هب انم خدا

تاریخچه

) AES(2به عنوان منبع براي طیف نمایی نشري اتمی) ICP(1شده القاییایده استفاده از پالسماي جفت . در ایاالت متحده آمریکا است Fasselو Wendtدر انگلستان به طور مستقل و Greenfieldمنسوب به

Reedتوسط 1960استفاده کردند و اولین مورد در سال ICPاگرچه آنها اولین کسانی نبودند که از مشعل

1974در سال .گزارش شده است که از این روش براي رشد کریستال ها در شرایط دماي باال استفاده کرده بود ن ابزار هاي ابتدایی در در حالی که اثري از آ.این روش به صورت تجاري در آمد و به سرعت گسترش یافت

سال است که براي 40بیش از AES-ICPپیشرفته امروز دیده نمی شود ، باید گفت که آزمایشگاه هايبیشتر به دلیل قابلیت شناسایی همزمان چندین عنصر ICPموفقیت روش .تشخیص عنصري به کار می رود

.بود درحالی که این قابلیت در روش طیف سنجی جذبی وجود نداشت

مقدمهICP کننده براي طیف سنجی نشري اتمی و یک پالسماي آرگون است که در فشار اتمسفري یک منبع تهییج

گاز . کند و به وسیله ي میدان الکترومغناطیس جفت شده القایی با فرکانس رادیویی تقویت شده استعمل میپیچ القایی یا گذرد که با سه یا چهار حلقه از یک سیم اي از جنس کوارتز میآرگون به طور محوري از بین لوله

. مگاهرتز است12/27هاي مورد استفاده معموال فرکانس. مکانیکی مرتبط به فرکانس رادیویی احاطه شده است. کیلو وات است5تا 1توان خروجی نیز معموال بین

سیم لوله میدان . گذردشود، میآمپر از داخل سیم لوله مسی، که توسط آب خنک می100جریان باالي . کند که خطوط نیرو داخل لوله کوارتز قرار دارند و شکلی تقریبا بیضوي دارندنوسانگري تولید میمغناطیسی

هاي شوند که الکترونهاي مغناطیسی القایی باعث میهاي آزاد داخل لوله موجود باشند، میداناگر الکترونالکترونی باعث ایجاد جریان خالف این جریان . هاي نوسانی حلقوي داخل لوله جریان یابنددرون گاز در مسیر

ها هایی بین آنگیرند و برخوردها توسط میدان مغناطیسی متغیر با زمان شتاب میشود و الکترونجهت میهاي میدان. کندشود و مقاومت حرارتی ایجاد میگیرد و منجر به یونیزاسیون بیشتر گاز آرگون میصورت می

. اندپالسما در شکل زیر نشان داده شدهالکتریکی و مغناطیسی ایجاد کننده

1 Inductively Coupled Plasma2 Atomic Emission Spectrometry

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

هاي الکترومغناطیسی ایجاد کننده پالسماي القایی جفت شدهمیدان: 1شکل

هاي اولیه هستند هاي القایی سیم پیچانرژي ارسالی در پالسما مشابه ترانسفورمر الکتریکی است که در آن کویلها و آرگون خنثی و نارسانا است، پالسما باید به وسیله الکترونبه دلیل این که گاز . و گاز یونیزه شده، ثانویه

به وسیله نیروي فرکانس رادیویی، پالسما به طور لحظه. معموال با یک تخلیه الکتریکی مختصر آغاز به کار کندکلوین 1000پالسماي حاصل یک گاز به شدت یونیزه است که حدود . کندزند و خود را تقویت میاي جرقه می

.رارت داردح

نور نشر شده از منبع پالسما با چینشی از عدسی هاي کوژ بر روي روزنه ورودي طیف نما متمرکز می شود ، عمود است ؛ در ICPدر حالت جانبی ، نور منبع پالسما به مجراي اصلی . اگرچه دو حالت امکان پذیر است

با اینکه هر دو ). 2شکل(است ICPاصلی حالی که در حالت محوري ، نور منبع پالسما منطبق بر مجراي. حالت ممکن است اما حالت جانبی متداول است

ICPجانبی براي ) b(محوري )a(شماي کلی دو حالت 2شکل

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

ICPهاي تکنیک برخی از کاربرد

آنالیز هم زمان چند عنصر آنالیز کمی و کیفی بیش از هفتاد عنصر در محدودهppm یاppb

ترکیبات عناصر بزرگ، کوچک و ردیابتعیینهاي فلزي ترکیبات آلیاژها فلزات، شناساگرها و محلولاژها،ها در آلیناخالصی ردیاب آنالیز مواد زمین شناسی، زیست محیطی و زیستیو الیاف گیاهی هاي کشاورزينمونه آنالیز آب

عناصر شناسایی شده شامل . شودتور خال آنالیز میکروماپلیهاي احتمالی به وسیله آب طبیعی براي آلودگی. گوگرد، فسفر، سلنیم و آرسنیک هستند

کنترل فرایندهاي مدرن آنالیز مواد روشی مهم در آزمایشگاهترین مقدار ماده در فلزات توانایی تشخیص کمها و دیگر مواد ویژه ها، سرامیکاي در ابررساناآنالیز جزئی و تک ماده آنالیز سطح مواد و فیلم هاي نازك در روش هاي ویژهLaser Ablation یاSpark Discharge

ICPهاي تکنیک محدودیت محدودیت شناسایی در حدppm یاppb

عدم توانایی در آنالیز گازهاي نجیبها و برخی مواد غیر فلزي به خال باال در طیف سنج نیاز هالوژن

. زیرا در دماي باال امکان یونیزاسیون نمونه وجود دارد حساسیت کم عناصر قلیایی به ویژه روبیدیم عدم شناسایی سزیم عدم حساسیت به اثر تداخل ساختار نمونه

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

در این مورد اپراتور از طریق مقایسه طیف حاصل با طیف نشري دیگري از همان ماده، آن را شناسایی ها میزان عناصر ایجاد کننده ها، از روي شدت آنهاي جدید عالوه بر تشخیص تداخلنرم افزار. کندمی

. کندتداخل را نیز شناسایی می به صورت تئوريICPتوانند به هر ها میرود و نمونهمام عناصر به جز آرگون به کار میبراي شناسایی ت

شود و عنصر محدود می70ناسایی به شICPاما در عمل . سه صورت جامد، مایع و گاز تهیه شوند. هاي آبی، هستندبه صورت محلولها مایعات،ترین نمونهمناسب

شوداي اسیدي زیاد باعث ایجاد خطا میهو یا غلطت) %1بیش از (هاي آلی حضور حالل .شود، عدم هاي طیف سنجی نشري میدیگري که موجب ایجاد خطا در روشعالوه بر موارد فوق عامل

در . هاي ساطع شده از تجهیزات و ابزار استهاي نشر اتمی از پرتووانایی در ایزوله کردن کامل پرتوت. هاي نمونه وجود داردد دماي باال امکان تهییج الکترونپالسما هم به دلیل وجو

: کند را با محدودیت مواجه میICPهایی که شناسایی با تکنیک انواع تداخلتداخل طیفی . 1

پوشانی کرده و آنالیز را مشکلها با هم همگیرند، امواج نشري آنوقتی چند عنصر در نمونه در کنار هم قرار می. کندتر می

اتمیزاسیون -تداخل تبخیر. 2هاي آزاد را در فاز بخار کاهش داده و منجر به کاهش شدت طیف نشري در این فاز میاین فرایند مقدار اتم

. گرددتداخل یونیزاسیون .3

به همین دلیل در کنار . هاي اول و دوم به راحتی یونیزه شده و شدت باالیی در طیف نشري دارندعناصر گروه. کنندشوند، ایجاد خطا میعناصري که به راحتی یونیزه نمی

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

نظریه اساسی اتمیهسته به وسیله . است) ذرات خنثی(ها و نوترون) با بار مثبتذرات (ها اي حاوي پروتونهر اتم شامل هسته

ها با الکترون. ثبت و منفی مساوي هستندهاي مدر یک اتم خنثی، بار. احاطه شده است) با بار منفی(ها الکترونرونسسته هستند یا به عبارتی الکتهاي انرژي گرازاین ت. شوندشعاع هسته مشخص میهاي انرژي وابسته به تراز

ها ممکن است به ترازبع خارجی انرژي جذب کند، الکتروناگر اتم از من. پذیرندها مقادیر مجازي از انرژي را میاي نرژي مجاز الکترونی مقادیر گسستههاي ااین تراز. برانگیخته منتقل شوندهاي انرژي باالتر یا مکان هاي

هاي باید دقیقا برابر با اختالف ترازلکترون انرژي جذب شده براي انتقال ا. وابسته به ساختار اتمی عناصر دارند. انرژي اولیه و ثانویه باشد

در حالت دارد، به طور ذاتی ناپایدار است و براي مدت بسیار کوتاهیاتمی که الکترون برانگیختهبه صورت فوتون نورترها به تراز اولیه و پایدارانرژي اضافه با بازگشت الکترون.ماندبرانگیخته باقی می

به دلیل . ي استشود و برابر با اختالف دو تراز انرژمشخص مینور نشر شده هم به صورت کوانتیزه . شودنشر میهاي بسیاري براي جذب و نشر الکترونی ممکن انرژي مجاز زیادي دارند، انتقالهايها ترازاین که بیشتر اتم

در نتیجه این تشعشع .دنتشر کنهاي مختلف مهایی با انرژيوتونتواند فمیاست به طوري که یک تک عنصر بنابراین، . هاي نشري اساس طیف سنجی مواد استمنحصر به فرد بودن طول موج.یابدانرژي اتم کاهش می

هاي نشري، یا شدت تعداد فوتونکند، براي شناسایی نوع اتم و که اتم در حالت برانگیخته نشر میهایی فوتونهاي مختلفی از جمله جذب تابش تواند به روشهر اتم می. هاي برانگیخته اشاره داردنشري، به تعداد اتمنور

.الکترومغناطیس، برخورد بین اتم ها، جذب انرژي حرارتی و تخلیه الکتریکی برانگیخته شود

. موج نوري مربوطه متناسب استνیک فوتون منتشر شده با فرکانس Eانرژي

.مرتبط استλفرکانس نور به طول موج آن . ثابت پالنک استhدر حالی که

cبنابراین، انرژي فوتون می تواند بر اساس طول موج آن بیان شود. سرعت نور است :

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

، برابر با طول موج ICPهاي برانگیخته در منابع طیف سنجی، مانند اتمهاي منتشر شده به وسیله انرژي فوتونهاي طیف سنج براي پراکنده کردن پرتواز یک. هاي فرابنفش و نور مرئی طیف الکترومغناطیس استمحدوده

. شوداستفاده میگیري شدت هر جزء ده به طول موج اجزاي آن و اندازهمنتشر ش، منبع تهییج تنها باید مقدار انرژي مورد نیاز براي اد در آمده و آماده نشر شدندها به شکل آزپس از این که اتم

ش از حد منجر به یونیزه شدن انرژي بیزیرا . را فراهم کندها در گستره طول موج مرئی یا فرابنفشتهییج اتموجود آمده با ه بپوشانیممکن است همکند ودر طیف ایجاد میشود که این امر خطوط پهن یونی راها میاتم

.تر کندرا کمناصر ، قابلیت شناسایی این عناصرخط اتمی برخی عICPژنراتوري با اي با دماي باال و در این تکنیک از شعله. اتمی استیک منبع تهییج براي طیف سنجی نشر

.شودیجاد پالسما از محلول استفاده میبراي افرکانس رادیویی

مکانیزمماکروسکوپی از نظر الکتریکی خنثی اند، اما در مقیاس هاي آن یونیزه شدهگازي است که بسیاري از اتمالسما پ

یک توزیع ناهماهنگ جرمی شامل ها تشکیل شده است و داراي ها و یونهاي گاز، الکترونپالسما از اتم. استگیري لکتریکی و مغناطیسی جهتهاي اانبه همین دلیل در مید. هاي سبک استهاي سنگین و الکترونیون. کندمیهاي انرژي باالتر باعث میدد و انتقال این اجزا به ترازگراش تجزیه میهاي سازندهها و یونگاز به اتمICPدر

این نشر موج با استفاده از منبع . ها نوري با طول موج معین و منحصر به فرد از خود ساطع کنندشود که آن.پیونددشده، معموال گاز آرگون، به وقوع میپالسماي القایی جفت

افتد که خطوط به همین دلیل بسیار کم اتفاق می. دلیل استفاده از گاز آرگون انرژي یونش باالي این گاز استاز طرفی آرگون یک گاز بی اثر است و به همین . ز تهییج یا یونیزاسیون آرگون در طیف نشري دیده شودناشی ا

هایی که این به عالوه آرگون نسبت به دیگر گاز. دلیل احتمال تشکیل ترکیبات پایدار در حضور آن ناچیز استتنها مشکل آرگون ضریب حرارتی . باشدمیاین گاز قادر به یونیزاسیون اکثر مواد. تر استویژگی را دارند ارزان

. شودپایین آن است که با استفاده مازاد از آن به صورت مداوم در حین آنالیز این مشکل جبران می

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

شود و در آن مناطق مختلف دمایی وجود دارند، از پالسماي ناهمگن در حضور میدان الکترومغناطیس ایجاد مییک پالسماي ناهمگن است که در اثر گردش یک ICP. صر مختلف مناسب استزمان عنااین رو براي آنالیز هم

. آیدمیدان فرکانس باال در یک کویل به وجود می

ICPمشعل : 3شکل

آید که این گونه که گفته شد در مشعل پالسماي جفت شده القایی نواحی دمایی مختلفی به وجود میهمان: نواحی به قرار زیرند

کلوین2000زیر : )Preheated Zone(گرمپیشناحیه . 1

کلوین 5000تا 3000بین : )Initial Radiation Zone(ناحیه تابش اولیه. 2

کلوین 5000باالي : )Normal Analytical Zone(ناحیه آنالیزي نرمال. 3

کلوین 3000حدود : )Plume Tail(ناحیه نوك شعله. 4

شود و در آن مناطق مختلف دمایی وجود دارند، از پالسماي ناهمگن در حضور میدان الکترومغناطیس ایجاد مییک پالسماي ناهمگن است که در اثر گردش یک ICP. صر مختلف مناسب استزمان عنااین رو براي آنالیز هم

. آیدمیدان فرکانس باال در یک کویل به وجود می

ICPمشعل : 3شکل

آید که این گونه که گفته شد در مشعل پالسماي جفت شده القایی نواحی دمایی مختلفی به وجود میهمان: نواحی به قرار زیرند

کلوین2000زیر : )Preheated Zone(گرمپیشناحیه . 1

کلوین 5000تا 3000بین : )Initial Radiation Zone(ناحیه تابش اولیه. 2

کلوین 5000باالي : )Normal Analytical Zone(ناحیه آنالیزي نرمال. 3

کلوین 3000حدود : )Plume Tail(ناحیه نوك شعله. 4

شود و در آن مناطق مختلف دمایی وجود دارند، از پالسماي ناهمگن در حضور میدان الکترومغناطیس ایجاد مییک پالسماي ناهمگن است که در اثر گردش یک ICP. صر مختلف مناسب استزمان عنااین رو براي آنالیز هم

. آیدمیدان فرکانس باال در یک کویل به وجود می

ICPمشعل : 3شکل

آید که این گونه که گفته شد در مشعل پالسماي جفت شده القایی نواحی دمایی مختلفی به وجود میهمان: نواحی به قرار زیرند

کلوین2000زیر : )Preheated Zone(گرمپیشناحیه . 1

کلوین 5000تا 3000بین : )Initial Radiation Zone(ناحیه تابش اولیه. 2

کلوین 5000باالي : )Normal Analytical Zone(ناحیه آنالیزي نرمال. 3

کلوین 3000حدود : )Plume Tail(ناحیه نوك شعله. 4

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

ICPنواحی مختلف دمایی در : 4شکل

ICPمراحل عملکرد

. شونددار میها شتابگاز آرگون در میدان با فرکانس باال یونیزه شده و الکترون

. گیردها ترکیب شده و تهییج صورت میهاي آرگون مجددا با الکترونسپس یون

. کند که به خطوط پرتو ترکیب مجدد معروفنداین امر خطوطی را روي طیف نشري ایجاد می

افتد که به ترتیب بدین هاي یونیزاسیون، انتقال بار و برخورد الکترون نیز اتفاق میعالوه بر موارد فوق فرایند: قرارند

. دهدسپس با برخورد فلز و الکترون تهییج رخ می

ICPنواحی مختلف دمایی در : 4شکل

ICPمراحل عملکرد

. شونددار میها شتابگاز آرگون در میدان با فرکانس باال یونیزه شده و الکترون

. گیردها ترکیب شده و تهییج صورت میهاي آرگون مجددا با الکترونسپس یون

. کند که به خطوط پرتو ترکیب مجدد معروفنداین امر خطوطی را روي طیف نشري ایجاد می

افتد که به ترتیب بدین هاي یونیزاسیون، انتقال بار و برخورد الکترون نیز اتفاق میعالوه بر موارد فوق فرایند: قرارند

. دهدسپس با برخورد فلز و الکترون تهییج رخ می

ICPنواحی مختلف دمایی در : 4شکل

ICPمراحل عملکرد

. شونددار میها شتابگاز آرگون در میدان با فرکانس باال یونیزه شده و الکترون

. گیردها ترکیب شده و تهییج صورت میهاي آرگون مجددا با الکترونسپس یون

. کند که به خطوط پرتو ترکیب مجدد معروفنداین امر خطوطی را روي طیف نشري ایجاد می

افتد که به ترتیب بدین هاي یونیزاسیون، انتقال بار و برخورد الکترون نیز اتفاق میعالوه بر موارد فوق فرایند: قرارند

. دهدسپس با برخورد فلز و الکترون تهییج رخ می

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

. کنندده و انرژي تابش میها برخورد کرهاي فلزي هم با الکترونبه عالوه یون

ها، خطوط اما این خطوط یونی ایجاد شده در طیف، مزاحم فرایند آنالیز هستند و با انجام تصحیحات و حذف آن. مانداتمی در طیف نشري باقی می

: قانون بولتزمن براي بیان رابطه بین دو تعداد تراز و انرژي ترازهاي تهییج

nk : تعداد ترازهاي تهییجkE

nm : تعداد ترازهاي تهییجmE

K : ،ثابت بولتزمنT : دماي تهییج وgتابع وزن آماري است .

: آیدطبق رابطه بولتزمن شدت از رابطه زیر به دست می

φ در این رابطه ضریب تعریف شده براي فرض همسانگردي نشر تحت زاویهπ4رادیان است.

. یا همان غلظت متناسب استNبنابراین شدت طیف با

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

ICPهاي مورد استفاده در نمونه.تر هستندهاي مایع و به صورت محلول متداولمایع، جامد و گاز ؛ نمونه: فرم

هاي جامدگرم براي نمونهمیلی500تا 100هاي محلول، لیتر براي نمونهمیلی50تا 5: اندازه نمونهسازينحوه آماده

همچین . توان غلظت محلول حاصل را بر حسب نیاز تغییر دادمی. شوندها به شکل محلول آماده میاکثر نمونهاز چند دقیقه تا زمان تخمینی براي آنالیز.توان گازها را با استفاده از این روش به صورت مستقیم آنالیز کردمی

اغلب براي . وجود ندارد ICPآل براي آماده سازي نمونه براي آنالیز هرگز روشی ایده.چند ساعت متغیر استبراي نمونه هاي جامد ، روش معمول تجزیه . الزم است 3تغلیظنمونه محلول ، مواردي از فیلتراسیون یا پیش

ه هاي روش هاي متنوعی براي تعیین عناصر در محلول ها و نمون.ماده است که با از بین رفتن آن همراه است است ، راه هاي دیگر ، به طور 4هضم اسیديهاي جامد ترین روش براي نمونهکه رایجحالیدر. جامد وجود دارد

-هاي محلول استخراج مایعترین روش براي نمونهدر مقابل رایج. گیرند ویژه از فرایندهاي استخراج بهره می.روند کار میکه روش هاي دیگر نیز بهحالیدر. است 5مایع

محلوليهانمونه

برايmµ0.2فیلتراسیون از غشایی در حد ) براي مثال آب(سازي نمونه محلول ترین روش براي آمادهسادهتواند باید توجه داشت که اثر هر گونه آلودگی می. جداسازي ذرات بسیار ریز قبل از وارد کردن به پالسما است

ها و اسیدهاي بسیار خالص براي فرایندها ، رعایت پاکیزگی استفاده از معرف، در نتایج آنالیز ظاهر شود ؛ پس .دقیق ظروف محلول ها ، پیش از آنالیز ضروري است

:هاي محلول عبارتند از هاي موجود براي نمونهروش

)LLE(مایع - استخراج مایع-

Exchange-Ionتبادل یونی -

Precipitation-Coرسوبی هم-

3 Pre-Concentration4 Acid Digestion5 Liquid-Liquid Extraction (LLE)

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

.می پردازیم) LLE(مایع -بین به شرح روش استخراج مایعکه از این

)LLE(مایع -استخراج مایع

برداشتن حجم زیادي از محلول داراي نمونه مورد نظر و تهیه ) LLE(مایع -مبناي روش استخراج مایعست ، ناپذیر اکمپلکس فلزي با اضافه کردن عامل کالته و سپس اضافه کردن به مقدار کمی حالل آلی امتزاج

ترین مهم. دهد تغلیظ فلز از محلول اصلی به حالل آلی به مقدار و کیفیت مناسب رخ میبدین ترتیب پیش:عبارتند از LLEمتغیرها در روش

انتخاب عامل کالته-

انتخاب حالل آلی-

-pH نمونه محلول

.ارائه شده است زیر5توضیحی درباره فرایندي متداول براي استخراج فلزات با این روش در شکل

5شکل

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

هاي جامدنمونه

و ذوب هستند ، که 8، خاکسترریزي خشک7، هضم میکروویو6هاي تجزیهسازي نمونه جامد روشروشهاي آماده.پردازیم به شرح روش تجزیه می

TechniquesDecompositionهاي تجزیه روش

. کند معدنی و یک منبع گرماي خارجی ، نمونه را تجزیه میکارگیري اسیدهاي اکسیدي یا اسیدي با بههضمعموما هضم اسیدي نمونه ). 1جدول (انتخاب یک اسید یا مخلوطی از اسیدها براي وابسته به ماهیت نمونه دارد

یک فرایند عمومی براي هضم نمونه رسوب، لجن . شود اي باز و با یک صفحه داغ انجام میاي شیشهداخل لولهاي امکان نمونهیک دستگاه هضم چند. نشان داده شده است 6کی با استفاده از صفحه داغ در شکل یا خا

.کندداخل دستگاه را فراهم می) لوله24یا6،12(قرارگرفتن چند لوله جوشیدن

6شکل

6 Decomposition Techniques7 Microwave Digestion8 Dry Ashing

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

1جدول

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

طیف سنج ها

طیف سنج ها براي تجزیه نور نشر شده به طول موج هاي تشکیل دهنده آن به کار می روند ، که در عمل دو و نوع ) 9آنالیز ترتیبی(نوع اول قابلیت شناسایی یک عنصر در زمان مشخصی را دارد . نوع آن در دسترس است

ی طول موج در یک طیف سنج بازه معمول پوشش ده). 10انالیز همزمان(دوم قابلیت شناسایی چند عنصر AES بینnm167)Al ( تاnm852)Cs ( است.

این شبکه از . صورت می گیرد 11جداسازي طول موج هاي تشکیل دهنده نور از هم با استفاده از شبکه پراشچگالی خطوط شبکه ها براي . تعداد زیادي خطوط که بر سطح یک آینه ایجاد شده اند ، تشکیل می شود

AESخط در 3200تا 600بینmm1 نور تابیده شده به شبکه با زاویه اي پراش می یابد که طبق . است:رابطه زیر بیان می شود = sin

. زاویه شیار ها است фفاصله بین خطوط شبکه یا شیار ها و dطول موج ، λدر آن مرتبه طیف ، nکه

در این وضعیت ، شیار . توان از شبکه بازتاب درخشنده استفاده کرد براي جلوگیري از همپوشانی طیف ها ، می و همانند زمینه اي دندانه اره اي به ) 12تحت عنوان زاویه ي درخشش(ها با زاویه ي مشخصی منظم می شوند

) . Echelleبه جز شبکه (دیده می شود 7چینش عمومی شبکه پراش در شکل . د نظر می رس

7شکل

9 Sequential10 Simultaneous11 Diffraction grating12 Blaze angle

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

:وابشته است ، طبق رابطه زیر Nو تعداد کل شیارها mشبکه به مرتبه طیفی 13Rپذیريتفکیک

mN=R

. ، به صورت طول موج تقسیم بر تفکیک پذیري تعریف می شود Δλدر حالی که قدرت برطرف سازي

ترتیبی

است ، که نوعا از ورودي و خروجی پرتوهاي نور ، یک شبکه AESیک طیف سنج ترتیبی انتخابی ارزانتر براي یک طیف سنج ترتیبی داراي مزیت انتخاب پذیري محدوده طول موج . پراش و یک آشکارساز تشکیل می شود

طرح نوري طیف سنجی با جزئیات شرح . است AESرایج ترین نوع Turner-Czernyترکیب بندي . است عدم امکان استفاده از نمونه استاندارد همزمان با نمونه مجهول در . داده شده است نشان8داده شده ، در شکل

.آید هنگام آنالیز اشکال این نوع دستگاه به حساب می

Turner-Czernyي نوريبندسنج با ترکیبطرح شماتیک طیف8شکل

همزمان

در یک زمان وجود دارد که ) 70تا 20عموما (عنصر در آنالیز همزمان قابلیت نمایش تعداد زیادي طول موج یا محدودیت این دستگاه این است که روزنه هاي خروجی ثابت . اصلی ترین مزیت این نوع به حساب می آید

ساز فاماین رویکرد با استفاده از چند. هستند و امکان آنالیز عنصري که پیش بینی نشده است ، وجود ندارد شبکه ، روزنه . ساز مورد استفاده است فامترین چندرایجRunge -Paschenآرایش نحوه . شود عملی می

شبکه ، کاو به نظر . قرار می گیرند Rowlandورودي و چندین روزنه خروجی دور محدوده اي به نام دایره 13 Resolution

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

اده شدهدنشان9طرح نوري طیف سنجی با جزئیات شرح داده شده ، در شکل . رسد و قابلیت چرخش ندارد می.است

سنج در اصل فقط براي که این طیفدر حالی. است Echelleسنج رویکردي دیگر براي آنالیز همزمان ، طیفدر بازار موجود است ، به دلیل مشخصات طیفی ویژه اي که در طراحی آن ) DCP(14پالسمامستقیمجریان

این شبکه ، . در شبکه آن است Echelleسنج طیفتفاوت عمده . وجود دارد ، اهمیت آن در حال افزایش است

9شکل

تا 50تنها داراي Echelleنوعا یک شبکه . گیرد دهی طول موج ، به کار میمرتبه طیف را براي بیشینه پوششرابطه Mو مرتبه طیف nتفکیک پذیري یک شبکه پراش با چگالی شیارها . است mmشیار در هر 100

پذیري با افزایش در این وضعیت ، به جاي استفاده از شبکه اي با تعداد باالي شیارها ، تفکیک. مستقیم دارد .نشان داده شده است 10در شکل Echelleآرایش شبکه . زاویه درخشش و مرتبه طیف افزایش یافته است

.قابل مشاهده است 2پذیري در جدول مزایاي استفاده از این روش براي افزایش تفکیک

در . چه به منظور جلوگیري از همپوشانی مرتبه هاي طیفی ، تجزیه ثانویه نور با یک منشور مورد نیاز است اگر). 11شکل (شود دهد و یک نقشه طیفی دوبعدي ساخته مینتیجه جدایش آن عمود بر شبکه پراش رخ می

ي و بر حسب طول موج در جهت افقی مرتب می نقشه طیفی تولید شده برحسب مرتبه طیفی در جهت عمود).12شکل(شود

14 Direct-current plasma

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

10شکل

2جدول

11شکل

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

12شکل

.نشان داده شده است 13در شکل Echelleسنج طرح نوري عمومی طیف

13شکل

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

آشکارسازها

به کار AESدو نوع آشکارساز در . ها ، نمایش اطالعات طیفی ضروري است موجپس از حصول جدایش طولکه اخیرا به طور حالیبود ؛ در) PMT(15رایج ترین آشکارساز ، المپ افزاینده فوتون1990تا سال . رود می

اند ساخته شده) devicetransfer-charge)CTDمجرایی که بر پایه فناوري آشکارسازهاي چندگسترده ،-deviceinjectionو ) devicecoupled -charge)CCDهر دو فناوري . اند جایگزین نوع قبلی شده

charge)CID (مجرایی در آشکارسازهاي چندAESروندبه کار می.

در هر مورد ، آشکارساز . کار برد توان بهر بحث قبلی ، هر دو نوع آشکارساز را میسنج هاي مطروح دبراي طیف)PMT یاCTD (بندي که براي ترکیبحالیدر. گیرد سنج قرار میپشت روزنه خروجی طیفTurner -

Czerny)8شکل (بندي یک آشکارساز الزم است و براي ترکیبRunge-Paschen)روزنه 30با ) 9شکلموجی با یک طول، براي مثال آشکارسازي چندCTDمزیت عمده فناوري. آشکارساز الزم است 30، خروجی

سنج توانایی طیف. ، و حداکثر بهره برداري ممکن است Echelleسنج کار گرفتن طیفآشکارساز با بهEchelleبراي مثال (موجی حساس طولبراي تولید نقشه دوبعدي طیفی ، به همراه یک آشکارساز چندCCD

. کند ، یک اثر انگشت کامل از نمونه را تهیه می) CIDیا

المپ افزاینده فوتوناین فرایند با یک سري از . کند دستگاهی است که نور تابش به جریان تبدیل می) PMT(المپ افزاینده فوتون

. کند به فوتوکاتد برخورد میکند ونور تابش از پنجره سیلیکایی عبور می. دهد رخ می14مراحل طبق شکل شود همانند آلیاژي از دو یا سه فلز قلیایی با آنتیموان تشکیل این فوتوکاتد از یک ماده که به آسانی یونیزه می

. موج یک آشکارساز تاثیرگذار اشت دهی طولغلظت دقیق فوتوکاتد بر روي پوشش. شده است ). پدیده فوتوالکتریک(ند باعث خروج یک الکترون از سطح کاتد شود توایک فوتون نور تابش با انرژي مناسب می

کند ،که همین با یک سري از اکترودهاي متمرکزساز ، الکترون نشریافته جریانی در جهت زنجیره داینود پیدا می، که براي نام دارد gainاین افزایش الکترون ها به زنجیره داینود ، . فرایند موجب افزایش الکترون ها می شود

این جریان . مرحله آخر جمع کردن همه الکترون ها در آند است . میلیون است 1داینودي ، 9یک رنجیره به کامپیوتر منتقل و ) D/A(شود و از طریق مبدل آنالوگ به دیجیتال سپس به یک سیگنال ولتاژ تبدیل می

. شود پردازس می

15 Photomultiplier Tube

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

14شکل

devicetransfer-charge

AESها شاید چشمگیرترین پیشرفت در فناوري آشکارسازها در devicetransfer -chargeکارگیري به

کاربرد . کند موج را فراهم میدهی طولحساسیت باال و گستردگی پوششdevicetransfer-charge. باشد همه . رود کار میزها نیز بهسافامکه در چندحالیاست ، درEchelleسنج اصلی آنها براي آشکارساز در طیف

CTDاست که در معرض نور ، رسانا هستند که از یک سري پیکسل هایی تشکیل شدهها دستگاههاي نیمهدر عمل ، . میزان بار ذخیره شده ، معیاري از نور تابیده شده به پیکسلی معین است . انباشت بار پیدا می کنند

در زمان . ض تابش قرار بگیرد ، سپس عمل بازخوانی انجام شود باید به مدت زمان معینی در معرCTDیک devicecoupled-charge: دو نوع متداول ، موجود است . بازخوانی ، پیکسل نباید در معرض تابش باشد

)CCD ( وdeviceinjection-charge)CID . ( در موردCCD نور منبع پالسما براي مدت زمان معینی ،شود ، در نتیجه به بار ذخیره شده ، فرصت سطر انجام میبهد سپس بازخوانی به صورت سطرگردآوري میجمع

تفاوتی جزئی در عملکرد دارد که داراي CIDیک . انتقال پیکسل به پیکسل تا رسیدن به تقویت کننده را دارد . کند شدت جریان اضافی است و امکان بازخوانی تک به تک را ایجاد می

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

:devicetransfer-chargeه مزایاي عمد

منتخب) طول موج(انعطاف پذیري نسبت به تغییر خطوط -

گیري خطوط متعدد براي یک عنصر به منظور گسترش بازه متحرك خطوطکاربه-

گیري خطوط متعدد براي یک عنصر به منظور ارتقاي صحت و شناسایی تداخل هاي طیفیکاربه-

پتانسیل آنالیزهاي کیفی-

مطالعات تشخیصی بر پایه پالسما -

تداخل ها

همپوشانی طیفی و اثرات : شوند نمایی نشري اتمی به دو نوع اصلی تقسیم میتداخل هاي طیفی براي طیفسنج یا تغییر خط طیف نشري پذیري طیفراه حل معمول کاهش همپوشانی طیفی ، افزایش تفکیک. زمینه ) : 15شکل(بل شناسایی استسه گونه همپوشانی طیفی ق. است

موج مستقیم با داخل شدن یک خط نشريانطباق طول) 1

همپوشانی جزئی خط نشري مورد نظر با داخل شدن یک خط نشري بسیار نزدیک) 2

ارزش زمینه بیعدم حضور خط ارزشمند یا حضور پس) 3

منبع آرگون یا ناخالصی داخلی یا می تواند به دلیل داخل شدن خط نشري از عنصري دیگر ، گاز2و 1گونه موج بدون تداخل از عنصر تنها راه حتمی براي رفع آنها انتخاب یک طول. ₂Nو OHشده به منبع همانند وارد

. موج مورد نظر حل کرد زمینه در دو طرف طولتوان با اندازه گیري مقدار پسرا می3گونه . مورد نظر است نوعا به دلیل عدم وجود عناصر آسان یونیزه . سازي نمونه است همراه با فرایند آمادهاي اغلب هاي زمینهتداخل

. شونده در منبع پالسما است

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

15شکل

www.iran-mavad.com

مرجع مهندسى مواد و متالورژى

سازندگان -ARCOS from M/s. Spectro, Germany-Agilent Technologies-GBC Scientific Equipment Pty Ltd-HORIBA-Questron Technologies Corporation-Shimadzu Corporation-Spectra Hardware Inc.-Spectro Analytical Instruments-Teledyne Leeman Labs.-Varian (Australia)-UNICOM INSTRUMENTS

هاي موجود در ایراندستگاه

)تحقیقاتی کاووششهرك(مرکز تحقیقات فرآوري مواد معدنی ایران -شرکت تحقیقات مواد معدنی طیف کانساران بینالود-پژوهشگاه مواد و انرژي-شناسی و اکتشافات معدنی ایرانسازمان زمین-

مراجع

Practical Inductively Coupled Plasma Spectroscopy , John R. Dean , Wiley 2005

ASM Metal Handbook, Volume 10, Materials Characterization

Induction coupled plasma spectroscopy and it’s application, Steve J.Hill, secondedition

www.chemistry.nmsu.edu

www.departments.agri.huji.il

www.ICP-minerals.cr.usgs.gov

سهیال آخوندي ، نگار فرجی ، امیرمهدي محمدزاده و آذین هوشمند: گردآورندگان

www.iran-mavad.com مرجع مهندسى مواد و متالورژى