آنالیز عنصری بدون تخریب با دستگاه XRF
در دنیای مدرن کنترل کیفیت، صنایع تولیدی و تحقیقات مواد، یک سوال اساسی همواره مطرح است: این ماده از چه عناصری ساخته شده است؟
اما اغلب، یک چالش بزرگتر وجود دارد: چگونه به این سوال پاسخ دهیم بدون آنکه نمونه ارزشمند خود را تخریب کنیم؟ پاسخ قدرتمند به این چالش، تکنولوژی طیف سنجی فلورسانس اشعه ایکس (X-Ray Fluorescence) یا به اختصار XRF است.
دستگاه XRF یک ابزار آنالیز عنصری است که می تواند به سرعت و با دقت بالا، ترکیب شیمیایی طیف وسیعی از مواد، اعم از جامدات، مایعات و پودرها را تعیین کند. برخلاف روش هایی مانند کوانتومتر (OES) که سطح نمونه را می سوزاند (مخرب است)
بزرگترین مزیت XRF، ذات غیر مخرب (Non-destructive) آن است. این ویژگی به تنهایی، درهایی را به روی آنالیز موادی مانند آثار هنری، نمونه های باستان شناسی، یا قطعات حیاتی صنعتی باز می کند که تخریب آن ها به هیچ وجه مجاز نیست.
در این راهنمای فنی از مجله مهام آزما، به بررسی عمیق اصول کار XRF، تفاوت های کلیدی بین انواع آن و کاربردهای گسترده ای که این تکنولوژی را تا این حد حیاتی کرده است، می پردازیم.
اصل کار XRF
درک نحوه کار XRF نیازمند درک مختصری از فیزیک اتمی است. این فرآیند در سه مرحله کلیدی رخ می دهد:
۱. برانگیختگی (Excitation)
همه چیز با یک منبع قدرتمند اشعه ایکس (معمولا یک تیوب اشعه ایکس) شروع می شود. این تیوب، پرتوی پرانرژی به نام «اشعه ایکس اولیه» به سمت نمونه شلیک می کند.
۲. جابجایی الکترونی
هنگامی که این فوتون های پرانرژی اولیه به اتم های موجود در نمونه (مثلا اتم آهن، نیکل یا مس) برخورد می کنند، انرژی کافی برای «بیرون انداختن» یک الکترون از مدارهای داخلی (مانند مدار K یا L) را دارند. با خارج شدن این الکترون، اتم به شدت ناپایدار و برانگیخته می شود.
۳. فلورسانس (Fluorescence)
طبیعت به دنبال پایداری است!
برای پر کردن جای خالی ایجاد شده در مدار داخلی، یک الکترون از مدار با انرژی بالاتر (مدار L یا M) به سمت پایین سقوط می کند تا جای آن را پر کند. این سقوط از یک سطح انرژی بالا به یک سطح انرژی پایین، انرژی اضافی را به شکل یک فوتون جدید آزاد می کند. این فوتون ساطع شده، اشعه ایکس فلورسانس نام دارد.
نکته حیاتی اینجاست:
انرژی (یا طول موج) این اشعه ایکس فلورسانس ساطع شده، مانند یک اثر انگشت منحصربه فرد برای هر عنصر است. به عنوان مثال، انرژی اشعه X ساطع شده از اتم آهن (Fe) با انرژی ساطع شده از اتم نیکل (Ni) کاملا متفاوت است.
دستگاه XRF این اشعه های فلورسانس بازگشتی از نمونه را جمع آوری کرده و به یک آشکارساز (Detector) می فرستد. آشکارساز دو کار انجام می دهد:
- آنالیز کیفی: با اندازهگیری انرژی فوتون ها، می گوید کدام عناصر در نمونه وجود دارند.
- آنالیز کمی: با شمارش تعداد فوتون های هر انرژی در ثانیه (شدت)، می گوید چه مقداری از آن عنصر در نمونه وجود دارد.
دو تکنولوژی اصلی XRF :EDXRF در مقابل WDXRF
قلب تپنده و وجه تمایز اصلی دستگاه های XRF، در نحوه جداسازی و شمارش این اثر انگشت های عنصری است. دو تکنولوژی کاملا متفاوت برای این کار وجود دارد:
۱. طیف سنجی تفکیک انرژی (EDXRF – Energy Dispersive XRF)
این تکنولوژی رایج تر، سریع تر و اغلب ارزان تر است.
-
نحوه کار
در سیستم EDXRF، آشکارساز (معمولا یک آشکارساز نیمه هادی مانند Si (PIN) یا SDD) تمام اشعه های فلورسانس با انرژی های مختلف را به صورت همزمان دریافت می کند. این آشکارساز مانند یک گوش موسیقی بسیار قوی است که می تواند تمام نت های یک آکورد را همزمان بشنود. سپس یک پردازنده دیجیتال، این سیگنال ترکیبی را آنالیز کرده و طیف کاملی از عناصر را بر اساس سطح انرژی آن ها تفکیک می کند.
-
مزایا
- سرعت: آنالیز بسیار سریع است چون تمام عناصر همزمان خوانده می شوند.
- طراحی: ساده تر، فشرده تر و بدون قطعات متحرک در بخش اپتیک
- هزینه: معمولا ارزان تر است.
- ایده آل برای دستگاه های پرتابل (دستی) و رومیزی های فشرده
-
معایب
- رزولوشن (تفکیک پذیری) پایین تر: اگر انرژی دو عنصر بسیار به هم نزدیک باشد (مانند تیتانیوم و باریم، یا سرب و آرسنیک)، پیک های آن ها ممکن است «همپوشانی» (Overlap) داشته باشند و تفکیک آن ها دشوار شود.
- حساسیت کمتر به عناصر سبک: برای آنالیز عناصر سبکی مانند سدیم (Na)، منیزیم (Mg) و آلومینیوم (Al) کارایی کمتری دارد.
۲. طیف سنجی تفکیک طول موج (WDXRF – Wavelength Dispersive XRF)
این تکنولوژی، سیستم پیشرفته تر، دقیق تر و گران تر است.
-
نحوه کار
WDXRF مانند یک منشور بسیار دقیق عمل می کند. به جای دریافت همزمان همه انرژی ها، اشعه های فلورسانس بازگشتی ابتدا به یک کریستال آنالیزگر برخورد می کنند. بر اساس قانون براگ (Bragg’s Law)، این کریستال با چرخیدن در زوایای بسیار دقیق، در هر زاویه فقط طول موج مربوط به یک عنصر خاص را به سمت آشکارساز منحرف (Diffract) می کند.
-
مزایا
- رزولوشن (تفکیک پذیری) فوق العاده: به راحتی پیک های بسیار نزدیک به هم را تفکیک می کند.
- حساسیت عالی: نسبت سیگنال به نویز بسیار بهتری دارد.
- بهترین گزینه برای عناصر سبک: قادر به آنالیز دقیق عناصر بسیار سبک (حتی تا بور – B) با استفاده از کریستال ها و آشکارسازهای مناسب است.
-
معایب
- بسیار بزرگتر، پیچیده تر و گران تر
- دارای قطعات متحرک دقیق (گونیومتر) که نیاز به نگهداری دارند.
- آنالیز ممکن است کندتر باشد (مگر در مدل های همزمان که بسیار گران هستند)
انواع دستگاه XRF بر اساس ساختار و کاربرد
این دو تکنولوژی (ED و WD) در سه نوع ساختار فیزیکی اصلی عرضه می شوند:
۱. دستگاه XRF پرتابل (Handheld XRF)
این دستگاه ها که به تفنگ XRF (XRF Gun) نیز معروفند، انقلابی در آنالیز در محل ایجاد کرده اند.
-
تکنولوژی
تقریبا همیشه EDXRF
-
توضیحات
یک واحد دستی و باتری خور که اپراتور آن را به سمت نمونه هدف گرفته و ماشه را فشار می دهد. نتایج در عرض چند ثانیه روی نمایشگر ظاهر می شوند.
-
کاربرد اصلی
شناسایی مثبت مواد (PMI – Positive Material Identification) برای تفکیک آلیاژها (مثلا تشخیص فولاد ۳۰۴ از ۳۱۶ در یک لوله کشی)، آنالیز قراضه های فلزی (Scrap)، آنالیز خاک در معدن، بررسی فلزات سنگین سمی در اسباب بازی ها (RoHS)
۲. دستگاه XRF رومیزی (Benchtop XRF)
اینها رایج ترین دستگاه ها در آزمایشگاه های کنترل کیفیت هستند.
-
تکنولوژی
اغلب EDXRF پیشرفته (با تیوب قوی تر و آشکارسازهای دقیق تر)، اما مدل های WDXRF فشرده نیز موجودند.
-
توضیحات
یک جعبه رومیزی با محفظه نمونه گذاری ایزوله، نمونه (جامد، مایع یا پودر پرس شده) در داخل دستگاه قرار می گیرد.
-
کاربرد اصلی
آنالیز دقیق تر در آزمایشگاه QC. کاربرد کلاسیک آن، اندازه گیری گوگرد در سوخت (نفت، گازوئیل، بنزین) برای مطابقت با استانداردهای زیست محیطی است. همچنین در آنالیز سیمان، پلیمرها، مواد غذایی و پزشکی قانونی استفاده می شود.
۳. دستگاه XRF آزمایشگاهی ایستاده (Floor-Standing WDXRF)
این ها غول های آزمایشگاهی و استاندارد طلایی آنالیز XRF هستند.
-
تکنولوژی
انحصارا WDXRF
-
توضیحات
دستگاه های بزرگ و ایستاده که بالاترین توان، دقت و بهترین سیستم های اپتیکی (اغلب تحت خلاء برای آنالیز عناصر سبک) را دارند.
-
کاربرد اصلی
قلب تپنده کنترل کیفیت در صنایع مادر مانند تولید سیمان (آنالیز دقیق خوراک کوره و کلینکر) و تولید فولاد (آنالیز سرباره و مواد اولیه). همچنین در مراکز تحقیقاتی زمین شناسی و مواد پیشرفته استفاده می شوند.
کاربردهای کلیدی XRF در یک نگاه
-
متالورژی
تفکیک سریع آلیاژها (PMI)، کنترل کیفیت شمش های ورودی، آنالیز قراضه ها
-
معدن و زمین شناسی
نقشه برداری عنصری در محل (اکتشاف) و آنالیز دقیق سنگ معدن در آزمایشگاه
-
پتروشیمی
اندازه گیری گوگرد در سوخت ها، آنالیز فلزات در روغن های کارکرده
-
سیمان و مصالح ساختمانی
کنترل ترکیب مواد اولیه (سنگ آهک، خاک رس، سیلیس) و محصول نهایی
-
محیط زیست
سنجش فلزات سنگین (سرب، جیوه، کادمیوم) در خاک، آب و فیلترهای هوا
-
پلیمرها و الکترونیک (RoHS/WEEE)
اطمینان از عدم وجود عناصر سمی ممنوعه (مانند سرب در لحیم کاری یا کادمیوم در پلاستیک)
-
هنر و باستان شناسی
آنالیز غیرمخرب رنگدانه های نقاشی های قدیمی یا ترکیب سکه های باستانی بدون ایجاد هیچ گونه آسیب
خلاصه مطلب آموزشی
طیف سنجی XRF از یک تکنیک پیچیده فیزیکی به یک ابزار کارآمد، سریع و ضروری در صنعت مدرن تبدیل شده است. این دستگاه با توانایی منحصربه فرد خود در آنالیز غیرمخرب، به ما اجازه می دهد تا تقریبا هر ماده ای را، از یک آلیاژ پیچیده هوافضا گرفته تا یک سوخت دیزل، به سرعت آنالیز کنیم.
انتخاب دستگاه مناسب به نیاز شما بستگی دارد: اگر به سرعت و قابلیت جابجایی در محل برای تفکیک آلیاژها نیاز دارید، XRF پرتابل (EDXRF) انتخاب مناسبی برای شماست. اگر آنالیز دقیق آزمایشگاهی برای کاربردهایی مانند گوگرد در سوخت یا RoHS مدنظر است، XRF رومیزی (EDXRF) راه حل است (خرید دستگاه XRF رومیزی و پرتابل) و اگر در یک صنعت فرآیندی مانند سیمان یا فولاد هستید و به بالاترین دقت برای آنالیز عناصر سبک و پیچیده نیاز دارید، WDXRF ایستاده استاندارد صنعتی خواهد بود.
جهت اطلاع از موجودی کالاها و قیمت ها با مشاورین فروش شرکت تجهیزات آزمایشگاهی مهام آزما ۰۲۱۸۸۵۰۹۳۸۴ – ۰۲۱۸۶۰۴۵۸۷۰ در ارتباط باشید.
بدون نظر