تاثیر چگالی حجمی Co بر نسبت Kβ/ Kα درآنالیز XRF

دسته	شیمی و آنالیز دستگاهی
گروه	سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری	بیست و پنجمین گردهمائی علوم زمین
نویسنده	مینو کریمی
تاريخ برگزاری	۰۲ اسفند ۱۳۸۵

مقدمه:

اسپکترومتری XRF سالهاست به عنوان یک روش کیفی و کمی در آنالیز انواع گوناگون نمونه ها مورد استفاده قرار می گیرد. در این نوع اسپکترومتری نمونه توسط پرتو ایکس بمباران و تهییج می شود. اتمها در بازگشت به حالت پایه ای پرتو ایکس مشخصه خود را تابش می کنند. طیف نشری تولید شده جهت آنالیز نمونه مورد استفاده قرار می گیرد.

مختصری درباره طیف پرتو ایکس عناصر :

اتم هر عنصر از یک هسته مرکزی تشکیل شده است که الکترونها در لایه ها و زیر لایه هایی به دور آن می چرخند. چنانچه الکترونى از اتم به وسیله هر عاملی مثلا گرما، انواع پرتوهای الکترومغناطیس مانند پرتو ایکس یا گاما و یا هر ذره بنیادی باردار یا بدون بار، انرژی دریافت کند از مدار خود خارج میشود. این حالت اتم، ناپایدار است و الکترونی از لایه های بالاتر،جای خالی آن را پر خواهد کرد و اختلاف انرژی این دو لایه به صورت فوتون تابش می شود. در مواردی که انرژی تهییج کننده به حدی باشد که بتواند به لایه های داخلی اتم نفوذ کند و در آنها یونیزاسیون ایجاد نماید، انرژی پرتو الکترومغناطیسی تابش شده، در حد چند کیلو الکترون ولت یعنی در محدوده پرتو ایکس خواهد بود. شکل زیر عبورهای مجاز بین لایه های الکترونی یک اتم را نشان می دهد.

برطبق این شکل چنانچه یونیزاسیون در داخلی ترین لایه الکترونی یعنی K اتفاق بیفتد، عبورهای الکترونی مختلفی از لایه های بالاتر ممکن است انجام شود و در نتیجه پرتوها با انرژی ها (طول موج ها)ی مختلفی تابیده خواهند شد. به دلیل نزدیکی انرژی بعضی از این پرتوها با یکدیگر، در اسپکترومترهای XRF ، حتی با آشکارسازهای با قدرت جداسازی بالا، امکان تشخیص تک تک این خطوط وجود ندارد. معمولا هر دسته از این خطوط طیفی بر روی هم منطبق می شوند و یک خط طیفی را به وجود می آورند. چنانکه در شکل بالا نشان داده شده است خط Kα جمع دو خط طیفی و خط Kβ جمع هشت خط طیفی می باشد. به طور خلاصه می توان گفت عبور الکترونی از لایه L به لایهK خط Kα و عبور از لایه های MوN به لایه K ، خط Kβ را به وجود می آورد. یکی از تفاوتهای اساسی طیف پرتو ایکس با طیفهای نشری دیگر این است که انرژی خطوط Kα یا Kβ یا هر یک از خطوط دیگر به تدریج با عدد اتمی افزایش پیدا می کند. به علت محدودیت در قدرت جداسازی آشکارساز خط Kβ یک عنصر ممکن است از خط Kα عنصربا عدد اتمی یک واحد بیشتر، قابل جداسازی نباشد. به عنوان مثال خط CuKβ و ZnKα به ترتیب با انرژی ۸.۹۱ و ۸.۶۳ کیلو الکترون ولت، در طیف پرتو ایکس به طور کامل قابل تفکیک نیستند. در چنین مواردی، مخصوصا در بررسی کمی این عناصر، اشکال به وجود خواهد آمد. چنانچه داده های مربوط به شدت نسبی Kβ/ Kα در دسترس باشند، می توان آلودگی طیفی را محاسبه و حذف نمود. تا کنون برای تعیین شدت نسبی خطوط K عناصر مختلف اندازه گیری های بسیاری انجام شده است(۱-۶)، بر طبق پیش بینی تئوری (۷)، چنانکه تهییج با انرژی های بسیار بالا انجام گیرد، شدت نسبی خطوط، مستقل ازانرژی و نوع عامل یونیزه کننده خواهد بود. علت این امر این است که هر دو خط Kα و Kβاز انتقال به لایه K ناشی می شوند.

احتمال انتقال از لایه Lبه لایهK * احتمال یونیزه شدن لایهK = احتمال تولید Kα

جمع احتمال انتقال از لایه MوN * احتمال یونیزه شدن لایهK = احتمال تولید Kβ

جمع احتمال انتقال از لایه MوN /احتمال انتقال از لایه Lبه لایهK = Kβ /Kα

با توجه به اینکه احتمال های انتقال الکترونی بین لایه های مختلف، صرفا وابسته به اتم و مستقل از عامل یونیزه کننده است بنابراین باید نسبت Kβ/ Kαثابت باشد. در مواردی که تولید طیف پرتو ایکس نمونه، با استفاده از ذرات پرانرژی انجام می گیرد، گزارش های بسیاری ثابت بودن نسبت Kβ/ Kαرا نشان می دهند ( ۱- ۶) و ( ۹ ). در صورتی که تو لید طیف پرتو ایکس با استفاده ازتابش پرتو ایکس انجام گیرد

۱> (XRF ( از آنجا که انرژی آن قابل مقایسه با انرژی بستگى الکترون هاست، امکان دارد که الکترون خارج شده از لایه K به طور کامل از وابستگی هسته خارج نشود ویا انرژی جنبشی آن در حدی باشد که بتواند الکترون های لایه های بالاتر را جابجا نماید( ۱۴-۱۰ ) . این پدیده ها در صورت وقوع، توزیع الکترونی لایه های بالاتررا تغییر می دهد. واضح است این تغییرات می توانند نسبت Kβ/ Kαرا تغییردهند. Raghavaiah و همکارانش تأثیر ترکیب شیمیایی عناصری را که زیر لایه ۳d آنها پر نشده است بر نسبت Kβ /Kα بررسی کردند. نتیجه این بررسی نشان می دهد که حد اکثر این تأثیر در مورد عنصر وانادیم به حدود ۹% می رسد.(۱۵)

۴>

موضوع مهم دیگرى که می تواند برروی شدت نسبی خطوط K تأثیر بگذارد و در پژوهش حاضر از اهمیت ویژه اى برخوردار است چگالى حجمى عنصر مورد مطالعه در نمونه (هدف) ضخیم است. توضیح اینکه در دستگاه XRF مورد استفاده، نمونه به شکل قرص پرس شده که یک هدف ضخیم محسوب مى شود به دستگاه داده می شود. به این دلیل پرتو ایکس به لایه های داخلی نمونه نفوذ می کند. در پژوهشهای بسیاری انواع تأثیرات متقابل پرتو ایکس با ماده مانند فتویونیزاسیون، پراکندگی الاستیک و غیر الاستیک و غیره بررسی شده اند. داده های مربوط به این پژوهش توسط Brunett وهمکارانش گردآوری شده است. .(۸)

۴> پرتوهای Kα و Kβتولید شده درلایه های داخلی، ضمن عبور از نمونه بخشی از شدت خود را از دست می دهند. واضح است که Kα به دلیل کم انرژی بودن، بیشتر در هدف جذب می شود ولی باید توجه داشت که جذب Kα نمی تواند منجر به تولید Kβ که پرانرژی تر است گردد، از طرف دیگر، جذب Kβ در داخل قرص در صورت بالا بودن چگالى حجمى عنصر مورد مطالعه می تواند مجددا لایه K را تحریک نموده و Kα تابش کند. بنابراین در چنین مواردى افزایش انرژی پرتو ایکس تهییج کننده می تواند باعث افزایش نسبت Kβ/ Kαگردد. اندازه گیری تجربی این نسبت می تواند به بررسی صحت و دقت تئوریهای موجود در این مورد کمک کند.

۱>

۱> بررسی تجربی شدت نسبی خطوط K :

۵> در طیف پرتو ایکس عناصر سبک، خطوط Kα وKβ از نظر انرژی (طول موج) بسیار به هم نزدیکند. به طوری که معمولاحتی آشکارسازهای بسیارقوی نمی توانند آنها را از یکدیگر جدا کنند. در مورد عناصر سنگین بر عکس، خطوط ۱Kβ و۲Kβ و... ازیکدیگر جدا می شوند. بنابراین برای بررسی شدت نسبی خطوط، بهتر است از عناصر با عدد اتمی متوسط استفاده شود. در این پژوهش عنصر کبالت برای این منظور انتخاب شده است.

۱>

۱> مواد مورد استفاده:

۱> نمک استاندارد اکسید کبالت۳ ،نیترات کبالت ۲و کلرید کبالت ۲

۱> وکس سی

۱> بوراکس

۱>

۱> ابزارو دستگاهها:

۱> ۱-دستگاه XRF مدل Magix_Pro ساخت کمپانی فیلیپس هلند بوده، هدف لامپ آن از جنس فلز رودیم و حداکثرتوان آن ۴کیلووات می باشد. دتکتور مورد استفاده در این تحقیق از نوع داپلکس مى باشد. این دتکتور ترکیبى از دتکتورهاى فلو وزنون مهر و موم شده است. کریستال پراش دهنده از نوع LiF ۲۰۰ انتخاب شد.

۱>

۲- دستگاه پرس هیدرولیک با قدرت ۲۰ ton برای تهیه قرص پرس شده

بررسى طیف پرتو ایکس:

۲>

نمونه قرص آماده شده از نمکهاى عنصر کبالت با وزن هاى مختلف در جریانهای ثابت و ولتاژهای متغیر لامپ اشعه ایکس، هر مورد در مدت زمان ۵۰ ثانیه تحت تابش قرار گرفته و طیف آن مورد بررسی قرار گرفت و نسبت Kβ /Kα محاسبه گردید. نتایج حاصل از بررسى طیف اشعه ایکس قرص تولید شده از یک گرم اکسید کبالت ۳ در جدول زیر ارایه گردیده است:

Co۲O۳

۶۰

۵۰

۴۰

۳۰

۲۰

۱۰

Kα/ Kβ

۸.۵۰

۷.۷۴

۷.۰۶

۶.۹۱

۵.۹۶

مینو کریمی، فوق لیسانس تکنولوژی هسته ای، دانشگاه تهران، 1357، رییس گروه تحقیقات ایزوتوپی، سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور

نیره امیری، فوق لیسانس شیمی تجزیه، دانشگاه تربیت مدرس، 1379، کارشناس XRF سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور

چکیده:

شدت نسبی خطوط Kα وKβ برای عنصر کبالت در آنالیز اسپکترومتری XRF نمونه های ضخیم این عنصر با چگالی های حجمی متفاوت تحت جریانها و ولتاژهای مختلف لامپ اشعه ایکس اندازه گیری شد. تغییرات شدت نسبی Kβ/ Kαبر حسب انرژی اشعه ایکس محاسبه و ترسیم گردید. بررسیهای تجربی نشان داد که در چگالی های بالا با افزایش انرژی لامپ نسبت Kβ/ Kα برای عنصر کبالت افزایش می یابد.با توجه به اینکه تئوری نسبت Kβ/ Kα را برای همه عناصر ثابت و مستقل از عامل تهییج کننده پیش بینی می کند، علل تغییر این نسبت ها مورد بررسی قرار گرفت .دستگاه اسپکترومتر مورد استفاده مدل Magix_Pro ساخت کمپانی فیلیپس هلند بوده است.

Abstract:

The relative intensity of Kα compared to Kβ line for Co in thick target with different volume densities of this element has been measured by XRF spectrometer, Magix Pro model. The measured conditions are as follow: tube current rang 10-60 Ampers, and voltage 20-60 volts. Our studies show that in thick target measurement of high density targets the Kα/ Kβ ratio increases with increasing exciting x-ray energy. As Kα/ Kβ ratio is theoretically constant and independent of exciting energy, the changes of this ratio with energy were experimentally studied.

کلید واژه ها: بوشهر