تحليل XRF

تحليل XRF (مطيافية الفلورة للأشعة السينية)

ربما، وبمجرد سماعك لتحليل XRF، فإن أول شيء تتذكره هو تحليل XRD وتتخيل أن هاتين الطريقتين متشابهتان جدا. قد تتخيل أن هاتين الطريقتين مكملتان وفي كثير من الحالات يجب استخدام كلتا الطريقتين لتحديد العينات!

على الرغم من استخدام الأشعة السينية لتحديد العينات في كل من طرق تحليل XRF و XRD، فإن طبيعة وأجهزة وتطبيقات هاتين الطريقتين تختلف تماما عن بعضها البعض! على الرغم من أن أساس المطيافية في طريقة مطيافية الفلورة للأشعة السينية هو تقريبا نفس ما ناقشناه في التحليل الأولي في مقالة “تحليل EDS وتحليل WDS”. ولكن نظرا لأهمية هذا الموضوع وتطبيقه في طريقة التحليل هذه، سنذكر بإيجاز هاتين الطريقتين.

ينصب تركيز مناقشتنا في هذه المقالة على الموضوعات التالية:

• ما هو تحليلXRF؟
• ما هو أسس العمل لمطيافية الفلورة للأشعة السينية؟
• ما الأجزاء التي يتكون منها محلل XRF؟
• كيف يتم تحليل العناصر بواسطة تحليل XRF ؟
• ما هو الفرق بين تحليل XRF و XRD؟
• ما هي مزايا وقيود تحليل XRF ؟

ما هو تحليل XRF (مطيافية الفلورة للأشعة السينية)؟

تعد مطيافية الفلورة للأشعة السينية (X-ray Fluorescence Spectroscopy) أو تحليل XRF أحد طرق التحليل الأولي في تحديد وتحليل المواد، والتي تستخدم على نطاق واسع في المراكز الصناعية والبحثية نظرا لسرعتها العالية في عملية تحديد العناصر. هذه الطريقة سريعة ودقيقة وغير مدمرة ولهذا السبب فإن تطبيقاتها واستخداماتها كثيرة وواسعة.

في هذه الطريقة، تستخدم الأشعة السينية لتحطيم طبقات السطح. يتم نقل الإلكترون في طبقات ذرية مختلفة نتيجة لإشعاع الأشعة السينية وإثارة العينة، ويصاحب كل نقل إلكترون انبعاث خط طيفي للأشعة السينية. الطول الموجي للخطوط الطيفية المنشورة هو أساس التحليل النوعي للعناصر، وتتناسب شدة الأشعة مع وفرة أو كمية العناصر في العينة.

أساس طريقة تحليل  XRF

يتم في طريقة مطيافية الفلورة للأشعة السينية XRF، كما هو الحال في طريقة حيود الأشعة السينية (XRD)، تشعيع الأشعة السينية من مصباح الأشعة السينية إلى العينة غير المعروفة. يمر جزء من هذه الأشعة السينية المنبعثة عبر المادة. يتم امتصاص بعض الأشعة بسبب الاصطدام بإلكترونات ذرة المادة، وبعضها يتسبب في تحرك (خروج) الإلكترونات من مداراتها. هذا الاصطدام يسمى التصادم المرن (المرونة).

بسبب خروج الإلكترونات من المدارات الداخلية، تحل محلها الإلكترونات من المدارات العليا، مما يؤدي إلى ظهور خاصية الأشعة السينية.

يتم إنتاج أشعة سينية ثانوية (أشعة مميزة) نتيجة للمرور عبر انتقال الإلكترون من مستوى طاقة أعلى إلى مستوى طاقة أقل، ويتناثر جزء منها مرة أخرى. كل من الأشعة الخارجة من البلورة لها طول موجي محدد، وهو فريد لكل عنصر، وبهذه الطريقة، يتم التعرف على العناصر المكونة للعينة.

يتم توجيه الأشعة السينية الخارجة من العينة (الأشعة المميزة) نحو البلورة. في مسار هذه الأشعة، يتم وضع سلسلة من موازِر الشعاع (Collimator)، وهو المسؤول عن تجميع الأشعة وموازنتها. الغرض من وضع هذا القسم في مسار الشعاع هو جعله متوازيا وضرب البلورة بزاوية معينة.

يتضمن الشعاع الخارج من البلورة مجموعة من الأطوال الموجية المختلفة، ينتمي كل طول موجي إلى عنصر واحد. إذا تم إرسال هذا النطاق مباشرة إلى المكشاف، فلا يمكن تحديد شدة كل طول موجة بدقة. لذلك، يجب فصلها بكريستال قبل إرسالها إلى المكشاف.

أجزاء جهاز طريقة مطيافية الفلورة للأشعة السينية XRF

۱- مصباح إنتاج الأشعة السينية:

يمكن اعتبار الأشعة السينية على أنها موجات كهرومغناطيسية أو أطوال موجية محددة، أو حزم من الفوتونات ذات طاقات محددة. تُستخدم المصابيح المختلفة في مختلف أجهزة مطيافية الفلورة للأشعة السينية XRF، والتي تختلف في الطاقة المستخدمة، وموقع نافذة البريليوم، ونوع نظام التبريد. تتمثل مهمة مصباح الأشعة السينية في إنشاء شعاع عالي الكثافة يمكنه إثارة جميع العناصر الموجودة في العينة. (يجب أن يكون الطول الموجي للضوء المنبعث من المصباح أقل من حافة امتصاص العناصر في العينة).

۲- تحليل الكريستال:

تستخدم بلورات التحليل لتحديد العناصر، مما يغير نوع ومادة بلورة التحليل عن طريق تغيير العدد الذري للعناصر المراد تحديدها. على سبيل المثال، أكثر بلورات التحليل استخداما هي بلورة فلوريد الليثيوم، والتي تُستخدم لتحديد العناصر من البوتاسيوم إلى اليورانيوم.

۳- صنع العينة:

العينة المطلوبة لمطيافية الأشعة السينية XRF عبارة عن أسطوانة يبلغ قطرها 3 سانتيمرات وسمكها حوالي ۰٫۵ مليمتر. ويتم وضع عينة معدنية في مكان ما في الجهاز بحيث تضيء بها الأشعة السينية من الأسفل.

۴- أجهزة الكشف (المكشاف):

تنتج الأشعة السينية عن طريق قصف المادة بإلكترونات عالية الطاقة، ونتيجة لاصطدام الإلكترونات بذرات المادة، تنتقل طاقة الإلكترونات التي تقذف إلى إلكترونات المادة، ونتيجة لذلك، يتم إثارة ذرات المادة وتعود إلى حالتها الأصلية والثابتة لفقدان الطاقة من الأشعة السينية، وتدخل هذه الأشعة السينية المشعة إلى المكشاف وتقاس شدتها، وبناء على ذلك، يتم فحص ميزات وخصائص العينة المطلوبة.

هناك أنواع مختلفة من طرق الكشف، والطرق المستخدمة اليوم تكتشف الأشعة السينية بدقة أكثر. تشمل طرق الكشف: الكشف باستخدام فيلم فوتوغرافي، كاشفات الغاز، كاشفات الإثارة.

تحليل العناصر

تصطدم الأشعة السينية المتولدة من المصباح العينة، مما يؤدي إلى ظهور الأشعة السينية المميزة وفصلها عن طريق البلورة التي تحلل الأطوال الموجية لكل عنصر من العناصر، وتصل إلى المكشاف وتؤدي في النهاية إلى رسم الطيف المطلوب. (ما يرسمه جهاز XRF كطيف يمثل التغيير في شدة الشعاع كدالة لطاقتها).

يمكن التحليل الكمي للعناصر أيضا في جهاز مطيافية الأشعة السينية XRF، يحيث يمكن أيضا تحديد النسبة المئوية لهذا العنصر من خلال قياس شدة الأشعة بنفس الطول الموجي للعينة القياسية.

أنواع أجهزة مطيافية الفلورة للأشعة السينية XRF

تنقسم الأنظمة الطيفية في تحليل XRF إلى فئتين:

• فصل الطول الموجي (WDS)

في هذه الأنواع من الأجهزة، يتم فصل الأشعة السينية الصادرة بواسطة بلورة قبل دخول المكشاف.

• فصل الطاقة (EDS)

في هذه الأنواع من الأجهزة، تدخل الأشعة السينية المنبعثة من العينة إلى المكشاف دون أن تفصلها بلورة التحليل.

الفرق بين تحليل XRD و XRF

تحليل XRD هو طريقة لتحديد المراحل والبنية البلورية للعينات. لذلك، باستخدام هذه الطريقة، من الممكن تحديد أشياء مثل الصيغة الكيميائية لمركبات العينة، ونسبة التبلور للهيكل والضغوط المتبقية للهيكل. بمعنى آخر، يمكن القول أن تحليل XRD هو طريقة تحليل نوعي.

لكن تحليل XRF يعتبر طريقة تحليل كمي. أساسا، تُستخدم هذه الطريقة لتحديد العناصر في العينة ويمكن تحديد النسبة المئوية للعناصر في العينة.

غالبا ما يتم الإبلاغ عن نتائج XRF كأكسيد، لكن هذه المشكلة لا تعني الوجود المؤكد لهذا العنصر في مرحلة الأكسيد!

قدرات تحليل XRF

• القدرة على القياس الكمي والنوعي للعناصر
• تحليل العناصر الأرضية النادرة
• القدرة على تحليل عدة عينات متزامنا
• القدرة على إعلان النتائج في شكل أكسيدي

حدود تحليل XRF

• صعوبة قياس عناصر خفيفة
• عدم القدرة على قياس نظائر العناصر
• عدم القدرة على قياس قدرات عنصر مثل Cu

استخدامات تحليل XRF

لقد حلت طريقة مطيافية الفلورة للأشعة السينية XRF محل طرق التحليل الكيميائي في كثير من الحالات، خاصة في الصناعات مثل الأسمنت والفولاذ، نظرا لأدائها السريع وفي نفس الوقت الدقة العالية والاستقلالية عن اعتماد النتيجة على قدرة الشخص الذي يحلل (المحلل). في هذه الصناعات، يكون التغيير في كمية العناصر في العينة في نطاق صغير ومحدد ويتطلب أيضا سرعة تحليل عالية لتحديد التركيبة المستخدمة.

كما أن هذه الطريقة ذات أهمية كبيرة في مراكز البحث نظرا لقدرتها على اكتشاف نوع العناصر في العينة المجهولة لبدء التحليل والتحليل والاستكشاف.

المصادر والمراجع

كتاب تحديد المواد وطرق التحليل، فرهاد گلستاني فرد

مقدمة لطرق تحليل المواد المتقدمة، يانغ لانج

الإلمام بالطرق الجديدة في التعرف على المواد وتحليلها، وحيد أبوي مهريزي.

جمیع التحلیلات