X荧光分析实验报告

X荧光分析实验报告张星翰131200064引言X荧光分析是一种快速、无损、多元素同时测定的现代技术，已广泛应用于材料科学、生物医学、地质研究、环境监测、天体物理、文物考古、刑事侦察、工业生产等诸多领域，例如可用X荧光分析技术研究：（1）钢中碳、笛含量与低碳钢的脆性转变温度的关系；（2）千分之儿的锰对铁镍合金薄膜磁电阻的严重影响；（3）检测齿轮箱润滑油中各金属元素的含量，在不拆卸机件的情况下，分析飞行器部件磨损状况；（4）分析大气中浮游尘、气溶胶、水源污染情况、食品中有害物；（5）分析血样、头发、牙齿、淋巴细胞、活性酶中微量元素与人体健康、疾病的相关性；（6）无损分析文物组分；（7）分析飞船带回的月岩、陨石等成分；（8）测定地下水样中砷浓度，依据金矿与砷同时存在的特征，找出金矿；（9）用稀硝酸淋洗可疑射击者的手，测定浓缩液中硫、钡、铁、铅含量，作为侦察的依据，可信度达90%-98%；（10）监控水泥中钙、铁、铝等含量，达到控制水泥生产品质的目的；（11）分析土壤中微量元素，以确定作物（特别是草药）种植的适宜性等。实验目的1.了解能量色散X荧光分析的原理、仪器构成和基本测量、分析方法。2.验证莫塞莱定律（Moseley'sLaw），并从实验推出屏蔽常数。3.研究对多道分析器的定标，以及利用X荧光分析测量位未知样品成分及相对含量的方法。实验原理以一定能量的光子、电子、质子、粒子或其他离子轰击样品，将物质原子中的内壳层电子击出，产生电子空位，原子处于激发态。外壳层电子向内壳层跃迁，填补内壳层电子空位，同时释放出跃迁能量，原子回到基态。跃迁能量以特征X射线形式释放，或能量转移给另一个轨道电子，使该电子发射出来，即俄歇电子发射。另外还可能存在几率较低，主量子数相同，角量子数不同，亚壳层间电子的Coster-Kronig非辐射跃迁。测出特征X射线能谱，即可确定所测样品中元素种类和含量。当原子中K层电子被击出后，L层或M层的电子填补K层电子空位，同时一定几率发射特征X射线。LK产生的X射线叫K系，L层有三个子壳层，允许跃迁使K系有两条谱线1K和2K。MK产生的X射线叫K系，M层有五个字壳层，允许跃迁使K有1K，3K，5K三条谱线。当原子中L层电子被击出后，ML跃迁产生的X射线叫L系。X荧光分析中激发X射线的方式一般有三种：（1）用质子、粒子或其他离子激发；（2）用电子激发；（3）用X射线或低能射线激发。轻便型仪器常用放射性同位素和X光管作激发源。X光管是通过加热阴极K发出的热电子在阴、阳极间高压电场加速下，轰击阳极A产生X射线的。测量特征X射线常用()SiLi探测器，它的能量分辨率高，适用于多元素同时分析，也可选用()GeLi或高纯Ge探测器。本次实验使用的是用正比计数管作探测器的X荧光分析系统，如图1所示。为防止探测系统中脉冲叠加，除适合选择放射源强度外，前置放大器和主放大器要有抗堆积措施。激发源为X光管，样品被激发出的特征X射线，由探测器进行检测。按入射光子的能量高低转换成相应幅度的电脉冲输出，这些电脉冲经过放大、成形等信号处理过程后，将其幅度变换成数字量进行技术分类，并输出到显示器上。图1实验内容A、X荧光分析仪的能量、效率刻度仪器在实测样品前需要作能量和效率标定。常用的方法有两种：a.用标准X射线源进行校刻。实验中未采用，略过。b.用标准样品进行校刻。可以选一组特征X射线峰相隔较远，峰不重迭的元素，以不同的相对含量制成一组样品，在与测试样品相同的几何条件下，测出各元素的特征X射线峰所在的道址和相应的计数。由特征X射线能量数据表查出标样中各元素特征X射线的能量，作出能量一道址曲线和相对含量——特征峰强度曲线。B、样品测量X荧光分析可以同时测出样品中所含元素种类和各元素绝对或相对含量。所含元素种类可以由测出的特征X射线能量与已知的各元素特征X射线能量值相对照识别出来。元素绝对含量可由下式计算：W=其中Ni为所测元素的一个特征峰计数（扣除本底后的峰面积），A为该元素的原子量，n0为入射粒子数，σi为特征X射线产生截面，i表示KX射线或LX射线，εi为探测该特征峰处的效率、T为该特征X射线在样品中的透射率，对薄样品近似为1。N0为阿伏伽德罗常数，Ω为探测器对样品所强立体角。样品中A、B两种元素的含量比可由下式计算：样品中元素的含量亦可以根据前述标准样品测得的定标曲线，用同样测试时间比较测出。400TNnANiiiAiAiBBjBjBjAAiBAANANWW对峰重迭的谱，需要用曲线（常用高斯线）拟合法，算出峰面积Ni、Nj。C、验证莫塞茉定律1913年莫塞莱（H.G.J.Moseley）发现元素的特征X射线频率ν与原子序数Z有下列关系：式中A、B是常数；对一定范围内的元素，A、B不随Z改变。用数种纯金属样品，测出它们的特征X射线能量验证上述关系。实验过程（1）标定X荧光分析仪的能量为了对多道分析器进行能量标定，我们选择了几种已知材料作为样品对其进行X荧光分析，可以得到样品能谱峰值所对应的道址如下表所示：钇Y铁Fe锌Zn铅Pb钼Mo铜Cu道址561225312385467657285能量Kev14.95846.4388.638910.551512.613717.47938.478线系1K1K1K1L1L1K1K由以上数据做出能量—道址图如下：能量与道址关系y=0.0251x+0.9561R2=0.997902468101214161820200300400500600700道址能量拟合曲线方程为Y=0.9561+0.0251*XBAZ以上，我们在计算时剔除了关于钛的两个测量值，这两个测量值严重偏离直线，在老师的帮助下，我们知道那是由于有机玻璃皿的干扰。（2）鉴定日常生活中的物品1、一元硬币做荧光分析，可以得到峰值道址为265，对应的特征能量为7.6076，含有Ni元素。2、五角硬币做荧光分析，可以得到峰值道址为286，对应的特征能量为8.1347，含有Cu元素。（3）验证莫塞莱定律元素的特征X射线频率ν与原子序数Z有下列关系：由于hE,所以莫塞莱定律可以改写为DCZE，其中ABCD均为常数。用Fe、Zn、Cu、Mo、Y五种元素的特征能量和原子序数来拟合曲线，得到参数C和D的值。验证莫塞来公式y=0.1013x-0.0744R2=0.9982012345202530354045ZE^0.5C=0.1013D=0.0744所以莫塞莱定律为0744.0-1013.0ZE用莫塞莱定律来验证一元硬币中含有的元素，将能量E=7.6076Kev带入，可以得到原子序数Z=27.9628，是镍元素。与前面得到的实验结果一致。将拟合公式改写成）常数（Z的形式，可以计算屏蔽常数。BAZ=D/C=0.0744/0.1013=0.734。思考题1.测量样品与标准样品计数率相差很大，对测量有何影响？测量样品与标准样品计数率相差很大对实验没有影响。因为无论是定标还是样品中成分测量都是关于多道分析仪道址与能量的关系，与计数率无光。只有在未知未知样品中不同元素相对含量的计算中才用到计数率，但与标准样品中计数率无关。2.液体样品如何用X荧光分析测其成分？首先测定容器的成分，记录特征峰的位置。然后测量盛有液体的容器的谱。将两者进行比较即可确定液体的成分。需要注意的是：容器对X射线的吸收和散射应尽量小，这样才能得到待测液体明显的特征峰。参考文献（1）黄润生等.近代物理实验(第二版).南京大学出版社.2008.4