Esta página presenta componentes clave del Analizador de Fluorescencia de Rayos X Dispersivo de Energía (EDXRF). El analizador de EDXRF consta de los siguientes componentes clave y la siguiente figura muestra un diagrama esquemático de los analizadores de EDXRF de mesa más básicos.
Ya me lo imagino. Diagrama esquemático de un analizador básico de EDXRF de sobremesa
Todos los espectrómetros XRF requieren una fuente de rayos X, y estos suelen ser proporcionados por un generador in situ o, con menor frecuencia, por un material radioisótopo.
Un generador típico de rayos X hace pasar una corriente eléctrica a través de un filamento, lo que provoca la emisión de electrones. Estos electrones son luego acelerados por un alto voltaje (normalmente entre 20 y 100kV) hacia un ánodo (objetivo). La desaceleración de los electrones al impactar el ánodo provoca la emisión de un amplio continuo de rayos X. Esta radiación se conoce como bremsstrahlung (alemán: radiación de frenado). Además, una fracción de los electrones provocará una fluorescencia característica de rayos X del material ánodo.
Así, la emisión de rayos X de un generador comprenderá tanto el bremsstrahlung ancho y relativamente débil, superpuesto por líneas de fluorescencia características muy intensas y nítidas procedentes del material objetivo.
Se utiliza una fina ventana de berilio para permitir que los rayos X salgan del generador y se coloquen sobre la muestra.
El material objetivo, la corriente del filamento y el voltaje de aceleración tienen un efecto significativo en la salida final de un generador de rayos X.
Objetivo (ánodo)
El material objetivo es un componente fijo del generador: existen generadores con diferentes materiales objetivo (por ejemplo, Mo, Rh, W), pero estos no pueden ser conmutables dentro de una sola unidad generadora. Una parte clave de la salida del generador se forma a partir de la fluorescencia característica de rayos X del material objetivo. Dado que el rendimiento de fluorescencia aumenta con la masa atómica, se observará un aumento de salida a un voltaje/corriente fijo al usar materiales objetivo de masa atómica más alta. Además, las energías de las líneas de fluorescencia variarán según el material utilizado y, como resultado, diferentes materiales objetivo pueden resultar en una excitación más o menos eficiente de determinados elementos en la muestra.
Actualidad
La corriente del filamento controla el número de electrones que bombardean el material objetivo. Como resultado, la corriente impacta directamente en la intensidad de salida de rayos X tanto para el bremsstrahlung como para la radiación característica.
Voltaje
La radiación del bremsstrahlung muestra un corte de alta energía, ya que la energía de la radiación no puede superar el voltaje aplicado. Cambiando este voltaje, se puede modificar el corte de Bremsstrahlung (y el perfil general del continuo). La radiación característica del material ánodo solo puede generarse cuando el voltaje de aceleración (y, por tanto, la energía de los electrones que impactan) está por encima del borde de absorción de ese material. Así, si el voltaje se reduce por debajo del borde de absorción, la(s) línea(s) característica(s) dejarán de estar presentes.
Como se ha mencionado anteriormente, el usuario normalmente no tiene control sobre el material objetivo utilizado en el generador, aunque existen generadores con materiales diferentes. Sin embargo, la corriente y el voltaje del tubo son variables importantes en un experimento XRF.
La corriente controla la intensidad de los rayos X emitidos por el generador y se ajusta principalmente para optimizar el nivel de señal en el detector.
El voltaje tiene un efecto importante en el perfil espectral de la salida del generador. Con bajas tensiones (por ejemplo, 15kV o menos), el bremsstrahlung estará centrado a energías relativamente bajas, y la fluorescencia característica estará restringida a las líneas L (y M) de baja energía. A voltajes altos (por ejemplo, 40kV o superiores), el bremsstrahlung será más intenso y centrado a energías más altas, y la fluorescencia característica incluirá las líneas K de alta energía del material objetivo.
La XRF más eficiente se estimula cuando el haz de rayos X incidentes se encuentra cerca en energía del borde de absorción en el/los elemento(s) de la muestra. Así, ajustando el voltaje del generador es posible ajustar, en cierta medida, la eficiencia de la fluorescencia en la muestra.
La energía del haz de rayos X también tiene un fuerte efecto en la penetración de los rayos X en la muestra. Cuanto menos energía haya, menos penetración. Una vez más, ajustando el voltaje del generador, es posible controlar cierto control sobre la penetración incidente del haz de rayos X y, por tanto, sobre la profundidad de muestreo.
En 1984, un científico ruso, Muradin Kumakhov, propuso que superficies sólidas lisas podían usarse para formar, controlar y guiar haces de rayos X, gracias a la reflexión externa total. Esto llevó al desarrollo de una gama de ópticas de rayos X, que pueden usarse para formar haces paralelos y enfocados, y transferir haces de rayos X con alta eficiencia.
En un espectrómetro micro-XRF es necesario generar un haz de rayos X intenso y estrecho. Existen dos métodos principales para hacerlo que se resumen a continuación y que se discutirán con más detalle en las siguientes páginas.
Collimatores
Los rayos X del generador pasan por una pequeña abertura, generalmente en el rango de unos pocos milímetros hasta unos cientos de micrómetros de diámetro. El uso de colimadores para generar haces estrechos de rayos X es sencillo, pero puede sufrir pérdida de intensidad a medida que disminuye el diámetro del haz.
Pasar un haz de rayos X relativamente grande a través de una pequeña apertura hace que la mayoría de los rayos X primarios sean bloqueados por el material alrededor de la apertura. Los rayos X solo atraviesan la propia apertura, produciendo un haz con un diámetro cercano al de la apertura.
Sin embargo, a medida que se estrecha la apertura, la proporción de rayos X bloqueados aumenta drásticamente. Así, los haces generados de esta manera con diámetros inferiores a 500 μm se vuelven de baja intensidad, y los diámetros inferiores a 100 μm se vuelven inviables debido a este problema.
Hoy en día, los colimadores se utilizan con éxito para análisis de alta resolución espacial (diámetros de haz < 20 μm) en fuentes sincrotrón, donde las intensidades extremadamente altas de la línea de haz hacen que las pérdidas de intensidad no sean un problema. Para instrumentos de mesa con fuentes de rayos X menos brillantes, no se utilizan colimadores para resoluciones espaciales ultra-altas.
Óptica monocapilar
Como descubrió Kumakhov, los rayos X se reflejan de forma muy eficiente en superficies de vidrio cuando el ángulo de incidencia es bajo. Al producir ópticas de vidrio cuidadosamente moldeadas es así posible utilizar esta reflexión externa total para enfocar, colimar y dirigir haces de rayos X.
El ángulo sólido desde la fuente de rayos X hasta el capilar es relativamente grande, lo que significa que el acoplamiento entre ambos es eficiente. Como resultado, se pueden canalizar intensidades muy altas de rayos X hacia el capilar, y dado que la reflexión en sí es muy eficiente, los capilares pueden usarse para generar microhaces de alta intensidad con diámetros tan pequeños como 10 μm. El tubo guía de rayos X HORIBA (XGT) es un ejemplo del uso exitoso de monocapilares y, de hecho, es único al permitir una resolución espacial de 10 μm en un sistema de laboratorio.
Además de su intensidad, los haces generados con ópticas de vidrio monocapilares muestran una colimación casi perfecta, lo que los hace ideales para el análisis micro-XRF.
Óptica policapilar
Kumakhov también mostró cómo la óptica capilar podía agruparse para formar lo que se denomina óptica policapilar. Los haces producidos de esta manera ofrecen beneficios en intensidad, pero están muy enfocados (y por eso estas ópticas suelen denominarse lentes de Kumakhov). Son posibles puntos focalizados con diámetros de hasta 40 - 50 μm.
Para el análisis XRF resuelto espacialmente, los haces enfocados no son ideales. Los rayos X penetran en la muestra (de varios micrómetros a varios milímetros dependiendo de la muestra en particular), de modo que, aunque se producen pequeños tamaños de puntos en el punto de enfoque, los haces fuera de foco generan rayos X fluorescentes procedentes de áreas de análisis mucho mayores.
Además, la naturaleza enfocada del haz hace que la imagen micro-XRF de muestras aproximadas sea difícil: las áreas enfocadas se beneficiarán de tamaños de puntos pequeños, pero las regiones con diferencia de altura se desenfocarán debido a tamaños mucho mayores de puntos desenfocados.
Existen una variedad de detectores disponibles para la espectroscopía de rayos X dispersiva de energía. Estos pueden dividirse en tres tipos principales:
Semiconductores de estado sólido
Estos suelen basarse en chips de silicio o germanio. Los rayos X entran a través de una ventana delgada de berilio y producen pares electrón-hueco en la región semiconductora del detector. El número de pares electrón-hueco formados depende de la energía del rayo X incidente. Cuanto mayor es la energía de rayos X, mayor es el número de pares electrón-huecos. Se aplica un alto voltaje para atraer los electrones hacia la parte trasera del detector, donde se registran colectivamente como un pulso negativo. Un analizador multicanal (MCA) cuenta estos pulsos y los ordena por tamaño (que equivale a la energía de rayos X).
Para proporcionar una resolución energética aceptable, los detectores de estado sólido suelen enfriarse con nitrógeno líquido, lo que resulta en una resolución típica de < 165 eV.
En muchos casos, este enfriamiento también es vital para mantener una correcta dispersión del dopante en todo el semiconductor, y el calentamiento puede causar daños graves al detector. Sin embargo, las nuevas generaciones de detectores de alta pureza (por ejemplo, el Xerophy ™ de HORIBA) eliminan estas preocupaciones y permiten que los detectores se ciclen repetidamente de temperatura según sea necesario; la refrigeración solo es necesaria durante la detección.
Detectores de deriva de silicio (SDD)
Como su nombre indica, los detectores de deriva de silicio también se basan en un elemento detector de silicio, pero su diseño es algo diferente del detector de estado sólido típico mencionado anteriormente. Se colocan electrodos concéntricos en la superficie posterior del silicio, que se utilizan para atraer de forma constante los electrones (derivados de la absorción de rayos X) hacia el centro del chip. Como antes, los electrones se recogen como un pulso negativo y se cuentan mediante un MCA.
Lo que diferencia el SDD es que se pueden obtener muy buenas resoluciones energéticas (~ 150eV) únicamente con refrigeración peltier (normalmente hasta -20 a -30 °C). Además, se pueden detectar múltiples rayos X incidentes de forma secuencial, ya que los electrones formados por absorción de rayos X en diferentes regiones del detector tendrán diferentes tiempos de deriva respecto al ánodo. Como resultado, se pueden tolerar tasas de recuento mucho más altas.
En contraste con los detectores de estado sólido, los SDD muestran una sensibilidad relativamente baja para rayos X de alta energía.
Diodos de pines
Como su nombre indica, un detector de diodo de pines utiliza un elemento detector mucho más pequeño; sin embargo, como ocurre con las dos variedades descritas anteriormente, normalmente se basan en un material semiconductor de silicio para la detección. El pequeño tamaño del elemento semiconductor permite un enfriamiento más pelado, pero el menor grosor compromete la sensibilidad, especialmente para los elementos más pesados.
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