طیف سنجی پراکندگی طول موج پرتو ایکس (WDS)

**طیف‌سنجی پرتو ایکس با پراکندگی طول موج** ( **WDXS** یا **WDS** ) یک تکنیک آنالیز غیرمخرب است که برای به دست آوردن اطلاعات عنصری در مورد طیف وسیعی از مواد با اندازه‌گیری پرتوهای ایکس مشخصه در یک محدوده طول موج کوچک استفاده می‌شود. این تکنیک طیفی تولید می‌کند که در آن پیک‌ها مربوط به خطوط پرتو ایکس خاص هستند و عناصر را می‌توان به راحتی شناسایی کرد. WDS عمدتاً در آنالیز شیمیایی، طیف‌سنجی فلورسانس پرتو ایکس با پراکندگی طول موج (WDXRF)، میکروپروب‌های الکترونی، میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی و آزمایش‌های با دقت بالا برای آزمایش فیزیک اتمی و پلاسما استفاده می‌شود.

یکی از ویژگی‌های کلیدی طیف‌سنجی پراکندگی طول موج (WDS) نسبت به طیف‌سنجی پراکندگی انرژی (EDS)، تفکیک‌پذیری بسیار بالای طیفی است که به‌دلیل استفاده از پدیده پراش کریستالی برای جداسازی اشعه ایکس بر اساس طول موج حاصل می‌شود. در این روش، پرتوهای ایکس مشخصه‌ی عناصر نمونه پس از تحریک با پرتو الکترونی، مطابق قانون براگ از سطح کریستال‌های تحلیل‌گر پراکنده می‌شوند و تنها طول موج‌های خاصی که شرط براگ را ارضا کنند به آشکارساز منتقل می‌گردند. این توانایی باعث می‌شود تا پیک‌های طیفی که در EDS با هم همپوشانی دارند، در WDS به‌وضوح تفکیک شوند، که این ویژگی به‌ویژه در تشخیص عناصر با خطوط نزدیک به هم اهمیت دارد. 

با توجه به این تفکیک‌پذیری بالا، WDS می‌تواند حد تشخیص پایین‌تر از ۱۰۰ قسمت در میلیون (ppm) برای بسیاری از عناصر را دست‌یافتنی کند؛ این در حالی‌ست که اغلب سیستم‌های EDS دارای حد تشخیص چند هزار ppm هستند.

افزون بر این، WDS نه‌تنها برای آنالیزهای کمی بسیار دقیق‌تر است، بلکه در نقشه‌برداری عنصری و تعیین پروفیل‌های غلظتی در مقیاس میکرومتر نیز عملکرد برجسته‌ای دارد، به‌طوری که برای مطالعات پیچیده در زمین‌شناسی، مواد مهندسی و آنالیزهای نیمه‌هادی کاربرد دارد. 

## نظریه
طیف‌سنجی پرتو ایکس با پراکندگی طول موج بر اساس اصول شناخته‌شده‌ای بنا شده است که بیان می‌کنند چگونه پرتوهای ایکس مشخصۀ یک نمونه تولید می‌شوند و چگونه این پرتوها اندازه‌گیری می‌شوند.

### تولید اشعه ایکس
بندانگشتی|برهمکنش‌های پرتو الکترونی با نمونه، اشعه ایکس یکی از محصولات احتمالی است
اشعه ایکس زمانی تولید می‌شود که یک پرتو الکترونی با انرژی به اندازه کافی بالا، یک الکترون را از یک اوربیتال داخلی درون یک اتم یا یون جدا می‌کند و یک فضای خالی ایجاد می‌کند. این فضای خالی زمانی پر می‌شود که یک الکترون از یک اوربیتال بالاتر انرژی آزاد می‌کند و برای جایگزینی الکترون جدا شده به پایین می‌افتد. اختلاف انرژی بین دو اوربیتال، مشخصه پیکربندی الکترونی اتم یا یون است و می‌توان از آن برای شناسایی اتم یا یون استفاده کرد. 

سبک‌ترین عناصر، هیدروژن، هلیوم، لیتیوم، بریلیم تا عدد اتمی 5، الکترون‌هایی در اوربیتال‌های بیرونی ندارند تا جایگزین الکترونی شوند که توسط پرتو الکترونی جابجا شده است و بنابراین نمی‌توان آنها را با این تکنیک شناسایی کرد. 
[بندانگشتی|پرتو ایکس عضوی [از طیف الکترومغناطیس است، که دارای طول موج پایین‌تر از نور مرئی است.]]
### اندازه‌گیری با اشعه ایکس
طبق قانون براگ، هنگامی که یک پرتو اشعه ایکس با طول موج "λ" با زاویه "θ" به سطح یک کریستال برخورد می‌کند و کریستال دارای صفحات شبکه اتمی با فاصله "d" از یکدیگر است، تداخل سازنده منجر به پرتویی از اشعه ایکس پراش یافته می‌شود که از کریستال با زاویه "θ" ساطع می‌شود اگر

,

که در آن n عدد صحیحی برابر با پیک پراش مرتبه n است که شناسایی شده است. 

در عمل، از زاویه براگ پیک پراش مرتبه اول استفاده می‌شود، زیرا این پیک بیشترین شدت و سیگنال را دارد، به این معنی که با توجه به قانون براگ، n = 1 است و بنابراین n عملاً در معادله حذف می‌شود. زاویه براگ و شدت پیک مرتبه دوم برای تأیید پیک مرتبه اول یا در صورت همپوشانی پیک‌های عناصر دیگر با پیک مرتبه اول استفاده می‌شود.

این بدان معناست که یک کریستال با اندازه شبکه مشخص، پرتوی از اشعه ایکس را از نوع خاصی از نمونه با زاویه از پیش تعیین شده منحرف می‌کند. پرتو اشعه ایکس را می‌توان با قرار دادن یک آشکارساز (معمولاً یک شمارنده سوسوزن یا یک شمارنده تناسبی) در مسیر پرتو منحرف شده اندازه‌گیری کرد و از آنجایی که هر عنصر طول موج اشعه ایکس متمایزی دارد، می‌توان با داشتن چندین کریستال و چندین آشکارساز، چندین عنصر را تعیین کرد. 

برای بهبود دقت، پرتوهای اشعه ایکس معمولاً توسط تیغه‌های مسی موازی به نام کولیماتور سولر (Söller collimator) موازی می‌شوند. تک بلور، نمونه و آشکارساز دقیقاً روی یک گونیومتر نصب می‌شوند که فاصله بین نمونه و بلور برابر با فاصله بین بلور و آشکارساز است. این دستگاه معمولاً تحت خلاء کار می‌کند تا جذب تابش نرم (فوتون‌های کم‌انرژی) توسط هوا کاهش یابد و در نتیجه حساسیت برای تشخیص و تعیین مقدار عناصر سبک (عناصر بین بور و اکسیژن ) افزایش یابد. این تکنیک، طیفی با پیک‌های مربوط به خطوط اشعه ایکس تولید می‌کند. این طیف با طیف‌های مرجع مقایسه می‌شود تا ترکیب عنصری نمونه تعیین شود. 
بندانگشتی|نمایی از کارکرد موازی‌ساز. شکل بالا، امواج دریافتی بوسیله آشکارساز، بدون موازی‌ساز. شکل پایین بالا، امواج دریافتی بوسیله آشکارساز، با موازی‌ساز.با افزایش عدد اتمی عنصر، الکترون‌های بیشتری در سطوح انرژی مختلف می‌توانند آزاد شوند که منجر به پرتوهای ایکس با طول موج‌های مختلف می‌شود. این امر طیف‌هایی با چندین خط ایجاد می‌کند که هر خط برای یک سطح انرژی است. برجسته‌ترین قله در طیف با Kα ، قله بعدی با Kβ و غیره مشخص می‌شود.

در عمل، دستگاه‌های WDS مدرن دارای چندین کریستال با ثابت شبکه متفاوت هستند که امکان پوشش گستره‌ی وسیعی از انرژی‌های اشعه ایکس را فراهم می‌آورند. انتخاب مناسب کریستال تحلیل‌گر و تنظیم دقیق زاویه‌ی پراش برای هر عنصر، کلید دستیابی به دقت و صحت بالا در آنالیز عنصری محسوب می‌شود. 

## کاربردها
کاربردها شامل تجزیه و تحلیل کاتالیزورها، سیمان، مواد غذایی، فلزات، نمونه‌های معدنی و کانی‌ها، نفت، پلاستیک، نیمه‌رساناها و چوب است. 

### محدودیت‌ها

* تجزیه و تحلیل معمولاً به ناحیه بسیار کوچکی از نمونه محدود می‌شود، اگرچه تجهیزات خودکار مدرن اغلب از الگوهای شبکه‌ای برای نواحی تجزیه و تحلیل بزرگتر استفاده می‌کنند. 
* این تکنیک نمی‌تواند بین ایزوتوپ‌های عناصر تمایز قائل شود زیرا پیکربندی الکترونی ایزوتوپ‌های یک عنصر یکسان است. 
* با این تکنیک نمی‌توان حالت ظرفیت عنصر، مثلاً Fe 2+ در مقابل Fe 3+ را تعیین کرد. 
* در عناصر خاص، خط Kα ممکن است با K β عنصر دیگری همپوشانی داشته باشد و از این رو اگر عنصر اول وجود داشته باشد، عنصر دوم را نمی‌توان به طور قابل اعتمادی تشخیص داد (برای مثال V Kα با Ti Kβ همپوشانی دارد) 

## جستارهای وابسته
* میکروآنالیز پروب الکترونی
* نقشه‌برداری عنصری
* طیف‌سنجی پرتو ایکس با پراکندگی انرژی
* میکروسکوپ الکترونی روبشی
* میکروتوموگرافی اشعه ایکس
* طیف‌سنجی اشعه ایکس

## منابع

رده:طیف‌سنج‌ها
رده:پرتوهای ایکس
رده:طیف‌بینی پرتو ایکس