Måling av konsentrasjon av metaller i jord ved bruk av feltinstrument (XRF) gir mulighet for at en ved en enkel befaring kan foreta øyeblikksmålinger som gir grunnlag for både
statusbeskrivelse, risikovurdering og tiltaksbeskrivelse. Derfor er denne metoden rask og billig.
B.1 Hva er en XRF
XRF
(
X-Ray Fluorescence)er et instrument som måler og analyserer energispektrum. Mengden energi omregnes til konsentrasjon av elementet i prøven. I det bærbare XRF-apparatet formet som en pistol, se Figur B.1, sitter både røntgenkilden og detektoren ved ”pistol-munningen”.Apparatet har en innebygd datamaskin som tolker signal fra detektoren. Resultater vises enten som grafisk spekter, eller som tall i tabell, der konsentrasjoner av målt grunnstoff vises enten som ppm eller oppgitt i vektprosent.
Figur B.1 Niton XLt 700. Salgspris ligger på ca 300.000 eks.mva (Foto: FFI)
B.2 Virkemåte
Behovet for rask påvising og kvantifisering av tungmetaller har de siste årene steget, parallelt med økt kunnskap om metallenes skadevirkninger på mennesker, dyr og økosystem. Samtidig som regelverk og kontroller blir strengere, ønsker aktører i det private markedet å selv kunne kontrollere varer etc. for skadelige komponenter. Standard metoder for analyse er ofte tidkrevende og kostbare, det er derfor også ønskelig for forsvaret å ta i bruk enklere metoder.
Påvisning av grunnstoffer ved hjelp av røntgenfluorescens fungerer ved at røntgenstråler først sendes ut av en kilde, treffer et atom i grunnstoffet som analyseres, og sparker ut et elektron fra sitt skall, kalt K, L, M, N, O, etc. Når et skall ikke lenger okkuperes av et elektron, vil et annet elektron med større avstand fra kjernen og høyere energi hoppe over i det ledige skallet. Skallet
FFI-rapport 2010/00116 93
som høyenergielektronet hoppet over i, tilsvarer en orbital med lavere energi (fordi avstanden til kjernen er kortere). Energidifferansen sendes ut fra atomet i form av kortbølget elektromagnetisk stråling (røntgenstråler). Når skallet til høyenergielektronet blir ledig etter hoppet, vil et elektron fra skallet over gjøre et tilsvarende hopp og havne i det ledige skallet. Det blir samtidig sendt ut røntgenstråler med en bestemt energi, tilsvarende energidifferansen. Slik fortsetter
kjedereaksjonen, helt til alle skall er fylt opp fra kjernen og ut, som vist i Figur B.2.
Figur B.2 Oversikt over hendelsesforløp ved bestråling av et atom med røntgenstråler.
Fordi skallene rundt atomkjernen egentlig er orbitaler der elektroner oppholder seg med faste energier, vil den elektromagnetiske energien som sendes ut fra atomet ved slike ”elektronhopp”
være karakteristiske for hvert skall i hvert grunnstoff. Det samlede spekteret fra alle elektronhoppene vil følgelig også være karakteristisk for hvert grunnstoff.
Strålene treffer en detektor, som konverterer strålingen om til elektroniske signaler, deretter måles energinivå og antall treff, og stoffet blir identifisert og kvantifisert på bakgrunn av de
karakteristiske spektrene, som vist i Figur B.3.
94 FFI-rapport 2010/00116
Figur B.3 Hvert elektronhopp mellom skall gir opphav til stråling med en bestemt energi.
Antall registrerte stråler med samme energi bestemmer høyde på toppen.
B.3 Sikkerhet ved bruk av XRF
Metallene identifiseres når de bestråles med røntgenstråler. Strålingen er skadelig dersom den rettes mot personer. Alle som bruker instrumentet skal ha gjennomgått en grunnleggende opplæring.
B.4 Transport av XRF
Instrumentet med isotopkilde er definert som lett radioaktiv kilde. Personer som transporterer instrumentet skal ha kunnskap om hvordan instrumentet skal behandles dersom den radioaktive kilden skades. For transport med fly skal dokumentasjon (brosjyre) og skjemaet UN3911 medbringes.
B.5 Måletid og deteksjonsgrenser
XRF er et pålitelig instrument, men målingen foregår i et lite punkt og den enkle opparbeidelsen av prøven fører til noe avvik fra laboratorieanalyser. For praktisk bruk i SØF er det i første rekke bly (Pb) som er det pålitelige elementet. Her er deteksjonsgrensen med et rimelig standardavvik godt under 60 mg/kg (ppm). Erfaringene tilsier også at den analyttiske feilen ligger innenfor anslagsvis 20% i forhold til laboratorieanalyser. FFI (2006) anbefaler derfor at målte konsentrasjoner økes med en faktor på 1,2.
Sett i forhold til aktuelle akseptkriterier for bly, (60 – 1400 mg/kg) er allikevel presisjonen til XRF instrumentet mer enn tilstrekkelig.
FFI-rapport 2010/00116 95
Summen av andre feilkilder kan være mer signifikant. Dette inkluderer hvorvidt prøven er representativ for lokaliteten, innsamlingsmetode, håndtering, preparering og analyse. Noen typer feilkilder er uheldige. Partikkeleffekt fra bly, kobber og maling m.m. kan gi absurde avlesninger.
XRF vil gi avvikende målinger i svært fuktig jord (20% underestimering). I enkelte områder med høyt organisk innhold eller mye finstoff i jordmonnet bør det vurderes om prøvene skal tørkes før analyse. På den andre siden oppleves også overestimering i prøver med blykonsentrasjoner under 100 mg/kg. Målinger av kobber i felt har viste seg å ikke være pålitelige og konsentrasjonen må være over 150 mg/kg for å gi en god indikasjon. Målt mengde antimon korrelerer bra med bly ved konsentrasjoner for antimon over 200 mg/kg. Mobilitet i den enkelte jordart og fukt kan være viktige faktorer for å forklare dette. Ved måling på referansepunkt bør det måles i minst 20 nominelle sekunder der det er nivåer av bly høyere enn 100 mg/kg. Nominelle sekunder er en tidsenhet satt i forhold til strålingsstyrken til det aktuelle instrumentet. For en rask vurdering kan det være nok å måle til avlesningen blir rimelig stabil, ofte tar dette ikke mer en 10 - 15 sekunder.
Bly Kopper Sink Antimon Nikkel
18 (11*) 80 (50*) 48 (24*) 72 (54*) 160 (80*)
Tabell B.1 Deteksjonsgrensene for instrument med røntgenrør i mg/kg (ppm) er satt i forhold til EPA protokoll med 99,7 % konfidens intervall og 60 sek. nominell måletid.
Individuelle målinger forbedres som en funksjon av kvadratroten av avlesingstiden.
*Referansejord
96 FFI-rapport 2010/00116
B.6 Kostnader og produktivitet
I Tabell B.2. er det gitt en enkel oppsummering av kostnadsbildet ved bruk av XRF.
XRF Jordprøver
Fase I - kartlegging
Identifisering og avgrensning
XRF gir øyeblikkelig informasjon om tungmetaller.
Måletid på 30 sekunder gjør at potensielle deponier identifiseres på stedet og kan avgrenses i løpet av minutter.
Fordeler:
Rask pålitelig analyse (bly)
Gir bedre forståelse for hva som har skjedd på stedet.
Økt produktivitet Færre turer i felt Pris
Dagsleie instrument 9000,- / 100 målinger (normalt tall) = kr. 90,- pr måling. Transportdøgn ikke medregnet.
Preparering av prøver gjør lab-analyser mer egnet for samleprøver.
Normal mengde pr. felt /bane 100/20
Litt høy deteksjonsgrense / Målingene må verifiseres med labanalyser.
Fase III – sluttkontroll
Presis analyse av alle elementer
Tabell B.2 Tabellen oppsummerer fordeler og svakheter ved bruk av feltinstrument (XRF) i forhold til laboratorieanalyser. Bruk av XRF vil gi økt produktivitet og lavere kostnader.
FFI-rapport 2010/00116 97