Espectroscopia de Rayos X- Definición, Principio, Pasos, Partes, Usos

Los rayos X constituyen la radiación X, una forma de radiación electromagnética.

La mayoría de los rayos X tienen una longitud de onda que oscila entre 0,01 y 10 nanómetros, lo que corresponde a frecuencias del orden de 30 petahercios a 30 exahercios (3×1016 Hz a 3×1019 Hz) y energías del orden de 100 eV a 100 keV, producidas por la desaceleración de electrones de alta energía.

¿Qué es la espectroscopia de rayos X?

Rayos X espectroscopia es un término general que engloba varias técnicas espectroscópicas para la caracterización de materiales mediante el uso de la excitación de rayos X.

Fuente: University College Cork

Principio de la espectroscopia de rayos X

• El XRF funciona con métodos que implican interacciones entre haces de electrones y rayos X con las muestras.
• Es posible gracias al comportamiento de los átomos cuando interactúan con la radiación.
• Cuando los materiales se excitan con una radiación de alta energía y corta longitud de onda (por ejemplo, los rayos X), pueden ionizarse.
• Cuando un electrón de la capa interna de un átomo es excitado por la energía de un fotón, se desplaza a un nivel de energía superior.
• Cuando vuelve al nivel de baja energía, la energía que ha ganado previamente con la excitación se emite como un fotón que tiene una longitud de onda característica para el elemento (puede haber varias longitudes de onda características por elemento).
• Así, los rayos X atómicos se emiten durante las transiciones electrónicas a los estados de la capa interna en los átomos de número atómico modesto.
• Estos rayos X tienen energías características relacionadas con el número atómico, por lo que cada elemento tiene un espectro de rayos X característico que puede utilizarse para identificar el elemento.

Funcionamiento de la espectroscopia de rayos X

1. Un espectrómetro XRF funciona porque si una muestra es iluminada por un intenso haz de rayos X, conocido como haz incidente, parte de la energía se dispersa, pero otra parte también se absorbe dentro de la muestra de una manera que depende de su química.
2. El haz de rayos X incidente suele producirse a partir de un blanco de Rh, aunque también pueden utilizarse W, Mo, Cr y otros, según la aplicación.
3. Cuando los rayos X inciden en la muestra, ésta emite rayos X a lo largo de un espectro de longitudes de onda característico del tipo de átomos presentes.
4. Si una muestra tiene muchos elementos presentes, el uso de un Espectrómetro de Longitud de Onda Dispersiva permite separar el complejo espectro de rayos X emitido en longitudes de onda características de cada elemento presente.
5. Varios tipos de detectores utilizados para medir la intensidad de la radiación emitida.
6. La intensidad de la energía medida por estos detectores es proporcional a la abundancia del elemento en la muestra.
7. El valor exacto de cada elemento se obtiene a partir de estándares procedentes de análisis anteriores de otras técnicas.

Instrumentación de la espectroscopia de rayos X

Los componentes de la espectroscopia de rayos X son

1. Equipo generador de rayos X (tubo de rayos X)
2. Colimador
3. Monocromadores
4. Detectores

A. Equipo generador de rayos X (tubo de rayos X)

• Los rayos X pueden ser generados por un tubo de rayos X.
• El tubo de rayos X es un tubo de vacío que utiliza un alto voltaje para acelerar los electrones liberados por un cátodo caliente hasta alcanzar una gran velocidad.
• Los electrones de alta velocidad chocan con un blanco metálico, el ánodo, creando los rayos X.

B. Colimadores

• Un colimador es un dispositivo que estrecha un haz de partículas u ondas.
• Estrechar significa hacer que las direcciones de movimiento estén más alineadas en una dirección específica (es decir, colimadas o paralelas).
• La colimación se consigue utilizando una serie de placas metálicas paralelas muy próximas entre sí o mediante un haz de tubos de 0,5 o menos de diámetro.

C. Monocromador

• Los cristales del monocromador polarizan parcialmente un haz de rayos X no polarizado.
• El objetivo principal de un monocromador es separar y transmitir una porción estrecha de la señal óptica elegida entre una gama más amplia de longitudes de onda disponibles en la entrada.

Tipos de monocromadores

• Tipo de filtro metálico
• Tipo de rejilla de difracción

D. Detectores de rayos X

Los detectores más empleados son:

1. Detectores de estado sólido
2. Detectores de centelleo

Detectores de estado sólido

• Los portadores de carga en los semiconductores son electrones y huecos.
• La radiación que incide sobre la unión semiconductora produce pares de electrones y huecos al atravesarla.
• Los electrones y los huecos son arrastrados bajo la influencia del campo eléctrico, y la electrónica adecuada puede recoger la carga en un impulso.

Detectores de centelleo

Los detectores de centelleo están formados por un centelleador y un dispositivo, como un PMT (tubo fotomultiplicador), que convierte la luz en una señal eléctrica.

• Consiste en un tubo de vidrio evacuado que contiene un fotocátodo, normalmente de 10 a 12 electrodos llamados dinodos, y un ánodo.
• Los electrones emitidos por el fotocátodo son atraídos por el primer dinodo y son acelerados hasta alcanzar energías cinéticas iguales a la diferencia de potencial entre el fotocátodo y el primer dinodo.
• Cuando estos electrones chocan con el primer dinodo, se expulsan unos 5 electrones del dinodo por cada electrón que choca con él.
• Estos electrones son atraídos por el segundo dinodo, y así sucesivamente, llegando finalmente al ánodo.
• La amplificación total del PMT es el producto de las amplificaciones individuales en cada dinodo.
• La amplificación se puede ajustar cambiando la tensión aplicada al PMT.

Aplicaciones de la espectroscopia de rayos X

La espectrometría de rayos X se utiliza en una amplia gama de aplicaciones, como

• Investigación en petrología ígnea, sedimentaria y metamórfica
• Estudios de suelos
• Minería (por ejemplo, medición de la ley del mineral)
• Producción de cemento
• Fabricación de cerámica y vidrio
• Metalurgia (por ejemplo, control de calidad)
• Estudios medioambientales (por ejemplo, análisis de partículas en los filtros de aire)
• Industria petrolera (por ejemplo, contenido de azufre de los aceites crudos y productos petrolíferos)
• Análisis de campo en estudios geológicos y medioambientales (con espectrómetros XRF portátiles)

Ventajas de la espectroscopia de rayos X

• La espectroscopia de rayos X es un método excelente para determinar la estructura de un compuesto.
• En caso de que otros métodos espectrales no revelen la identidad de un compuesto, la espectroscopia de rayos X es el método de elección para la determinación estructural, en la que también se determinan los demás parámetros, como las longitudes y los ángulos de enlace.

Limitaciones de la espectroscopia de rayos X

• La técnica requiere la disponibilidad de un compuesto como un solo cristal.
• Para la mayoría de los químicos, este proceso es muy tedioso, lleva mucho tiempo y requiere una mano hábil.

Referencias

1. https://slideplayer.com/slide/5770713/
2. http://instructor.physics.lsa.umich.edu/adv-labs/X-Ray_Spectroscopy/x_ray_spectroscopy_v2.pdf
3. https://www.iucr.org/__data/assets/pdf_file/0013/733/chap16.pdf
4. http://www.issp.ac.ru/ebooks/books/open/X-Ray_Spectroscopy.pdf
5. https://en.wikipedia.org/wiki/X-ray_spectroscopy
6. https://www.britannica.com/science/X-ray-spectroscopy
7. http://umich.edu/~jphgroup/XAS_Course/Harbin/Lecture1.pdf
8. https://www.ixasportal.net/ixas/images/ixas_mat/Giuliana_Aquilante.pdf
9. http://www.spectroscopyonline.com/x-ray-spectroscopy
10. https://www.slideshare.net/nanatwum20/xrf-xray-fluorescence