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Espectrometría de rayos X


La espectrometría de rayos X es un conjunto de técnicas espectroscópicas para la determinación de la estructura electrónica de materiales mediante el uso de excitación por rayos X.

ESPECTROMETRÍA DE EMISIÓN POR RAYOS X


Karl Manne Georg Siegbahn de Uppsala, Suecia (Premio Nobel 1924), fue uno de los pioneros en el desarrollo de rayos X espectrometría de emisión (también llamado X-espectroscopía de fluorescencia de rayos). Midió las longitudes de onda de los rayos X en muchos elementos de alta precisión, utilizando electrones de alta energía como fuente de excitación.

Los rayos X intensos y de longitud de onda sintonizable son típicamente generados con sincrotrones. En un material, los rayos X pueden sufrir una pérdida de energía en comparación con el haz de luz que entra. Esta pérdida de energía del haz re-emergente refleja una excitación interna del sistema atómico, de forma análoga a la conocida espectrometría Raman que se utiliza ampliamente en la región óptica.

En la región de los rayos X hay suficiente energía para producir cambios en el estado electrónico (transiciones entre orbitales, lo que contrasta con la región óptica, donde la pérdida de energía es a menudo debida a los cambios en el estado de rotación o los grados de libertad vibracionales). Por ejemplo, en la región ultraligera de los rayos X (por debajo de aproximadamente 1 k eV), las excitaciones de los campos cristalinos dan lugar a la pérdida de energía.

Podemos pensar en el proceso fotón-dentro-fotón-fuera como un evento de dispersión. Cuando la energía del rayo X corresponde a la energía de enlace de un nivel electrónico básico, este proceso de dispersión potencia su resonancia en muchos órdenes de magnitud. Este tipo de espectrometría de emisión de rayos X se conoce a menudo como dispersión inelástica resonante de rayos X (RIXS).

Debido a la amplia separación de energías orbitales de los niveles básicos, es posible seleccionar un determinado átomo de interés. Así, se puede obtener información valiosa sobre la estructura electrónica local de sistemas complejos, y los cálculos teóricos son relativamente sencillos de realizar.

Instrumentos




Existen varios diseños eficientes para analizar un espectro de emisión de rayos X en la región de los rayos X ultra ligeros. La cifra de valor para estos instrumentos es el rendimiento espectral, es decir, el producto de la intensidad detectada y el poder de resolución espectral. Por lo general, es posible cambiar los parámetros dentro de un cierto rango, mientras se mantiene su producto constante.

Espectrómetros de rejilla

Normalmente, los rayos X que emergen de una muestra deben pasar una hendidura que define la fuente, y luego los elementos ópticos (espejos y/o rejillas) los dispersan por difracción según su longitud de onda y, por último, se coloca un detector en sus puntos focales.

Monturas de rejilla esférica

Henry Augustus Rowland (1848-1901) desarrolló un instrumento que permitía el uso de un solo elemento óptico que combina la difracción y la concentración: una rejilla esférica. La reflectividad de los rayos X es baja, independientemente del material utilizado y, por tanto, la incidencia sobre la rejilla es necesaria.

Imaginemos un círculo con la mitad del radio R tangente al centro de la superficie de la rejilla. Este pequeño círculo se llama círculo de Rowland. Si la hendidura de entrada están en cualquier parte de este círculo, un haz de luz que pase por la hendidura y golpee la rejilla se dividirá en un haz reflejado especularmente, y en haces de todos los órdenes de difracción, que van a concentrarse en determinados puntos en el mismo círculo.

Monturas de hendidura plana

Los espectrómetros de hendidura plana son similares a los espectrómetros ópticos. En primer lugar necesita una óptica que convierta los rayos divergentes emitidos por la fuente de rayos X en un haz paralelo. Esto puede lograrse mediante la utilización de un espejo parabólico. Los rayos paralelos que salen de este espejo golpean una rejilla plana (con una distancia de ranura constante) en el mismo ángulo, y son difractados en función de su longitud de onda. Un segundo espejo parabólico, a continuación, recoge los rayos difractados en un cierto ángulo y crea una imagen en un detector. Un espectro dentro de un determinado rango de longitud de onda puede ser registrado simultáneamente usando un detector sensible de posición bidimensional tal como una placa fotomultiplicadora de microcanal o un chip CCD sensible a los rayos X (también se pueden utilizar placas de película fotográfica).



Interferómetros

En lugar de utilizar el concepto de interferencia de haz múltiple que producen las rejillas, se puede dejar simplemente que dos rayos interfieran. Registrando la intensidad de dos de esos rayos co-lineales en algún punto fijo y cambiando su fase relativa, se obtiene una intensidad del espectro en función de la diferencia de longitud de ruta. Se puede demostrar que esto es equivalente a una transformada de Fourier del espectro en función de la frecuencia. La mayor frecuencia registrable de dicho espectro depende del tamaño mínimo de paso elegido en la exploración y de la resolución de frecuencia (es decir, cómo de bien una cierta onda puede definirse en términos de su frecuencia). Esta última característica permite un diseño mucho más compacto para lograr alta resolución que para un espectrómetro de rejilla, porque las longitudes de onda de los rayos X son pequeñas en comparación con las diferencias de longitud de ruta alcanzables.