X-射线荧光光谱仪基本原理及应用

X-射线荧光光谱仪基本原理及应用基础理论与知识1234仪器构造与原理样品制备与分析案例分析当一束高能粒子与原子相互作用时，如果其能量大于或等于原子某一轨道电子的结合能，将该轨道电子逐出，对应的形成一个空穴，使原子处于激发状态。K层电子被击出称为K激发态，同样L层电子被击出称为L激发态。此后在很短时间内，由于激发态不稳定，外层电子向空穴跃迁使原子恢复到平衡态，以降低原子能级。当空穴产生在K层，不同外层的电子（L、M、N…层）向空穴跃迁时放出的能量各不相同，产生的一系列辐射统称为K系辐射。同样，当空穴产生在L层，所产生一系列辐射则统称为L系辐射。当较外层的电子跃迁（符合量子力学理论）至内层空穴所释放的能量以辐射的形式放出，便产生了X荧光。X荧光的能量与入射的能量无关，它只等于原子两能级之间的能量差。由于能量差完全由该元素原子的壳层电子能级决定，故称之为该元素的特征X射线，也称荧光X射线或X荧光。基础理论与知识11基础理论与知识莫塞莱定律布拉格定律朗伯-比尔定律利用X射线荧光进行元素定性、定量分析工作，需要以下三方面的理论基础知识：三大定律123莫塞莱定律(Moseley'slaw)，是反映各元素X射线特征光谱规律的实验定律。1913年H.G.J.莫塞莱研究从铝到金的38种元素的X射线特征光谱K和L线，得出谱线频率的平方根与元素在周期表中排列的序号成线性关系。莫塞莱认识到这些X射线特征光谱是由于内层电子的跃迁产生的，表明X射线的特征光谱与原子序数是一一对应的，使X荧光分析技术成为定性分析方法中最可靠的方法之一。布拉格定律(Bragg'slaw)是反映晶体衍射基本关系的理论推导定律。1912年英国物理学家布拉格父子(W.H.Bragg和W.L.Bragg)推导出了形式简单，能够说明晶体衍射基本关系的布拉格定律。此定律是波长色散型X荧光仪的分光原理，使不同元素不同波长的特征X荧光完全分开，使谱线处理工作变得非常简单，降低了仪器检出限。比尔-朗伯定律（Berr-Lambert'slaw）是反应样品吸收状况的定律，涉及到理论X射线荧光相对强度的计算问题。当X射线穿过物质时，由于物质产生光电效应、康普顿效应及热效应等，X射线强度会衰减，表现为改变能量或者改变运动方向，从而使向入射X射线方向运动的相同能量X射线光子数目减少，这个过程称作吸收。对于任意一种元素，其质量吸收系数随着波长的变化有着一定数量的突变，当波长（或者说能量）变化到一定值时，吸收的性质发生了明显变化，即发生突变，发生突变的波长称为吸收限（或称吸收边），在各个吸收限之间，质量吸收系数随波长的增大而增大。对于X射线荧光分析技术来说，原级射线传入样品的过程中要发生衰减，样品被激发后产生的荧光X射线在传出样品的过程中也要发生衰减，由于质量吸收系数的不同，使得元素强度并不是严格的与元素浓度成正比关系，而是存在一定程度的偏差。因而需要对此效应进行校正，才能准确的进行定量分析。2仪器构造与原理分类用X射线照射试样时，试样可以被激发出各种波长的荧光X射线，需要把混合的X射线按波长（或能量）分开，分别测量不同波长（或能量）的X射线的强度，以进行定性和定量分析，为此使用的仪器叫X射线荧光光谱仪。能量色散型波长色散型波长色散型能量色散型两种类型的X射线荧光光谱仪都需要用X射线管作为激发光源。2.1激发光源灯丝和靶极密封在抽成真空的金属罩内，灯丝和靶极之间加高压（一般为40KV），灯丝发射的电子经高压电场加速撞击在靶极上，产生X射线。X射线管产生的一次X射线，作为激发X射线荧光的辐射源。只有当一次X射线的波长稍短于受激元素吸收限lmin时，才能有效的激发出X射线荧光。大于lmin的一次X射线其能量不足以使受激元素激发。X射线管的靶材和管工作电压决定了能有效激发受激元素的那部分一次X射线的强度。管工作电压升高，短波长一次X射线比例增加，故产生的荧光X射线的强度也增强。但并不是说管工作电压越高越好，因为入射X射线的荧光激发效率与其波长有关，越靠近被测元素吸收限波长，激发效率越高。X射线管产生的X射线透过铍窗入射到样品上，激发出样品元素的特征X射线，正常工作时，X射线管所消耗功率的0.2%左右转变为X射线辐射，其余均变为热能使X射线管升温，因此必须不断的通冷却水冷却靶极。2.2分光系统分光系统的主要部件是晶体分光器，它的作用是通过晶体衍射现象把不同波长的X射线分开。根据布拉格衍射定律2dsinθ=nλ，当波长为λ的X射线以θ角射到晶体，如果晶面间距为d，则在出射角为θ的方向，可以观测到波长为λ=2dsinθ的一级衍射及波长为λ/2，λ/3等高级衍射。改变θ角，可以观测到另外波长的X射线，因而使不同波长的X射线可以分开。2.3检测记录系统上图是流气正比计数器结构示意图。它主要由金属圆筒负极和芯线正极组成，筒内充氩（90%）和甲烷（10%）的混合气体，X射线射入管内，使Ar原子电离，生成的Ar+在向阴极运动时，又引起其它Ar原子电离，雪崩式电离的结果，产生一脉冲信号，脉冲幅度与X射线能量成正比。所以这种计数器叫正比计数器，为了保证计数器内所充气体浓度不变，气体一直是保持流动状态的。流气正比计数器适用于轻元素的检测。X射线荧光光谱仪用的检测器有流气正比计数器和闪烁计数器。另外一种检测装置是闪烁计数器，如上图。闪烁计数器由闪烁晶体和光电倍增管组成。X射线射到晶体后可产生光，再由光电倍增管放大，得到脉冲信号。闪烁计数器适用于重元素的检测。除上述两种检测器外，还有半导体探测器等等。以上介绍的是利用分光晶体将不同波长的荧光X射线分开并检测，得到荧光X射线光谱。能量色散谱仪是利用荧光X射线具有不同能量的特点，将其分开并检测，不必使用分光晶体，而是依靠半导体探测器来完成。这种半导体探测器有锂漂移硅探测器，锂漂移锗探测器，高能锗探测器等。X光子射到探测器后形成一定数量的电子-空穴对，电子-空穴对在电场作用下形成电脉冲，脉冲幅度与X光子的能量成正比。在一段时间内，来自试样的荧光X射线依次被半导体探测器检测，得到一系列幅度与光子能量成正比的脉冲，经放大器放大后送到多道脉冲分析器（通常要1000道以上）。按脉冲幅度的大小分别统计脉冲数，脉冲幅度可以用X光子的能量标度，从而得到计数率随光子能量变化的分布曲线，即X光能谱图。能谱图经计算机进行校正，然后显示出来，其形状与波谱类似，只是横坐标是光子的能量。2.4能量色散谱仪能量色散的最大优点是可以同时测定样品中几乎所有的元素。因此，分析速度快。另一方面，由于能谱仪对X射线的总检测效率比波谱高，因此可以使用小功率X光管激发荧光X射线。另外，能谱仪没有光谱仪那么复杂的机械机构，因而工作稳定，仪器体积也小。缺点是能量分辨率差，探测器必须在低温下保存。对轻元素检测困难。3样品制备与分析3.1样品制备3.2定性与定量分析3.3标样制作制备与分析进行X射线荧光光谱分析的样品，可以是固态，也可以是水溶液。无论什么样品，样品制备的情况对测定误差影响很大。对金属样品要注意成份偏析产生的误差；化学组成相同，热处理过程不同的样品，得到的计数率也不同；成分不均匀的金属试样要重熔，快速冷却后车成圆片；对表面不平的样品要打磨抛光；对于粉末样品，要研磨至300目-400目，然后压成圆片，也可以放入样品槽中测定。对于固体样品如果不能得到均匀平整的表面，则可以把试样用酸溶解，再沉淀成盐类进行测定。对于液态样品可以滴在滤纸上，用红外灯蒸干水份后测定，也可以密封在样品槽中。总之，所测样品不能含有水、油和挥发性成分，更不能含有腐蚀性溶剂。3.1样品制备不同元素的荧光X射线具有各自的特定波长，因此根据荧光X射线的波长可以确定元素的组成。如果是波长色散型光谱仪，对于一定晶面间距的晶体，由检测器转动的2θ角可以求出X射线的波长λ，从而确定元素成分。事实上，在定性分析时，可以靠计算机自动识别谱线，给出定性结论。但是如果元素含量过低或存在元素间的谱线干扰时，仍需人工鉴别。首先识别出X射线管靶材的特征X射线和强峰的伴随线，然后根据2θ角标注剩斜谱线。在分析未知谱线时，要同时考虑到样品的来源，性质等因素，以便综合判断。3.2定性与定量分析——定性分析X射线荧光光谱法进行定量分析的依据是元素的荧光X射线强度Ii与试样中该元素的含量Wi成正比：Ii=IsWi式中，Is为Wi=100%时，该元素的荧光X射线的强度。根据上式，可以采用标准曲线法，增量法，内标法等进行定量分析。但是这些方法都要使标准样品的组成与试样的组成尽可能相同或相似，否则试样的基体效应或共存元素的影响，会给测定结果造成很大的偏差。3.2定性与定量分析——定量分析3.3标样制作其实真正的标准样品制做是一个很复杂的过程，通常一般用户为了使用仪器而自制的“标样”（应该不能叫标样，是参考样品），这种参考样品液态和粉末样品比较容易，而固态样品比较难，这种情况下，一般用自己平常的生产样品，只要样品稳定、均匀、且化学组分用一定梯度，可以覆盖要求分析的化学元素范围，就可以由多个有经验的化验人员，同时分析平行样品，统计定值后，便可以作为参考样品使用。在参考样品的制作过程中，分析结果的重复性和样品化学性质的稳定性是最主要的。另外，如果对自己的分析结果没有信心，可以外送样品到具有认证资格，或者权威部门进行分析、定值，也是一个比较妥善的方法。X荧光分析的“标样”不宜太少，一般“标样”数要比分析元素的数目至少多两个，当然，越多越好。要做一个测定铝粉的标样如何制作？3.4仪器生产厂家及仪器型号技术指标及性能特点：4GN铑靶、超尖端、超薄窗(75um)、端窗X射线管，固态3.6kW高功率发生器，最大电压60kV，或最大电流120mA，9位晶体转换器，闪烁计数器，最大线性计数1500kcps，流气正比计数器，最大线性计数2000kcps，流气正比计数器窗膜0.9um。3.4.1生产厂家：美国热电集团瑞士ARL公司；仪器型号：ADVANTXP；主要附件：CWY-II-10kVA稳压电源、循环水冷却机、YYJ-40压片机、ZM-1振动研磨机、CLAISSE熔样机；联想计算机；HP1200激光打印机；仪器金额：￥1736475；主要用途及使用方向：配备Uniquant5.12版无标样分析软件。可对大部分固体样品中的70几个元素进行无标样半定量分析，特别适合基体复杂、无标准物质的样品分析。也可用于金属材料、高纯金属、化工产品、化学试剂、岩石、矿物、土壤、植物等样品中常量和痕量的定量分析。检出限：10μg/g左右，精密度小于1%。3.4.2生产厂家：荷兰PANalytical公司3.4.3生产厂家：英国牛津仪器公司3.4.4生产厂家：德国斯派克分析仪器公司4案例分析之一OptimizationofaglancingangleforsimultaneoustraceelementalanalysisbyusingaportabletotalreflectionX-rayfluorescencespectrometerShinsukeKunimura,DaisukeWatanabe,JunKawaiDepartmentofMaterialsScienceandEngineering,KyotoUniversity,Sakyo-ku,Kyoto,606-8501,JapanSpectrochimicaActaPartB64(2009)288–290ThetotalreflectionX-rayfluorescence(TXRF)analysisisaspectrometricmethodfortraceelementalanalysis.ByusingtotalreflectionofincidentX-raysonasampleholderwithaspecularsurface,theintensitiesofthespectralbackgroundduetoscatteredX-raysaredecreased.Therefore,highlysensitiveanalysisisperformedby