X射線熒光光譜原理及設(shè)備指標(biāo)

X射線熒光光譜分析在20世紀(jì)80年代初已是一種成熟的分析方法，是實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場(chǎng)分析主、次量和痕量元素的方法之一。

X射線熒光光譜儀（XRF）是利用原級(jí)X射線或其他光子源激發(fā)待測(cè)物質(zhì)中的原子，使之產(chǎn)生熒光（次級(jí)X射線），從而進(jìn)行物質(zhì)成分分析的儀器。X射線熒光光譜儀又稱XRF光譜儀，有波長(zhǎng)色散型和能量色散型兩種，適用于測(cè)定鈹（Be）以上的化學(xué)元素的含量。它的優(yōu)點(diǎn)是不破壞樣品，分析速度快，分析精度高，樣品制備簡(jiǎn)單。X射線熒光光譜儀還可以用于微區(qū)分析及確定分層和涂層的厚度和成分。

X-射線與物質(zhì)的交換

XRF熒光光譜儀是可以對(duì)任何種類的樣品進(jìn)行元素分析的分析技術(shù)，無論分析的樣品是液體、固體、漿料還是粉末。它是一種可靠的技術(shù)，結(jié)合了高精度和準(zhǔn)確性以及簡(jiǎn)便、快速的樣品制備等優(yōu)點(diǎn)?？梢栽谝髮?shí)現(xiàn)高處理量的工業(yè)環(huán)境下自動(dòng)完成使用準(zhǔn)備，并且提供定性和定量的樣品相關(guān)信息。

XRF熒光譜儀系統(tǒng)通常分為兩大類：波長(zhǎng)色散型（WDXRF）和能量色散型（EDXRF）。

EDXRF熒光光譜儀，一般由光源（X-線管）、樣品室及檢測(cè)系統(tǒng)等組成，與波長(zhǎng)色散型熒光光儀的區(qū)別在于他不用分光晶體及精密運(yùn)動(dòng)裝置（測(cè)角儀）。

EDXRF熒光光譜儀光源

EDXRF光譜儀的特點(diǎn)：

儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧，省略了精密運(yùn)動(dòng)裝置
沒有分光晶體
X射線管功率低（一般＜50W）
無需昂貴的高壓發(fā)生器和冷卻系統(tǒng)（空氣冷卻即可）
可同時(shí)執(zhí)行元素分析

優(yōu)點(diǎn)在于X射線利用率高，可同時(shí)檢測(cè)多元素，價(jià)格低；
缺點(diǎn)是靈敏度低、分辨率低、檢出限高（相對(duì)于WDXRF）。

WDXRF一般由光源（X-射線管）、樣品室、分光晶體和檢測(cè)系統(tǒng)等組成。它可以分析從鈹（Be）到鈾（U）的各種元素，濃度范圍從100%到低至亞ppm級(jí)。

WDXRF一般由光源（X-射線管）

WDXRF以其無與倫比的準(zhǔn)確度、精密度和可靠性著稱。這種強(qiáng)大的分析技術(shù)，使其可用于所有形式的工業(yè)應(yīng)用，包括：水泥生產(chǎn)、玻璃生產(chǎn)、采礦、選礦、鋼鐵及有色金屬、石油和石化、聚合物及相關(guān)行業(yè)、制藥、保健產(chǎn)品和環(huán)保等。

WDXRF光譜儀中，X射線光管用作直接照射樣品的光源，并且使用波長(zhǎng)色散式檢測(cè)系統(tǒng)來測(cè)量樣品發(fā)出的熒光。分光晶體根據(jù)波長(zhǎng)（而不是能量）來分離X射線，可用于識(shí)別每種不同元素發(fā)出的特征輻射。此類分析可以通過逐一（依次）測(cè)量不同波長(zhǎng)的X射線強(qiáng)度來完成，或者在固定位置同時(shí)測(cè)量所有不同波長(zhǎng)的X射線強(qiáng)度。X射線管需要高功率，需要專門的冷卻裝置（水冷或油冷），需要分光晶體及測(cè)角儀，因此波譜儀的價(jià)格往往比能譜儀高。

WDXRF光譜測(cè)定的優(yōu)勢(shì)：

?高分辨率，特別適用于輕重元素

?低探測(cè)限制，特別適用于輕重元素

?穩(wěn)定的分析

?高處理量

WDXRF一般分為順序掃描型和多道同時(shí)型（固定道）

掃描道波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜儀

波長(zhǎng)色散型的儀器發(fā)展現(xiàn)在，掃描道與固定道交替發(fā)展，其優(yōu)缺點(diǎn)也是互相印證的：

對(duì)于掃面型儀器：

1，分析元素的數(shù)量不受限制，除了最輕的幾個(gè)元素外幾乎可以作全元素分析，這是優(yōu)點(diǎn)。由于元素是分時(shí)測(cè)量的，測(cè)量總時(shí)間是每個(gè)元素的測(cè)試時(shí)間之和，為了保證每個(gè)元素要很短時(shí)間測(cè)完并達(dá)到計(jì)數(shù)率要求，大功率X光管和高速熒光信號(hào)處理就是必須的。大功率X光管和高壓電源的使用，是技術(shù)能力的體現(xiàn)，當(dāng)然也是問題多發(fā)點(diǎn)所在，維護(hù)成本很高。

2，高精度測(cè)角儀是單通道掃描式儀器的技術(shù)核心之一，對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用幾乎是必須的。對(duì)于特定的應(yīng)用有些浪費(fèi)。

對(duì)于固定道儀器：

1，各個(gè)通道同時(shí)工作，這樣測(cè)試時(shí)間就可以設(shè)定為最難滿足精度的元素通道所需的時(shí)間?？倻y(cè)定時(shí)間就是這個(gè)時(shí)間，一般幾十秒到2、3百秒。根據(jù)這個(gè)時(shí)間，多道同時(shí)式分析儀一般只需要選用小功率X光管（一般幾百瓦）即可滿足對(duì)總計(jì)數(shù)率的要求。小功率X光管和高壓電源及冷卻系統(tǒng)的成本低和壽命長(zhǎng)，故障率低，維護(hù)量小。

2，分光系統(tǒng)無運(yùn)動(dòng)部件，計(jì)數(shù)率精度可以達(dá)到很高水平。

3，對(duì)信號(hào)處理電路要求較低。

4，由于采用多個(gè)通道，每個(gè)通道都需要獨(dú)立的分光。，衍射晶體、探測(cè)器、放大器和多道脈沖處理器，加起來成本也還是比較高。通道數(shù)量總是要受到結(jié)構(gòu)的限制，不可能很多，這也是多道同時(shí)式分析儀一般少在行業(yè)應(yīng)用的原因——分析元素的數(shù)量有限。

特定用戶需要根據(jù)自己的需求特點(diǎn)選擇合適的WDXRF儀器。

近些年來，X射線儀器仍然取得了巨大的進(jìn)步，如：全反射X射線熒光光譜儀（TXRF）、聚焦微束X射線熒光光譜儀（μXRF）、偏振X射線熒光光譜儀（EDPXRF）等相繼商品化。

WDXRF光譜儀近年同樣取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步：

X射線管

1）4KW大功率:4KW薄窗X射線管，對(duì)于19K~92U元素范圍的重元素，提高靈敏度30%以上，對(duì)于4Be~17Cl元素范圍的輕元素，提高靈敏度70%以上。同時(shí)，4KW薄窗X射線管的冷卻方式的改進(jìn)，以及X射線發(fā)生器控制方式的發(fā)展，使得4KW薄窗X射線管在應(yīng)用上的可靠性大大增強(qiáng)。X射線管功率也有小型化趨勢(shì)，使自身的體積縮小，而且無需外冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，如200wX射線管，性價(jià)比高、使用成本低，適用于要求固定的用戶。

2）鈹（Be）窗超薄化:X射線管的鈹窗厚度一般為75~125um，有的產(chǎn)家的X射線管的鈹窗厚度僅有30um，這樣大大提高了初級(jí)X射線的透射率。薄窗X光管對(duì)Be，B，C，N等超輕元素的分析，對(duì)微量樣品分析，微區(qū)分析的發(fā)展起著推動(dòng)作用。

3）X光管端窗超銳化:這種超銳X射線管外形獨(dú)特，頭部尖細(xì)，內(nèi)部采用陶瓷絕緣，其設(shè)計(jì)更加緊湊、合理、準(zhǔn)確。窗口至樣品的距離較常規(guī)端窗管短（約16mm），大大提高了X射線輻照強(qiáng)度。而且，由于采用優(yōu)良的絕緣和長(zhǎng)壽命的燈絲，延長(zhǎng)了X射線管的使用壽命。

4）X光管雙靶化:為了使輕重元素都能獲得激發(fā)效率，一些儀器廠家將X光管設(shè)置成雙靶型。如日本株式會(huì)社理學(xué)。

高壓發(fā)生器：

近年來，譜儀的高壓發(fā)生器幾乎都采用高頻變換高壓發(fā)生器。發(fā)生器的高壓穩(wěn)定性也較高，一般說來，當(dāng)網(wǎng)路電壓波動(dòng)不超過10%時(shí)，穩(wěn)定性可達(dá)±，從而保證了X射線管所發(fā)射X射線強(qiáng)度的高穩(wěn)定性。

測(cè)角儀：

測(cè)角儀是順序式X射線熒光光譜儀的核心部件，也是同時(shí)式多道X射線熒光光譜儀中掃描的基本部件。如一些儀器制造商分別用無齒輪莫爾條紋測(cè)角儀和激光定位光學(xué)傳感器驅(qū)動(dòng)測(cè)角儀，取代傳統(tǒng)θ/2θ齒輪機(jī)械運(yùn)動(dòng)的測(cè)角儀，2θ掃描精度也由齒輪機(jī)械運(yùn)動(dòng)的±°提高到±°，2θ掃描速度提高到80°/s。

探測(cè)器和計(jì)數(shù)器：

在現(xiàn)代波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜儀中，探測(cè)器和計(jì)數(shù)器的最大線性計(jì)數(shù)率由原來的105s-1擴(kuò)展到106s-1，甚至最大線性計(jì)數(shù)率可達(dá)4106s-1。正比計(jì)數(shù)器逐漸由原來的流氣式向封閉式過度。采用封閉式正比計(jì)數(shù)器后，工作時(shí)既無需配制工作氣體，又防止了氣體質(zhì)量的不一致和流量變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，從而保證了測(cè)量結(jié)果具有更好的再現(xiàn)性。

X射線儀器正在越來越多的行業(yè)得到重視，已經(jīng)涌現(xiàn)出一批新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，如環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域：土壤和沉積物、空氣顆粒物新出了波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜法檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，大大提高了檢測(cè)效率。進(jìn)一步證明了WDXRF儀器的可靠性、高精度、低檢出限和旺盛的生命力。