Röntgenfluorescentie Het meten van de samenstelling van materialen handleiding bij het webexperiment
Röntgenfluorescentie: de theorie Voordat je binnen het webexperiment met meten begint is het handig eerst wat theoretische achtergrond te bekijken. Op http://www.nat.vu.nl/webexperiments/rontgen wordt hier uitgebreid op in gegaan. Daar worden o.a. de begrippen absorptie en fluorescentie uitgelegd. Hieronder enkele kernpunten van de uitleg. Details kun je terugvinden op de website. Absorptie De energie van een foton (bijv. licht of röntgenstraling) wordt in materiaal geheel of gedeeltelijk geabsorbeerd. Dat gebeurt op atomair niveau doordat bijv. röntgenstraling een elektron uit de binnenschil van een atoom kan stoten. Het opgenomen foton verdwijnt dan: de energie ervan wordt gebruikt om de bindingsenergie van het elektron te overwinnen en het elektron een bepaalde snelheid te geven. Fluorescentie Als een foton is geabsorbeerd, ontstaat er dus een lege plaats in een binnenschil van het atoom. Deze situatie kan niet blijven bestaan. De lege plaats zal worden opgevuld door een elektron uit een meer naar buiten gelegen schil. Daarbij komt energie vrij die wordt gebruikt om een foton uit te zenden. Dit proces heet fluorescentie. De energie hiervan is gelijk aan het energieverschil tussen de buitenste schil en de binnenste schil waar de lege plaats was. Dit energieverschil is kenmerkend voor een bepaald element: voor koper is dit bijvoorbeeld anders dan voor nikkel. Er bestaan tabellen waarin voor alle elementen de mogelijke energieverschillen staan weergegeven. Als je de fluorescentie-energie (of -energieën, want meestal zijn er meer overgangen mogelijk) meet en vergelijkt met de tabelwaarden kun je hieruit bepalen uit welk(e) element(en) het materiaal bestaat. In een gemeten röntgenfluorescentie-spectrum staan de aantallen uitgezonden fotonen uitgezet tegen de energie van de fotonen. Hiernaast zie je een voorbeeld. Je ziet dat de pieken niet even hoog zijn. Dit komt doordat niet alle overgangen even waarschijnlijk zijn. Bovendien zijn in de metingen de pieken geen verticale rechte lijnen. Ze hebben een breedte die wordt veroorzaakt door het oplossend vermogen van de detector (d.w.z. hoe goed de detector verschillende energieën kan onderscheiden). 1
Fluorescentietabel Voor het begrijpen van röntgenfluorescentie maken we meestal gebruik van een eenvoudig atoommodel met K-, L-, M-schillen, enz. In werkelijkheid blijken er meer overgangen mogelijk dan zo n eenvoudig model beschrijft. Er is een stel energieniveaus dat bij de K-schil behoort, er is een stel dat bij de L-schil behoort, enz. Hieronder zie je van de elementen koper en lood de fluorescentie-energieën. Element Kα1 Kα2 Kβ1 Kβ2 Kab Lα1 Lα2 Lβ1 Lβ2 Lγ1 29 Cu Copper 8.047 8.027 8.904 8.976 8.980 0.930 0.948 82 Pb Lead 74.957 72.794 84.922 87.343 88.014 10.549 10.448 12.611 12.620 14.762 De notatie van de waargenomen overgangen heeft de volgende betekenis: - een overgang (terugval) van een elektron naar de K-schil wordt met de letter K aangeduid, een terugval naar de L-schil met een L, enz. - terugval vanuit de eerstvolgende hogere schil wordt met een α aangegeven, terugval vanuit de daarop volgende schil met een β, enz. - de (iets) verschillende overgangen die in zo n categorie vallen (bijv. Kα) worden met cijfers aangeduid (Kα1, Kα2, enz). Een voorbeeld: de lijn Kβ1 hoort bij een overgang naar (één van de energieniveaus van) de K-schil vanuit (één van de energieniveaus van) de M-schil. In de tabel zijn de energieën gemarkeerd die in de spectra zichtbaar zullen zijn: in het algemeen zijn de Kα 1, Kβ 1 etc. lijnen sterker dan de Kα 2, Kβ 2 etc. Welke lijnen zichtbaar zijn wordt daarnaast ook bepaald door de gebruikte detector. Afhankelijk van het type detector, intreevenster e.d. is er een onder- en bovengrens voor de energieën die gedetecteerd kunnen worden (in het bijbehorende webexperiment is dat 3 tot 30 kev). Op de website van het webexperiment vind je eventueel een complete fluorescentietabel van alle elementen. http://www.nat.vu.nl/webexperiments/rontgen/download/tabel.pdf 2
Röntgenfluorescentie: het experiment De experimentele opstelling De opstelling waarmee je de experimenten gaat uitvoeren is via webcams on-line te zien. Toch is het goed een schematische tekening van de opstelling te bekijken. Links zie je de röntgenbron ( X-ray source ) waarvan de straling op een te onderzoeken stof ( target ) valt. De te onderzoeken stoffen zitten op een soort wiel (=carrousel) dat on-line verdraaid kan worden. Je bepaalt dus op deze manier wat je wilt onderzoeken. Dat kan ook een eigen voorwerp zijn dat je per post naar de VU verstuurd hebt. Gebruikers kunnen een monster naar de VU sturen/brengen. Het monster moet aan de volgende afmetingen voldoen : maximaal 1,5 bij 1,5 cm en maximaal 3 mm dik. Daarbij moet een emailadres opgegeven worden en moet aangegeven worden of het betreffende monster retour moet. In het laatste geval uiteraard met vermelding van retouradres. Men ontvangt dan een email ter bevestiging dat het monster gemonteerd is en 4 dagen beschikbaar blijft voor metingen. De detector vangt de röntgenfluorescentie op en de meetgegevens (in de vorm van een grafiek) worden direct aan de onderzoeker ter beschikking gesteld. De meetgegevens kunnen ook in een tekst-file worden opgeslagen die je, na afloop van het experiment, naar je computer kunt downloaden. Bv. voor verdere analyse in een rekenprogramma. De detector De detector is een zogenaamde Multi Channel Analyzer. Het apparaat telt fotonen die een bepaalde energie hebben. Die aantallen worden op diverse plaatsen ( channels ) in het geheugen opgeslagen. Je kunt als gebruiker zelf het aantal channels kiezen. Zoals je waarschijnlijk begrijpt, heeft dit te maken met de vereiste nauwkeurigheid van het experiment. De detector kan verplaatst worden, zodat je de straling onder een andere hoek kunt bestuderen, maar deze faciliteit gebruiken we niet in VWO-experimenten De targets Op het wiel zitten veel bekende metalen, waarvan de bekende spectra gebruikt worden om de MCAdetector te ijken. De MCA-detector telt namelijk (gedurende een vooraf in te stellen tijd) fotonen van een bepaalde energie, maar hoe groot die energieën zijn, kun je alleen door vergelijking met bekende spectra vaststellen. Heb je eenmaal met een paar bekende metalen (bijvoorbeeld koper, lood, zirkoon) het apparaat geijkt ( gecalibreerd ), dan kun je onbekende targets onderzoeken: een 20 cent euromunt, een stukje messing of zand dat bij Texel gemonsterd is. Ook zijn er twee stukjes meteoriet opgenomen. 3
Vertrouwd raken met het web-experiment Het röntgenfluorescentie webexperiment i opgenomen onder de Online-labs van de its academy ( www.itsacademy.nl ). Het eigenlijke webexperiment wordt gestart via de DU-site van de Digitale Universiteit. Als extra vind je op de DU-site onder Experiments een overzicht van alle webexperimenten die de Digitale Universiteit biedt. Je ziet dat bij elk experiment een korte beschrijving te downloaden is en een uitgebreide manual. Ook kun je naar de site van het webexperiment waar je wat kunt rondkijken: er is een uitgebreide (Engelstalige) manual, meer over de theoretische achtergrond, enz. Bij New reservation kun je een bepaalde tijdsperiode aanvragen waarin je je experiment wilt doen. Bij het inloggen maak je de keuze voor secondary education profile. Als het inloggen geslaagd is, kom je uiteindelijk bij het webexperiment. Maak jezelf eerst vertrouwd met de besturing van het experiment. Er zijn tabbladen voor Instellingen, Meten, IJken, Analyse en Logboek. (Opmerking: In het experiment zijn de tabbladen in het Engels, dus Settings, Measure, Calibrate, Analyse en Journal.). Metingen Kies bij SETTINGS als target koper. Bij MEASURE kun je kiezen in hoeveel geheugenplaatsen het spectrum wordt opgeslagen (number of channels). Druk op Start Measurement en je zult zien dat een spectrum wordt opgebouwd. Er wordt doorgemeten totdat je Stop Measurement indrukt. Je kunt ook van te voren een te meten tijd invoeren (preset time; links onder). 4
Toelichting bij de diverse knoppen Spelenderwijs kom je er wel achter waar de diverse buttons voor dienen, maar om je veel gezoek te besparen zijn hier een paar aanwijzingen. 1) Graph palette (Rechtsboven in de grafiek). Het handje ingedrukt betekent dat de grafiekweergave een willekeurige richting opgeschoven kan worden. Het loepje is een zoom functie en het eerste blokje ingedrukt betekent een neutrale toestand en in die toestand kunnen de cursors (verticale lijnen) verplaatst worden. Het eerste blokje ingedrukt betekent neutrale toestand 2) Cursor legend Geeft x- en y-informatie van een datapunt. De cursorlijnen kunnen worden verplaatst. Het blokje met het groene ledje geeft aan welke cursor actief is. Met het indrukken van het middelste blokje kunnen allerlei instellingen van de cursorweergave kiezen. Het slotje dicht/open betekent: de cursor is vast/los van een plot. 3) Scale legend Het slotje dicht/open betekent automatisch schalen aan/uit en het groene ledje van het middelste blokje licht/donker. Het indrukken van het middelste blokje betekent dat de grafiek één keer automatisch schaalt. Met het laatste blokje kies je voor de getalweergave, zoals decimaal of scientific, het aantal decimale achter de komma, lineaire of logaritmische weergave, etc. 5
IJking We gaan de fluorescentiepieken van koper gebruiken om het spectrum te ijken, dwz een relatie vinden tussen kanaalnummer en energie. Dit betekent dat we moeten bepalen welke energie bij welk kanaalnummer hoort. Je moet ervan uitgaan dat op elke plaats van het spectrum een verschil van bijvoorbeeld 10 kanalen overeenkomt met steeds hetzelfde energieverschil. Dan geldt: Energie = A * kanaalnummer + B, met A en B als te bepalen coëfficiënten. Bij koper verwachten we twee (sterke) fluorescentiepieken (zie de fluorescentietabel): één bij 8,027-8,047 kev (Kα) en één bij 8,904 8,976 kev (Kβ). NB De fluorescentietabel is binnen het experiment te vinden onder het tabblad ANALYSE. Op de website van het webexperiment vind je eventueel een complete fluorescentietabel van alle elementen. http://www.nat.vu.nl/webexperiments/rontgen/download/tabel.pdf Onder het tabblad CALIBRATE kunnen we deze energieën invoeren en ook de kanaalnummers bepalen (de piekposities). De piekposities kunnen we bepalen door de cursors op de pieken te zetten. Om dit met enige precisie te kunnen doen moeten we de pieken wel beter in beeld brengen door het gebied rond de pieken uit te vergroten. Dat kan door op het -icoon rechtsboven in de grafiek te drukken en de hiernaast aangegeven mogelijkheid te kiezen. De cursor Deel van spectrum bekijken verandert dan in een vergrootglas. Klik hiermee met de linker muisknop op een punt links van de linkerpiek en sleep de muis tot een punt rechts van de rechterpiek. Je ziet nu alleen het gekozen gebied rond de pieken en je kunt nu de cursors ( kies ) in het centrum van de pieken zetten. Door in het calibratiepaneel snap-to-channels aan/uit te zetten is de cursor vrij te bewegen of aan kanaalnummers gekoppeld. De cursorposities worden aangegeven in het calibratiepaneel rechts van het spectrum (onder channel number). Als ze niet in beeld zijn kun je ze tevoorschijn halen door onder channel Calibratiepaneel number een getal in te typen dat in het getoonde gebied valt. De energiewaarden moet je ook invullen. Uit deze gegevens kun je in principe de coëfficiënten A en B bepalen. Het kan echter nauwkeuriger door nog meer ijkpieken te meten en liefst nog in een ander gedeelte van het spectrum, zodat de pieken niet erg dicht op elkaar zitten. Een geschikte kandidaat is lood dat volgens de fluorescentietabel voornamelijk 3 pieken geeft: bij 10,549, 12,611 en 14,762 kev (dat zijn 3 pieken in afnemende intensiteit ). Meet het fluorescentiespectrum van lood en voeg de piekposities en energiewaarden toe in het calibratiepaneel. Druk op Determine straight line fit als je alles hebt ingevoerd. De coëfficiënten A (slope) en B (intercept y-axis) worden rechtsboven gegeven. Ook de meetpunten en de rechte lijn Energie = A * kanaalnummer +B die er doorheen is getrokken wordt in beeld gebracht. Als je tevreden bent met het resultaat kun je op CALIBRATE X-AXIS drukken. De horizontale as verandert van channel number in energy. 6
Verifieer de ijking door bijvoorbeeld zirkoon als target te kiezen en te kijken of de fluorescentiepieken op de verwachte plaatsen uitkomen. Paneel met fluorescentie-energieën van de elementen Dat kun je het beste doen door het ANALYSE tabblad te kiezen. Onder het spectrum staat dan een paneel met de elementen en de hierbij horende fluorescentie-energieën (de fluorescentietabel). Door het kiezen van een element worden in het spectrum de posities van deze energieën weergegeven (let op: er kunnen grote intensiteitsverschillen optreden waardoor sommige lijnen (bijv Lα2 en Lβ2) niet zichtbaar zijn.) Meting aan onbekende materialen Je kunt van een paar materialen met onbekende samenstelling in de carrousel (euromunt, messing, zand, stukjes meteoriet) bepalen welke elementen erin zitten. Ook is het mogelijk eigen materiaal te onderzoeken dat je naar de VU opgestuurd hebt. Soms is het ook mogelijk een uitspraak te doen over percentages van de elementen die in het onderzochte materiaal blijken te zitten. Opdracht - Bepaal de samenstelling van het stukje messing (brass) in de carrousel. Vergelijk deze met de gegevens over messing in een tabellenboek (bv. het BINAS). - Kies een bekend metaal. Onderzoek wat de invloed is van een andere keuze van het aantal kanalen op de nauwkeurigheid van de bepaling van de energiewaarden. - Bepaal waarin de samenstelling verschilt van de beide stukjes meteoriet in de carrousel. 7