Най-добрите техники за улавяне на рентгенова флуоресценция

Разбиране на рентгеновата флуоресценция

XRF е неразрушителна аналитична техника, която използва излъчването на характерни „вторични“ (или флуоресцентни) рентгенови лъчи от материал, който е бил възбуден чрез бомбардиране с високоенергийни рентгенови лъчи или гама лъчи. Феноменът възниква, когато електрон от вътрешната обвивка бъде изхвърлен от атома и електрон от външната обвивка запълни празното място, освобождавайки енергия под формата на рентгенов фотон. Това излъчвано рентгеново лъчение има енергийна характеристика на елемента, от който произхожда, което позволява както качествен, така и количествен анализ.

Интензитетът на излъчваните рентгенови лъчи е право пропорционален на концентрацията на елемента в пробата. Следователно, чрез измерване на енергиите и интензитетите на излъчваните рентгенови лъчи, човек може да идентифицира и количествено определи елементите, присъстващи в материала. Изборът на техника е важен за осигуряване на точни и точни резултати.

XRF се използва в много дисциплини, включително геология, наука за околната среда, наука за материалите и консервация на изкуството. Неговата гъвкавост и неразрушителен характер го правят безценен инструмент за елементен анализ.

Техники за подготовка на проби

Правилната подготовка на пробата е от първостепенно значение за точния XRF анализ. Целта е да се представи хомогенна и представителна проба на рентгеновия лъч.

Твърди проби

За твърди проби могат да се използват няколко метода за подготовка:

• Полиране: Постигането на гладка, плоска повърхност е от съществено значение за минимизиране на ефектите на разсейване и осигуряване на последователно рентгеново взаимодействие.
• Рязане и монтиране: Може да се наложи пробите да бъдат изрязани до подходящ размер и монтирани в държач за проби.
• Стопяване: Това включва смесване на пробата с флюс (напр. литиев борат) и нагряването й, за да се образува хомогенна стъклена перла. Този метод минимизира матричните ефекти и е особено полезен за геоложки проби.

Течни проби

Течните проби изискват различни техники за подготовка:

• Директен анализ: Някои течности могат да бъдат анализирани директно в специализирани държачи за течни проби.
• Утаяване: Интересните елементи могат да бъдат утаени от разтвора и след това анализирани като твърдо вещество.
• Изпаряване: Течността може да се изпари върху филтърна хартия или друг субстрат, оставяйки твърд остатък за анализ.

Прахообразни проби

Праховите проби често се анализират като:

• Пресовани пелети: Прахът се пресова в пелети с помощта на хидравлична преса, често със свързващо вещество за подобряване на механичната якост.
• Насипен прах: Прахът може да се анализира директно в чаша за проба, въпреки че този метод може да е по-малко точен поради ефектите на размера на частиците.

Съображенията за подготовка на пробата включват размер на частиците, хомогенност и наличие на матрични ефекти. Матричните ефекти се отнасят до влиянието на околните елементи върху рентгеновия флуоресцентен сигнал на интересуващия ни елемент.

Детекторни технологии

Изборът на детектор значително влияе върху работата на XRF инструмента. Обикновено се използват два основни типа детектори: енергийно-разпръскващи (EDXRF) и разсейващи дължината на вълната (WDXRF).

Енергодисперсивен XRF (EDXRF)

EDXRF детекторите измерват енергията на всеки отделен рентгенов фотон. Те обикновено са детектори в твърдо състояние, като например:

• Силициеви дрейфови детектори (SDD): SDD предлагат високи скорости на броене и добра енергийна разделителна способност.
• Силициево-литиеви (Si(Li)) детектори: Тези детектори осигуряват отлична енергийна разделителна способност, но изискват криогенно охлаждане.

EDXRF е известен със своята скорост и способност да анализира множество елементи едновременно. Той е много подходящ за скрининг на проби и за приложения, където се изисква висока производителност.

XRF с дисперсия на дължината на вълната (WDXRF)

WDXRF детекторите разделят рентгеновите лъчи въз основа на тяхната дължина на вълната, като използват анализиращи кристали. Това осигурява превъзходна спектрална разделителна способност в сравнение с EDXRF.

• Анализиране на кристали: Използват се различни кристали за дифракция на рентгенови лъчи с различни дължини на вълната, което позволява прецизно измерване на рентгеновия спектър.
• Пропорционални броячи: Тези детектори измерват интензитета на дифрактираните рентгенови лъчи.

WDXRF се предпочита за приложения, изискващи висока точност и анализ на микроелементи. Подобрената спектрална разделителна способност минимизира припокриването на пиковете и намалява матричните ефекти.

Изборът на подходящ детектор зависи от специфичните аналитични изисквания, включително елементите, представляващи интерес, желаната точност и наличните методи за подготовка на пробата.

Оптимизиране на параметрите на източника на рентгенови лъчи

Източникът на рентгенови лъчи е ключов компонент на XRF системата. Оптимизирането на неговите параметри може значително да подобри качеството на данните.

Напрежение и ток на тръбата

Напрежението на тръбата определя енергията на рентгеновите лъчи, излъчвани от източника. По-високите напрежения възбуждат по-тежки елементи, докато по-ниските напрежения са по-ефективни за по-леките елементи. Токът на тръбата влияе върху интензитета на рентгеновия лъч.

• Избор на напрежение: Изберете напрежението въз основа на елементите, които трябва да анализирате.
• Регулиране на тока: Увеличете тока, за да подобрите чувствителността, но имайте предвид потенциалното увреждане на пробата или насищането на детектора.

Филтри

Филтрите се използват за селективно отслабване на определени рентгенови енергии, намаляване на фоновия шум и подобряване на съотношението сигнал/шум. Предлагат се различни филтри за различните елементи.

• Избор на материал: Изберете филтърни материали въз основа на техните ръбове на абсорбция.
• Оптимизация на дебелината: Регулирайте дебелината на филтъра, за да оптимизирате сигнала за вашите целеви елементи.

Целеви материал

Материалът на мишената на рентгеновата тръба влияе върху спектъра на излъчваните рентгенови лъчи. Обичайните целеви материали включват родий (Rh), волфрам (W) и молибден (Mo). Родият е универсален вариант за широка гама от елементи.

Събиране и обработка на данни

Получаването и обработката на XRF данни включва няколко стъпки, включително спектрално придобиване, корекция на фона, идентификация на пика и количествено определяне.

Спектрално придобиване

Рентгеновият спектър се получава чрез измерване на интензитета на рентгеновите лъчи като функция на енергията (EDXRF) или дължината на вълната (WDXRF). Времето за придобиване трябва да бъде оптимизирано, за да се постигне достатъчна статистика за преброяване.

Корекция на фона

Фоновата радиация може да попречи на анализа. Методите за корекция на фона се използват за премахване или минимизиране на тези ефекти.

• Математически модели: Може да се използва полиномно напасване или други математически модели за оценка и изваждане на фона.
• Комптъново разсейване: Корекцията на Комптъновото разсейване е от решаващо значение за точното количествено определяне.

Идентификация на пика и количествено определяне

След като фонът бъде коригиран, се идентифицират пиковете, съответстващи на интересуващите ни елементи. Площта под всеки пик е пропорционална на концентрацията на елемента.

• Криви на калибриране: Кривите на калибриране се генерират с помощта на стандарти с известен състав.
• Корекция на матрицата: Алгоритмите се използват за коригиране на ефектите на матрицата, подобрявайки точността на количественото определяне.

Наличен е усъвършенстван софтуер за обработка на данни за автоматизиране на много от тези стъпки и осигуряване на изчерпателни аналитични резултати.

Калибриране и стандартизация

Точният XRF анализ разчита на правилно калибриране и стандартизация. Това включва използването на сертифицирани референтни материали (CRM) за установяване на връзка между измерените интензитети на рентгеновите лъчи и концентрациите на интересуващите ни елементи.

Сертифицирани референтни материали (CRM)

CRM са материали с известен елементен състав, които са сертифицирани от реномирани организации. Те се използват за създаване на калибрационни криви и валидиране на точността на XRF измерванията.

Генериране на калибрационна крива

Калибрационната крива е графика на измерения интензитет на рентгеновите лъчи спрямо известната концентрация на елемента в CRM. Множество CRM с различни концентрации се използват за генериране на надеждна крива на калибриране.

Процедури за стандартизация

Стандартизацията включва периодично стартиране на CRM за проверка на стабилността на инструмента и точността на калибрирането. Това гарантира, че XRF измерванията остават надеждни във времето.

Усъвършенствани техники и приложения

Освен основните техники, има няколко усъвършенствани XRF метода за специализирани приложения.

Микро-XRF

Micro-XRF използва фокусиран рентгенов лъч за анализ на малки участъци от проба, осигурявайки пространствена разделителна способност до микрометрова скала. Това е полезно за картографиране на елементарни разпределения в хетерогенни материали.

XRF с пълно отражение (TXRF)

TXRF е чувствителна към повърхността техника, която използва рентгенов лъч, падащ върху паша, за анализиране на микроелементи върху повърхности. Обикновено се използва при мониторинг на околната среда и анализ на полупроводници.

Синхротронен XRF

Synchrotron XRF използва рентгенови лъчи с висок интензитет от източник на синхротронно лъчение, осигурявайки подобрена чувствителност и пространствена разделителна способност. Тази техника се използва за усъвършенствано характеризиране на материали и биомедицински изследвания.