مبانی طیف بینی پرتو ایکس

  طیف بینی پرتو ایکس (X-ray spectroscopy)، شامل مجموعه ای از روش های طیف بینی برای شناسایی مواد با استفاده از پرتو ایکس است. پرتو ایکس یا اشعه ایکس، تابش الکترومغناطیس ناشی از کنده شدن الکترون های پرانرژی و یا انتقال آنها به لایه های داخلی اتم هاست. گستره پرتو ایکس، با محدوده طول موجی 0.1-100 آنگسترم و انرژی 120 الکترون ولت تا 120 کیلو الکترون ولت، بین امواج ماوراء بنفش (UV) و پرتو گاماست. تکنیک های طیف سنجی به ناحیه طول موجی 0.1-25 آنگستروم محدود می شوند.

  طیف بینی پرتو ایکس همانند طیف بینی نوری براساس اندازه گیری جذب، نشر، پراکندگی، فلورسانس و پراش (Diffraction) امواج الکترو معناطیس استوار است.

انواع روش های متداول طیف بینی X-ray عبارتند از:

• طیف بینی نشر پرتو ایکس (X-Ray Emission Spectroscopy) یا XES
• طیف بینی نشر اوژه (Auger Emission Spectroscopy) یا AES
• طیف بینی الکترونی برای آنالیز شیمیایی (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) یا ESCA
• طیف بینی فلورسانس پرتو ایکس (X-Ray Fluorescence Spectroscopy) یا XFS
• طیف بینی جذب پرتو ایکس (X-Ray Absorption Spectroscopy) یا XAS
• طیف بینی پراش پرتو ایکس (X-Ray Diffraction Spectroscopy) یا XDS

از این بین، روش های مبتنی بر جذب و فلورسانس، برای آنالیز کمی و کیفی تمامی عناصر جدول مندلیف با عدد اتمی بالای 10، استفاده بسیار گسترده تری پیدا کرده اند.

دستگاهوری روش های طیف بینی پرتو ایکس

   تمامی روش های جذب، نشر، فلورسانس و پراش پرتو ایکس مشابه طیف سنجی نوری و با همان نحوه قرارگیری، از پنج جزء تشکیل شده اند. منبع، انتخاب گر طول موج، جای نمونه،  آشکارساز (detector) یا مبدل (transducer)، پردازشگر و ثبات. این اجزا اگرچه ممکن است در جزییات با هم متفاوت باشند، اما برای روش های مختلف عملکرد مشابهی دارند.

منبع طیف بینی پرتو ایکس

سه نوع منبع (Source) برای دستگاه های پرتو ایکس استفاده می شود. لوله پرتو ایکس (x-ray tube)، رادیو رادیوایزوتوپ ها و فلورسانس ثانویه.

لوله پرتو ایکس

 متداول ترین منبع در دستگاه های پرتو ایکس، لوله پرتو ایکس است و به نام لوله کولیج (Coolidge tube) نیز معروف است. این لوله از دو جزء اصلی یعنی یک کاتد و یک آند در خلاء بسیار زیاد تشکیل شده است. جریان الکتریکی که از کاتد به سمت آند می رود، سبب از دست دادن انرژی الکترون ها و در نتیجه تولید پرتو ایکس می شود. آند معمولا یک قطعه بزرگ فلزی ست که دو وظیفه اصلی آن تبدیل انرژی الکترونی به پرتو ایکس و پراکنده کردن گرمایی که در این فرایند ایجاد می شود، است. آند یا هدف (target) از جنس مولیبدن یا مس هستند. اما فلزاتی مثل نیکل، نقره و تنگستن هم استفاده می شوند. شکل 1 شمای کلی یک لوله کولیج یا لوله پرتو ایکس را نشان می دهد.

 

 

   الکترون های گسیل شده از کاتد، از طریق یک ولتاژ بالا (high-voltage) بین هدف و کاتد شتاب داده می شوند. وقتی این پرتو الکترونی به هدف (آند) برخورد می کند، کاهش سرعت زیاد الکترون ها سبب نشر پرتو ایکس، فوتوالکترون، الکترون اوژه و مقدار بسیار زیادی گرما می شود. تولید پرتو ایکس با بمباران الکترونی یک فرایند بسیار ناکارآمد است چون بیشتر از 99 درصد به گرما تبدیل می شود. به همین دلیل آند معمولا با چرخش آب در لایه بیرونی خنک می شود (شکل 1). پرتو ایکس توسط یک پنجره نازک بریلیوم یا یک نوع شیشه ویژه از لوله عبور می کند.

   دو نوع پرتو تولید می شود. طیف پیوسته از تابش سفید و مجموعه ای از خطوط که ویژه فلز هدف هستند. معمولا توان لوله ها پرتو ایکس KVه50-60  است اما انواع  لوله پرتو ایکس با توان KVه100  برای برانگیخته کردن الکترون های لایه K نیز به صورت تجاری موجود هستند.

رادیوایزوتوپ ها

 مواد رادیواکتیو می توانند به عنوان منبع استفاده شود. هم طیف پیوسته و هم طیف خطی تولید می کنند. گستره این نوع منبع زیاد است اما کار کردن با این مواد سخت بوده و برای جلوگیری از آلودگی، مواد رادیواکتیو مورد استفاده باید کاملا محافظت  شده به کار برده شوند.

فلورسانس ثانویه

 از طیف فلورسانس یک عنصر (معمولا حاصل از لوله پرتو ایکس) می توان به عنوان منبع استفاده کرد. بزرگترین مزیت این روش حذف تابش منبع پیوسته توسط منبع اولیه است.

امروزه از شتاب دهنده های حلقوی (Cyclic Accelerators) مانند سیکلوترون (Cyclotron) و سنکروترون (Synchrotron) نیز برای تولید پرتو ایکس استفاده می شود. از آنجایی که امکان استفاده از این منابع در هر آزمایشگاهی مقدور نمی باشد و  دسترسی محدودی دارند به کار بردن آنها در دستگاه های آنالیزی متداول و معمول نیست.

لوله پرتو ایکس یا لوله کولیج از نظر دستگاهوری، سهولت و هزینه، متداول ترین منبع پرتو ایکس در دستگاه های آنالیزی ست.

توجه شود که طیف پرتو ایکس معمولا از دو قسمت تشکیل می شود. طیف پیوسته (Continuous spectrum) و طیف خطی یا طیف مشخصه (characteristic spectrum) .

طیف پیوسته: طیف پیوسته در اثر کاهش شتاب الکترون ها و در نتیجه تغییر انرژی جنبشی آنها در اثر برخورد به اتم های فلز هدف ایجاد می شود، و به آن تابش سفید (white radiation) نیز می گویند. اگر ولتاژ شتاب دهنده افزایش یابد، انرژی کل افزایش یافته و طیف پیوسته در طول موج های کوتاه تری ظاهر خواهد شد. شکل 2 طیف پرتو ایکس یک هدف مسی را نشان می دهد. سمت چپ طیف پیوسته است که با زیاد شدن ولتاژ شتاب دهنده از 25 به 50 کیلو الکترون-ولت (KV) به سمت طول موج کوه تاه تر جابه جا شده است. (اعداد بالای هر منحنی نشان دهنده ولتاژ شتاب دهنده است).

 

طیف خطی: طیف خطی یا طیف مشخصه، همان طور که از نامش پیداست، از ویژگی های هر اتم است و به صورت مجزا و ناپیوسته بر روی طیف پیوسته مشاهده می شود. اگر الکترون های به اندازه کافی پرانرژی باشند، انتقال انرژی از برخورد پرتو الکترونی ممکن است سبب خارج کردن الکترون از لایه های داخلی اتم های فلز هدف شود. در ولتاژهای بالا، تخلیه الکترونی از تراز نزدیک هسته یعنی K و L معمولا صورت می گیرد.

 اگر انتقال الکترون از تراز خارجی به تراز تخلیه شده تراز (K (n=1 باشد آن را تابش سری K گویند و اگر این انتقال به تراز تخلیه شده تراز (L (n=2 باشد آن را تابش سری L گویند. شدت طیف با افزایش عدد اتمی عنصر هدف (آند) افزایش می یابد. خطوط K_α و _βK به ترتیب نشان دهنده خطوطی هستند که انتقال الکترونی از تراز L و تراز M به جای خالی الکترون تراز K صورت بگیرد. شکل 3 به صورت شماتیک این تابش ها و انتقالات مربوطه را نشان می دهد. هر چه عنصر هدف سنگین تر باشد اختلاف انرژی بیشتر و تابش در طول موج های کمتری اتفاق می افتد. طیف پرتو ایکس عناصر مستقل از ترکیب شیمیایی آنهاست. از منابع رادیو اکتیو و فلورسانس ثانویه نیز می توان طیف خطی به دست آورد.

شکل 3- تابش ها و انتقالات انتقال الکترونی بین ترازهای K ,L و M

انتخاب گر طول موج طیف بینی پرتو ایکس

  مشابه طیف سنج های نوری ،دستگاه های پرتو ایکس نیز به دو نوع فوتومتر و اسپکتروفوتومتر تقسیم می شوند. در فوتومترها از صافی یا فیلتر و در اسپکتروفوتومتر از تک رنگ کننده (مونوکروماتور) ، برای انتخاب و جداسازی طول موج موردنظر، استفاده می شود.

صافی ها برای طیف پیوسته پرتو ایکس می توانند قطعات فلزی باشند، به عنوان مثال برای حذف خط K_β و بیشتر طیف پیوسته هدف مولیبدنی از از یک قطعه نازک (cmه0.1) زیرکونیومی استفاده می شود.

  تک رنگ کننده ها (مونوکروماتور) از یک جفت کولیماتور (collimator) یا موازی کننده تشکیل شده اند، که نقشی مشابه شکاف را در طیف سنج های نوری ایفا می کنند. عرض آن با یک شکاف قابل تنظیم کم و زیاد می شود. پرتو خروجی از کولیماتور توسط یک تک کریستال (single crystal) که در اینجا نقش منشور یا گریتینگ (توری) را ایفا می کند، پراکنده می شود. تک کریستال قابل چرخش است. با تغییر زاویه پرتو ورودی از کولیماتور، بر اساس رابطه براگ فقط طول موج های ویژه ای عبور داده شده و به آشکارساز می رسد.

 شمای کلی یک طیف سنج مورد استفاد برای طیف بینی پرتو ایکس در شکل 4 نشان داده شده است.

 

هیچ تک کریستال یا بلوری قدرت پاشندگی کل ناحیه طیفی پرتو ایکس را ندارد. محدوده طول موجی به ساختار بلور زاویه تابش و آشکارساز دارد.

برای طول موج های بلندتر از Å_ه2، چون توسط هوا جذب می شوند، جریانی از گاز هلیم  از محل نمونه و مونوکروماتور عبور داده می شود.

آشکار ساز و مبدل

   صفحات حساس عکاسی جزو اولین آشکارسازهای مورد استفاده برای تشخیص پرتو ایکس بودند. آشکارسازهای امروزی بر مبنای تبدیل انرژی تابشی به سیگنال الکتریکی عمل می کنند. هر پالس انرژی الکتریکی به صورت کوانتوم انرژی در مبدل جذب و شمارش می شود. پاسخ آشکارساز باید سریع باشد. هرچه شدت تابش بیشتر باشد سرعت پالس بالاتر می رود و در سرعت بالای پالس مبدل اشباع شده و یک سیگنال متوسط نشان می دهد. فوتون شماری معمولا برای پرتوهای ایکس کم توان میسر است.

   به طور کلی سه نوع مبدل یا آشکارساز در طیف بینی پرتو ایکس به کار می رود: آشکارساز پرشده گازی (gas-filled) شمارنده سوسوزن (scintillation counter) و آشکارساز های نیمه هادی (semiconductor)

برای اطلاعات بیشتر آشکارسازهای مورد استفاده در طیف بینی پرتو ایکس را ببنسد.