RENTGENOWSKA ANALIZA FLUORESCENCYJNA Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest zidentyfikowanie pierwiastków w próbkach metodą rentgenowskiej analizy fluorescencyjnej przy zastosowaniu zestawu firmy Amptek składającego się z mini lampy rentgenowskiej Mini-X oraz spektrometru promieniowania X-123 typu SDD. Zadanie polega na określeniu składu jakościowego przygotowanych próbek. Spis przyrządów. Zestaw firmy Amptek składający się z mini lampy rentgenowskiej Mini-X oraz spektrometru promieniowania X-123 typu SDD. Pytania i zagadnienia do przygotowania. 1. Budowa i działanie lampy rentgenowskiej: rysunek, opis działania, zakres długości fal promieniowania rentgenowskiego. 2. Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią (zjawisko fotoelektryczne, zjawisko Comptona, zjawisko Rayleigh a ). 3. Poziomy energetyczne atomu. 4. Zjawisko fluorescencji. 5. Detektory półprzewodnikowe. Zalecana literatura. 1. Bojarski Z., Gigla M., Stróż K., Surowiec M.: Krystalografia. Wydanie 3. PWN, Warszawa 2008. 2. Halliday D., Resnick R., Walker J., Podstawy fizyki, Tom V 3. Hermann Haken, Hans Christoph Wolf ; z jęz. ang. tł. Irena Deperasińska, Jerzy Prochorow. Physics of atoms and quanta. Atomy i kwanty : wprowadzenie do współczesnej spektroskopii atomowej 4. E. Skrzypczak, Z. Szefliński Wstęp do fizyki jądra atomowego i cząstek elementarnych, PWN 2002 5. Muchin K.N: Doświadczalna fizyka jądrowa. Fizyka jądra atomowego. Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa 1978. 6. http://amptek.com/ 1
Metoda XRF Metoda XRF (X-Ray Fluorescence) obecnie jest często wykorzystywaną techniką analityczną w badaniach niedestrukcyjnych. Zjawisko fluorescencji rentgenowskiej, wykorzystywane w tej metodzie, polega na wtórnej emisji promieniowania X z materii wzbudzonej poprzez bombardowanie wysokoenergetycznym promieniowaniem tego typu. Zjawisko to jest szeroko wykorzystywane w elementarnej analizie, a w szczególności w badaniach wyrobów metalowych, ceramicznych, szklanych oraz materiałów budowlanych. Każdy pierwiastek zawarty w analizowanej próbce, na skutek wzbudzenia promieniowaniem rentgenowskim emituje charakterystyczne dla siebie widmo. Jest ono podstawą do analizy jakościowej oraz ilościowej składu chemicznego próbki. Metoda XRF ma szczególne znaczenie w przypadku analizy warstwy przypowierzchniowej. Pod wpływem naświetlania próbki promieniowaniem rentgenowskim dochodzi do wybicia elektronów znajdujących się na wewnętrznych powłokach elektronowych. Powstałe dziury elektronowe zapełniane są przez elektrony z wyższych powłok. Towarzyszy temu emisja promieniowania rentgenowskiego o charakterystycznej dla danego pierwiastka energii. elektron swobodny krawędź absorpcji promieniowanie rentgenowskie linia fluorescencyjna Zjawisko fluorescencji 2
elektron swobodny krawędź absorpcji dziura Efekt Auger a Serie linii emisyjnych oznacza się wielkimi literami, odpowiednio: K, dla przejść na powłokę o głównej liczbie kwantowej n=1, L dla n=2, M dla n=3, itd. Linie widmowe dla poszczególnych przejść oznacza się symbolem serii i literą grecką, α dla przejść o Δn=1, β dla Δn=2 idt. z dodatkowym indeksem oznaczającym liczbę orbitalna stanu początkowego i ewentualnie końcowego. Linie K Na widmo XRF składają się: 3
linie emisyjne K i L o charakterystycznym układzie energii i intensywności maksima promieniowania lampy rozproszonego elastycznie (Rayleigh a) - linie emisyjne materiału, z którego została wykonana antykatoda lampy rentgenowskiej maksima promieniowania lampy rozproszonego nieelastyczne (linie od rozpraszania Comptona), szerokie maksima o energii nieco mniejszej niż maksima Rayleigh a promieniowanie hamowania (Bremsstrahlung), widoczne jako powiększenie poziomu tła w pomiarach wykonanych przy dużych napięciach lampy rentgenowskiej piki sumy (Sum Peaks), jednoczesne dotarcie do detektora dwóch kwantów promieniowania może zostać błędnie przypisane fotonowi o podwójnej energii. Analiza prowadzona jest przy zastosowaniu spektrometru fluorescencji rentgenowskiej, którego schemat budowy przedstawia poniższy rysunek: Lampa rentgenowska Detektor Komputer Promieniowanie X Fluorescencja Próbka 4
Zestaw doświadczalny Zestaw doświadczalny firmy Amptek składa się z mini lampy rentgenowskiej Mini-X, spektrometru promieniowania X-123 typu SDD oraz oprogramowania. Lampa rentgenowska Mini-X: Miniaturowa lampa rentgenowska zawierająca źródło wysokiego napięcia i układ sterowania przez USB. Zastępuje ona radioizotopy w rentgenowskiej analizie fluoroscencyjnej. Posiada regulację natężenia prądu i napięcia poprzez USB. Specyfikacja: Materiał tarczy: Ag (srebro) Grubość tarczy: 0,75 m Materiał okna: Be (beryl) Grubość okna: 127 m Napięcie pracy: 10-50kV Prąd lampy: 5-200 A 5
Spektrometr promieniowania X-123 typu SDD: Zestaw złożony z detektora półprzewodnikowego SDD (Silicon Drift Detector), tranzystora FET (field-effect transistor), dwustopniowego systemu chłodzenia termoelektrycznego i kolimatora. Okienko zbudowane jest z berylu o grubości 12,5 m. Powierzchnia detektora wynosi 25mm 2 (5x5mm), jego grubość wynosi 0,3mm, a powierzchnia kolimatora 17 mm 2. 6
Instrukcja 1. Włącz zestaw do sieci zasilającej. 2. Włącz komputer. 3. Umieść płytkę kalibracyjną w spektrometrze. 4. Po uruchomieniu i ukazaniu się okna Microsoft Windows kliknij myszą na ikonę programu DppMCA. 5. Po uruchomieniu programu powinno pojawić się poniższe okno. Kliknij w celu rozpoczęcia pracy w programie. 6. Otwórz listę MCA na pasku narzędzi i przejdź do ustawień. 7
7. W otwartym oknie przejdź do zakładki MCA i ustaw ilość kanałów (MCA/MCS Channels) na 2048. W tym oknie wpisz odpowiedni czas ekspozycji podany przez prowadzącego (Preset Acquisition Time). Zatwierdź klikając Zastosuj. 8. W otwartym oknie przejdź do zakładki GAIN i ustaw wzmocnienie (total GAIN) na 40 wpisując wartość i klikając Zastosuj a następnie OK. 8
9. Uruchom program obsługujący lampę rentgenowską klikając ikonkę Mini-X Controller na pasku zadań. 10. W pojawiającym się okienku kliknij Tak 11. Po uruchomieniu programu należy kliknąć Start Amptek Mini-X, aby rozpocząć pracę z lampą. 9
12. Kiedy program połączy się już z lampą rentgenowską należy wpisać odpowiednie ustawienia: Napięcie: 30 kv Natężenie: 25 A 13. Następnie należy włączyć lampę klikając i wrócić do programu DppMCA. 14. Używając ikonki Start Acqusition należy uruchomić pomiar kalibracyjny. 15. Pomiar kończy się automatycznie po odpowiednim, ustalonym wcześniej czasie. 16. Po zakończeniu pomiaru należy przejść do kalibracji. 17. Używając narzędzia Define ROI Należy zaznaczyć interesujące nas obszary: 10
Najwyższy z grupy pięciu pików Najwyższy poza tą grupą. Aby wykonać to zadanie należy kliknąć w ikonkę Define ROI, kliknąć na początek obszaru, a następnie na jego koniec i używając przycisku Add dodać obszar do interesujących. Po zdefiniowaniu obydwóch obszarów okienko należy zamknąć używając OK. 18. Klikając ikonkę należy uruchomić okno kalibracji. Wprowadzamy wartość do pierwszego okienka klikając najpierw w nie, a następnie na zaznaczony wcześniej obszar pierwszego piku. Kiedy wartość pojawi się należy kliknąć Centroid, następnie do drugiego okienka wpisać wartość 6.4 (linia K Fe) i kliknąć Add. Tę samą czynność należy wykonać dla drugiego obszaru, wpisując w drugie okienko wartość 17.48 (linia K Mo). Kalibracje kończymy klikając OK. Dane wpisujemy w konwencji angielskiej z kropką dziesiętną. 11
19. Poprawność kalibracji sprawdzamy najeżdżając linią na środek drugiego co do wysokości piku z grupy pięciu pików. Jest to pik pochodzący od linii K Cr i jego wartość powinna wynosić 5,41keV. 20. Przed kolejnym pomiarem należy wyczyścić obszar wykresu klikając dwa razy na ikonkę Delta Dpp ( Po prawej stronie przy Mode powinno wyświetlać się MCA), wchodząc w Define ROI należy usunąć dotychczasowe obszary zainteresowania (za pomocą REMOVE ) 21. Następnie należy zmienić próbkę. 22. Uruchomić lampę (tak samo jak poprzednim razem) 23. Włączyć pomiar ( ). 24. Kiedy pomiar zakończy się, należy wyłączyć lampę, zapisać plik, a następnie odczytać wartości energii poszczególnych pików i zapisać. 12
25. Korzystając z tabeli odczytać skład chemiczny próbki. 26. Używając narzędzia Delta Dpp wyczyścić obszar wykresu i przejść do badania kolejnej próbki (powtórzyć od punktu 21.). 27. Po zakończeniu pomiarów należy zamknąć programy i umieścić próbkę kalibracyjną w spektrometrze XRF. mgr Kamila Komędera, Zakład Spektroskopii Mössbauerowskiej, Instytut Fizyki, Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie 13