एक्स-रे प्रतिदीप्ति स्पेक्ट्रोमेट्री

एक्स-रे प्रतिदीप्ति स्पेक्ट्रोमेट्री (एक्सआरएफ, एक्स-रे एरोसोल, एक्स-रे प्रतिदीप्ति स्पेक्ट्रोमेट्री) विभिन्न पदार्थों और सामग्रियों में पीपीएम से 100% तक की सीमा में बी (संख्या 4) से यू (संख्या 92) तक तत्वों की सांद्रता निर्धारित करने के लिए एक विश्लेषणात्मक विधि है।

एक्स-रे प्रतिदीप्ति स्पेक्ट्रोमीटर.

अपनी बहुमुखी प्रतिभा, सटीकता और माप की गति, साथ ही उपयोग में आसानी के कारण, एक्स-रे प्रतिदीप्ति विश्लेषण ने उद्योग और विज्ञान में व्यापक अनुप्रयोग पाया है।
एक्स-रे प्रतिदीप्ति विश्लेषण नमूने में किसी तत्व की सांद्रता पर एक्स-रे विकिरण की तीव्रता की निर्भरता पर आधारित है।

जब किसी नमूने को शक्तिशाली एक्स-रे ट्यूब विकिरण प्रवाह के साथ विकिरणित किया जाता है, तो परमाणुओं का विशिष्ट फ्लोरोसेंट विकिरण उत्पन्न होता है, जो नमूने में उनकी सांद्रता के समानुपाती होता है।
तरंग-फैलाव स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करते समय, फ्लोरोसेंट विकिरण को क्रिस्टल मोनोक्रोमेटर्स का उपयोग करके एक स्पेक्ट्रम में विघटित किया जाता है, और फिर डिटेक्टरों और गिनती इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग करके, इसकी तीव्रता को मात्रात्मक रूप से मापा जाता है।
ऊर्जा-फैलाव स्पेक्ट्रोमीटर में, फ्लोरोसेंट विकिरण को अर्धचालक डिटेक्टरों (Si या Ge) के लिए एक स्पेक्ट्रम में विघटित किया जाता है, जहाँ नमूने से सभी विकिरण रिकॉर्ड किए जाते हैं और विद्युत दालों में परिवर्तित होते हैं, जो प्रत्येक तत्व की ऊर्जा पर दालों की संख्या की निर्भरता के रूप में एक स्पेक्ट्रम बनाते हैं।
गणितीय निर्भरता और सांख्यिकी के तरीकों का उपयोग करके स्पेक्ट्रम को संसाधित करके मात्रात्मक और गुणात्मक विश्लेषण किया जाता है।

एक्स-रे प्रतिदीप्ति .

एक्स-रे विश्लेषण करने के लिए, विश्लेषण किए गए नमूने के परमाणु को प्राथमिक एक्स-रे विकिरण (एक्स-रे ट्यूब या रेडियोन्यूक्लाइड स्रोत से) के उच्च-ऊर्जा फोटॉन के साथ विकिरणित किया जाना चाहिए। विकिरणित होने पर, परमाणु एक उत्तेजित अवस्था में चले जाते हैं, जिसमें इलेक्ट्रॉनों का उच्च ऊर्जा स्तरों में संक्रमण होता है। परमाणु एक सेकंड के अंश के लिए उत्तेजित अवस्था में रहता है, जिसके बाद यह जमीनी अवस्था में वापस आ जाता है। इस मामले में, बाहरी गोले से इलेक्ट्रॉन या तो परिणामी रिक्तियों को भरते हैं, और अतिरिक्त ऊर्जा एक द्वितीयक फोटॉन के रूप में उत्सर्जित होती है, या ऊर्जा बाहरी गोले से दूसरे इलेक्ट्रॉन में स्थानांतरित हो जाती है। द्वितीयक फोटॉन की ऊर्जा एक्स-रे विकिरण ऊर्जा की सीमा में होती है, जो पराबैंगनी और गामा विकिरण के बीच विद्युत चुम्बकीय दोलनों के स्पेक्ट्रम में स्थित होती है।

परमाणु में इलेक्ट्रॉन ऑर्बिटल्स को K, L, M, आदि नाम दिए गए हैं, K नाभिक के सबसे निकट का ऑर्बिटल है। प्रत्येक तत्व के परमाणु में प्रत्येक इलेक्ट्रॉन ऑर्बिटल का अपना ऊर्जा स्तर होता है। उत्सर्जित द्वितीयक फोटॉन की ऊर्जा प्रारंभिक और अंतिम ऑर्बिटल्स की ऊर्जा के बीच के अंतर से निर्धारित होती है, जिसके बीच इलेक्ट्रॉन संक्रमण हुआ था।

उत्सर्जित फोटॉन की तरंगदैर्घ्य ऊर्जा से संबंधित है। ब्रैग के नियम के अनुसार

ई = ई1-ई2 = एचसी/एल ,

जहाँ E1 और E2 उन कक्षाओं की ऊर्जाएँ हैं जिनके बीच इलेक्ट्रॉन संक्रमण हुआ, h प्लैंक स्थिरांक है, c प्रकाश की गति है, l उत्सर्जित (द्वितीयक) फोटॉन की तरंग दैर्ध्य है।

इस प्रकार, प्रतिदीप्ति तरंगदैर्घ्य प्रत्येक तत्व के लिए एक व्यक्तिगत विशेषता है और यह विशिष्ट प्रतिदीप्ति है। तीव्रता (समय की प्रति इकाई प्राप्त फोटॉनों की संख्या) संबंधित तत्व की सांद्रता (परमाणुओं की संख्या) के समानुपाती होती है। इससे नमूने में शामिल प्रत्येक तत्व के परमाणुओं की संख्या निर्धारित करना संभव हो जाता है।

एक्स-रे ट्यूब.

एक्स-रे ट्यूब प्राथमिक उच्च-ऊर्जा विकिरण का एक स्रोत है। यह एक अत्यधिक स्थिर उच्च-वोल्टेज जनरेटर द्वारा संचालित होता है।
प्राथमिक विकिरण का तंत्र प्रतिदीप्ति तंत्र के समान है, लेकिन ट्यूब एनोड सामग्री का उत्तेजना तब होता है जब उस पर उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों की बमबारी होती है, न कि प्रतिदीप्ति की तरह एक्स-रे द्वारा। ट्यूब विकिरण की वर्णक्रमीय संरचना एनोड सामग्री पर निर्भर करती है। मुख्य रूप से रोडियम Rh एनोड का उपयोग किया जाता है, लेकिन कुछ कार्यों के लिए अन्य सामग्रियों का उपयोग किया जा सकता है - Mo, Cr, Au, आदि।
एक्स-रे प्रतिदीप्ति विश्लेषण के दौरान, नमूने के सभी तत्व एक साथ विशिष्ट विकिरण के फोटॉन उत्सर्जित करते हैं। नमूने में किसी विशिष्ट तत्व की सांद्रता निर्धारित करने के लिए, नमूने से आने वाले कुल विकिरण प्रवाह से ठीक उसी तरंगदैर्ध्य (VD स्पेक्ट्रोमीटर के लिए) या उस ऊर्जा (ED स्पेक्ट्रोमीटर के लिए) के विकिरण को अलग करना आवश्यक है जो निर्धारित किए जा रहे तत्व की विशेषता है। यह नमूने से आने वाले कुल विकिरण प्रवाह को तरंगदैर्ध्य/ऊर्जाओं द्वारा विघटित करके और एक स्पेक्ट्रम प्राप्त करके किया जाता है। स्पेक्ट्रम एक वक्र है जो तरंगदैर्घ्य/ऊर्जा पर विकिरण तीव्रता की निर्भरता का वर्णन करता है।

विकिरण का स्पेक्ट्रम में अपघटन

तरंग-फैलाव स्पेक्ट्रोमीटर। जब विकिरण को एक स्पेक्ट्रम में विघटित किया जाता है (विभिन्न तरंग दैर्ध्य को अलग करते हुए), सतह के समानांतर क्रिस्टल विमानों के साथ क्रिस्टल मोनोक्रोमेटर्स और d की इंटरप्लेनर दूरी होती है, का उपयोग किया जाता है।
यदि तरंग दैर्ध्य l वाला विकिरण q कोण पर क्रिस्टल पर पड़ता है , तो विवर्तन केवल तभी होगा जब आसन्न क्रिस्टल विमानों से परावर्तन पर फोटॉनों द्वारा यात्रा की गई दूरी तरंग दैर्ध्य के एक पूर्णांक ( n ) से भिन्न होती है। कोण q में परिवर्तन के साथ, जब क्रिस्टल विकिरण प्रवाह के सापेक्ष घूमता है, तो ब्रैग के नियम के अनुसार विभिन्न तरंग दैर्ध्य के लिए क्रमिक रूप से विवर्तन होगा: nl = 2d sinq । क्रिस्टल की कोणीय स्थिति ( q ) तरंग दैर्ध्य के आधार पर सेट की जाती है चूँकि एक्स-रे प्रतिदीप्ति चोटियों का पृथक्करण तरंगदैर्घ्य और अंतरतलीय दूरी ( डी ) के अनुपात पर निर्भर करता है, इसलिए उपकरण की चयनात्मकता और संवेदनशीलता को बढ़ाने के लिए, अध्ययन किए गए नमूने के स्पेक्ट्रम को विभिन्न सामग्रियों से बने कई क्रिस्टल मोनोक्रोमेटर्स का उपयोग करके एक विस्तृत ऊर्जा सीमा में मापा जाता है। जर्मेनियम (Ge111), लिथियम फ्लोराइड (LiF200/220/440) जैसे एकल क्रिस्टल कई तत्वों के विकिरण के लिए आदर्श विश्लेषक हैं। प्रकाश तत्वों के विश्लेषण में संवेदनशीलता बढ़ाने के लिए बहुपरत सिंथेटिक कोटिंग्स का उपयोग किया जाता है।

ऊर्जा-फैलाव स्पेक्ट्रोमीटर। तरंग-फैलाव विधि के विपरीत, ऊर्जा-फैलाव निर्धारण एक साथ नमूने से द्वितीयक (विशेषता) विकिरण की संपूर्ण ऊर्जा सीमा को रिकॉर्ड करता है। स्पेक्ट्रम तत्वों की विकिरण ऊर्जा पर तीव्रता की निर्भरता है।
चयनित विकिरण तीव्रता को मापने के लिए एक्स-रे डिटेक्टर में प्रवेश करता है। तीव्रता प्रति इकाई समय में प्राप्त फोटॉनों की संख्या है।

विकिरण का पता लगाना

फ्लोरोसेंट विकिरण का पता लगाते समय, फ्लोरोसेंस ऊर्जा को एक निश्चित आयाम के वोल्टेज स्पंदों में परिवर्तित किया जाता है।

तरंगदैर्घ्य-फैलाव स्पेक्ट्रोमीटर। डिटेक्टर विभिन्न प्रकार के होते हैं। अपेक्षाकृत लंबी तरंगदैर्घ्य के लिए, हल्के तत्वों का विश्लेषण करने के लिए गैस से भरे आनुपातिक डिटेक्टर (फ्लो-थ्रू और सीलबंद) का उपयोग किया जाता है। उनका संचालन विकिरण द्वारा गैस के आयनीकरण और आयनित गैस से गुज़रने वाले विद्युत स्पंदों की संख्या के माप पर आधारित है। भारी तत्वों (छोटी तरंगदैर्घ्य के लिए) के विश्लेषण के लिए, सिंटिलेशन डिटेक्टरों का उपयोग किया जाता है, जो एक विशेष पदार्थ - एक सिंटिलेटर (NaI/Tl) की चमक के प्रति संवेदनशील एक फोटोसेल के करंट को मापते हैं जब एक्स-रे उस पर पड़ते हैं। दर्ज किए गए स्पंदों की संख्या नमूने में तत्व परमाणुओं की संख्या के सीधे आनुपातिक होती है।

ऊर्जा-फैलाव स्पेक्ट्रोमीटर। सेमीकंडक्टर सॉलिड-स्टेट डिटेक्टरों का उपयोग विशिष्ट विकिरण का पता लगाने के लिए किया जाता है; उनका संचालन सेमीकंडक्टर के अंदर आयनीकरण पर आधारित होता है। सेमीकंडक्टर डिटेक्टर में एक संवेदनशील क्षेत्र बनाया जाता है, जिसमें कोई मुक्त आवेश वाहक नहीं होते हैं। इस क्षेत्र में प्रवेश करने के बाद, एक आवेशित कण आयनीकरण का कारण बनता है, तदनुसार, चालन क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन दिखाई देते हैं, और वैलेंस क्षेत्र में छिद्र होते हैं। संवेदनशील क्षेत्र की सतह पर जमा इलेक्ट्रोड पर लागू वोल्टेज के प्रभाव में, इलेक्ट्रॉन और छिद्र चलते हैं, और एक करंट पल्स बनता है। सेमीकंडक्टर क्रिस्टल पर कई kV तक का वोल्टेज लगाया जाता है, जिससे डिटेक्टर वॉल्यूम में कण द्वारा बनाए गए सभी चार्ज का संग्रह सुनिश्चित होता है। इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े इलेक्ट्रोड की ओर बढ़ना शुरू करते हैं। इस आंदोलन के परिणामस्वरूप, एक विद्युत पल्स उत्पन्न होता है, जिसे फिर गिनती इलेक्ट्रॉनिक्स द्वारा प्रवर्धित और रिकॉर्ड किया जाता है। सेमीकंडक्टर डिटेक्टर मुख्य रूप से Si या Ge से बना होता है, विश्लेषण के दौरान पेलेट प्रभाव या तरल नाइट्रोजन का उपयोग करके डिटेक्टर को ठंडा करना आवश्यक होता है।

इलेक्ट्रॉनिक्स की गिनती

गिनती करने वाला इलेक्ट्रॉनिक्स डिटेक्टरों से आने वाली पल्स की संख्या और आयामों के अनुरूप ऊर्जा स्तरों को रिकॉर्ड करता है।
आधुनिक एम्पलीफायर और पल्स एनालाइज़र 2 सेकंड से भी कम समय में संतोषजनक सांख्यिकीय माप त्रुटि प्राप्त करने की अनुमति देते हैं। हल्के तत्वों के लिए और साथ ही पता लगाने की सीमा के करीब सांद्रता वाले तत्वों के विश्लेषण के लिए अधिक समय की गिनती की आवश्यकता होती है, क्योंकि इस मामले में, कम ऊर्जा वाले फोटॉनों की एक छोटी संख्या का विश्लेषण आवश्यक है।
माप परिणामों का विश्लेषण और प्रसंस्करण स्वचालित रूप से किया जाता है। इस उद्देश्य के लिए, सॉफ्टवेयर पैकेज (कंप्यूटर प्रोग्राम) के रूप में विश्लेषण विधियों को विकसित किया गया है। माप के दौरान, सॉफ्टवेयर निर्दिष्ट विश्लेषण कार्यक्रम के अनुसार सभी स्पेक्ट्रोमीटर इकाइयों को नियंत्रित करता है। स्वचालित नमूना फीडर वाले सभी आधुनिक स्पेक्ट्रोमीटर विश्लेषण को लगातार और ऑपरेटर के हस्तक्षेप के बिना करने की अनुमति देते हैं, और माप पूरा होने पर, सांद्रता की गणना की जाती है। विश्लेषण के परिणाम इलेक्ट्रॉनिक रूप से स्वचालित रूप से निर्दिष्ट पतों पर प्रेषित किए जाते हैं या आगे की प्रक्रिया के लिए माप डेटाबेस में जमा किए जाते हैं।

एक्स-रे स्पेक्ट्रोमीटर के प्रकार

वेव-डिस्पर्सिव (WD) एक्स-रे स्पेक्ट्रोमीटर। एक्स-रे प्रतिदीप्ति स्पेक्ट्रोमीटर, जिसमें क्रिस्टल मोनोक्रोमेटर्स का उपयोग करके विशिष्ट विकिरण प्राप्त किया जाता है, उन्हें "वेव-डिस्पर्सिव" कहा जाता है। WD को सीरियल और समानांतर (क्वांटोमीटर) प्रकार के स्पेक्ट्रोमीटर में विभाजित किया जाता है।

अनुक्रमिक स्पेक्ट्रोमीटर

इस प्रकार के स्पेक्ट्रोमीटर में, किसी भी संख्या में तत्वों के एक्स-रे विकिरण की प्रत्येक अभिलक्षणिक रेखा को एक चल क्रिस्टल मोनोक्रोमेटर और एक उच्च परिशुद्धता गोनियोमीटर (कोण मापने के लिए एक उपकरण) का उपयोग करके क्रमिक रूप से पृथक किया जाता है, जो एक कंप्यूटर नियंत्रित घूर्णन डिवाइस के साथ युग्मित होता है।

अनुक्रमिक वी.डी. स्पेक्ट्रोमीटर के लाभ:

• किसी भी संख्या के तत्वों की परिभाषा.
• प्रत्येक तत्व के लिए इष्टतम माप स्थितियाँ प्रोग्राम की जाती हैं।
• उच्च संवेदनशीलता, कम पहचान स्तर.
• समानांतर स्पेक्ट्रोमीटर की तुलना में कम लागत।

समानांतर प्रकार के स्पेक्ट्रोमीटर

समानांतर स्पेक्ट्रोमीटर के साथ, माप एक साथ (समानांतर में) किए जाते हैं। तत्वों के विशिष्ट विकिरण की तीव्रता को नमूने के चारों ओर स्थित कई ट्यून किए गए निश्चित "चैनलों" का उपयोग करके एक साथ मापा जाता है। यह कहा जा सकता है कि प्रत्येक चैनल एक अलग स्पेक्ट्रोमीटर है जिसमें एक क्रिस्टल मोनोक्रोमेटर और डिटेक्टर होता है जो एक तत्व की एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य प्राप्त करने के लिए ट्यून किया जाता है।

समानांतर स्पेक्ट्रोमीटर के लाभ:

• उद्योग में इन-लाइन गुणवत्ता नियंत्रण के लिए उपयोग किए जाने पर विश्लेषण की उच्चतम गति - तकनीकी प्रक्रिया का एक्सप्रेस विश्लेषण।
• कम गतिशील भाग, औद्योगिक वातावरण में उत्कृष्ट विश्वसनीयता

ऊर्जा प्रसारक स्पेक्ट्रोमीटर

ईडी स्पेक्ट्रोमीटर के लाभ:

• तरंगदैर्घ्य-फैलाव वाले XRF स्पेक्ट्रोमीटर की तुलना में लागत काफी कम है।
• कॉम्पैक्टनेस, सुविधा, सरलता, डेस्कटॉप और पोर्टेबल संस्करण बनाने की संभावना।
• भारी तत्वों को मापने में सटीकता और संवेदनशीलता तरंगदैर्घ्य-फैलाव एक्स-रे स्पेक्ट्रोमीटर से खराब नहीं है।