X-射線熒光光譜儀基本原理及應用

1、X-射線射線熒光光譜儀基熒光光譜儀基本原理及應用本原理及應用基礎理論與知識基礎理論與知識1234儀器構造與原理儀器構造與原理樣品制備與分析樣品制備與分析案案 例例 分分 析析 當一束高能粒子與原子相互作用時，如果其能量大于或等于原子某一軌道電子的結合能，將該軌道電子逐出，對應的形成一個空穴，使原子處于激發(fā)狀態(tài)。K層電子被擊出稱為K激發(fā)態(tài)，同樣L層電子被擊出稱為L激發(fā)態(tài)。此后在很短時間內，由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，外層電子向空穴躍遷使原子恢復到平衡態(tài)，以降低原子能級。當空穴產(chǎn)生在K層，不同外層的電子（L、M、N層）向空穴躍遷時放出的能量各不相同，產(chǎn)生的一系列輻射統(tǒng)稱為K系輻射。同樣，當空穴產(chǎn)生在L層，所

2、產(chǎn)生一系列輻射則統(tǒng)稱為L系輻射。當較外層的電子躍遷（符合量子力學理論）至內層空穴所釋放的能量以輻射的形式放出，便產(chǎn)生了X 熒光。X熒光的能量與入射的能量無關，它只等于原子兩能級之間的能量差。由于能量差完全由該元素原子的殼層電子能級決定，故稱之為該元素的特征X射線，也稱熒光X射線或X熒光?；A理論與知識基礎理論與知識11 基礎理論與知識基礎理論與知識莫塞萊定律莫塞萊定律布拉格定布拉格定律律 朗伯朗伯-比爾比爾定律定律 利用X射線熒光進行元素定性、定量分析工作，需要以下三方面的理論基礎知識：三大定律三大定律123 莫塞萊定律(Moseleys law)，是反映各元素X射線特征光譜規(guī)律的實驗定律。1

3、913 年H.G.J.莫塞萊研究從鋁到金的38種元素的X射線特征光譜K和L線，得出譜線頻率的平方根與元素在周期表中排列的序號成線性關系。 莫塞萊認識到這些X 射線特征光譜是由于內層電子的躍遷產(chǎn)生的，表明X射線的特征光譜與原子序數(shù)是一一對應的，使X熒光分析技術成為定性分析方法中最可靠的方法之一。莫塞萊定律莫塞萊定律表達式表達式v 1913 年英國物理學家年英國物理學家H.莫塞萊研究了許多種元素的莫塞萊研究了許多種元素的X射射線標識譜（見線標識譜（見X射線譜），發(fā)現(xiàn)譜線頻率的二次方根與該射線譜），發(fā)現(xiàn)譜線頻率的二次方根與該元素在元素周期表中排列的順序號成線性關系。他認識到元素在元素周期表中排列的順

4、序號成線性關系。他認識到這些標識譜是由于原子內層電子躍遷而產(chǎn)生。莫塞萊把各這些標識譜是由于原子內層電子躍遷而產(chǎn)生。莫塞萊把各元素的元素的K線系和線系和L線系的頻率表達為：線系的頻率表達為： vK=Rc(ZK)2(1/121/22)vL=Rc(ZL)2(1/221/32)v 式中式中R是里德伯常數(shù)，是里德伯常數(shù)，Z是原子序數(shù)，是原子序數(shù)，是屏蔽因子，是屏蔽因子，c是是光速。他發(fā)現(xiàn)各元素光速。他發(fā)現(xiàn)各元素K和和L分別都近似等于分別都近似等于1和和7.4。對于其他線系則不再適用。對于其他線系則不再適用。 布拉格定律布拉格定律(Braggs law)是反映晶體衍射基本關系的理論推導定律。是反映晶體衍射

5、基本關系的理論推導定律。1912年英國物理學家布拉格父子年英國物理學家布拉格父子(W.H. Bragg和和W.L. Bragg)推導出了形推導出了形式簡單，能夠說明晶體衍射基本關系的布拉格定律。此定律是波長色散型式簡單，能夠說明晶體衍射基本關系的布拉格定律。此定律是波長色散型X熒光儀的分光原理，使不同元素不同波長的特征熒光儀的分光原理，使不同元素不同波長的特征X熒光完全分開，使譜熒光完全分開，使譜線處理工作變得非常簡單，降低了儀器檢出限。線處理工作變得非常簡單，降低了儀器檢出限。布拉格方程布拉格方程此式的物理意義在于：規(guī)定了X射線在晶體內產(chǎn)生衍射的必要條件，只有d、同時滿足布拉格方程時，晶體才

6、能產(chǎn)生衍射。 比爾-朗伯定律（Berr-Lamberts law）是反應樣品吸收狀況的定律，涉及到理論X射線熒光相對強度的計算問題。 當X射線穿過物質時，由于物質產(chǎn)生光電效應、康普頓效應及熱效應等，X射線強度會衰減，表現(xiàn)為改變能量或者改變運動方向，從而使向入射X射線方向運動的相同能量X射線光子數(shù)目減少，這個過程稱作吸收。 對于任意一種元素，其質量吸收系數(shù)隨著波長的變化有著一定數(shù)量的突變，當波長（或者說能量）變化到一定值時，吸收的性質發(fā)生了明顯變化，即發(fā)生突變，發(fā)生突變的波長稱為吸收限（或稱吸收邊），在各個吸收限之間，質量吸收系數(shù)隨波長的增大而增大。對于X射線熒光分析技術來說，原級射線傳入樣品的

7、過程中要發(fā)生衰減，樣品被激發(fā)后產(chǎn)生的熒光X射線在傳出樣品的過程中也要發(fā)生衰減，由于質量吸收系數(shù)的不同，使得元素強度并不是嚴格的與元素濃度成正比關系，而是存在一定程度的偏差。因而需要對此效應進行校正，才能準確的進行定量分析。2 儀器構造與原理儀器構造與原理分類分類 用用X射線照射試樣時，試樣可以被激發(fā)出各種波長的熒光射線照射試樣時，試樣可以被激發(fā)出各種波長的熒光X射線，需要射線，需要把混合的把混合的X射線按波長（或能量）分開，分別測量不同波長（或能量）的射線按波長（或能量）分開，分別測量不同波長（或能量）的X射線的強度，以進行定性和定量分析，為此使用的儀器叫射線的強度，以進行定性和定量分析，為此

8、使用的儀器叫X射線熒光光譜儀。射線熒光光譜儀。 能量色散型 波長色散型波長色散型波長色散型能量色散型能量色散型 兩種類型的兩種類型的X射線熒光光譜儀都需要用射線熒光光譜儀都需要用X射線管作為激發(fā)光源。射線管作為激發(fā)光源。 2.1 激發(fā)光源激發(fā)光源 燈絲和靶極密封在抽成真空的金屬罩內，燈絲和靶極之間加高壓（一般為40KV），燈絲發(fā)射的電子經(jīng)高壓電場加速撞擊在靶極上，產(chǎn)生X射線。X射線管產(chǎn)生的一次X射線，作為激發(fā)X射線熒光的輻射源。只有當一次X射線的波長稍短于受激元素吸收限lmin時，才能有效的激發(fā)出X射線熒光。大于 l m i n 的 一 次 X 射 線 其 能 量 不 足 以 使 受 激 元

9、素 激 發(fā) 。 X射線管的靶材和管工作電壓決定了能有效激發(fā)受激元素的那部分一次X射線的強度。管工作電壓升高，短波長一次X射線比例增加，故產(chǎn)生的熒光X射線的強度也增強。但并不是說管工作電壓越高越好，因為入射X射線的熒光激發(fā)效率與其波長有關，越靠近被測元素吸收限波長，激發(fā)效率越高。 X射線管產(chǎn)生的X射線透過鈹窗入射到樣品上，激發(fā)出樣品元素的特征X射線，正常工作時，X射線管所消耗功率的0.2%左右轉變?yōu)閄射線輻射，其余均變?yōu)闊崮苁筙射線管升溫，因此必須不斷的通冷卻水冷卻靶極。 2.2 分光系統(tǒng)分光系統(tǒng) 分光系統(tǒng)的主要部件是晶體分光器，它的作用是通過晶體衍射現(xiàn)象把不同波長的X射線分開。根據(jù)布拉格衍射定

10、律2dsin=n，當波長為的X射線以角射到晶體，如果晶面間距為d，則在出射角為的方向，可以觀測到波長為=2dsin的一級衍射及波長為/2，/3等高級衍射。改變角，可以觀測到另外波長的X射線，因而使不同波長的X射線可以分開。2.3 檢測記錄系統(tǒng)檢測記錄系統(tǒng) 上圖是流氣正比計數(shù)器結構示意圖。它主要由金屬圓筒負極和芯線正極組成，筒內充氬（90%）和甲烷（10%）的混合氣體，X射線射入管內，使Ar原子電離，生成的Ar+在向陰極運動時，又引起其它Ar原子電離，雪崩式電離的結果，產(chǎn)生一脈沖信號，脈沖幅度與X射線能量成正比。所以這種計數(shù)器叫正比計數(shù)器，為了保證計數(shù)器內所充氣體濃度不變，氣體一直是保持流動狀態(tài)

11、的。流氣正比計數(shù)器適用于輕元素的檢測。 X射線熒光光譜儀用的檢測器有流氣正比計數(shù)器和閃爍計數(shù)器。 另外一種檢測裝置是閃爍計數(shù)器，如上圖。閃爍計數(shù)器由閃爍晶體和光電倍增管組成。X射線射到晶體后可產(chǎn)生光，再由光電倍增管放大，得到脈沖信號。閃爍計數(shù)器適用于重元素的檢測。 除上述兩種檢測器外，還有半導體探測器等等。2.4 2.4 X X射線熒光光譜法特點射線熒光光譜法特點v 譜線簡單，譜線簡單，因為因為X射線熒光只發(fā)射特征線，而不發(fā)射連射線熒光只發(fā)射特征線，而不發(fā)射連續(xù)線，且主要采用續(xù)線，且主要采用K系和系和L系熒光。系熒光。v 分析靈敏度高分析靈敏度高:大多數(shù)元素檢出限達大多數(shù)元素檢出限達v 分析元

12、素范圍寬分析元素范圍寬:BU(592)v 測量元素含量范圍寬測量元素含量范圍寬 :從常量至微量從常量至微量0.000 x% 100%v 制樣簡單制樣簡單:固體固體, 粉末粉末, 晶體、非晶體都可晶體、非晶體都可v 無損分析無損分析：屬于物理過程的非破壞性分析，試樣不發(fā)生屬于物理過程的非破壞性分析，試樣不發(fā)生化學變化化學變化v 分析速度快，分析速度快，可以進行均勻試樣的表面分析可以進行均勻試樣的表面分析581010/g g以上介紹的是利用分光晶體將不同波長的熒光X射線分開并檢測，得到熒光X射線光譜。能量色散譜儀是利用熒光X射線具有不同能量的特點，將其分開并檢測，不必使用分光晶體，而是依靠半導體探

13、測器來完成。這種半導體探測器有鋰漂移硅探測器，鋰漂移鍺探測器，高能鍺探測器等。X光子射到探測器后形成一定數(shù)量的電子-空穴對，電子-空穴對在電場作用下形成電脈沖，脈沖幅度與X光子的能量成正比。在一段時間內，來自試樣的熒光X射線依次被半導體探測器檢測，得到一系列幅度與光子能量成正比的脈沖，經(jīng)放大器放大后送到多道脈沖分析器（通常要1000道以上）。按脈沖幅度的大小分別統(tǒng)計脈沖數(shù)，脈沖幅度可以用X光子的能量標度，從而得到計數(shù)率隨光子能量變化的分布曲線，即X光能譜圖。能譜圖經(jīng)計算機進行校正，然后顯示出來，其形狀與波譜類似，只是橫坐標是光子的能量。 2.5 能量色散譜儀能量色散譜儀 能量色散的最大優(yōu)點是可

14、以同時測定樣品中幾乎所有的元素。因此，分析速度快。另一方面，由于能譜儀對X射線的總檢測效率比波譜高，因此可以使用小功率X光管激發(fā)熒光X射線。另外，能譜儀沒有光譜儀那么復雜的機械機構，因而工作穩(wěn)定，儀器體積也小。缺點是能量分辨率差，探測器必須在低溫下保存。對輕元素檢測困難。 2.6 X射線熒光光譜的應用射線熒光光譜的應用 廣泛應用于地質、冶金、礦山、電子機械、石油、化工、航空航天材廣泛應用于地質、冶金、礦山、電子機械、石油、化工、航空航天材料、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、建筑材料、商檢等領域的材料化學成分分析。料、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、建筑材料、商檢等領域的材料化學成分分析。 直接分析對象直接分析對象:固體固體:

15、 塊狀樣品塊狀樣品(規(guī)則規(guī)則,不規(guī)則不規(guī)則)比如比如:鋼鐵鋼鐵,有色行業(yè)有色行業(yè)(純金屬或多元合純金屬或多元合金等金等),金飾品等金飾品等固體固體: 線狀樣品線狀樣品,包括線材包括線材,可以直接測量可以直接測量 固體固體: 鉆削鉆削,不規(guī)則樣品不規(guī)則樣品,可以直接測量可以直接測量粉末粉末: 礦物礦物,陶瓷陶瓷,水泥水泥(生料生料,熟料熟料,原材料原材料,成品等成品等),泥土泥土,粉末冶金粉末冶金,鐵鐵合金或少量稀松粉末合金或少量稀松粉末,可以直接測量可以直接測量;亦可以壓片測量或制成玻璃熔珠亦可以壓片測量或制成玻璃熔珠稀土稀土3 樣品制備與分析樣品制備與分析制備與分析制備與分析3.1 樣品制備

16、樣品制備3.2 定性與定量分析定性與定量分析3.3 標樣制作標樣制作3.4 儀器設備儀器設備進行X射線熒光光譜分析的樣品，可以是固態(tài)，也可以是水溶液。無論什么樣品，樣品制備的情況對測定誤差影響很大。對金屬樣品要注意成份偏析產(chǎn)生的誤差；化學組成相同，熱處理過程不同的樣品，得到的計數(shù)率也不同；成分不均勻的金屬試樣要重熔，快速冷卻后車成圓片；對表面不平的樣品要打磨拋光；對于粉末樣品，要研磨至300目-400目，然后壓成圓片，也可以放入樣品槽中測定。對于固體樣品如果不能得到均勻平整的表面，則可以把試樣用酸溶解，再沉淀成鹽類進行測定。對于液態(tài)樣品可以滴在濾紙上，用紅外燈蒸干水份后測定，也可以密封在樣品槽

17、中。總之，所測樣品不能含有水、油和揮發(fā)性成分，更不能含有腐蝕性溶劑。3.1 3.1 樣品制備樣品制備 不同元素的熒光X射線具有各自的特定波長，因此根據(jù)熒光X射線的波長可以確定元素的組成。如果是波長色散型光譜儀，對于一定晶面間距的晶體，由檢測器轉動的2角可以求出X射線的波長，從而確定元素成分。事實上，在定性分析時，可以靠計算機自動識別譜線，給出定性結論。 但是如果元素含量過低或存在元素間的譜線干擾時，仍需人工鑒別。首先識別出X射線管靶材的特征X射線和強峰的伴隨線，然后根據(jù)2角標注剩斜譜線。在分析未知譜線時，要同時考慮到樣品的來源，性質等因素，以便綜合判斷。3.2 定性與定量分析定性與定量分析定性

18、分析定性分析X射線熒光光譜法進行定量分析的依據(jù)是元素的熒光X射線強度Ii與試樣中該元素的含量Wi成正比： Ii=IsWi 式中，Is為Wi=100%時，該元素的熒光X射線的強度。根據(jù)上式，可以采用標準曲線法，增量法，內標法等進行定量分析。但是這些方法都要使標準樣品的組成與試樣的組成盡可能相同或相似，否則試樣的基體效應或共存元素的影響，會給測定結果造成很大的偏差。 3.2 定性與定量分析定性與定量分析定量分析定量分析 3.3 標樣制作標樣制作 其實真正的標準樣品制做是一個很復雜的過程，通常一般用戶為了使用儀器而自制的“標樣”（應該不能叫標樣，是參考樣品），這種參考樣品液態(tài)和粉末樣品比較容易，而固

19、態(tài)樣品比較難，這種情況下，一般用自己平常的生產(chǎn)樣品，只要樣品穩(wěn)定、均勻、且化學組分用一定梯度，可以覆蓋要求分析的化學元素范圍，就可以由多個有經(jīng)驗的化驗人員，同時分析平行樣品，統(tǒng)計定值后，便可以作為參考樣品使用。在參考樣品的制作過程中，分析結果的重復性和樣品化學性質的穩(wěn)定性是最主要的。另外，如果對自己的分析結果沒有信心，可以外送樣品到具有認證資格，或者權威部門進行分析、定值，也是一個比較妥善的方法。 X熒光分析的熒光分析的“標樣標樣”不宜太少，一般不宜太少，一般“標樣標樣”數(shù)要比分析元素的數(shù)要比分析元素的數(shù)目至少多兩個，當然，越多越好數(shù)目至少多兩個，當然，越多越好。要做一個測定鋁粉的標樣如何制作

20、？要做一個測定鋁粉的標樣如何制作？3.4 儀器生產(chǎn)廠家及儀器型號儀器生產(chǎn)廠家及儀器型號技術指標及性能特點技術指標及性能特點：4GN銠靶、超尖端、超薄窗(75um)、端窗X射線管，固態(tài)3.6kW高功率發(fā)生器， 最大電壓60kV，或最大電流120mA，9位晶體轉換器，閃爍計數(shù)器， 最大線性計數(shù)1500kcps，流氣正比計數(shù)器，最大線性計數(shù)2000kcps，流氣正比計數(shù)器窗膜0.9um。3.4.1 生產(chǎn)廠家：生產(chǎn)廠家：美國熱電集團瑞士ARL公司；儀器型號儀器型號：ADVANTXP；主要附件主要附件：CWY-II-10kVA穩(wěn)壓電源、循環(huán)水冷卻機、YYJ-40壓片機、ZM-1振動研磨機、CLAISSE

21、熔樣機；聯(lián)想計算機；HP1200激光打印機；儀器金額儀器金額：￥1736475；主要用途及使用方向主要用途及使用方向：配備Uniquant 5.12版無標樣分析軟件?？蓪Υ蟛糠止腆w樣品中的70幾個元素進行無標樣半定量分析，特別適合基體復雜、無標準物質的樣品分析。也可用于金屬材料、高純金屬、化工產(chǎn)品、化學試劑、巖石、礦物、土壤、植物等樣品中常量和痕量的定量分析。檢出限：10g/g左右，精密度小于1%。3.4.2 生產(chǎn)廠家：荷蘭生產(chǎn)廠家：荷蘭PANalytical公司公司3.4.3 生產(chǎn)廠家：英國牛津儀器公司生產(chǎn)廠家：英國牛津儀器公司3.4.4 生產(chǎn)廠家：德國斯派克分析儀器公司生產(chǎn)廠家：德國斯派克

22、分析儀器公司 4 案例分析案例分析 X射線熒光光譜儀分析具有制樣簡單、分析速度快、分析含量范圍寬、射線熒光光譜儀分析具有制樣簡單、分析速度快、分析含量范圍寬、重現(xiàn)性好、準確度高等優(yōu)點，近年來，隨著重現(xiàn)性好、準確度高等優(yōu)點，近年來，隨著X射線熒光光譜分析技術的不射線熒光光譜分析技術的不斷推廣，利用斷推廣，利用x射線熒光光譜儀分析檢測已成為水泥行業(yè)質量控制的主要射線熒光光譜儀分析檢測已成為水泥行業(yè)質量控制的主要手段。手段。1 試驗部分1.1 儀器與試劑 Axios順序掃描型X射線熒光光譜儀；上海盛力SL201壓片機；上海盛力SL301研磨機；UPS電源(艾普斯AEU一11010)；PIO氣體。三乙

23、醇胺(分析純)；硬脂酸(分析純)；無水乙醇(分析純)。1.2 儀器測量條件(表1) 校準樣品的準備校準樣品的準備 熒光分析儀是一種相對測量儀器，它是通過測量一定數(shù)量已知結果的熒光分析儀是一種相對測量儀器，它是通過測量一定數(shù)量已知結果的標準樣品，建立相應的正確的數(shù)學模型后，才能得到準確的測量。建立正標準樣品，建立相應的正確的數(shù)學模型后，才能得到準確的測量。建立正確的數(shù)學模型，必須依靠一組好的標樣，代表性好，有一定的跨度范圍，確的數(shù)學模型，必須依靠一組好的標樣，代表性好，有一定的跨度范圍，有準確的結果。考慮到市售的水泥生料標準樣品與本文要分析的生料在礦有準確的結果。考慮到市售的水泥生料標準樣品與本文要分析的生料在礦物組成上有差異，為減少顆粒效應和礦物效應，試驗采用生產(chǎn)線上生料樣物組成上有差異，為減少顆粒效應和礦物效應，試驗采用生產(chǎn)線上生料樣品作為母樣，根據(jù)含量要求按一定配比添加了實際生產(chǎn)使用砂巖、石灰石品作為母樣，根據(jù)含量要求按一定配比添加了實際生產(chǎn)使用砂巖、石灰石等原材料進行了人工配制，共獲得有代表性的等原材料進行了人工配制，共獲得有代表性的11個標準樣品，采用國標規(guī)個標準樣品，采用國標規(guī)定化學分析方法進行定值，作為定化學分析方法進行定值，作為x射線熒光光譜分析的校準樣品，標準樣品射線熒光光譜分析的校準樣品，標準樣品的含量范圍見表的含量范圍見表2。壓片制樣條件的選擇 X射線熒光光譜