Как работает XRF – рентгеновская флуоресцентная спектроскопия

Рентгеновская флуоресценция (XRF) – это неразрушающий аналитический метод, используемый для определения концентраций элементов в различных материалах.

При использовании XRF, образец подвергается рентгеновским лучам из рентгеновской трубки, тем самым вызывая флуоресцентное излучение характерных рентгеновских лучей от каждого элемента в образце. Детектор измеряет энергию и интенсивность (количество рентгеновских лучей в секунду при определенной энергии) каждого рентгеновского излучения, которое преобразуется в концентрацию элементов с использованием нестандартной техники, такой как основные параметры или калибровочные кривые, созданные пользователем.

Присутствие элемента идентифицируется по характерной длине волны или энергии рентгеновского излучения каждого элемента. Количество присутствующего элемента определяется количественно путем измерения интенсивности характерного рентгеновского излучения данного элемента.

XRF – шаг за шагом

Атомный уровень

Atom-Basic-Configuration

ОДИН – Все атомы имеют фиксированное количество электронов. Эти электроны расположены на орбиталях вокруг ядра. Энергодисперсионный XRF (EDXRF) обычно улавливает активность на первых трех электронных орбиталях, линиях K, L и M.

image 24

ДВА – Данные электроны расположены на орбиталях вокруг ядра. Энергодисперсионный XRF (EDXRF) обычно улавливает активность на первых трех электронных орбиталях, линиях K, L и M.

image 26

ТРИ – Первичные фотоны рентгеновской трубки имеют достаточно высокую энергию, чтобы выбивать электроны с внутренних орбиталей, тем самым создавая рассеянность (1). Чтобы восстановить стабильность внутри атома, электрон с внешней орбитали перемещается в освободившееся пространство на внутренней орбитали (2).

image 27

ЧЕТЫРЕ – Когда электрон с внешней орбитали перемещается на внутреннюю орбиталь, он выделяет энергию в виде вторичного рентгеновского фотона. Данный тип выделения энергии известен как флуоресценция. Все элементы производят «характерную» флуоресценцию. И каждый элемент имеет собственную уникальную флуоресценцию.

Инструментальный уровень XRF

ПЯТЬ – Первичные рентгеновские фотоны высокой энергии испускаются рентгеновской трубкой и попадают на образец.

ШЕСТЬ – Флуоресцентная энергия передается детектору, где она поглощается и преобразуется в электрический сигнал, а затем в число (оцифровывается).

Результаты можно просматривать в виде процентов или в виде спектра. XRF будет обрабатывать (оцифровывать, считать) около 200 000 или более рентгеновских снимков каждую секунду. Эти обнаруженные рентгеновские лучи формируют спектр. Каждый пик в спектре взят из характерного рентгеновского излучения, испускаемого конкретным элементом, таким как Cr или Ni и т.д. Высота пика пропорциональна концентрации элемента. Высота пика преобразуется в процент или ppm этого элемента с помощью метода калибровки – либо фундаментальных параметров, либо заводских или пользовательских эмпирических калибровок (см. ниже).

Искажение результатов анализа

В методах элементного анализа возникают искажения результатов анализа, которые необходимо исправить или компенсировать для получения адекватных аналитических результатов. В XRF-спектрометрии первичные искажения исходят от некоторых определенных элементов в веществе, которые могут повлиять (матричные эффекты) на результаты анализа интересующего элемента (ов). Однако эти искажения хорошо известны и задокументированы; а усовершенствования инструментальных средств и математические исправления в программном обеспечении системы легко и быстро исправляют такие искажения. В некоторых случаях геометрия образца может повлиять на рентгенофлуоресцентный анализ, но это легко компенсируется выбором оптимальной области отбора пробы, шлифованием или полировкой пробы или прессованием гранулы.

Количественный элементный анализ

Для проведения количественного элементного анализа, XRF-спектрометрия использует эмпирические методы (калибровочные кривые с использованием стандартов, сходных по свойствам с неизвестными) или фундаментальные параметры (FP). Фундаментальные параметры (FP) является более предпочтительным способом, поскольку он позволяет проводить элементный анализ без использования стандартов или калибровочных кривых. Это позволяет аналитику немедленно использовать систему, не тратя дополнительное время на настройку индивидуальных калибровочных кривых для различных интересующих элементов и материалов. Наряду с хранимыми библиотеками известных материалов, фундаментальные параметры (FP) не только быстро и легко определяют элементный состав неизвестного материала, но также могут идентифицировать неизвестный материал.

Спектрометры

SciAps использует метод спектрометра EDXRF из-за его механической простоты и отличной адаптации для портативного использования в полевых условиях. Система EDXRF обычно состоит из трех основных компонентов:

  1. источник возбуждения,
  2. спектрометр / детектор,
  3. и блок сбора / обработки данных.

Портативные устройства EDXRF выпускаются в трех прочных и удобных форм-факторах. Портативные полевые устройства EDXRF применяются в непосредственном контакте с образцом, вне зависимости от того, где находится образец – в пещере, на горе, в лаборатории, на стене, на производственном / перерабатывающем заводе. Эти устройства предлагают простоту использования, быстрое время анализа, более низкую начальную закупочную цену и существенно более низкие затраты на долгосрочное обслуживание.

1
Рентгеновская трубка облучает твердый или жидкий образец.
2
На атомы в образце воздействуют рентгеновские лучи с достаточной энергией, то есть большей, чем энергия связи K- или L-оболочки атома, в результате чего электрон выбрасывается с уровня K- или L-оболочки атома.
3
Электрон в более высокой оболочке заполняет вакантное место на уровне K или L, излучая энергию и «спрыгивая» на этот более низкий энергетический уровень.
4
Когда электрон опускается до нижнего уровня оболочки K или L, он излучает фотон определенной длины волны в структуру атома (характерный рентгеновский луч).
5
Испускаемые фотоны (рентгеновские лучи) измеряются энергодисперсионным детектором на XRF-анализаторе. Детектор и соответствующая электроника измеряют энергию каждого рентгеновского излучения и подсчитывают количество рентгеновских лучей в секунду с этой энергией. Спектр рентгеновского излучения состоит из энергии по горизонтальной оси и интенсивности (#/с) по вертикальной оси.
6
Встроенные процессоры используют либо безстандартные методы, такие как фундаментальные параметры, либо созданные пользователем (эмпирические) калибровочные кривые, чтобы связать спектр рентгеновских лучей с концентрациями элементов.