X-Ray Fluorescence(XRF)

Chia sẻ: Doan Quang Vinh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

1.092
lượt xem 188
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

• XRF (huỳnh quang tia X) là kỹ thuật quang phổ được sử dụng chủ yếu với các mẫu rắn,trong đó sự phát xạ tia X thứ cấp được sinh ra bởi sự kích thích các điện tử của mẫu bằng nguồn phát tia X. • Dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra mà phân tích được thành phần hóa học của vật rắn

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: X-Ray Fluorescence(XRF)

X-Ray Fluorescence X-Ray Fluorescence(XRF) (Phổ huỳnh quang tia X ) TS. Nguyễn Ngọc Trung GV : Nội Dung Chính 1.Giới thiệu XRF 2.Cơ chế phát huỳnh quang tia X 3.Thiết bị phân tích XRF 3.1 WD XRF 3.2 ED XRF 4. Ứng dụng 5. Ưu nhược điểm TS : Nguyễn Ngọc Trung 1
X-Ray Fluorescence 1.Giới Thiệu XRF XRF (huỳnh quang tia X) là kỹ thuật quang phổ được sử dụng chủ • yếu với các mẫu rắn,trong đó sự phát xạ tia X thứ cấp được sinh ra bởi sự kích thích các điện tử của mẫu bằng nguồn phát tia X. • Dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra mà phân tích được thành phần hóa học của vật rắn. • XRF có độ chính xác cao,có khả năng phân tích đồng thời nhiều nguyên tố ,mẫu phân tích không bị phá huỷ. • Giới hạn phân tích thường từ 10 đến 100 ppm trọng lượng những nguyên tố. + Tia X ( tia Rơnghen) được phát minh ra năm 1895. Tia X thực chất là bức xạ điện từ , bước sóng ngắn 0,01Å-10Å và có năng lượng từ 1.25 – 100 keV. Năng lượng của tia X được tính theo bước sóng theo công thức : hc E= λ hoặc : 12.398 E= λ trong đó E tính bằng KeV còn λ tính bằng Å 2.Cơ chế phát XRF a)Nguồn phát tia X :thường sử dụng ống phóng tia X. Cấu tạo gồm một buồng chân không (áp suất cỡ 10−6 đến 10−8 mmHg), và hai điện cực (Anốt và Catốt) Khi chùm e phát ra từ Catốt (bị đốt nóng ) sẽ được gia tốc bởi điện trường giữa 2 điện cực ở trong buồng chân không tới đập vào an ốt (bia) và phát ra tia X. Tia X phát ra từ ống phóng được gọi là tia X đặc trưng, cường độ của tia X thay đổi tuỳ thuộc điện áp đặt vào 2 điện cực . Chùm tia X có năng lượng lớn từ ống phóng tia X hoặc một nguồn phát xạ được chiếu vào nguyên tử vật liệu (mẫu phân tích) . Năng lượng này được nguyên tử hấp thụ gần như hoàn toàn,và đủ để làm cho điện tử lớp trong cùng bay ra (hiện tượng quang điện ). Sự phát xạ của điện tử lớp trong cùng sẽ để lại một lỗ trống, làm cho nguyên tử ở trạng thái không bền vững. TS : Nguyễn Ngọc Trung 2
X-Ray Fluorescence Khi nguyên tử chuyển sang trạng thái bền vững, điển tử ở vành ngoài sẽ nhảy vào lấp lỗ trống . Nếu một electron ở vành L nhảy vào lấp lỗ trống ở vành K giải phóng năng lượng dưới dạng sóng điện từ hay còn gọi là tia X thứ cấp ,Có giá trị là : E = φK − φL Quá trình dịch chuyển này cũng có thể xảy ra giữa vành K với các vành khác cao hơn như M, N,.. TS : Nguyễn Ngọc Trung 3
X-Ray Fluorescence Sơ đồ sự chuyển mức của các điện tử trong nguyên tử TS : Nguyễn Ngọc Trung 4
X-Ray Fluorescence Sự dịch chuyển e và phát tia x tuân theo quy tắc chọn lọc • Δn ≥ 1 • Δl = ±1 • Δj = ±1 hoặc 0 K LI LII LIII MI MII MIII MIV MV n1 2 2 2 3 3 3 3 3 l 0 0 1 1 0 1 1 2 2 s +½ +½ ½ +½ +½ ½ +½ ½ +½ j ½ ½ ½ 1½ ½ ½ 1½ 1½ 2½ TS : Nguyễn Ngọc Trung 5
X-Ray Fluorescence Cấu trức mức năng lượng của electron trong nguyên tử : Một e trong nguyên tử đặc trưng bởi 4 số lượng tử: • số lượng tử chính : n n= 1 2 3 4 5 …. Lớp K L M N O …. • Số lượng tử phụ : l l= 0,1,2,…(n1). • Số lượng tử từ : ( m) m= l, l+1,..0,..l1,l • số lượng tử spin : (S) s= ± ½ Ngoài ra còn có số lượng tử j : j=l ±s • Với mỗi vạch đặc trưng ta tính được bước sóng của các vạch tương ứng . TS : Nguyễn Ngọc Trung 6
X-Ray Fluorescence Ví dụ : vạch kα có bước sóng tương ứng : λ Kα 1 = 12.398 kα 1 Bước sóng của các vạc tương ứng của các nguyên tố. Năng lượng tia X ở vành K cuả các nguyên tố trải rộng từ vài keV tới khoảng 100 keV ,còn các tia X ở vành L thì ở cực đại khoảng 20 keV . Trong ứng dụng thực tiễn phân tích nguyên tố thường đo các tia X có năng lượng từ vài keV tới vài chục keV . Đối với nhiều nguyên tố thì các tia X ở vành K luôn là sự ưu tiên lựa chọn . TS : Nguyễn Ngọc Trung 7
X-Ray Fluorescence Đồ thị phân giải năng lượng của một số nguyên tố TS : Nguyễn Ngọc Trung 8
X-Ray Fluorescence VD :Của Pb ( năng lượng của vạch K lớn hơn hẳn các vạch L) TS : Nguyễn Ngọc Trung 9
X-Ray Fluorescence ự khác nhau giữa quá trình tạo điện tử Auger và huỳnh quang tia S X (Chúng khác nhau cơ bản ở năng lượng ) TS : Nguyễn Ngọc Trung 10
X-Ray Fluorescence 3.Thiết bị phân tích tia X • Muốn phân tích XRF thì ta có thể đo năng lượng và cường độ của tia X . 2 phương pháp đo : + Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence (WDXRF) (phân giải bước sóng của huỳnh quang tia X ). + EDXRF (phân giải năng lượng của huỳnh quang tia X) . • Yêu cầu về mẫu phân tích : Về nguyên tắc có thể phân tích mẫu nước, mẫu rắn, hoặc mẫu lỏng . Tuy nhiên mẫu bột thường được sử dụng nhiều nhất .Mẫu bột được nghiền mịn, kích thước hạt cỡ 100-200 mesơ (mesh-số mắt trên một inch vuông ). Hộp đựng mẫu phải làm bằng vật liệu không gây nhiễu cho các tia X huỳnh quang mà ta muốn đo. Hoặc mẫu bột được nén thành viên mỏng, bề mặt nhẵn và phẳng thì không cần hộp đựng mẫu . 3.1 WDXRF (warelength disperse) Cấu tạo gồm : ống phóng tia X, mẫu phân tích, ống trực chuẩn, tinh • thể , đầu dò , bộ khuếch đại và thiết bị hiển thị kết quả. TS : Nguyễn Ngọc Trung 11
X-Ray Fluorescence • Bước sóng của tia X có thể đo được dựa vào : Định luật Bragg : 2dsinθ=nλ Trong đó : n là số nguyên λ là bước sóng d là khoảng cách giữa 2 lớp nguyên tử θ là góc tạo bởi tia X và mặt phẳng tinh thể . Vì khoảng cách d cố định ứng với mỗi loại tinh thể nên giá trị cực đại của λ là 2d . Như vậy muốn đo giải sóng rộng phải sử dụng nhiều loại tinh th ể khác nhau → đây là một hạn chế của phương pháp đo phân bố bước sóng. WDS(wavelength disperse spectrometer): Gồm 2 loại : đơn kênh và đa kênh + đơn kênh ,giá khoảng 60.000$ + đa kênh ,giá khoảng 150.000$ TS : Nguyễn Ngọc Trung 12
X-Ray Fluorescence TS : Nguyễn Ngọc Trung 13
X-Ray Fluorescence VD : máy phân giải bước sóng đa kênh : TS : Nguyễn Ngọc Trung 14
X-Ray Fluorescence TS : Nguyễn Ngọc Trung 15
X-Ray Fluorescence 3.2 : ED (Energy Disperse ) Phương pháp này hoạt động dựa trên định luật : E=hv=hc/ λ . • Phương pháp này có đặc điểm năng lượng nguồn tia X s ơ c ấp thay đổi đối với các nguyên tố và sử dụng kính lọc để thu được tín hiệu có λ đặc trưng cho mỗi nguyên tố . • Sơ đồ thiết bị : TS : Nguyễn Ngọc Trung 16
X-Ray Fluorescence Trong phương pháp EDXRF , năng lượng tia X phát ra bởi mẫu sẽ được thu nhận bởi một detector Silic và quá trình được xử lý bằng một máy đo chiều cao xung. Máy tính sẽ phân tích dữ liệu cho năng lượng đem lại từ đó s ẽ phân tích thành phần các nguyên tố của mẫu. Giới thiệu thiết bị sử dụng phương pháp ED : Máy Lab X3500 là máy huỳnh quang tia X để bàn dùng phân tích nhanh thành phần hoá của bột liệu, xi măng thành phẩm và đá vôi có hàm lượng canxi cao. Máy Lab-X3500 là loại máy có phổ kế loại tuần t ự, đo từng nguyên tố, với ống phát tia X hiệu điện thế 25kV. Máy được đi ều khiển bằng bộ phần mềm ASP3500. CẤU TẠO MÁY LAB– X3500 Máy huỳnh quang tia X Lab-X3500 có những bộ phận chính sau : - Ống phát tia X (X-Ray tube) : tạo ra nguồn phát tia X t ập trung và có năng lượng cao. - Detector : thiết bị ghi nhận tín hiệu cường độ của tia X đ ặc tr ưng cho từng nguyên tố phát ra từ mẫu. - Bộ lọc chùm tia sơ cấp (primary beam filter): lọc chùm tia X đ ặc tr ưng của nguyên tố chế tạo anot của ống phát tia X. TS : Nguyễn Ngọc Trung 17
X-Ray Fluorescence - Bộ lọc chùm tia thứ cấp (seconary beam filter): khi đo t ừng nguyên tố có trong mẫu, cần loại bỏ nhiễu bởi nguyên tố khác, bộ lọc thứ cấp lọc tia X đặc trưng bức xạ từ mẫu của nguyên tố đó. - Ống chuẩn trực (collimator): chỉ cho chùm tia X đi theo một phương. Buồng phổ kế (spectrometer tank): buồng làm việc khi phân tích. - - Thiết bị giữ viên nén(pellet holder hoặc cassette) : h ộp ch ứa mẫu đưa mẫu vào vị trí phân tích. Bộ xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả. - Ống phát tia X. Ống phát tia X của máy gồm 1 ống trụ bằng h ợp kim Titanium. Bên trong có anot làm bằng Paladium, catôt làm bằng sợi Vonfram. Nguồn điện cấp cho ống phát 25kV. Ngoài ra, có biến thế cung cấp dòng điện nung nóng catot theo hiệu ứng Jun. Do tác dụng nhiệt điện tử bật ra khỏi catot và được gia tốc nhờ hiệu điện thế rất lớn giữa anot và catot. Đi ện t ử trong môi trường có hiệu điện thế cao có động năng rất lớn đ ập vào anot. Gần 1% công suất của chùm điện tử đập vào anot chuyển thành tia X, phần còn lại biến thành nhiệt làm nóng anot. Do đó anot đ ược làm mát bằng hệ thống khí. Ống phát tia X có độ chân không cao ~ 10 -7 mm Hg, để không xảy ra hiện tượng phóng điện và sợi đốt không bị oxy hoá. Tia X phát ra từ anot chiếu vào mẫu phân tích nh ờ cửa s ổ. C ửa sổ là l ớp Be mỏng hàn kín với ống tia X. Vì Be là nguyên t ố nh ẹ nên tia X xuyên qua ít Tia X Catot bị hấp thụ nhưng lớp Be đủ ngăn cản không cho không khí lọt vào. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo ống phát tia X Anot Dòng điện tử 220V AC 220V AC TS : Nguyễn Ngọc Trung Hiệu điện thế cao 18
X-Ray Fluorescence Detector Detector dùng trong máy Lab-X3500 là loại detector đếm tỷ lệ, khí neon, hàn kín. Detector khí hàn kín dùng cho máy là detector cố định. Ống đếm khí hàn kín (multitron và exatron) có cửa s ổ Bery dầy 25- 200µm. Gồm hình trụ kim loại gọi là catot, trong có m ột s ợi dây kim lo ại mảnh 50-75µm nằm giữa tâm gọi là anot, giữa hai điện cực có một hiệu điện thế >1000V. Tia X đi xuyên qua được cửa sổ này nh ưng ngăn không cho khí đi qua. Ống được nạp khí Neon, áp suất trong ống khoảng 300- 700mmHg. Với mỗi loại khí xác định, các photon tới đều tạo các cặp ion hóa, số cặp sẽ tỷ lệ với cường độ dòng photon. Khi có một lượng tử tia X lọt qua cửa sổ, lượng tử này va chạm với các phân tử khí, làm ion hoá các phân tử này. Các ion (+) bị hút về phía catot, các ion (-) chuyển động về phía sợi dây kim loại (anot). Do ph ản ứng dây chuyền của va chạm các phân tử khí, nên số các ion được sinh ra gấp 10 2- 106 tuỳ thuộc vào hiệu điện thế tác dụng và chất khí nạp trong detector. Chất khí có tác dụng khuếch đại điện tích. Mỗi lượng t ử tia X qua c ửa s ổ tạo thành một xung điện. Xung này tỉ lệ với cường độ của lượng tử tia X. Detector chuyển các xung này tới bộ xử lý tín hiệu, chuyển đổi tín hiệu xung thành tín hiệu điện, kết quả được in ra màn hình hoặc máy in. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo detector. TS : Nguyễn Ngọc Trung 19
X-Ray Fluorescence Phần mềm điều khiển máy Lab-X3500. Phần mềm điều khiển máy ASP3500 được cài đặt trong máy, t ương thích với cấu hình chuẩn của máy, chỉ hoạt động tốt với các ph ương pháp phân tích được nhà sản xuất nạp sẵn trong máy. Thông số kỹ thuật Nguồn điện cấp cho máy : 100-120V 45/65Hz hoặc 220-240V 45/65Hz Bộ cấp nguồn cao thế : 25kV(XMP25P1) Ống phát tia X : Ống bằng Titan. Ống phát 25kV anot Pd Loại detector : Detector hàn kín khí Neon đếm tỷ lệ. Detector thường L3NE. Neon detector (higher performance, LT3NE). Khí trơ : Khí Heli độ tinh khiết ≥99%. TS : Nguyễn Ngọc Trung 20