XRF光譜儀原理及維護

1、XRFXRF光譜儀原理及維護光譜儀原理及維護 一一. .X射線熒光儀概論. .煉鋼爐前分析的發(fā)展u手動濕法分析u手動儀器分析u自動快速分析. .快速分析的幾種模式X熒光火花光譜制樣（銑床）機械手試樣歸類存儲進樣XRF光譜儀通常分成兩大類：光譜儀通常分成兩大類： 能量色散光譜儀能量色散光譜儀(EDXRF)2. 波長色散光譜儀波長色散光譜儀(WDXRF)X射線熒光儀分類 1.能量色散光譜儀能量色散光譜儀(EDAXS)(EDAXS) X光管樣品探測器定標器微機X光管或放射性同位素 半導體探測器 樣 品 冷卻器 多道分析器 MCA amplifier andmulti-channelanalysere

2、nergy (KeV)channelcountssampleX-ray tubedetector二維光學（光管直接激發(fā)）二維光學（光管直接激發(fā)）EDXRFX光管初級輻射直接激發(fā)樣品，由樣品發(fā)射的熒光直接進入探測器進行光電轉(zhuǎn)換和能量分辨，信號輸入多道分析器進行定性和定量分析。這種方式的儀器適用于快速定性分析和常規(guī)樣品定量分析。其優(yōu)點是定性分析速度快，缺點是對輕元素和重元素，分析效果差。Minipal4Minipal4am plifier andm ulti-channelanalyserenergy (KeV)channelcountsSam pleSecondary targetX-ray t

3、ubeDetector三維光學三維光學 （二次靶片振光激發(fā)）（二次靶片振光激發(fā)）放大器及多道分析器探測器 二次靶 樣品 X光管 X光管初級輻射激發(fā)二次靶(如Ti ka，多個) ，用偏振的靶線激發(fā)樣品，產(chǎn)生樣品熒光，經(jīng)探測器光電轉(zhuǎn)換并分光，輸入多道分析器，進行定性和定量分析。通過偏振，降低背景，提高靈敏度。這種方式適用于測定痕量重金屬元素。EPSON52.2.波長色散波長色散X X射線光譜儀射線光譜儀樣品X光管初級準直器分光晶體探測器 放大器 PHS 及計數(shù)電路波長色散熒光光譜儀由激發(fā)源、樣品室、前級準直器、分光晶體、后準直器、探測器、放大器、多道脈沖分析器、定標器及計算機組成。波長色散光譜儀A

4、XioS光譜儀光譜儀 能量型：優(yōu)點，無分光系統(tǒng)，小巧，檢測靈敏度提高23數(shù)量級，可一次同時測定樣品中幾乎所有元素；缺點，分析背景大，準確度不夠，尤其對輕元素還不能使相鄰元素的Ka譜線完全分開。 波長型：主要由光源、準直器、分光晶體、檢測器、記錄系統(tǒng)組成，有多道和單道式，分析準確度較高，價格較貴。小結(jié)EDXRF和 WDXRF優(yōu)缺點：二二. X射線熒光儀分析原理射線熒光儀分析原理XRF分析分包括定性分析與定量分析 。 根據(jù)選用的分析晶體和實測的2，用Bragg公式算出波長，根據(jù)Moseley定律確定元素，并從峰的能量中確定大致含量，進行定性分析；1. 2. 根據(jù)已知元素某特定波長或能量的光譜線強度

5、強度確定該元素在樣品中的濃度，進行定量分析。 XRF光譜分析原理 兩個重要定律 布拉格衍射（ Bragg） 定律 : n= 2d Sin 以以Fe為例，當n = 1時對于LiF 200 晶體： 2d = 0.4028 nm Fe K = 0.19373 nm = 28.75 2 = 57.50 莫塞萊（Moseley）定律： )(12/1SZK 其中 為波長，K、S是常數(shù)，Z是原子序數(shù) XRF定量分析根據(jù)元素的特征X射線光譜線的強度與元素在樣品中含量間的函數(shù)關(guān)系，確定樣品中各元素的濃度，稱為定量分析。 XRF定量分析的基本步驟1. 建立分析程序2. 建立漂移校正程序3. 建立標樣濃度文件4.

6、測量標樣的光譜強度5. 建立校準曲線6. 測量未知樣品 XRF定量分析程序的匯編步驟匯編分析應用程序匯編分析應用程序匯編分析應用程序點擊新應用項點擊新應用項輸入新程序名輸入新程序名輸入通道組名輸入通道組名匯編化合物表匯編化合物表匯編分析通道匯編分析通道檢查狀態(tài)參數(shù)檢查狀態(tài)參數(shù)樣品形態(tài)說明樣品形態(tài)說明 搜索光譜干擾搜索光譜干擾 確定背景位置確定背景位置2 角光學掃描角光學掃描確定脈沖條件確定脈沖條件PHD掃描掃描 計算測量時間計算測量時間匯編樣品識別匯編樣品識別 建立定量分析程序1. 選擇測量介質(zhì)選擇測量介質(zhì)：真空或He氣2. 選擇通道光欄選擇通道光欄：確定試樣的照射面積大小 通常有直徑27mm

7、或 30mm或 37mm 可選3. 匯編需要分析的元素或化合物（用系統(tǒng)化合物表和周期表）匯編需要分析的元素或化合物（用系統(tǒng)化合物表和周期表）4. 選擇試樣類型選擇試樣類型： 塊樣 金屬，合金 等固體 粉末壓片.輸入樣品量，粘接劑種類及加入量 熔融片.輸入樣品量，熔劑種類及加入量 溶液.輸入樣品量，溶劑種類及溶劑加入量建立分析測量程序（續(xù)）5. 匯編測量通道道匯編測量通道道(Channel)： 內(nèi)容包括通道名、譜線、晶體、準直器、探測器、濾光片、 kV/mA、峰位及背景測量時間，脈沖高度分布條件(PHD) 檢查分析線光學條件檢查分析線光學條件(Check Angle)： 確定峰位實際角度及背景點

8、；計算測量時間、檢查譜重疊 檢查電學條件檢查電學條件(Check PHD)： 確定脈沖高度分布的設(shè)定條件6. 8. 自動生成分析測量程序 分析線的選擇 選擇分析線時，通常選擇高強度、最靈敏線。一般 K系線強度 L系線強度 。在無干擾的情況下 盡量選擇K系線。 一般： 原子序數(shù) Z = 4Be 53I ， 選用K系譜線 原子序數(shù) Z = 55Cs 92U， 選用L系譜線 原子序數(shù) Z = 37Rb 60Nd，選用K或L系譜線三三. X射線熒光儀部件功能射線熒光儀部件功能 儀器組件的基本功能X光管樣 品光學系統(tǒng)探測器定標器計算機激發(fā)源熒光發(fā)射源光譜單色化光電轉(zhuǎn)換計數(shù)電路操作控制 軟 件定性定量分析

9、1. 激發(fā)源 X光管 X射線射線陰極燈絲陰極燈絲 陽極陽極RhBe窗口窗口陰極發(fā)射的電子在電場作用下飛向陽極,與陽極靶原子相遇突然停止運動，轉(zhuǎn)移能量,發(fā)射X射線光子；高速電子的能量99%以熱能釋放，僅有1 的能量轉(zhuǎn)變成X射線光子。由陽極、陰極、Be窗 口、真空室、陶瓷絕緣、HT插座、燈絲聯(lián)結(jié)、冷 卻水管、管殼組成。X光管原理圖 電流 電子 燈絲 陽極 Be窗口 X射線光子 AxiosAxios儀器的熒光激發(fā)源儀器的熒光激發(fā)源 X射線管最佳激發(fā)電壓的選擇最佳激發(fā)電壓的選擇 1. 最佳激發(fā)電壓應高于元素臨界激發(fā)電位的最佳激發(fā)電壓應高于元素臨界激發(fā)電位的 4 10 倍；倍； 2. 激發(fā)輕元素時，選擇

10、低電壓激發(fā)輕元素時，選擇低電壓,高電流高電流; 3. 激發(fā)重元素時激發(fā)重元素時,選擇高電壓選擇高電壓,低電流低電流; 最佳工作電壓的選擇最佳工作電壓的選擇 KV/KeV 輕元素選擇低電壓, 高電流; 重元素選擇高電壓,低電流最佳工作電壓 kV K lines L lines 60 Fe - Ba Sm - U 50 Cr - Mn Pr - Nd 40 Ti - V Cs - Ce 30 Ca - Sc Sb - I 24 Be - K Ca - Sn最佳工作電流 工作電流和強度的2次方成正比，管流管壓之積小于額定功率的前提下，可選擇工作電流盡可能的高 2.熒光發(fā)射源(樣品) 2 1tdt原級

11、輻射IX光管探測器熒光輻射Ii由于原級輻射激發(fā)和共存元素互致激發(fā)樣品發(fā)射的熒光由一次、二次、三 次熒光組成。3.光學(分光)系統(tǒng)光學系統(tǒng)由樣品、前級準直器、分光晶體 和探測器準直器組成；晶體分光原理Braggs Law : n=2dsin 布喇格定律樣品發(fā)射的具有不同波長的特征X射線通過晶體的衍射，散布在空間不同的方位上，并由探測器跟蹤測量稱為波長散射。晶體分光原理與布拉格定律布拉格定律入射波長準直器系統(tǒng)前級準直器的作用在于：控制入射光束的強度及分辨性能探測器準直器的作用在于降低雜散背景，提高靈敏度3. 通常具有兩種準直器系統(tǒng)： 平面晶體/準直器色散系統(tǒng)非聚焦系統(tǒng)，用于順序式儀器 柱面彎曲晶體

12、/狹縫色散系統(tǒng)聚集系統(tǒng)，用于同時式儀器4. 準直器由若干金屬薄片（Mo)及隔墊疊積而成，金屬片間隔越密，分辨率越高，強度越低；金屬片間距越大，強度越高，分辨率越差。兩種準直器裝置對數(shù)螺線彎晶光學系統(tǒng)對數(shù)螺線彎晶光學系統(tǒng) 平面晶體光學系統(tǒng)平面晶體光學系統(tǒng)準直器工作原理輻射源發(fā)散光平行光在平面晶體光學系統(tǒng)中，準直器將發(fā)散光會聚成一束平行光，片間距越小，光束的準直度越高，分辨率越好，但強度越低。AXioS 儀器的準直器系統(tǒng)粗 高強度 低分辨率中 分辨率及強度一般細 高分辨 低強度準直器/狹縫應用范圍準直器100/150 mm300 mm700 mmL - spectraU - PbU - RuMo

13、- FeK - spectraTe - AsTe - KCl - O準直器150 mm550 mm4000 mmL - spectraU - RuMo - Fe-K - spectraTe - KCl - FO -Be 濾光片的用途濾光片的用途1. 消除光管靶材的特征線干擾；2. 微量分析時可提高峰/背比， 獲得較低的 LLd；3. 減弱初級光束強度；4. 抑制管光譜中的有害雜質(zhì)光譜。濾光片位于X光管Be窗于樣品之間；共有5塊不同材質(zhì)的薄片構(gòu)成，由一馬達驅(qū)動；消去X光管靶線和降低散射背景例光學編碼定位測角儀光學編碼定位測角儀(DOPS)(DOPS)定位精度定位精度: : 0.00010.000

14、1o o -2-2 定位精度定位精度: 2400: 2400o o / /分鐘分鐘驅(qū)動方式驅(qū)動方式: : -2-2 獨獨 立轉(zhuǎn)動立轉(zhuǎn)動準準 確確 度度: 0.0025: 0.0025o o -2-2 優(yōu)優(yōu) 點：點： 速度快、精度高、速度快、精度高、 無機械誤差。無機械誤差。提高掃描速度和角度定位精度DOPS定位原理編碼光盤與軸直接固定22條光柵刻線的像投影到光敏二極管上,產(chǎn)生一個信號;形成方波輸出22條線平均，取樣頻率:1.5kHZ激光定位光學驅(qū)動測角儀（DOPS）由一光敏探頭（光電二極管組）、一個光發(fā)射二極管光源、光源透鏡和石英振蕩器控制電路組成。編碼光盤共720條刻痕，每兩條表示0.5o,

15、為避免痕距偏差，以一組22條刻痕的像經(jīng)透鏡投射道光電二極管，收集頻率為1.5kHZ的余弦波信號。監(jiān)控頻率為7.5MHz,每5000個時鐘脈沖控制0.5o。4. 探測器工作原理探測器工作原理以光電效應為基礎(chǔ)，把X射線光子轉(zhuǎn)換成可測量的電壓脈沖.以達到檢測X射線光子的目的.探測器不僅能將光子轉(zhuǎn)變成可以測量的脈沖，而且具有區(qū)分光子能 量大小的正比特性；2. 常用的探測器有:閃爍計數(shù)器、封閉型正比計數(shù)器和流氣式正比計數(shù)器。正比計數(shù)器的工作原理正比計數(shù)器的工作原理 入射窗口入射窗口陽極絲陽極絲 50m50m放大器放大器出射窗口出射窗口將不可測量的光信號轉(zhuǎn)變成可測的脈沖信號+ArAr+Ar+e-e-e-e

16、-e-e-e-e-e-Ar+Ar+Ar+Ar+Ar+Ar+e-Ar+ Ar氣原子電離電位:3evAr 氣放電原理氣放電原理光電效應： 一個入射光子使若干Ar原子產(chǎn)生常規(guī)電離，形成 正負離子對，電子 在電場作用下,獲得能量使更多原子電離，產(chǎn)生大約106個電子形成 一次雪崩放電, 然后在CH4的淬滅作用下停止放電，從而形成一個電 壓脈沖。EX探測器能量正比特性一個入射光子進入探測器時形成的最大正負離子對的數(shù)量取決于一個放大因子，這個因子稱為放大倍數(shù)，可根據(jù)以下公式計算：gasgainnionEEPhot 式中：n 最大正負離子對的數(shù)量；Ephot 為入射光子能量 ；Eion為Ar 原子的電離能量；

17、gas gain 是氣體的放大倍數(shù)，與探測器高壓有關(guān)。入射光子能量越高形成的正負離子對數(shù)量越大，輸出脈沖的幅度就越大。這就是探測器的正比特性。閃爍計數(shù)器應用范圍 重元素和短波輻射計數(shù)器，其適用范圍為: 0.04 - 0.15nm ( 8 - 30 keV )光陰極 Be窗 閃爍晶體 倍增極 陽極 放大器 各種探測器的應用范圍1. 流氣正比計數(shù)器 : 適用于輕元素和長波輻射 0.08 - 12nm (0.1 - 15 keV )；2. 封閉正比計數(shù)器 : 中間元素和中波長輻射 0.10 - 6nm (9.0 - 11 keV )；3. 閃爍計數(shù)器 : 重元素和短波輻射 0.04- 0.15nm (8.0 30 kev );探測器的脈沖高度分布脈沖高度分析器的主要作用是記錄每個能量高度間隔內(nèi)產(chǎn)生多少個脈沖？該脈沖的數(shù)目與譜線強度有關(guān)。檢測器和脈沖高度分析器區(qū)別不同能量譜線光子的能力稱為能量分辨率。脈沖高度分析器的作用5.脈沖高度分析器上限甄別器下限甄別器反符合電路輸入輸出脈沖高度選擇器由上限甄別器、下限甄別器、反符合