Spektrometria XRF - Podstawy teoretyczne

Spektrometria XRF służy do identyfikacji pierwiastków w danej substancji i określenia ich ilości. Pierwiastki są wykrywane na podstawie charakterystycznej długości fali (X) lub energii (E) emisji promieniowania rentgenowskiego. Stężenie danego pierwiastka określane jest za pomocą pomiaru intensywności linii jego charakterystyki. Spektrometria XRF pozwala ostatecznie określić skład pierwiastkowy substancji.

Każdy atom posiada ustaloną liczbę elektronów (cząstek naładowanych ujemnie) rozmieszczonych na orbitalach wokół jądra. Liczba elektronów w danym atomie jest równa liczbie protonów (cząstek naładowanych dodatnio) w jądrze a liczba protonów jest równa liczbie atomowej podanej w układzie okresowym pierwiastków. Do każdej liczby atomowej przypisana jest nazwa pierwiastka, np żelazo (Fe) z liczbą atomową 26. Spektroskopia z wykorzystaniem energii rozproszonej (ED) XRF oraz spektroskopia z wykorzystaniem rozproszonej długości fali (WD) XRF wykorzystują oddziaływania na orbitalu K, L oraz M, gdzie K jest poziomem energetycznym najbliższym jądru. Każdy orbital elektronowy odpowiada określonemu i różnemu dla każdego pierwiastka poziomowi energii.

 Spektrometria rentgenowska xrf - podstawy teoretyczne

W spektrometrii XRF, ze źródła (lampy rentgenowskiej) emitowane jest pierwotne promieniowanie rentgenowskie w postaci fotonów o wysokiej energii, które uderzają w próbkę. Fotony pierwotne z lampy rentgenowskiej mają wystarczającą energię, aby wybijać elektrony z najbardziej wewnętrznych orbitali K i L. Takie atomy stają się jonami, które cechują się niską stabilnością. Aby zachować stabilność, elektron z orbitala zewnętrznego L lub M przeniesie się na opuszczony orbital wewnętrzny. Podczas przechodzenia z orbitala zewnętrznego do wewnętrznego emitowana jest energia w postaci fotonu wtórnego promieniowania rentgenowskiego. Takie zjawisko nazywane jest fluorescencją. Wtórne promieniowanie rentgenowskie jest charakterystyczne dla każdego pierwiastka. Energia (E) fotonu fluorescencyjnego promieniowania rentgenowskiego jest określona przez różnicę w energiach orbitala początkowego i końcowego dla poszczególnych przemieszczeń elektronów. Proces ten opisuje wzór:

E= hc/λ

gdzie h jest stałą Plancka; c jest prędkością światła a λ jest charakterystyczną długością falową fotonu.

Długość fali jest odwrotnie proporcjonalna do energii. Obydwie wartości są unikalne dla poszczególnych pierwiastków. Na przykład, energia Kα żelaza (Fe) wynosi 6,4 keV. Ilość specyficznego dla danego pierwiastka promieniowania rentgenowskiego wzbudzonego w próbce w ciągu określonego czasu lub jego intensywność można zmierzyć, określając w ten sposób ilość danego pierwiastka w próbce. Typowy wykres widmowy w spektrometrii EDXRF to funkcja energii (E) względem natężenia (I).

Widmo rentgenowskie xrf

Historia

Wilhelm Roentgen odkrył promieniowanie X w roku 1895. Metody pomiarów jakościowych i ilościowych XRF po raz pierwszy opublikował Henry Moseley w roku 1913. Po jego pionierskich badaniach nastąpił szybki rozwój metody XRF, szczególnie podczas II Wojny Światowej, która przyniosła gwałtowny rozwój przemysłu lotniczego, motoryzacyjnego i metalurgicznego, wymagających szybkiej i niezawodnej identyfikacji stopów. Jednak pierwsze komercyjne spektrometry XRF pojawiły się dopiero w latach 50-tych XX wieku. Systemy te były oparte na technologii WDXRF i mierzyły charakterystyczną długość fali pierwiastków, jednego w danej chwili. Mimo że stosowanie tych systemów było krytyczne dla analizy składu pierwiastkowego, były one bardzo duże, drogie i wymagały obsługi i konserwacji przez wysoko wyspecjalizowanych operatorów.

Pod koniec lat 60-tych, dzięki rozwojowi detektorów półprzewodnikowych Si (Li) z technologią WDXRF zaczęła współzawodniczyć technologia EDXRF, w której mierzona jest charakterystyczna energia poszczególnych pierwiastków.  Systemy EDXRF mają możliwość gromadzenia i wyświetlania informacji o wszystkich analizowanych w próbce pierwiastkach jednocześnie, w przeciwieństwie do systemów WDXRF, w których typowo analizowane były kolejno poszczególne pierwiastki. W wielu wczesnych systemach EDXRF zamiast lamp rentgenowskich, do wzbudzania używano radioizotopów, które mogły wymagać zmiany źródła w celu przebadania wszystkich żądanych pierwiastków. Niektóre z tych wczesnych systemów EDXRF miały problemy z identyfikacją wielu pierwiastków w jednym przebiegu.

Jak łatwo się domyślić, od końca lat 60-tych w technologii XRF dokonał się znaczący postęp. Osiągnięcia technologiczne, zastosowanie i dostosowanie elektroniki, komputerów, oprogramowania do potrzeb spektrometrii XRF przez producentów urządzeń pomiarowych, naukowców i projektantów oraz użytkowników branżowych – wszystko to sprawiło, że dzisiejsze spektrometry prezentują najwyższy stopień zaawansowania technologicznego. Stając się dojrzałą technologią, spektrometria XRF jest typową metodą stosowaną w procedurach R&D, zapewnienia jakości i usługach analitycznych wspierających produkcję.

Analiza zawartości pierwiastków

Spektrometria XRF jest bardzo często wybierana jako metoda analizy zawartości pierwiastków spośród innych dostępnych technik analitycznych. Chemiczne techniki analityczne powodują zniszczenie próbki i wymagają jej czasochłonnego przygotowania. Często stosuje się tam stężone kwasy i inne niebezpieczne substancje. Podczas procesu analitycznego nie tylko dochodzi do zniszczenia próbki, powstają też odpady, często niebezpieczne, wymagające utylizacji. Tego rodzaju techniki chemiczne często wymagają przeznaczenia od 20 minut do kilku godzin na przygotowanie próbki i jej analizę. Są to przyczyny względnie wysokiego kosztu analizy próbki. Z drugiej jednak strony, w przypadkach, gdy najważniejsza jest analiza śladowa oraz PPB, chemiczne techniki analizy są niezastąpione.
Spektrometria XRF pozwala łatwo i szybko zidentyfikować i określić stężenie pierwiastków w szerokim zakresie pomiarowym od stężeń na poziomie PPM do praktycznie 100% wagi. Badanie spektrometrem XRF nie jest inwazyjne, nie niszczy próbki i wymaga niewielkiego (albo wcale) przygotowania próbki. Proces analizy jest bardzo szybki. Czynniki te pozwalają znacznie zredukować koszt analizy próbki w porównaniu z innymi technikami analizy zawartości pierwiastków.
Wszystkie techniki analizy pierwiastków wiążą się z interferencjami, zarówno chemicznymi, jak i fizycznymi, które trzeba korygować lub kompensować w celu osiągnięcia adekwatnych wyników analitycznych. Większość technik chemicznej analizy zawartości pierwiastków obarczona jest interferencjami korygowanymi za pomocą złożonych i intensywnych technik preparatyki, skomplikowanych rozwiązań technicznych i obliczeń programowych. W spektrometrii XRF podstawowym źródłem interferencji są pozostałe pierwiastki obecne w próbce, które mogą wpływać na wyniki analizy (efekt matrycy). Wpływ ten jest jednak dobrze znany i udokumentowany. Dzięki odpowiednim rozwiązaniom sprzętowym i korekcji obliczeń matematycznych w oprogramowaniu można je łatwo i szybko eliminować. W określonych przypadkach, geometria próbki może mieć wpływ na wyniki analizy. Efekt ten można jednak łatwo kompensować przez choćby przez właściwe polerowanie próbki.

Pomiary ilościowe w spektrometrii XRF wykonuje się typowo za pomocą metod empirycznych (krzywe kalibracji oparte na wzorcach o zbliżonych właściwościach do badanej substancji) lub metody parametrów fundamentalnych (FP). Metoda FP jest metodą najczęściej preferowaną, ponieważ umożliwia analizę bez użycia wzorców i krzywych kalibracji. Pozwala to używać systemów pomiarowych bezzwłocznie, bez potrzeby poświęcania dodatkowego czasu na nastawy za pomocą indywidualnych krzywych kalibracji dla poszczególnych pierwiastków i materiałów. Możliwości współczesnych komputerów pozwalają na zastosowanie ich w niestandardowej analizie matematycznej, metodzie FP wspomaganej bibliotekami znanych materiałów w celu określenia nie tylko składu pierwiastkowego nieznanego materiału w sposób szybki i prosty, ale również zidentyfikowania samego materiału.

Spektrometry XRF

Systemy spektrometrów EDXRF to urządzenia bardzo proste mechaniczne, pozbawione elementów ruchomych. System EDXRF składa się typowo z trzech głównych podzespołów: źródła wzbudzającego, spektrometru/detektora i jednostki gromadzącej i przetwarzającej dane. Prostota obsługi, krótkie czasy analizy, niski koszt zakupu i eksploatacji spektrometrów EDXRF przyczyniają się do ich większej popularności w porównaniu z systemami WDXRF.

Spektrometria rentgenowska xrf schemat

Metoda EDXRF jest użyteczna w przypadku segregowania materiałów ze stopów metali, w medycynie sądowej, analizie środowiskowej, archeometrii i wielu innych zastosowaniach analitycznych.

Ręczne spektrometry EDXRF do analizy w terenie

Wyraźny trend rozwojowy w analizie zawartości pierwiastków to krótkie badanie w terenie za pomocą szybkich, niedrogich, niezawodnych i ekonomicznych spektrometrów w dłuższej perspektywie czasu. Coraz częściej zachodzi potrzeba podejmowania szybkich decyzji w momencie odbioru materiałów, przetwarzania w instalacjach przemysłowych i w terenie w celu pozytywnej identyfikacji materiałów lub oceny zawartości pod kątem środowiskowym i przedsięwzięcia odpowiednich środków. Staje się również oczywiste, że spektrometria EDXRF to najbardziej poręczna technika analityczna w zastosowaniach terenowych, z uwagi na jej prostotę, szybkość, precyzję, dokładność, niezawodność i oszczędność długoterminową.

Najnowsze trendy technologiczne, rosnąca popularność telefonów komórkowych, palmtopów i innych elektronicznych urządzeń przenośnych powszechnego użytku powodują wprowadzanie na rynek wielu wysokowydajnych, zminiaturyzowanych podzespołów. Producenci urządzeń rentgenowskich korzystają z tych rozwiązań, konstruując od lat 90-tych XX wieku przenośne spektroskopy EDXRF. Niewątpliwą zaletą ręcznych analizatorów EDXRF jest to, że można je zabrać ze sobą na miejsce, w którym znajduje sie próbka, bez potrzeby zawożenia próbki do laboratorium i dostosowaniu jej do wymagań komory pomiarowej. Oprócz oszczędności w kosztach analizy poszczególnych próbek, kluczowym czynnikiem decydującym o użyciu nieinwazyjnych metod EDXRF, szczególnie w terenie, jest całkowita oszczędność w kosztach projektu, z uwagi na usprawnienie i skrócenie czasu podejmowania decyzji. Użycie analizatorów EDXRF do natychmiastowej, pozytywnej identyfikacji lub do charakterystyki środowiskowej pozwoli zmniejszyć całkowity czas spędzony w terenie dzięki krótkim czasom analizy, które bezpośrednio przekładają się na oszczędności finansowe.

Technologia analizatorów ręcznych EDXRF rozwija się wraz z innymi elektronicznymi urządzeniami przenośnymi. Podobnie jak w przypadku pierwszych analizatorów laboratoryjnych EDXRF, w pierwszych analizatorach przenośnych EDXRF do wzbudzania promieniowania stosowano radioizotopy. Użycie izotopów radioaktywnych w systemach przenośnych rodziło określone problemy. Z upływem czasu źródło słabło, wydłużając czas analizy. Oprócz spadku wydajności, źródła należało wymieniać, co zwiększało koszty użytkowania. Użytkowanie radioaktywnych izotopów wymagało również posiadania odpowiednich zezwoleń (określanych lokalnie) i stosowania się do programów kontroli materiałów radioaktywnych. Materiały takie były kłopotliwe w dostawie i transporcie, wymagając odpowiednich deklaracji i zezwoleń. Dlatego też, nic dziwnego, że najbardziej przełomowym rozwiązaniem w technologii EDXRF okazało się zastosowanie zasilanych z baterii miniaturowych lamp rentgenowskich.

Ręczne spektrometry EDXRF firmy OXFORD Instruments

Firma OXFORD Instruments specjalizuje się w technologii przenośnych urządzeń EDXRF, stosując najnowocześniejsze podzespoły: lampy rentgenowskie, detektory i komputery. Spektrometry przenośne OXFORD Instruments są doskonale przystosowane do analizy terenowej stopów metali, warstw farb z dodatkiem ołowiu, skażenia gleby, filtrów, materiałów zużytych do czyszczenia, do stosowania w medycynie sądowej, archeometrii i wielu innych zastosowaniach analizy zawartości pierwiastków, zarówno w terenie jak i w zakładach produkcyjnych. Spektrometry OXFORD Instruments EDXRF są niedrogie, łatwe w obsłudze, niezawodne i ekonomiczne w dłuższym czasie eksploatacji. Analizatory przenośne EDXRF firmy OXFORD Instruments to wysoce zaawansowane urządzenia zasilane bateryjnie, zawierające miniaturową lampę rentgenowską, detektor SDD o wysokiej rozdzielczości, wysokowydajny układ przetwarzania danych oraz wbudowany komputer do obliczeń, prezentacji wyników i sterowania analizatorem.

Spektrometry EDXRF firmy OXFORD Instruments posiadają następujące, bezcenne cechy:

  • Przenośność
  • Zasilane z akumulatora
  • Lampa rentgenowska
  • Detektor SDD
  • Zintegrowany miniaturowy komputer z wyświetlaczem dotykowym o wysokim kontraście
  • Kształt pistoletu ułatwiający pomiary w trudnodostępnych miejscach
  • Automatyczna kompensacja dla próbek o nieregularnych lub niewielkich kształtach
  • Parametry podstawowe dla analiz niestandardowych
  • Biblioteka parametrów wzorcowych ułatwiająca szybką identyfikację pierwiastków
  • Biblioteka wzorców materiałów ułatwiająca szybką identyfikację materiałów
  • Wyniki wyświetlane po kilku sekundach.

Dalsze informacje dotyczące optymalnego sposobu użytkowania przenośnych analizatorów EDXRF firmy OXFORD Instruments można znaleźć w instrukcji obsługi.

 

Any questions?

Contact with usContact us and we will give you a comprehensive answer about our offer and possible solutions.

tel.: +48 (22) 353 99 26
fax: +48 (22) 353 99 27
e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Certified reliability

202x90 cien

Newsletter

newsletterStay informed and sign up to receive via e-mail our free newsletter with news and promotions (at the moment only in Polish language).

Please switch to Polish language and sign-up.