Rentgenska fluorescenčna spektrometrija-xrf, RFA

Transcript

1 Rentgenska fluorescenčna spektrometrija-xrf, RFA Glavne značilnosti XRF: Spektralno območje: Izvor primarnega sevanja: Disperzijski element: Detektor (števec): Vzorci: Koncentracijsko območje: 0,02-3% Natančnost metode: S r =0,5-3% Å rentgenska cev kristal (litijev fluorid LiF, sadra-caso, etilendiamiditartrat EDDT, pentaeritriol-pe, amonijev dihidrogen fosfat-adp) scintilacijski, proporcionalni trdni (kovine in prašanati), raztopine 1

2 Princip XRF Rentgenska spektrometrija temelji na vzbujanju atoma s hitrimi elektroni ali z rentgenskimi žarki ter na nastanku novega karakterističnega žarčenja. Rentgenska spektrometrija Z elektroni vzbujamo v primarnirentgenski spektrometriji(analiza zelo majhnih površin, določevanje lahkih elementov - elektronska mikrosonda). Običajna je rentgensko fluorescenčna tehnika, pri kateri obsevamo preiskovani vzorec s primarnim rentgenskim žarkom iz rentgenske cevi ter merimo valovno dolžino in intenziteto sekundarnega sevanja, ki je značilno za element v vzorcu. 2

3 Rentgenski spekter: Rentgenski žarki so del elektromagnetskega spektra med Å. V rentgenski fluorescenci uporabljamo predvsem žarkedolžine Å. Nastanek X-žarkov Če obsevamo atome elementa s pospešenimi elektroni, αdelci ali fotoni, lahko vzbudimo elektrone notranjih elektronskih orbital. Praznina na orbitalah se zapolni s prehodom elektronov iz energetsko višjih nivojev. Posledica prehodov jeemisija karakteristične rentgenske svetlobe, katere energija ustreza energetskim razlikam posameznih elektronskih stanj. 3

4 Nastanek rentgenskih žarkov Nastanek rentgenskih žarkov

5 Nastanek rentgenskih žarkov Nastanek rentgenskih žarkov 5

6 Nastanek rentgenskih žarkov Simboli spektralnih črt: NiK α1, FeK β2, CuL β1... Simboli predstavljajo: kemijski element, K, L, M, N so oznake elektronskih lupin, grške črke pa lupin/podlupin,s katerih prehajajo elektroni, številkeoznačujejointenzitete črt vposamezni seriji: npr. NiK α1 je intenzivnejša od NiK α2. 6

7 Nastanek rentgenskih N žarkov 7

8 Valovne dolžine (v Å) K črt za nekatere elemente Element Atomsko št. Κα 1 Κβ 1 Na 11 11,909 11,617 K 19 3,72 3,5 Cr 2 2,290 2,085 Rb 37 0,926 0,829 Cs 55 0,01 0,355 W 7 0,209 0,18 U 92 0,126 0,111 8

9 Fluorescenčni izkoristek Fluorescenčni izkoristek n K. Število fotonov določene serije N K..število vrzeli v enoti časa 9

10 Shema rentgenske cevi Zvezni spekter rentgenske cevi Mejne valovne dožine, zavisijo od energije pospešenih elektronov (od napetosti med katodo in anodo) in so neodvisne od materiala, iz katerega je anoda V e = hc/λ o Zvezni spekter je posledica serije trkov med elektroni inatomi, ki sestavljajo anodo. Pri trkih elektroni zavirajo in oddajajo svojo kinetično energijo kot elektromagnetno valovanje (zavorno sevanje, "Brehmsstrahlung"). 10

11 Zvezni spekter rentgenske cevi λ min. = h c/v o 12,/V o ; λ... valovna dolžina V o... delovna napetost (KV) Maksimum: 2 λ min Zvezni spekter rentgenske cevi 11

12 Spekter rentgenske cevi Poleg zveznega dela v spektru rentgenske ceviopazimo tudi značilni "črtasti" spekter. Karakteristične linije v tem spektru so posledica elektronskih vzbujanj. Rentgenske cevi Anode: Cr. Mo, W, Au, Ag. Kromova anoda je primerna za lahke (Z = 11-12), volframova pa za težje elemente (Z = 20-90). Delovna napetost cevi je KV, moč pa 1-3 KW. 12

13 Črtasti spekter rentgenske cevi Interakcija X-žarkov s snovjo 13

14 Comptonovo sipanje X žarkov Absorbcija rentgenskih žarkov: Ko rentgenski žarki prehajajo skozi snov, slabi njihova intenziteta (I o ) v odvisnosti od debeline in gostote absorpcijskega medija in njihove valovne dolžine zaradi fotoelektrične absorbcije in sipanja. di o = -I o µ x dx di o = -I o µ m dm di o = -I o µ n dn 1

15 Absorpcijski koeficienti µ x linearni absorpcijski koeficient µ m...masni absorpcijski koeficient µ n atomski absorpcijski koeficient Najpomembnejši je masni absorpcijski koeficient, µ m (funkcija valovne dolžine absorbirane svetlobe in atomskega števila, elementa, ki absorbira). Med absorpcijskimi koeficienti velja zveza: Zvezamed absorpcijskimi koeficienti: ρ...gostota N...Avogadrovo število A...atomska masa 15

16 Absorpcija rentgenskih žarkov Delež fotonov, ki preidejo absorpcijski medij, ne da bi bili absorbirani ali sipani, podamo z enačbo Absorpcijski koeficient določata fotoelektrična absorpcija ( τ) in sipanje vpadle svetlobe (σ), velja torej µ= τ+ σ. Pojav absorpcije svetlobe je znatno večji (τ>>σ), zato sledi: Absorpcija rentgenskih žarkov 16

17 Lega absorpcijskih robov zavisi od atomskega števila (vsak elektron v atomu prispeva k absolutni absorpcij)i; torej je: τ (λ) = τ K(λ) +τ M(λ) +τ N(λ) Absorpcijski koeficient za sestavljeno snov izračunamo na osnovi absorpcijskih koeficientov µ i posameznih komponent in njihovih utežnih deležev W i µ (snovi) = (µ i W i ) Analiza rentgenskih žarkov Uklon na kristalu -Braggov zakon: nλ = 2d sinθ Teoretična vrednost valovne dolžineje določena z mrežno konstanto kristala (d) in znaša 2d (v praksi 1.9d). Za merjenje Kα črt lahkih elementov rabimo zato kristale z dobro ločljivostjo(majhen d). Izbirati moramo tudi med kristalirazličnih refleksijskih lastnosti. Spektrometri imajo zato 2-5 kristalov 17

18 Kristali v XRF Vrsta kristala 2d, Å Uporabnost Topaz 1,356 Elementi prehoda LiF 2,01 Elementi prehoda EDDT,0 ADP 5,325 Pentaeritriol 8,7 Z=13-17 Sljuda 19,93 Večje λ (>20 Å) Kalijev hidrogen ftalat 6,63 Z=6-12 Braggov zakon nλ = 2d sinθ 18

19 XRF detektorji, števci Najbolj sta uporabna scintilacijski števec(za območje Å) in pretočni proporcionalni števec (2-10 Å). Pri obeh je velikost signalaproporcionalna energiji fotonov rentgenskega sevanja. Spomočjo diskriminiranja višine pulzov lahko ločimo spektralne črte, ki ležijo pri istih kotih in imajo različno energijo Shema valovno disperzijskega spektrometra 19

20 Shema energijsko disperzijskega spektrometra 20

21 XRF- kvalitativna analiza Rentgenski spekter je primeren za kvalitativno analizo- vsaka črta določa navzočnost elementa v vzorcu. V primerjavi z emisijsko spektralno analizo je manj občutljiva! (LOD 0,01%) XRF-kvantitativna analiza Najvažnejša je uporaba rentgenske fluorescenčne spektrometrije v kvantitativni analizi. Detektor postavimo na spektralno črto elementa in merimo intenziteto določen čas ali do določenega števila impulzov. Relativna statistična napaka podana z enačbo: je pri 5000 impulzih/s in času merjenja 3 minute 0.1%. Zaradi nestabilnosti cevi in ostalih delov instrumenta navadno znaša 0.25%. 21

22 XRF: Vpliv masnega abs.koef. na umeritvene krivulje 㴀 Uporaba XRF Z metodo lahko določamovseelementeod F (9) do U (92) v prašnatih, trdnih in tekočih vzorcih. Mejezaznavnosti so za elementez atomskim številom % (1ppm) in zaelemente od Z = ppm), Meja zaznave zavisi od osnovnega elementa (matriksa), v organskih spojinah in lahkihmatriksih(npr. aluminiju) so meje zaznavnosti nižje 22

23 Uporaba XRF Izdelava postopka je navadno dolgotrajna, zato je metoda primerna predvsem zaanalizo večjega števila vzorcev. Rentgenska fluorescenčna analiza uspešno nadomešča klasične analizne postopke. Uporaba XRF Rentgenska fluorescenčna analiza je zlasti primerna zaanalizokompleksnih vzorcev, kjer je elementna sestava zapletenanpr.: Zr-Hf, Nb-Ta-Fe-Ti, Mo-W, Sc-Y-redke zemlje itd.), v jeklarstvu za analizo rud, ferozlitin, legiranih jekel in žlinder, v barvni metalurgiji, industriji silikatov in cementa (celotna analiza) in geološki analizi. 23

24 Rentgenska spektrometrija s totalnim odbojem Rentgenska spektrometrija s totalnim odbojem (kvantifikacija z internimi standardi) =. C i : Koncentracija elementa C IS : Koncentracija internega standarda N i : Število pulzov za določani element N IS : Število pulzov za interni standard S i : Faktor(občutljivost) za določani element S IS : Faktor (občutljivost) za interni standard 2

25 Površinske tehnike Fotoelektronska spektroskopija XPS-ESCA Omogoča elementno določitev in določitev kemijske oblike elementa 25

26 Elektronska spektroskopija (Spektroskopija Augerjevih elektronov) AES Merimo energijo Augerjevih elektronov, ki nastajajo na površinski plasti vzorca 彠 т Masna spektrometrija sekundarnih ionov - SIMS Vzorec obstreljujemo z ioni inertnega plina in opazujemo pozitivne ali negativne ione, ki nastajajo ob interakciji na površini 26

27 Spektroskopija sipanih ionov (Ion scattering Spectroscopy) Površino obstreljujemo z ioni inertnega plina in opazujemo njihovo interakcijo s površino (elastični, neelastični trki...) 27