X-Rays Fluorescence (XRF)

X-Rays Fluorescence(XRF)Fluoresensi Sinar X

Mohammad SyukurBuku referensi Kuliah Pengujian Material(XRF dan XRD) :Elements of X Ray Diffraction, Second Edition, B.D.Cullity, Addison Wesley, 1978.http://www.amazon.com/Element-X-ray-Diffraction-B-Cullity/dp/B000GU8B4G/ref=sr_1_3?ie=UTF8&s=books&qid=1265773881&sr=1-3X Ray Diffraction, A Practical Approach, C.Suryanarayana and M.Grant Norton, Plenum Press, 1998.http://www.amazon.com/X-Ray-Diffraction-Practical-Approach-Suryanarayana/dp/030645744X/ref=sr_1_1?ie=UTF8&s=books&qid=1265773667&sr=1-1Theory of XRF, Peter Brauwer, PANalytical BV, 2003. http://www.panalytical.com/index.cfm?pid=174Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials,Valij K.Pecharsky and Peter Y.Zavalij,Springer,2005. http://www.amazon.com/Fundamentals-Diffraction-Structural-Characterization-Materials/dp/0387095780/ref=sr_1_1?ie=UTF8&s=books&qid=1265772908&sr=1-1X-ray Powder Diffraction, CG Brandt and AJ Kinneging,PANalytical BV ,2005

Mohammad Syukur2Apa itu XRF ?XRF adalah suatu metode analitikal untuk menentukan komposisi kimia dari semua jenis materialMaterialnya dapat berbentuk padat, cair, serbuk, atau bentuk lain.

XRF dapat juga dipakai untuk menentukan ketebalan dan komposisi lapisan(layers) dan pelapis(coating)Mohammad SyukurMetodenya :Cepat (fast)Akurat (accurate)Tidak merusak (Non Destructive)Biasanya diperlukan persediaan sampel yang minimumMohammad SyukurAplikasinya sangat luas dan meliputi :LogamSemenMinyakPolimerIndustri makanan dan plastikBarang tambangMineralogiGeologiAnalisis lingkungan dari material air dan limbahAnalisis teknik untuk riset dan farmasiForensik

Mohammad SyukurSistem spektrometer dapat dibagi menjadi 2 grup utama :EDXRF, Sistem Energi Dispersif (energy dispersive)WDXRF, Sistem Panjang Gelombang Dispersif (wavelength dispersive)Mohammad SyukurUnsur-unsur yang dapat dianalisis dan tingkat deteksinya tergantung pada sistem spektrometer yang dipakai.Jangkauan unsur-unsur untuk EDXRF dari Natrium hingga Uranium (Na hingga U)Jangkauan unsur-unsur untuk WDXRF lebih luas dari Beryllium hingga Uranium (Be hingga U)

Mohammad SyukurJangkauan konsentrasi dari tingkat ppm hingga 100%Secara umum unsur-unsur dengan nomor atom besar mempunyai batas deteksi yang lebih baik dari unsur-unsur yang lebih ringan

Presisi dan produksi ulang analisis XRF sangat tinggi. Hasilnya sangat akurat bila tersedia standard yang baik, tetapi juga untuk aplikasi tanpa standard khusus dapat diperoleh.Mohammad SyukurLama pengujian,Tergantung pada jumlah unsur-unsur yang akan ditentukan dan ketelitian yang diperlukan, dan berkisar antara detik dan 30 menit.Lama analisis setelah pengujian/pengukuran hanya beberapa detikPada gambar 1.ditunjukkan tipe spektrum suatu sampel tanah yang diukur dengan EDXRF, profil puncaknya jelas terlihatMohammad SyukurGambar 1. Bentuk spektrum suatu sampel tanah diuji dengan sebuah Spektrometer EDXRF. Posisi puncaknya menentukan unsur yang ada dalam sampel serta tinggi puncaknya menentukan konsentrasinya.

Mohammad SyukurDasar-dasar XRFPada XRF, sinar-x dihasilkan oleh suatu sumber radiasi. Umumnya sumbernya adalah suatu tabung sinar-x. Unsur-unsur yang ada di dalam sampel akan memancarkan radiasi fluoresensi sinar-x dengan energi diskrit (ekivalen dengan warna untuk optikal cahaya) yang karakteristik untuk masing-masing unsur tersebut. Energi yang berbeda ekivalen dengan warna yang berbedaMohammad SyukurDengan mengukur energi dari radiasi yang dipancarkan oleh sampel maka dimungkinkan untuk menentukan unsur-unsur yang dikandungnya. Tahap ini disebut sebagai Analisis Kualitatif .Dengan mengukur intensitas energi yang dipancarkan maka dimungkinkan untuk menentukan berapa banyak unsur-unsur yang ada dalam sampel. Tahap ini disebut sebagai Analisis KuantitatifMohammad SyukurApa sinar- X itu?Sinar-x dapat ditinjau sebagai gelombang ElektroMagnetik(EM) dikaitkan dengan panjang gelombangnya, atau sebagai berkas foton dikaitkan dengan energinyaGelombang EM yang lain meliputi cahaya, gelombang radio, sinar .Pada gambar 2 ditunjukkan sinar-x mempunyai panjang gelombang dan energi antara sinar dan cahaya ultraviolet(UV).Mohammad SyukurGambar 2. Sinar-X dan radiasi Elektromagnetik lainnya

Mohammad SyukurJangkauan(range) panjang gelombang sinar-x dari 0,01 hingga 10 nm , yang berkaitan dengan jangkauan energi dari 0,125 hingga 125 keV.Panjang gelombang sinar-x berbanding terbalik dengan Energi sesuai dengan hubungan :

Dengan hc adalah perkalian konstanta Planck dengan kecepatan cahaya dan bila dipakai satuan keV dan nm maka besarnya adalah 1,23985Mohammad SyukurInteraksi sinar x dengan materiAda 3 interaksi utama sinar x dengan materi :

Fluoresensi (fluorescence)Hamburan Compton (Compton scatter)Hamburan Rayleigh (Rayleigh scatter)

Lihat gambar 3 Mohammad SyukurBila sinar-x mengenai suatu material maka,Suatu fraksi/bagian akan menembus/melewati sampelSuatu bagian lagi diserab sampel dan menghasilkan radiasi fluoresensi Suatu bagian lagi dihamburkan kembali.

Hamburan dapat terjadi dengan kehilangan energi dan tanpa kehilangan energi.Yang pertama disebut hamburan Compton dan yang kedua hamburan RayleighMohammad Syukur Fluoresensi dan hamburan tergantung pada ketebalan (d) dan densitas () dan komposisi material dan energi sinar-xMohammad SyukurGambar 3. Tiga interaksi utama sinar-x dengan materi

Mohammad SyukurProduksi radiasi karakteristik fluoresensiModel klasik suatu atom terdiri dari suatu inti dengan proton bermuatan positip dan neutron tidak bermuatan, dikelilingi oleh sekumpulan elektron dalam kulit atau orbital.Kulit terdalam disebut kulit K diikuti oleh kulit L, kulit M dst kearah luar.Kulit L mempunyai 3 sub kulit disebut

Kulit M mempunyai 5 sub kulit ,

Mohammad SyukurKulit K dapat mengandung 2 elektron, kulit L, 8 dan kulit M, 18

Irradiasi suatu atom dengan partikel seperti foton sinar-x dan elektron dengan energi yang cukup untuk melepaskan suatu elektron dari atomnya.(gambar 4,)Ini menghasilkan suatu kekosongan/lobang/hole, dalam hal ini suatu hole pada kulit K yang membuat atomnya tidak stabil dengan suatu energi yang lebih tinggi.Mohammad Syukur21Gambar 4. Produksi radiasi karakteristik

Mohammad Syukur22atom ingin memulihkan konfigurasi orisinilnya , ini dilakukannya dengan transfer elektron dari kulit lebih luar, misalnya dari kulit- l ke hole pada kulit- k.Sebuah elektron kulit-L mempunyai energi lebih tinggi dari sebuah elektron kulit-K, dan ketika suatu elektron kulit-L ditransfer ke kulit-K kelebihan energinya dipancarkan sebagai sinar-x. Dalam spektrum, ini tampak sebagai suatu garis. Energi sinar-x yang dipancarkan tergantung pada perbedaan energi dari kulit dengan hole semula dan energi elektron yang mengisi hole(pada contoh ini perbedaan antara energi kulit-K dan kulit-L). Setiap atom mempunyai jenjang energi (energy level)yang khas, sehingga radiasi yang dipancarkan merupakan karakteristik atom tersebut Mohammad SyukurSuatu atom mem ancarkan lebih dari satu energi atau garis, karena hole berbeda dapat dihasilkan dan elektron berbeda dapat mengisi hole ini. Kumpulan garis yang dipancarkan ini adalah karakteristik unsurnya atau sidik jari unsur tersebut(fingerprint).Untuk melepaskan suatu elektron dari suatu atom, sinar-xnya harus mempunyai energi yang lebih tinggi dari energi ikat elektron tersebut. Bila suatu elektron dilepaskan, radiasi yang datang diserab dan absorpsinya lebih tinggi fluoresensinya lebih tinggi.Dilain pihak jika energinya terlalu tinggi banyak foton yang akan melewati atom dan hanya beberapa elektron yang akan ditarik. Mohammad SyukurPada gambar 5: Absorpsi vs energi

Mohammad Syukur Pada gambar 5 tampak bahwa energi tinggi akan sukar diserab dan menghasilkan fluoresensi yang rendah. Jika energinya lebih rendah dan hampir sama dengan energi ikat elektron kulit-K , lebih banyak radiasi diserab.Hasil(yield) yang tertinggi dicapai jika energi foton justru di atas energi ikat elektron untuk dilepaskan. Jika energinya lebih rendah dari energi ikatnya , suatu lompatan atau sisi(edge) dapat terlihat; energinya terlalu rendah untuk melepaskan elektron dari kulit tersebut, tetapi terlalu tinggi untuk melepas elektron dari energi kulit yang lebih rendah. Pada gambar tampak sisi K berkaitan dengan kulit K dan tiga sisi L berkaitan dengan kulit LI , LII dan LIII.Mohammad SyukurTak semua foton yang datang menghasilkan foton fluoresensi. Hasil fluoresensinya adalah rasio foton fluoresensi yang dipancarkan dan dan jumlah foton yang datang. Pada gambar 6, ditunjukkan hasil fluoresensi untuk garis K dan L sebagai fungsi nomor atom Z. Tampak bahwa hasil rendah untuk unsur yang sangat ringan,hal ini yang menyebabkan sulitnya mengukur/menguji unsur-unsur ini. Mohammad Syukur27Gambar 6 : hasil fluoresensi untuk elektron k dan l

Mohammad SyukurAda beberapa cara untuk menunjukkan garis yang berbedaYang banyak dijumpai di literatur ada dua yaitu Notasi Siegbahn(diusulkan oleh Manne Siegbahn) dan International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC).Notasi Siegbahn menyatakan garis dengan simbol unsur diikuti oleh nama kulit dimana awalnya ada lobang dengan huruf Yunani (,, dst) yang menunjukkan suatu intensitas relatif garis , contohnya Fe-K adalah garis besi yang terkuat akibat terlepasnya elektron K. Notasi Siegbahn bagaimanapun tidak menjelaskan dari kulit mana elektron datang mengisi lobang. Mohammad SyukurPada notasi IUPAC suatu garis ditunjukkan oleh unsurnya dan kulit dimana lobang awalnya ada, diikuti oleh kulit dimana elektron datang mengisi lobang tersebut, sebagai contoh adalah radiasi Chromium akibat lobang yang ada pada kulit K diisi oleh elektron pada kulit LIII.Umumnya garis K adalah lebih kuat dari garis L ,dan garis L lebih kuat dari garis M dst.Dari mekanika kuantum menyatakan tidak semua transisi diizinkan , contohnya transisi dari LI ke kulit K, pada gambar 7 ditunjukkan garis-garis yang penting dengan transisinya.

Mohammad SyukurGambar 7 : Garis-garis utama dan transisinya.

Mohammad SyukurTable berikut menunjukkan hubungan antara nama beberapa garis dan jenjang elektronnya. Mohammad SyukurSiegbahn notationLow energy levelHigh energy levelName of the lineK (1s)L3(2p3/2)K1L2(2p1/2)K2M3(3p3/2)K1L3(2p3/2)M5(3d5/2)L1L2(2p1/2)M4(3d3/2)L1M5(3d5/2)N7(5p3/2)M1Mohammad SyukurCorrespondence between the IUPAC -Siegbahn notationsSiegbahn notationIUPAC notationK1K-L3K2K-L2K1K-M3L1L3-M5L1L2-M4M1M5-N7Mohammad SyukurAbsorpsi dan efek penambahanUntuk mencapai atom di dalam sampel sinar x melewati lapisan di atasnya, lapisan ini akan menyerab sebagian radiasi yang datang. Radiasi karakteriatik yang dihasilkan juga melewati lapisan ini dan keluar dari sampel dan juga sebagian radiasi akan diserab.

Besar penyeraban tergantung pada energi radiasinya, panjang lintasan atom yang dilalui (d), dan densitas sampel. Penyeraban bertambah jika panjang lintasan, densitas dan nomor atom unsur dalam lapisan bertambah dan energi radiasi berkurang. Lihat gambar 8.Mohammad SyukurGambar 8 : absorpsi sinar datang dan sinar x fluoresensi

Mohammad SyukurPenyeraban dapat menjadi begitu tinggi dimana unsur lebih dalam pada sampel tidak tercapai oleh radiasi datang atau radiasi karakteristik takdapat keluar sampel.

Ini berarti hanya unsur-unsur yang dekat permukaan yang akan terukur.Mohammad SyukurRadiasi datang adalah sinar- x dan radiasi karakteristik yang dipencarkan oleh atom-atom dalam sampel juga adalah sinar- x. Sinar- x fluoresensi ini kadangkala dapat melepaskan elektron dari unsur lain di dalam sampel dan menghasilkan radiasi fluoresensi baru. Radiasi karakteristik yang dihasilkan langsung oleh sinar-x yang datang disebut fluoresensi primer seraya yang dihasilkan oleh fluoresensi primer dari atom lain dalam sampel disebut fluoresensi sekunder. Lihat gambar 9.Mohammad SyukurGambar 9 : fluoresensi primer dan sekunder

Mohammad SyukurSuatu spektrometer akan mengukur penjumlahan fluoresensi primer dan sekunder dan tak mungkin untuk membedakan antara kontribusi keduanya. Kontribusi fluoresensi sekunder untuk radiasi karakteristiknya dapat bermakna (dalam orde 20%), hal yang sama tertier dan orde radiasi lebih tinggi dapat terjadi. Dalam prakteknya situasi ini diabaikan tetapi pada kasus sangat khusus dapat mencapai nilai 3%. Mohammad SyukurPenyeraban dan analisis kedalamanBila sampel semakin tebal maka akan semakin banyak yang diserab. Akhirnya radiasi yang dihasilkan pada lapisan sampel yang lebih dalam tidak lebih lama dapat meninggalkan sampel. Jika batas ini dicapai tergantung pada materialnya dan pada energi radiasinya.Mohammad SyukurTabel 1.memberikan analisis kedalaman dalam berbagai material untuk 3 garis dengan energi yang berbeda. Mg K mempunyai energi 1,25 keV, Cr K 5,41 keV dan Sn K 25,19keV

Jika suatu sampel diukur , maka hanya atom-atom dalam analisis kedalaman yang dianalisis. Bila sampel-sampel dan standard dengan berbagai ketebalan dianalisis maka berarti ketebalannya telah diperhitungkan.Mohammad SyukurTabel 1. Analisis kedalaman dalam mikro meter (selain yang ditunjukkan) untuk 3 garis yang berbeda dan berbagai material

Mohammad SyukurHamburan compton dan rayleighSuatu bagian sinar-x yang datang dihamburkan (dipantulkan) oleh sampel akibatnya dihasilkan radiasi karakteristik.Hamburan terjadi bila sebuah foton mengenai sebuah elektron dan melambung menjauh. Foton kehilangan sebagian energinya yang diambil alih oleh elektron seperti yang ditunjukkan gambar 10.Mohammad SyukurGambar 10.hamburan compton

Mohammad SyukurHamburan ini dapat dibandingkan dengan tumbukan sebuah bola billiar dengan bola lainnya. Setelah tabrakkan , bola yang pertama kehilangan sebagian energinya ke bola yang ditabraknya. Bagian/fraksi yang hilang tergantung pada sudut dimana elektronnya/bola ditabrak. Jenis hamburan ini disebut COMPTON atau hamburan takkoheren.Mohammad SyukurGejala lain adalah hamburan Rayleigh. Ini terjadi jika foton menabrak elektron yang terikat kuat. Elektron tetap pada kulitnya tetapi mulai berosillasi pada frekuensi radiasi datang. Akibat osillasi ini elektronnya akan memancarkan radiasi dengan frekuensi/energi yang sama dengan radiasi yang datang. Ini memberi kesan bahwa radiasi yang datang adalah dipantulkan/dihamburkan oleh atom. Jenis hamburan ini disebut RAYLEIGH atau hamburan koheren (lihat gambar 11.)Mohammad SyukurGambar 11. hamburan rayleigh

Mohammad SyukurSampel dengan unsur ringan akan menghasilkan hamburan Compton yang tinggi dan hamburan Rayleigh yang rendah karena mereka telah kehilangan banyak elektron yang terikat. Bila unsur lebih berat hamburannya berkurang. Untuk unsur yang berat hamburan Compton hilang seluruhnya dan hanya hamburan Rayleigh yang tetap ada.Pada gambar 12. ditunjukkan hamburan Compton dan Rayleigh untuk Timah hitam(lead) /unsur berat dan untuk Perspex / unsur ringan .Mohammad SyukurGambar 12. hamburan compton dan rayleigh untuk unsur ringan dan berat

Mohammad SyukurpolarisasiSinar-x adalah gelombang elektromagnetik dengan komponen medan listrik E dan medan magnet B. Kita akan membatasi diskusi untuk komponen listrik E tetapi juga terkait komponen magnetik B. Amplitudo gelombang elektromagnetiknya berhubungan dengan intensitas sinar-x nya. Gelombang elektromagnetik adalah gelombang longitudinal yang bermakna bahwa komponen listriknya tegak lurus arah rambatannya. Ini sama dengan gelombang dalam air. Jika sebuah batu dijatuhkan ke dalam air maka gelombangnya vertikal tetapi rambatannya arah horizontal. Mohammad SyukurSinar-x dikatakan dipolarisasi linear bila komponen listriknya seluruhnya dalam satu bidang(lihat gambar 13.) Jika komponen listriknya tak mempunyai arah yang disukai maka gelombangnya disebut tak terpolarisasi.Suatu komponen listrik E ditempatkan pada suatu arah yang senantiasa dapat diuraikan menjadi dua arah yang saling tegaklurus. Gambar 14. menunjukkan bagaimana suatu komponen diuraikan dalam arah vertikal dan horizontalMohammad SyukurGambar 13. sinar-x dipolarisasi dalam arah vertikal.

Mohammad SyukurGambar 14. komponen listrik diuraikan dalam komponen vertikal dan horizontal

Mohammad SyukurJika sinar-x tak terpolarisasi dipantulkan/ dihamburkan oleh suatu spesimen melalui 90, sinar-x yang dipantulkan akan dipolarisasi dalam satu arah. Pada gambar 15(kiri) ditunjukkan bahwa komponen listrik yang vertikal tidak dipantulkan karena ini akan ditujukan pada arah rambatan yang baru. Yang tetap setelah satu refleksi adalah komponen horizontal saja, dan sinar-x yang dihamburkan terpolarisasi secara horizontal. Mohammad SyukurGambar 15. polarisasi setelah refleksi 1 dan 2

Mohammad SyukurPada gambar 15 (kanan) tampak bahwa apa yang terjadi bila sinar-x dihamburkan sekali lagi tetapi tegaklurus dengan arah sebelumnya. Pada refleksi yang kedua komponen horizontal tidak dipantulkan karena itu akan ditujukan pada arah rambatan yang baru. Tak satupun yang tinggal dari radiasi yang datang setelah dua refleksi tegaklurus. Hal ini dipakai pada Spektrometer EDXRF untuk menghilangkan profil latarbelakang(background) dari suatu spektrum.Mohammad SyukurSpektrometer xrfKonsep dasar untuk semua spektrometer adalah :Suatu SumberSuatu SampelSuatu Detektor

Sumber meradiasi suatu sampel dan suatu detektor mengukur radiasi yang datang dari sampel.(Lihat gambar 16.)Mohammad SyukurGambar 16. Desain dasar dari spektrometer edxrf dan wdxrf

Mohammad SyukurPada kebanyakan kasus sumbernya adalah tabung sinar-x, kita hanya akan membahas spektrometer tersebut( Jenis lain adalah menggunakan suatu sumber radioaktif atau suatu synchrotron)

Sistem spektrometer umumnya dibagi atas 2 grup utama yaitu sistem energi dispersif (EDXRF) dan sistem panjang gelombang dispersif (WDXRF). Perbedaan antara kedua sistem ini adalah pada sistem deteksinya.Mohammad SyukurSpektrometer EDXRF mempunyai suatu detektor yang dapat mengukur energi-energi yang berbeda dari radiasi karakteristik yang datang langsung dari sampel. Detektor dapat memisahkan dari sampel menjadi radiasi dari unsur-unsur di dalam sampel. Pemisahan ini disebut dispersif.Spektrometer WDXRF memakai suatu kristal penganalisis untuk memisahkan energi-energi yang berbeda . Semua radiasi yang datang dari sampel tiba pada kristal. Kristal mendifraksi energi yang berbeda dalam arah yang berbeda, mirip dengan suatu prisma yang memisahkan warna yang berbeda dalam arah yang berbeda.Mohammad SyukurSpektrometer edxrfSpektrometer EDXRF dapat dibagi menjadi dua yaitu spektrometer dengan optik 2D dan spektrometer dengan optik 3D.Kedua tipe ini mempunyai suatu sumber dan suatu detektor energi dispersif, tetapi perbedaannya adalah pada lintasan optikal sinar-x nya. Untuk spektometer 2D lintasan sinar-x nya adalah dalam satu bidang. Untuk spektrometer 3D lintasannya tidak dibatasi satu bidang tetapi mencakup 3 dimensi.Mohammad SyukurSpektrometer edxrf dengan optik 2dKonfigurasi yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar 17(kiri). Tabung meradiasi sampel langsung dan fluoresensi datang dari sampel diukur dengan detektor energi dispersif. Suatu alternatif adalah menempatkan suatu target sekunder antara tabung dan sampel seperti yang tampak pada gambar 17(kanan). Tabung meradiasi target sekunder dan target ini akan memancarkan radiasi karakteristiknya. Mohammad SyukurGambar 17.Spektrometer energi dispersif dengan optik 2d dan eksitasi langsung(kiri) dan polarisasi optik(3D) dengan eksitasi tak langsung(kanan)

Mohammad SyukurKeuntungan suatu target sekunder adalah hampir semua radiasi yang dipancarkan adalah monokhromatis, tetapi kerugiannya adalah kehilangan energinya. Penggunaan target sekunder yang berbeda dapat mencapai eksitasi optimum untuk semua unsur.Detektor dapat mengukur energi-energi radiasi yang datang secara langsung. Selain fluoresensi, radiasi tabung dihamburkan akan mencapai detektor yang menghasilkan suatu profil background dan noise background. Akibat background ini sulit untuk mendeteksi puncak(peak) yang rendah ,juga dalam menentukan konsentrasi yang rendah. Lintasan sinar-x adalah dalam satu bidang jadi dua dimensi, dan optik sinar-x nya disebut optik 2DMohammad SyukurPada gambar 18 ditunjukkan suatu bentuk spektrum dari suatu sampel tanah yang diukur dengan suatu spektrometer EDXRF dengan optik 2D.

Nanti akan terlihat spektrum sampel yang sama tetapi diukur dengan optik 3D yang menunjukkan background nya menjadi rendah.Mohammad SyukurGambar 18. Bentuk spektrum suatu sampel tanah dengan spektrometer edxrf dengan optik 2d dan eksitasi langsung.

Mohammad SyukurSpektrometer edxrf dengan optik 3dPada gambar 19. ditunjukkan suatu spektrometer EDXRF menggunakan optik 3D. Lintasan sinar-x nya adalah tidak dalam satu bidang , tetapi dalam dua bidang yang saling tegak lurus , dan optik spektrometer tipe ini disebut optik 3D. Tabung meradiasi suatu target sekunder yang memancarkan sinar-x karakteristiknya dan menghamburkan sebagian radiasi sinar-x yang datang. Radiasi datang dari target dipakai sebagai peradiasi sampelnya, sehingga target bersifat sebagai suatu sumber. Sampel memancarkan radiasi karakteristik yang diukur oleh suatu detektor energi dispersif.Mohammad SyukurGambar 19. spektrometer energi dispersif dengan optik 3D dan eksitasi tak langsung

Mohammad SyukurKeuntungan geometri ini adalah radiasi tabung yang dihamburkan tidak mencapai detektor karena polarisasi. Untuk mencapai detektor radiasi tabung harus dihamburkan dalam 2 arah yang saling tegak lurus. Sebagai akibatnya radiasi yang datang dari tabung tidak akan mencapai detektor. Ini akan mengakibatkan background yang sangat rendah pada spektrumnya dan akan memungkinkan mendeteksi puncak yang sangat lemah dan akan dapat menentukan konsentrasi yang sangat kecil.Radiasi karakteristik dari target sebagian dihamburkan oleh sampel dan mencapai detektor. Radiasi ini dihamburkan hanya satu arah dengan demikian tidak berlaku.Gambar 20. menampilkan tipe spektrum dari sampel tanah diukur dengan spektrometer EDXRF dengan optik 3D. Sampelnya sama dengan yang diukur dengan optik 2D.Mohammad SyukurGambar 20. Bentuk spektrum sampel tanah diukur dengan spektrometer edxrf dengan optik 3D.

Mohammad SyukurSpektrometer wdxrfTabung meradiasi sampel dan radiasi yang datang dari sampel dideteksi. Sistem deteksi berbeda dengan spektrometer EDXEF.

Untuk WDXRF sistem deteksinya terdiri dari sebuah kolimator, sebuah kristal difraksi dan sebuah detektor. Sinar x yang datang dari sampel tiba pada krislal disini sinar-x didifraksi (refleksi) dengan panjang gelombang(energi) yang berbeda dalam arah yang berbeda. Dengan menempatkan detektor pada suatu sudut tertentu , intensitas sinar-x dengan panjang gelombang tertentu dapat diukur. Lihat gambar 21 dan 22.

Mohammad SyukurGambar 21. konstruksi spektrometer panjang gelombang dispersif dengan optik 2d dan eksitasi langsung.

Mohammad SyukurGambar 22. Konstruksi spektrometer panjang gelombang dispersif dengan optik 2d dan eksitasi langsung.

Mohammad SyukurSpektrometer simultan (seperti yang ditunjukkan pada gambar 23) diperalati dengan satu set sistem deteksi yang tetap.Setiap sistem deteksi mempunyai kristal dan detektor, dan setiap sistem mengukur radiasi dari suatu unsur tertentu(spesifik).Intensitasnya diukur semua pada waktu yang bersamaan, hal ini menjelaskan mengapa spektrometer seperti ini disebut spektrometer simultan. Gabungan sistem yang mempunyai detektor yang bergerak dan detektor yang tetap juga ada diproduksi.Bentuk spektrum suatu sampel yang diukur dengan spektrometer WDXRF ditunjukkan gambar 24. Mohammad SyukurGambar 23. spektrometer wdxrf simultan dengan kristal dan detektor untuk unsur yang berbeda.

Mohammad SyukurGambar 24. bentuk spektrum yang diukur dengan spektrometer wdxrf mempunyai optik 2d dan eksitasi langsung.

Mohammad SyukurPerbandingan spektrometer EDXRF dan wdxrf dapat dilihat pada tabel 2 berikut :

Mohammad SyukurTabung sinar-xDesain dasar dari tabung sinar-x ditunjukkan pada gambar 25.Tabung terdiri dari sebuah filamen(kawat) dan sebuah anoda (target) dan divakumkan. Suatu arus listrik memanaskan filamen dan dipancarkan elektron.Suatu tegangan tinggi dipakai antara filamen dan anoda(20-100 kV),tegangan ini akan mempercepat elektron ke arah anoda. Bila ektron menabrak anoda maka dia akan dihentikan mendadak dan akan menghasilkan sinar-x. Radiasi ini disebut Brems strahlung (Brems bahasa Jerman artinya dihentikan dan strahlung artinya radiasi)Mohammad SyukurGambar 25. desain dasar tabung sinar -x

Mohammad SyukurTarget sekunderTarget berlaku sebagai suatu sumber dan radiasi yang datang dari target dipakai untuk meradiasi sampel uji.

Ada 3 tipe target sekunder yaitu,Target fluoresensiTarget BarklaTarget Bragg

Mohammad SyukurTarget FluoresensiTabung meradiasi target dan unsur dalam target memancarkan radiasi fluoresensi karakteristiknya. Radiasi ini mengenai sampel uji dan menyebabkan radiasi fluoresensi. Spektrometer dapat dilengkapi dengan suatu set target yang berbeda dan fluoresensi optimum dapat dicapai dengan memilih target yang sesuaiTarget Barkla Target Barkla menggunakan hamburan radiasi tabung untuk mengeksitasi sampelnya. Target ini juga fluoresensi tetapi intensitas atau energinya terlalu rendah untuk mengeksitasi unsur dalam sampel. Target Barkla dibuat dari unsur ringan seperti Al2O3 dan B4C karena hamburan radiasinya tinggi. Hamburan target Barkla berspektrum energi yang lebar dan dapat dipakai untuk menguji jangkauan unsur yang besar. Umumnya target Barkla mengukur unsur-unsur yang berat Mohammad SyukurTarget BraggTarget Bragg adalah kristal yang mendifraksi/merefleksi hanya pada satu energi yang spesifik pada arah tertentu. Dengan menempatkan kristal antara tabung dan sampel maka dimungkinkan untuk memilih suatu garis tabung yang tunggal untuk meradiasi sampelnya, tanpa radiasi difraksi lain kearah sampel.Ini akan mengurangi latarbelakang.Jika jarak bidang dalam kristal sedemikian rupa dimana garis tabungnya didifraksi pada sudut 90 derajat maka dapat dipakai pada optik 3D sebagai polarisator yang sempurna.Mohammad SyukurDetektor dan multi channel analyzersJenis detektor yang berbeda dipakai pada XRF, EDXRF sebagian besar memakai detektor zat padat, sedangkan WDXRF memakai detektor berisi gas dan detektor sintilasi.Detektor EDXRF adalah suatu detektor jangkauan yang luas dan mengukur semua unsur dari Na hingga ke U. Detektor berisi gas mengukur unsur-unsur dari Be hingga Cu dan detektor sintilasi mengukur dari Cu hingga USemua detektor ini menghasilkan suatu pulsa listrik jika suatu foton sinar-x memasuki detektor dan ketinggian pulsa sebanding dengan energi foton yang datang. Pulsa ini diperbesar dan kemudian dicacah dengan Penganalisis multi saluran(Multi Channel Analyzer)Mohammad SyukurAda 3 sifat penting sistem deteksi yaitu resolusi, sensitivitas dan dispersi.Resolusi adalah kebolehan detektor untuk membedakan antara jenjang energi yang berbeda. Suatu resolusi yang tinggi berarti detektornya dapat membedakan antara banyak energi-energi yang berbeda.Sensitivitas menunjukkan bagaimana foton yang datang secara efisien dicacah.Sebagai contoh jika suatu detektor sangat tipis maka foton yang datang boleh jadi dilewatkan tanpa menghasilkan suatu pulsa. Sensitivitas tinggi jika rasio jumlah pulsa dengan jumlah foton yang datang adalah tinggi.Dispersi menunjukkan kesanggupan detektornya untuk memisahkan sinar-x dengan energi yang berbeda . Dispersi nya tinggi berarti perbedaan energi dapat dipisahkan dengan baik.

Mohammad SyukurMulti channel analyzer(MCA)MCA mencacah berapa banyak pulsa yang diha silkan untuk setiap interval ketinggian. Jumlah pulsa dari suatu ketinggian tertentu memberikan suatu intensitas yang berkaitan dengan energi. Kesanggupan detektor dan MCA membedakan antara energi yang berbeda disebut resolusi.

Contoh histogram yang dibuat MCA dari energi foton yang terdeteksi dapat dilihat pada gambar 26.

Mohammad SyukurGambar 26. Histogram MCA dari energi foton yang terdeteksi

Mohammad SyukurPada spektrometer WDXRF detektor dan MCAnya dapat membedakan 100255jenjang energi yang berbeda

Pada spektrometer EDXRF detektor dan MCAnya dapat membedakan antara 1000 dan 16000 jenjang energi yang berbeda. Ini cukup untuk menganalisis spektrum dan untuk memisahkan radiasi unsur-unsur dalam sampel.Mohammad SyukurDetektor zat padat Gambar 27. menunjukkan desain dasar suatu detektor zat padat. Terbuat dari Silikon, Germanium atau material semikonduktor lainnya. Suatu jendela beryllium memungkinkan foton sinar-x memasuki detektor. Di depan ada lapisan mati(dead layers) dan di belakang ada plat pengumpul.

Mohammad SyukurGambar 27.desain dasar suatu detektor zat padat

Mohammad SyukurFoton yang lewat melalui jendela dan menembus badan detektor sehingga menghasilkan pasangan elektron-lobang.Jumlah elektron tergantung pada energi foton yang datang.Suatu voltase yang tinggi(1500 V) melalui lapisan mati dan belakang yang berarti elektronya ditarik ke belakangnya. Jika mencapai belakang maka potensialnya turun dan memberikan suatu pulsa negatip. Kedalaman pulsa sebanding dengan energi radiasi yang datang.Setelah penguatan , MCA mencacah pulsanya. Mohammad SyukurDetektor berisi gasPada gambar 28. ditampilkan desain dasar suatu detektor berisi gas. Detektor ini dibuat dari suatu silender logam(sering Al) pada potensial bumi dengan kawat anoda koaksial tungsten 50mm ke bawah panjangnya. Kawat anoda dinaikkan menjadi voltase tinggi(1300-2000 kV). Suatu jendela beryllium membolehkan foton sinar-x memasuki ke dalam detektor yang telah diisi gas (Ne,Ar,Kr atau Xe) Mohammad SyukurGambar 28. desain dasar detektor berisi gas

Mohammad Syukur Bila foton sinar-x masuk ke detektor maka menghasilkan suatu awan elektron yang kecil yang ditarik oleh kawatnya. Jika elektron mencapai kawatnya maka menyebabkan turunnya voltase. Ini dicatat sebagai pulsa negatip dalam penguatnya. Jumlah elektron sebanding dengan energi radiasi yang datang , dan ketinggian pulsanya. MCA mencacah pulsa yang dihasilkan detektor. Jendela Be harus tipis agar dibolehkan foton memasuki detektornya.Bagaimanapun bila menjadi terlalu tipis maka gas dapat menembus melalui jendelanya. Karenanya kadang-kadang detektor dihubungi dengan suatu botol gas Ar menggantikan Ar yang hilang. Detektor seperti ini disebut detektor aliran dan dengan jendela yang lebih tebal untuk mencegah gas dari pelarian yang disebut dtektor dilapis(sealed detectors)Mohammad SyukurDetektor scintilasiGambar 29 ditunjukkan desain dasar suatu detektor scintilasi. Detektor ini terdiri dari 4 bagian utama:Jendela Beryllium, Scintilator kristal NaCl, Tabung foto multiplier dengan Sb/Cs foto katoda.Foton sinar-x lewat melalui jendela Be dan mengenai kristal scintilator yang menghasilkan suatu kilat cahaya biru. Mohammad SyukurGambar 29. Desain dasar detektor scintilasi

Mohammad SyukurCahaya foton bergerak menuju tabung fotomultiplier dan dampaknya pada foto katoda menghasilkan elektron yang dipercepat melalui sederetan dynoda ke anodanya. Ketika elektron mencapai anoda nya maka akibatnya adanya penurunan voltase . Ini tercatat sebagai pulsa voltase negatip dalam penguatnya. Jumlah elektron sebanding dengan energi radiasi yang datang dan tinggi pulsanya. MCA mencacah pulsa yang dihasilkan oleh detektorMohammad SyukurKebocoran (escape) puncak dan penumpukan(pile-up) puncakDetektor tahan terhadap dua hal yang dibuat : kebocoran puncak dan penumpukan puncak. Atom pada detektor (Ar,Si,Ge) juga akan memancarkan radiasi karakteristiknya ketika dikenai sinar-x yang datang. Karena itu sinar-x yang datang akan kehilangan sebagian energinya yang ekivalen dengan energi garis unsur detektornya. Untuk Si ini sekitar 1,7 keV, Ge sekitar 10 keV dan untuk Ar sekitar 3 keV. Disamping pencacahan fotondengan energi awal, detektor juga akan mencacah suatu fraksi dengan energi yang lebih rendah.Mohammad SyukurPada spektrumnya ini akan menghasilkan dalam dua puncak : puncak utama dan puncak kebocoran.Penumpukan atau penjumlahan puncak adalah akibat 2 foton yang masuk detektor secara simultan. Kedua foton akan menghasilkan suatu awan elektron, tetapi mereka dideteksi sebagai suatu awan yang besar. Deteksi energinya adalah ekivalen dengan penjumlahan dari kedua energi awal. Gambar 30 ditunjukkan produksi puncak kebocoran dan penjumlahan puncak dalam detektor Ge.Kebocoran dan penjumlahan puncak yang muncul dalam spektrum dapat interferensi dengan puncak lain atau mengakibatkan kesalahan dalam menyimpulkan tentang unsur-unsur yang ada dalam sampel.Mohammad SyukurGambar 30. Produksi kebocoran dan penjumlahan puncak.

Mohammad SyukurPerbandingan dari perbedaan detektorResolusi dari detektor yang berisi gas dan detektor Scintilasi adalah sangat jelek dan mereka tidak sesuai untuk spektrometer energi dispersif. Bagaimanapun mereka dapat dipakai pada spektrometer panjang gelombang dispersif karena peralatan ini resolusinya diperoleh dari kristal difraksinya. Sensitivitas tergantung pada tipe detektor dan pada energi sinar-x yang datang. Detektor berisi gas mempunyai sensitivitas yang tinggi untuk energi yang rendah dan sensitivitas yang rendah untuk energi yang tinggi. Jadi sesuai sekali untuk mendeteksi energi yang rendah .Mohammad SyukurHal yang berlawanan untuk pemakaian detektor scintilasi yang lebih baik digunakan untuk energi yang tinggi dibandingkan energi yang rendah. Detektor zat padat umumnya mempunyai sensitivitas yang sangat rendah untuk energi yang rendah dan resolusi yang tinggi untuk energi yang lebih tinggi. Spektrometer EDXRF umumnya menggunakan detektor zat padat , seraya spektrometer WDXRF menggunakan kombinasi detektor berisi gas dan detektor scintilasi.Mohammad SyukurKomposisi kimia kaolin bangka dengan xrfUnsur% beratSiO2 TiO2 Al2 O3 Fe2 O3 CaOMgONa2 O K2 O

Dengan XRD Kaolin Bangka komponen utamanya KaolinitDengan rumus kimianya Al2 Si2 O5 (OH)4 44,23 0,5237,70 0,64 0,05 0,19 _ 0,67Mohammad Syukur