Espectroscopia de Fluorescência de Raios-X (XRF)

Espectrometria EDXRF - Teoria e Instrumentação

A espectroscopia de fluorescência de raios X (XRF) é cada vez mais a ferramenta analítica de escolha para a medição direta da concentração de elementos atômicos em uma ampla gama de materiais. De sólidos e pós a líquidos e filmes finos, a XRF tornou-se uma técnica quantitativa cada vez mais poderosa graças aos desenvolvimentos evolutivos contínuos e avanços revolucionários nas tecnologias de fonte de raios X, óptica e detector.

Desde a introdução de espectrômetros de XRF dispersivos de comprimento de onda comerciais em meados da década de 1950, até o desenvolvimento de instrumentos de fluorescência de raios X por dispersão de energia (EDXRF) no início dos anos 1970, a crescente disponibilidade de poder computacional acessível foi fundamental para a conveniência e aceitação do técnica. Com a ampla disponibilidade e uso do computador pessoal (PC) como a plataforma padrão da indústria em meados da década de 1980, a espectroscopia de fluorescência de raios X tornou-se uma alternativa mais simples e de menor custo de propriedade às técnicas analíticas de espectroscopia atômica anteriores.

Teoria da fluorescência de raios-X

In Fluorescência de raios X (XRF), um elétron pode ser ejetado de seu orbital atômico pela absorção de uma onda de luz (fóton) de energia suficiente. A energia do fóton (hν) deve ser maior que a energia com a qual o elétron está ligado ao núcleo do átomo. Quando um elétron do orbital interno é ejetado de um átomo (imagem do meio), um elétron de um orbital de nível de energia mais alto será transferido para o orbital de nível de energia mais baixo. Durante esta transição, um fóton pode ser emitido do átomo (imagem inferior). Essa luz fluorescente é chamada de raio-X característico do elemento. A energia do fóton emitido será igual à diferença de energia entre os dois orbitais ocupados pelo elétron fazendo a transição. Como a diferença de energia entre duas camadas orbitais específicas, em um determinado elemento, é sempre a mesma (ou seja, característica de um determinado elemento), o fóton emitido quando um elétron se move entre esses dois níveis terá sempre a mesma energia. Portanto, ao determinar a energia (comprimento de onda) da luz de raios X (fóton) emitida por um determinado elemento, é possível determinar a identidade desse elemento.

Para uma determinada energia (comprimento de onda) de luz fluorescente emitida por um elemento, o número de fótons por unidade de tempo (geralmente referido como intensidade de pico ou taxa de contagem) está relacionado à quantidade desse analito na amostra. As taxas de contagem para todos os elementos detectáveis ​​dentro de uma amostra são geralmente calculadas contando, por um determinado período de tempo, o número de fótons que são detectados para as várias linhas de energia de raios X características dos analitos. É importante notar que essas linhas fluorescentes são realmente observadas como picos com distribuição semi-Gaussiana devido à resolução imperfeita da tecnologia de detectores modernos. Portanto, determinando a energia dos picos de raios X no espectro de uma amostra e calculando a taxa de contagem dos vários picos elementares, é possível estabelecer qualitativamente a composição elementar das amostras e medir quantitativamente a concentração desses elementos. .

Excitação do tubo de raios X

Como os tubos de vácuo anteriormente comuns, Tubos de raios-X são compostos por um cátodo – que emite elétrons no vácuo – e um ânodo para coletar os elétrons, estabelecendo assim um fluxo de corrente elétrica através do tubo. Uma fonte de energia de alta tensão, por exemplo, de 4 a 150 quilovolts (kV), é conectada entre cátodo e ânodo para acelerar os elétrons para impactar o ânodo. A saída espectral de raios X de um tubo de raios X, que inclui linhas características do material do ânodo e Bremsstrahlung (frenagem) depende do material do ânodo e da tensão de aceleração.

Detectores SDD EDS

Uma nova categoria de detectores de raios-X refrigerados a Peltier, detectores de desvio de silício (SDD), são usados ​​principalmente para espectrometria de fluorescência de raios X por dispersão de energia (EDXRF), bem como para espectrometria de dispersão de energia (EDS) em microscopia eletrônica. Esta tecnologia tornou-se muito popular porque suas características, comparadas com outros detectores de raios-X, incluem taxas de contagem muito altas e resolução de energia comparativamente alta. Como outros detectores de raios-X de estado sólido, os detectores de desvio de silício medem a energia de um fóton de entrada pela quantidade de ionização que ele produz no material do detector. A principal característica distintiva de um SDD é um campo transversal gerado por uma série de eletrodos em anel que força os portadores de carga a 'desviar' para um pequeno eletrodo de coleta. Esse conceito de 'desvio' do SDD permite uma taxa de transferência além de 100,000 contagens por segundo (CPS). Os detectores SDD EDXRF da geração atual, com o transistor de efeito de campo (FET) movido para fora do caminho da radiação, são muito mais confiáveis ​​do que os dispositivos de primeira geração e representam o estado da arte atual na tecnologia de detectores EDXRF convencionais.

Processador de pulso e analisador multicanal

Os pulsos gerados pelo detector de raios X de alta resolução são processados ​​por modelagem de pulso amplificadores (processador de pulso). Como leva tempo para o amplificador moldar o pulso para uma resolução ideal, há necessariamente uma troca entre resolução e taxa de contagem. Longos tempos de processamento proporcionam melhor resolução, mas podem resultar em “acumulação de pulsos” em que os pulsos de fótons sucessivos se sobrepõem. As técnicas atuais de processamento de pulso digital de última geração dependem de métodos de filtragem linear que tentam reduzir o comprimento do pulso para melhorar o desempenho do detector. No entanto, a incapacidade de resolver pulsos muito espaçados significa que o acúmulo de pulsos continua sendo um problema. Isso resulta em taxa de transferência limitada do detector, menor precisão espectral e resolução de energia, aumento do ruído espectral e tempo morto do detector. No EDXRF, o analisador multicanal (MCA) é o componente usado para armazenar informações do processador de pulso. Cada canal corresponde a um pequeno incremento de energia e cada pulso do detector é armazenado no canal apropriado de acordo com a amplitude do pulso (ou seja, a energia do fóton).

Aplicações

Os espectrômetros EDXRF são a ferramenta de análise elementar de escolha, para muitas aplicações, pois são menores, mais simples em design e custam menos de operar do que outras tecnologias, como espectroscopia de emissão óptica de plasma indutivamente acoplado (ICP-OES) e absorção atômica (AA) ou espectroscopia de fluorescência atômica (AF). Exemplos de algumas aplicações EDXRF comuns são:

Partículas transportadas pelo ar/filtros de ar
Arqueologia
Dispositivos/implantes biomédicos
Ossos e tecidos
Materiais de construção (concreto, cimento)
Produtos de corrosão
Eletrônicos
Análise ambiental
Ciência forense
Inclusões de pedras preciosas
Geológico
Lascas de vidro
Óculos
Resíduo de tiro
Implantes
Tintas e pigmentos
Contaminação por chumbo em bens de consumo
Folhas e plantas
Fabricação
Sedimentos marinhos/oceânicos
Caracterização de materiais para reciclagem
Identificação de material
Medicina e biologia
Metais e ligas
Meteoritos
Identificação mineral
Núcleos de teste de mineração
Artefatos e moeda do museu
Filtros ópticos
Embalamento
Pintar seções transversais
Autenticidade/namoro da pintura
Tintas, tintas, pigmentos
Análise de partículas
Patologia
Farmacêutico
Limites de fase
Conformidade com RoHS, WEEE e ELV
Semicondutores
lamas
Contaminação do solo
Solos e pedras
Células solares
Esquema XRF

Esquema do experimento XRF

Esquema SDD

Diagrama simplificado de um detector SDD ilustrando a construção do anel concêntrico que permite taxas de contagem muito altas

ATLAS M microEDXRF

ATLAS X microEDXRF

1992 KAVEX Omicron Espectrômetro microEDXRF

Histórico do microEDXRF:
KAVEX Omicron de 1992

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