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X射線熒光光譜儀原理及主要技術指標對比
更新時間：2025-09-25 點擊次數：3645
X熒光光譜儀主要由激發源(X射線管)和探測系統構成。其原理就是：X射線管通過產生入射X射線(一次X射線)，來激發被測樣品。受激發的樣品中的每一種元素會放射出二次X射線(又叫X熒光)，并且不同的元素所放射出的二次X射線具有特定的能量特性或波長特性。探測系統測量這些放射出來的二次X射線的能量及數量或者波長。然后，儀器軟件將探測系統所收集到的信息轉換成樣品中各種元素的種類及含量。元素的原子受到高能輻射激發而引起內層電子的躍遷，同時發射出具有一定特殊性波長的X射線，因此,只要測出熒光X射線的波長或者能量,就可以知道元素的種類，這就是熒光X射線定性分析的基礎。此外,熒光X射線的強度與相應元素的含量有一定的關系，據此，可以進行元素定量分析。用X射線照射試樣時，試樣可以被激發出各種波長的熒光X射線，需要把混合的X射線按波長(或能量)分開，分別測量不同波長(或能量)的X射線的強度，以進行定性和定量分析，為此使用的儀器叫X熒光光譜儀。由于X熒光具有一定波長，同時又有一定能量，因此，X射線熒光光譜儀有兩種基本類型：波長色散型和能量色散型。
能量色散熒光光譜儀
能量色散法是將X射線激發被測所有元素的熒光簡單過濾后，全部進入到檢測器中，利用儀器和軟件來分出其中的光譜。如測的為元素周期表中相鄰的兩個元素，會因光譜重疊而產生測量誤差。能量色散型儀器是不破壞被測的材料或產品，也不需要專業人員操作，缺點是對鉻和溴是總量測定(一般不影響使用，因為很多情況可以判定，如測鉻總量超標，常可知是不是六價鉻超標，特別是溴，如被作為阻燃劑加入，不管是哪種溴，總量超標就不合格)。
波長色散熒光光譜儀
波長法是因其激發出的熒光足夠強，進到儀器中用來分析的光譜是單一元素(“過濾”了不需測的元素)，不含其它元素的光譜，所以測量數據很準確。這種儀器的靈敏度比能量色散型高一個數量級，也就是說，所測的數據并不存在“灰色地域”，不存在測定后還需拿到檢測機構復檢。缺點是，波長法需將被測材料粉碎壓制成樣本后測才準確。所以，用在材料廠。如不制成樣本(非破壞)，會因材料表面形狀不同而產生不同誤差。
現將兩種類型X射線光譜儀的主要部件及工作原理敘述如下：
1.X射線管
兩種類型的X射線熒光光譜儀都需要用X射線管作為激發光源。上圖是X射線管的結構示意圖。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),燈絲發射的電子經高壓電場加速撞擊在靶極上，產生X射線。X射線管產生的一次X射線，作為激發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，才能有效的激發出X射線熒光。一次X射線其能量不足以使受激元素激發。
X射線管的靶材和管工作電壓決定了能有效激發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射線的熒光激發效率與其波長有關，越靠近被測元素吸收限波長，激發效率越高。
X射線管產生的X射線透過鈹窗入射到樣品上，激發出樣品元素的特征X射線，正常工作時，X射線管所消耗功率的0.2%左右轉變為X射線輻射，其余均變為熱能使X射線管升溫，因此必須不斷的通冷卻水冷卻靶電極。
2.分光系統
分光系統的主要部件是晶體分光器，它的作用是通過晶體衍射現象把不同波長的X射線分開。根據布拉格衍射定律2dsinθ=nλ，當波長為λ的X射線以θ角射到晶體,如果晶面間距為d，則在出射角為θ的方向，可以觀測到波長為λ=2dsinθ的一級衍射及波長為λ/2,λ/3等高級衍射。改變θ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。分光晶體靠一個晶體旋轉機構帶動。因為試樣位置是固定的，為了檢測到波長為λ的熒光X射線，分光晶體轉動θ角,檢測器必須轉動2θ角。也就是說,一定的2θ角對應一定波長的X射線，連續轉動分光晶體和檢測器，就可以接收到不同波長的熒光X射線見(圖10.5)。一種晶體具有一定的晶面間距，因而有一定的應用范圍，目前的X射線熒光光譜儀備有不同晶面間距的晶體，用來分析不同范圍的元素。上述分光系統是依靠分光晶體和檢測器的轉動,使不同波長的特征X射線接順序被檢測，這種光譜儀稱為順序型光譜儀。另外還有一類光譜儀分光晶體是固定的,混合X射線經過分光晶體后,在不同方向衍射，如果在這些方向上安裝檢測器，就可以檢測到這些X射線。這種同時檢測不波長X射線的光譜儀稱為同時型光譜儀，同時型光譜儀沒有轉動機構，因而性能穩定，但檢測器通道不能太多，適合于固定元素的測定。
此外，還有的光譜儀的分光晶體不用平面晶體，而用彎曲晶體，所用的晶體點陣面被彎曲成曲率半徑為2R的圓弧形,同時晶體的入射表面研磨成曲率半徑為R的圓弧,第一狹縫,第二狹縫和分光晶體放置在半徑為R的圓周上,使晶體表面與圓周相切,兩狹縫到晶體的距離相等(見圖10.6)，用幾何法可以證明，當X射線從第一狹縫射向彎曲晶體各點時，它們與點陣平面的夾角都相同，且反射光束又重新會聚于第二狹縫處。因為對反射光有會聚作用,因此這種分光器稱為聚焦法分光器，以R為半徑的圓稱為聚焦圓或羅蘭圓。當分光晶體繞聚焦圓圓心轉動到不同位置時,得到不同的掠射角θ，檢測器就檢測到不同波長的X射線。當然，第二狹縫和檢測器也必須作相應轉動，而且轉動速度是晶體速度的兩倍。聚焦法分光的是熒光X射線損失少，檢測靈敏度高。
3.檢測記錄系統
X射線熒光光譜儀用的檢測器有流氣正比計數器和閃爍計數器。上圖是流氣正比計數器結構示意圖。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。所以這種計數器叫正比計數器，為了保證計數器內所充氣體濃度不變，氣體一直是保持流動狀態的。流氣正比計數器適用于輕元素的檢測。
另外一種檢測裝置是閃爍計數器如上圖。閃爍計數器由閃爍晶體和光電倍增管組成。X射線射到晶體后可產生光，再由光電倍增管放大，得到脈沖信號。閃爍計數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，半導體探測器是用于能量色散型X射線的檢測(見下節)。這樣，由X光激發產生的熒光X射線，經晶體分光后，由檢測器檢測，即得2θ-熒光X射線強度關系曲線，即熒光X射線譜圖，下圖是一種合金鋼的熒光X射線譜。
4.能量色散譜儀
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計脈沖數，脈沖幅度可以用X光子的能量標度，從而得到計數率隨光子能量變化的分布曲線，即X光能譜圖。能譜圖經計算機進行校正，然后顯示出來，其形狀與波譜類似，只是橫座標是光子的能量。
能量色散的是可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。
5.樣品制備
進行X射線熒光光譜分析的樣品，可以是固態，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中。總之，所測樣品不能含有水、油和揮發性成分，更不能含有腐蝕性溶劑。
6.定性分析
不同元素的熒光X射線具有各自的特定波長，因此根據熒光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2θ角可以求出X射線的波長λ，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，給出定性結果。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2θ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。
7.定量分析
X射線熒光光譜法進行定量分析的依據是元素的熒光X射線強度I1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。所謂基體效應是指樣品的基本化學組成和物理化學狀態的變化對X射線熒光強度所造成的影響。化學組成的變化，會影響樣品對一次X射線和X射線熒光的吸收，也會改變熒光增強效應。例如，在測定不銹鋼中Fe和Ni等元素時，由于一次X射線的激發會產生NiKα熒光X射線，NiKα在樣品中可能被Fe吸收，使Fe激發產生FeKα，測定Ni時，因為Fe的吸收效應使結果偏低，測定Fe時，由于熒光增強效應使結果偏高。但是，配置相同的基體又幾乎是不可能的。為克服這個問題，目前X射熒光光譜定量方法一般采用基本參數法。該辦法是在考慮各元素之間的吸收和增強效應的基礎上，用標樣或純物質計算出元素熒光X射線理論強度，并測其熒光X射線的強度。將實測強度與理論強度比較，求出該元素的靈敏度系數，測未知樣品時，先測定試樣的熒光X射線強度，根據實測強度和靈敏度系數設定初始濃度值，再由該濃度值計算理論強度。將測定強度與理論強度比較，使兩者達到某一預定精度，否則要再次修正，該法要測定和計算試樣中所有的元素，并且要考慮這些元素間相互干擾效應，計算十分復雜。因此，必須依靠計算機進行計算。該方法可以認為是無標樣定量分析。當欲測樣品含量大于1%時，其相對標準偏差可小于1%。
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