القمم.
نتيجة تحليل XRF
الشكل 2 – نتيجة تحليل XRF
مكونات جهاز XRF
يشتمل جهاز XRF على المكونات التالية.
مصباح أشعة الكاثود
تتمثل مهمة مصباح أشعة الكاثود في إنشاء شعاع عالي الكثافة وطاقة عالية لإثارة جميع العناصر الموجودة في العينة. عادة ما تكون هذه المصابيح مصنوعة من التنغستن. ونتيجة لمرور التيار عبر filament ، تتحرر الإلكترونات، وعندما تصطدم هذه الإلكترونات بالأنود، يتم إنتاج الأشعة السينية بسبب انخفاض الطاقة الحركية للإلكترونات. من الضروري تبريد الأنود، لأن كمية كبيرة من الطاقة الحركية للإلكترونات الساقطة تتحول إلى حرارة.
رسم تخطيطي لمصباح أشعة الكاثود بطريقة XRF
الشكل 3 – رسم تخطيطي لمصباح أشعة الكاثود بطريقة XRF.
العينة المراد تحليلها
العينة المطلوبة للتحليل الطيفي لـ XRF عبارة عن أسطوانة يبلغ قطرها 3 سم وسمكها حوالي 0.5 مم. وبطبيعة الحال، في الوضع المحمول، لا تحتاج العينة إلى أي ميزات خاصة. يظهر جهاز XRF المحمول في الشكل 4. بالنسبة لعينات المسحوق، يتم ملء الاسطوانة بعينة المسحوق.
البلورة المحللة
يتم استخدام تحليل البلورات لتحديد العناصر. ويعتمد نوع والمادة المستخدمة في البلورة المحللة على العدد الذري للعناصر المراد الكشف عنها. على سبيل المثال، البلورة المحللة الأكثر استخدامًا هي بلورة فلوريد الليثيوم، والتي تستخدم لتحديد العناصر من البوتاسيوم إلى اليورانيوم. يتم توجيه الأشعة السينية المنبعثة من العينة نحو البلورة. يوجد في هذا المسار سلسلة من متوازيات الأشعة، وهي المسؤولة عن موازاة الأشعات. والغرض من وضع هذا القسم في مسار الشعاع هو جعله موازيا وضرب البلورة بزاوية معينة. يحتوي الشعاع الخارج من البلورة على أطوال موجية مختلفة، كل طول موجي يتوافق مع عنصر ما.
إذا تم إرسال جميع الأطوال الموجية مباشرة إلى الكاشف، فلا يمكن تحديد شدة كل طول موجي بدقة. لذلك، قبل إرسالها إلى الكاشف، يجب فصلها بالبلورة. بناءً على علاقة براغ، تتسبب البلورة المحللة في حيود كل من الأطوال الموجية عند زاوية محددة. لذلك، من خلال وضع البلورة في زاوية معينة، يصل شعاع العنصر إلى الكاشف ويتم اكتشافه. ولذلك، لتحديد العناصر المختلفة، يتم تدوير البلورة لتكون في زوايا مختلفة.
كاشف
يلتقط الكاشف الأشعة السينية المنبعثة من العينة ثم يقيس الطول الموجي أو الطاقة من حيث شدتها. يحدد نوع الطول الموجي نوع العنصر وتظهر كثافته مقدار العنصر الموجود. تنقسم كاشفات الأشعة السينية إلى نوعين: تشتت الطول الموجي (WDS) وتشتت الطاقة (EDS).
تشتت الطول الموجي (WDS): في هذه الأنواع من الأجهزة، يتم فصل شعاع الأشعة السينية الصادرة بواسطة بلورة قبل دخولها إلى الكاشف. تعتبر هذه الطريقة أكثر دقة بسبب القمم الأكثر وضوحًا التي تعرضها.
تشتت الطاقة (EDS): في هذه الأنواع من الأجهزة، يدخل شعاع الأشعة السينية من العينة إلى الكاشف دون أن يتم فصله بواسطة البلورة المحللة.
صورة لجهاز XRF المحمول
الشكل 4- صورة جهاز XRF المحمول
مميزات وإمكانيات طريقة تحليل XRF
نظرًا لسرعته العالية في عملية تحديد العناصر، يُستخدم XRF على نطاق واسع في مراكز مختلفة. هذه الطريقة أيضًا دقيقة وغير مدمرة. وميزة هذه الطريقة هي بساطة إعداد العينة وطبيعتها متعددة العناصر.
ومن مميزات هذه الطريقة يمكن ذكر ما يلي.
القدرة على قياس العناصر كميا ونوعيا
القدرة على تحليل عدة عينات في نفس الوقت (Polychromator)
التعرف على العناصر الأرضية النادرة
الكشف عن العناصر الأثقل من الأكسجين حتی مستوى ppm
حدود و قیود تحليل XRF
مثل كافة الأساليب، يحتوي هذا الأسلوب أيضًا على القيود التالية.
عدم التحديد الدقيق للعناصر الخفيفة التي يقل عددها الذري عن 11
عدم القدرة على تحديد نوع نظائر العناصر
عدم القدرة على قياس الأيونات ذات القدرات المختلفة لنفس العنصر
كيفية التعرف على نوع وتركيز العناصر
بعد الحصول على الرسم البياني فإن الشدة من حيث الطول الموجي أو الشدة من حيث طاقة الموجة، الطول الموجي أو طاقة الموجة تحدد نوع العنصر وكثافتهما توضح التركيز. ومن أجل تحديد التركيز الدقيق من منحنيات المعايرة، وهو عبارة عن رسم بياني بخط مستقيم يوضح الشدة حسب التركيز، يمكن تحديد التركيز. وتظهر هذه المخططات في الشكل أدناه.
مخطط المعايرة
الشكل 5-مخطط المعايرة
