Spektrometri fluoresensi sinar-X

Spektrometri fluoresensi sinar-X (XRF, aerosol sinar-X, spektrometri fluoresensi sinar-X) adalah metode analisis untuk menentukan konsentrasi unsur-unsur dari Be (No. 4) hingga U (No. 92) dalam kisaran ppm hingga 100% dalam berbagai zat dan bahan.

Spektrometer fluoresensi sinar-X.

Karena keserbagunaannya, keakuratan dan kecepatan pengukurannya, serta kemudahan penggunaannya, analisis fluoresensi sinar-X telah banyak digunakan dalam industri dan sains.
Analisis fluoresensi sinar-X didasarkan pada ketergantungan intensitas radiasi sinar-X terhadap konsentrasi suatu unsur dalam sampel.

Ketika sampel diiradiasi dengan fluks radiasi tabung sinar-X yang kuat, radiasi fluoresensi karakteristik atom muncul, yang sebanding dengan konsentrasinya dalam sampel.
Saat menggunakan spektrometer dispersif gelombang, radiasi fluoresensi didekomposisi menjadi spektrum menggunakan monokromator kristal, dan kemudian, menggunakan detektor dan elektronik penghitung, intensitasnya diukur secara kuantitatif.
Dalam spektrometer dispersif energi, radiasi fluoresensi didekomposisi menjadi spektrum berkat detektor semikonduktor (Si atau Ge), di mana semua radiasi dari sampel direkam dan diubah menjadi pulsa listrik, membentuk spektrum dalam bentuk ketergantungan jumlah pulsa pada energi setiap elemen.
Analisis kuantitatif dan kualitatif dilakukan dengan memproses spektrum menggunakan metode ketergantungan matematika dan statistik.

Fluoresensi sinar-X .

Untuk melakukan analisis sinar-X, atom dari sampel yang dianalisis harus diiradiasi dengan foton berenergi tinggi dari radiasi sinar-X primer (dari tabung sinar-X atau sumber radionuklida). Ketika diiradiasi, atom masuk ke keadaan tereksitasi, yang terdiri dari transisi elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi. Atom tetap dalam keadaan tereksitasi selama sepersekian detik, setelah itu kembali ke keadaan dasar. Dalam hal ini, elektron dari kulit terluar mengisi kekosongan yang dihasilkan, dan kelebihan energi dipancarkan sebagai foton sekunder, atau energi ditransfer ke elektron lain dari kulit terluar. Energi foton sekunder berada dalam kisaran energi radiasi sinar-X, yang terletak dalam spektrum osilasi elektromagnetik antara radiasi ultraviolet dan gamma.

Orbital elektron dalam atom diberi nama K, L, M, dst., K adalah orbital yang paling dekat dengan inti. Setiap orbital elektron dalam atom setiap unsur memiliki tingkat energinya sendiri. Energi foton sekunder yang dipancarkan ditentukan oleh perbedaan antara energi orbital awal dan akhir tempat terjadinya transisi elektron.

Panjang gelombang foton yang dipancarkan berhubungan dengan energi. Menurut hukum Bragg

E = E1-E2 = hc/l ,

di mana E1 dan E2 adalah energi orbital tempat transisi elektron terjadi, h adalah konstanta Planck, c adalah kecepatan cahaya, l adalah panjang gelombang foton yang dipancarkan (sekunder).

Dengan demikian, panjang gelombang fluoresensi merupakan karakteristik individual untuk setiap elemen dan merupakan fluoresensi karakteristik. Intensitas (jumlah foton yang diterima per satuan waktu) sebanding dengan konsentrasi (jumlah atom) elemen yang sesuai. Hal ini memungkinkan untuk menentukan jumlah atom setiap elemen yang termasuk dalam sampel.

Tabung sinar X.

Tabung sinar-X merupakan sumber radiasi primer berenergi tinggi. Tabung ini ditenagai oleh generator tegangan tinggi yang sangat stabil.
Mekanisme radiasi primer serupa dengan mekanisme fluoresensi, tetapi eksitasi material anoda tabung terjadi saat tabung dibombardir dengan elektron berenergi tinggi, dan bukan oleh sinar-X, seperti pada fluoresensi. Komposisi spektral radiasi tabung bergantung pada material anoda. Anoda rhodium Rh terutama digunakan, tetapi untuk tugas tertentu material lain dapat digunakan - Mo, Cr, Au, dll.
Selama analisis fluoresensi sinar-X, semua elemen sampel secara bersamaan memancarkan foton radiasi karakteristik. Untuk menentukan konsentrasi elemen tertentu dalam sampel, perlu untuk mengisolasi dari fluks radiasi total yang berasal dari sampel radiasi dengan panjang gelombang yang tepat (untuk spektrometer VD) atau energi (untuk spektrometer ED) yang merupakan karakteristik elemen yang sedang ditentukan. Hal ini dilakukan dengan menguraikan fluks radiasi total yang berasal dari sampel berdasarkan panjang gelombang/energi dan memperoleh spektrum. Spektrum adalah kurva yang menggambarkan ketergantungan intensitas radiasi pada panjang gelombang/energi.

Penguraian radiasi menjadi spektrum

Spektrometer dispersif gelombang. Ketika menguraikan radiasi menjadi spektrum (memisahkan panjang gelombang yang berbeda), monokromator kristal dengan bidang kristal sejajar dengan permukaan dan memiliki jarak antarbidang d digunakan.
Jika radiasi dengan panjang gelombang l jatuh pada kristal pada sudut q , maka difraksi akan terjadi hanya jika jarak yang ditempuh oleh foton setelah refleksi dari bidang kristal yang berdekatan berbeda dengan bilangan bulat ( n ) panjang gelombang. Dengan perubahan sudut q, ketika kristal berputar relatif terhadap fluks radiasi, difraksi akan terjadi berturut-turut untuk panjang gelombang yang berbeda sesuai dengan hukum Bragg: nl = 2d sinq . Posisi sudut ( q ) kristal diatur tergantung pada panjang gelombang yang harus dipisahkan dari spektrum untuk menganalisis elemen yang diperlukan. Monokromator kristal. Karena pemisahan puncak fluoresensi sinar-X bergantung pada rasio panjang gelombang dan jarak antarbidang ( d ), untuk meningkatkan selektivitas dan sensitivitas peralatan, spektrum sampel yang diteliti diukur dalam rentang energi yang luas menggunakan beberapa monokromator kristal yang terbuat dari bahan yang berbeda. Kristal tunggal seperti germanium (Ge111), litium fluorida (LiF200/220/440) merupakan penganalisis ideal untuk radiasi banyak unsur. Pelapis sintetis multilapis digunakan untuk meningkatkan sensitivitas dalam analisis unsur-unsur ringan.

Spektrometer dispersif energi. Tidak seperti metode dispersif gelombang, penentuan dispersif energi secara simultan merekam seluruh rentang energi radiasi sekunder (karakteristik) dari sampel. Spektrum adalah ketergantungan intensitas pada energi radiasi unsur-unsur.
Radiasi yang dipilih memasuki detektor sinar-X untuk mengukur intensitasnya. Intensitas adalah jumlah foton yang diterima per satuan waktu.

Deteksi radiasi

Saat mendeteksi radiasi fluoresensi, energi fluoresensi diubah menjadi pulsa tegangan dengan amplitudo tertentu.

Spektrometer dispersif panjang gelombang. Ada berbagai jenis detektor. Untuk panjang gelombang yang relatif panjang, detektor proporsional berisi gas (aliran tembus dan tertutup) digunakan untuk menganalisis unsur-unsur ringan. Pengoperasiannya didasarkan pada ionisasi gas melalui radiasi dan pengukuran jumlah pulsa listrik yang telah melewati gas terionisasi. Untuk analisis unsur-unsur berat (untuk panjang gelombang pendek), detektor sintilasi digunakan, yang mengukur arus fotosel yang peka terhadap luminositas zat khusus - sintilator (NaI/Tl) saat sinar-X mengenainya. Jumlah pulsa yang terekam berbanding lurus dengan jumlah atom unsur dalam sampel.

Spektrometer dispersif energi. Detektor semikonduktor solid-state digunakan untuk mendeteksi radiasi karakteristik; operasinya didasarkan pada ionisasi di dalam semikonduktor. Area sensitif dibuat di detektor semikonduktor, di mana tidak ada pembawa muatan bebas. Setelah memasuki area ini, partikel bermuatan menyebabkan ionisasi, karenanya, elektron muncul di zona konduksi, dan lubang di zona valensi. Di bawah pengaruh tegangan yang diterapkan pada elektroda yang diendapkan pada permukaan area sensitif, elektron dan lubang bergerak, dan pulsa arus terbentuk. Tegangan hingga beberapa kV diterapkan pada kristal semikonduktor, memastikan pengumpulan semua muatan yang dibentuk oleh partikel dalam volume detektor. Pasangan elektron-lubang mulai bergerak ke elektroda. Sebagai hasil dari gerakan ini, pulsa listrik dihasilkan, yang kemudian diperkuat dan direkam oleh elektronik penghitung. Detektor semikonduktor sebagian besar terbuat dari Si atau Ge, perlu untuk mendinginkan detektor selama analisis menggunakan efek Pellet atau nitrogen cair.

Menghitung elektronika

Elektronik penghitung mencatat jumlah pulsa yang datang dari detektor dan tingkat energi yang sesuai dengan amplitudo.
Amplifier dan penganalisis pulsa modern memungkinkan memperoleh kesalahan pengukuran statistik yang memuaskan dalam waktu kurang dari 2 detik. Waktu penghitungan yang lebih lama diperlukan untuk elemen ringan, serta untuk menganalisis elemen dengan konsentrasi yang mendekati batas deteksi, karena dalam kasus ini, diperlukan analisis sejumlah kecil foton dengan energi rendah. Analisis
dan pemrosesan hasil pengukuran dilakukan secara otomatis. Untuk tujuan ini, metode analisis telah dikembangkan dalam bentuk paket perangkat lunak (program komputer). Selama pengukuran, perangkat lunak mengontrol semua unit spektrometer sesuai dengan program analisis yang ditentukan. Semua spektrometer modern dengan pengumpan sampel otomatis memungkinkan analisis dilakukan secara terus-menerus dan tanpa campur tangan operator, dan setelah pengukuran selesai, konsentrasi dihitung. Hasil analisis dikirimkan secara elektronik secara otomatis ke alamat yang ditentukan atau diakumulasikan dalam basis data pengukuran untuk diproses lebih lanjut.

Jenis-jenis spektrometer sinar-X

Spektrometer sinar-X dispersif gelombang (WD). Spektrometer fluoresensi sinar-X, yang radiasi karakteristiknya diperoleh menggunakan monokromator kristal, disebut "dispersif gelombang". WD dibagi menjadi spektrometer jenis serial dan paralel (kuantometer).

Spektrometer sekuensial

Dalam spektrometer jenis ini, setiap garis karakteristik radiasi sinar-X dari sejumlah elemen diisolasi secara berurutan menggunakan monokromator kristal bergerak dan goniometer presisi tinggi (alat untuk mengukur sudut) yang digabungkan dengan perangkat rotasi yang dikendalikan komputer.

Keuntungan spektrometer VD sekuensial:

• Definisi sejumlah elemen.
• Kondisi pengukuran yang optimal diprogram untuk setiap elemen.
• Sensitivitas tinggi, tingkat deteksi rendah.
• Biaya lebih rendah dibandingkan dengan spektrometer paralel.

Spektrometer tipe paralel

Dengan spektrometer paralel, pengukuran dilakukan secara simultan (paralel). Intensitas radiasi karakteristik unsur-unsur diukur secara simultan dengan menggunakan beberapa "saluran" tetap yang disetel yang terletak di sekitar sampel. Dapat dikatakan bahwa masing-masing saluran merupakan spektrometer terpisah dengan monokromator kristal dan detektor yang disetel untuk menerima panjang gelombang tertentu dari satu unsur.

Keuntungan spektrometer paralel:

• Kecepatan analisis tertinggi saat digunakan untuk pengendalian kualitas in-line dalam industri - analisis cepat dari proses teknologi.
• Beberapa bagian yang bergerak, keandalan yang sangat baik di lingkungan industri

Spektrometer dispersif energi

Keuntungan spektrometer ED:

• Biaya jauh lebih rendah dibandingkan dengan spektrometer XRF dispersif panjang gelombang.
• Kekompakan, kenyamanan, kesederhanaan, kemungkinan membuat versi desktop dan portabel.
• Keakuratan dan sensitivitas saat mengukur unsur-unsur berat tidak lebih buruk daripada spektrometer sinar-X dispersif panjang gelombang.