壹文讀懂(dong)X射線(xian)熒(ying)光光譜儀(yi)（XRF）

　　原(yuan)理(li)用X射線(xian)照(zhao)射(she)試樣時(shi)，試樣可(ke)以被(bei)激發出(chu)各(ge)種波長(chang)的熒(ying)光X射線(xian)，需(xu)要(yao)把混(hun)合(he)的(de)X射(she)線(xian)按(an)波長(chang)(或(huo)能量)分開，分(fen)別(bie)測(ce)量不同波長(chang)(或(huo)能量)的X射線(xian)的(de)強度，以進(jin)行定(ding)性(xing)和(he)定(ding)量(liang)分(fen)析，為此使用的儀(yi)器叫(jiao)X射(she)線(xian)熒(ying)光光譜儀(yi)。

　　儀器構(gou)造(zao)

　　激發光源

　　兩種(zhong)類型(xing)的(de)X射(she)線(xian)熒(ying)光光譜儀(yi)都需(xu)要(yao)用X射線(xian)管(guan)作為激發光源。燈絲(si)和靶極(ji)密(mi)封在(zai)抽(chou)成真(zhen)空的金(jin)屬(shu)罩內，燈(deng)絲和靶極(ji)之(zhi)間加高壓(壹(yi)般為40KV)，燈絲發射的(de)電子(zi)經(jing)高壓電(dian)場加速撞擊(ji)在(zai)靶極(ji)上(shang)，產(chan)生X射(she)線(xian)。X射(she)線(xian)管(guan)產(chan)生的(de)壹(yi)次(ci)X射線(xian)，作為激發X射線(xian)熒(ying)光的輻射(she)源。只有當壹(yi)次(ci)X射線(xian)的(de)波長(chang)稍短(duan)於(yu)受激元(yuan)素吸收限1min時(shi)，才能有效的激發出(chu)X射(she)線(xian)熒(ying)光。大於1min的(de)壹次(ci)X射線(xian)其(qi)能量不足以(yi)使受(shou)激(ji)元素(su)激發。

　　X射線(xian)管(guan)的(de)靶材(cai)和(he)管(guan)工(gong)作電壓決(jue)定(ding)了(le)能有效激發受激(ji)元素(su)的(de)那部分(fen)壹次(ci)X射線(xian)的(de)強度。管(guan)工(gong)作電壓升(sheng)高，短(duan)波長(chang)壹次(ci)X射線(xian)比(bi)例(li)增(zeng)加，故產(chan)生的(de)熒(ying)光X射線(xian)的(de)強度也(ye)增(zeng)強。但(dan)並(bing)不是說管(guan)工(gong)作電壓越(yue)高越(yue)好，因(yin)為入射(she)X射(she)線(xian)的(de)熒(ying)光激發效率與(yu)其(qi)波長(chang)有關，越(yue)靠(kao)近被(bei)測元(yuan)素(su)吸收限波長(chang)，激發效率越(yue)高。

　　X射(she)線(xian)管(guan)產(chan)生的(de)X射(she)線(xian)透(tou)過鈹窗入射(she)到樣品(pin)上，激(ji)發出(chu)樣品(pin)元素(su)的特(te)征X射(she)線(xian)，正(zheng)常工作時(shi)，X射線(xian)管(guan)所(suo)消(xiao)耗(hao)功(gong)率的(de)0.2%左右(you)轉變為X射線(xian)輻(fu)射(she)，其(qi)余均(jun)變為熱能使X射(she)線(xian)管(guan)升(sheng)溫(wen)，因(yin)此必須(xu)不斷的(de)通冷卻(que)水(shui)冷卻(que)靶極(ji)。

　　波長(chang)色散型(xing)

　　分(fen)光晶(jing)體:

　　作用:是通過晶(jing)體衍(yan)射現象把不同波長(chang)的X射(she)線(xian)分(fen)開(kai)。

　　原(yuan)理(li):根(gen)據(ju)布(bu)拉格(ge)衍(yan)射定(ding)律(lv)2dsinθ=nλ，當波長(chang)為入的(de)X射(she)線(xian)以(yi)θ角(jiao)射到晶(jing)體，如(ru)果(guo)晶(jing)面間(jian)距(ju)為d，則在(zai)出(chu)射(she)角為θ的方向，可(ke)以(yi)觀測(ce)到波長(chang)為=2dsinθ的壹級(ji)衍(yan)射及(ji)波長(chang)為λ/2，λ/3等高級(ji)衍(yan)射。改變θ角，可以觀(guan)測到另(ling)外波長(chang)的X射(she)線(xian)，因(yin)而使不同波長(chang)的X射(she)線(xian)可(ke)以(yi)分開。

　　能量色散型(xing)

　　能量色散譜儀(yi)是利用熒(ying)光X射線(xian)具有不同能量的特(te)點(dian)，將其(qi)分開並(bing)檢測，不必使用分光晶(jing)體，而是依(yi)靠(kao)半導(dao)體探(tan)測(ce)器來完(wan)成。

　　X光子射到探(tan)測器後(hou)形(xing)成壹定(ding)數(shu)量(liang)的電子(zi)-空(kong)穴對，電子(zi)-空(kong)穴對在(zai)電(dian)場作用下(xia)形成電脈沖，脈沖幅(fu)度(du)與(yu)X光子的能量成正(zheng)比(bi)。在(zai)壹(yi)段(duan)時(shi)間內，來自(zi)試(shi)樣的(de)熒(ying)光X射線(xian)依(yi)次(ci)被(bei)半導(dao)體探(tan)測(ce)器檢測，得到壹(yi)系列(lie)幅(fu)度與光子能量成正(zheng)比(bi)的脈沖，經(jing)放(fang)大器放(fang)大後(hou)送(song)到多(duo)道脈沖分(fen)析(xi)器。

　　按(an)脈沖幅(fu)度(du)的(de)大小分(fen)別統(tong)計脈沖數(shu)，脈沖幅(fu)度(du)可(ke)以用X光子的能量標度，從而得到計數(shu)率隨(sui)光子能量變化的分布(bu)曲線(xian)，即(ji)X光能譜。

　　特(te)點(dian)及(ji)應(ying)用

　　1.優(you)點(dian):設(she)備相(xiang)對簡單(dan)。可(ke)以在(zai)大氣(qi)中工作，靈敏度(du)高。

　　2.缺(que)點(dian):X射(she)線(xian)入射(she)深(shen)度較大，因(yin)而當薄膜(mo)厚度在(zai)微(wei)米(mi)級(ji)以下(xia)時(shi)，常規射線(xian)技(ji)術在(zai)測(ce)定(ding)薄膜(mo)結構(gou)和(he)成分信息(xi)時(shi)沒有優(you)勢(shi)。

　　如(ru):實(shi)驗(yan)使用Cu靶X射(she)線(xian)的(de)波長(chang)約(yue)為0.15nm，其(qi)在(zai)固(gu)體中的穿(chuan)透(tou)厚度(du)壹般(ban)在(zai)100~10000m之(zhi)間(jian)，然而壹(yi)般薄膜(mo)厚度通(tong)常在(zai)10~100nm。這(zhe)時(shi)X射線(xian)穿(chuan)透(tou)深度(du)遠大於樣品(pin)薄膜(mo)厚度，因(yin)此常規的X射線(xian)熒(ying)光法襯底(di)的幹擾很大，很難(nan)實(shi)現(xian)對納(na)米級(ji)薄膜(mo)進(jin)行成分分析。所(suo)以(yi)，需(xu)要(yao)控(kong)制(zhi)X射(she)線(xian)的(de)入射(she)角(jiao)度，減小入射(she)深(shen)度，減輕(qing)襯底(di)信息(xi)的(de)幹擾。

　　X射(she)線(xian)熒(ying)光光譜儀(yi)的不斷完(wan)善(shan)和發展(zhan)所帶(dai)動(dong)的X射(she)線(xian)熒(ying)光分析技(ji)術已被(bei)廣(guang)泛用於冶(ye)金(jin)，地質(zhi)、礦物(wu)、石油、化工、生(sheng)物(wu)、醫療(liao)、刑(xing)偵(zhen)、考古(gu)等(deng)諸(zhu)多部門(men)和領(ling)域(yu)。X射線(xian)熒(ying)光光譜分(fen)析不僅成為對其(qi)物(wu)質(zhi)的化(hua)學元素(su)、物(wu)相(xiang)、化(hua)學立體結構(gou)、物(wu)證材(cai)料(liao)進(jin)行試(shi)測，對產(chan)品和(he)材(cai)料(liao)質(zhi)量進(jin)行無(wu)損(sun)檢測，對人體進(jin)行醫(yi)檢和微(wei)電(dian)路(lu)的(de)光刻檢驗(yan)等(deng)的(de)重(zhong)要分(fen)析手段(duan)，也(ye)是材料(liao)科(ke)學、生命(ming)科(ke)學、環境(jing)科(ke)學等普遍采用的壹(yi)種(zhong)快速(su)、準確而又經濟(ji)的多元素(su)分(fen)析方法(fa)。同(tong)時(shi),X射線(xian)熒(ying)光光譜儀(yi)也(ye)是野(ye)外現場分析(xi)和過程(cheng)控(kong)制(zhi)分(fen)析(xi)等(deng)方面(mian)儀(yi)器之(zhi)壹(yi)。

　　應(ying)用領(ling)域(yu)

　　樣品(pin)制(zhi)備(bei)與(yu)分(fen)析(xi)進(jin)行X射(she)線(xian)熒(ying)光光譜分(fen)析的樣品(pin)，可以(yi)是固(gu)態(tai)，也(ye)可(ke)以(yi)是水(shui)溶(rong)液。無論什麽(me)樣品(pin)，樣品(pin)制(zhi)備(bei)的(de)情況對測定(ding)誤(wu)差(cha)影響很大。

　　對金屬(shu)樣品(pin)要註(zhu)意成分偏析產(chan)生的(de)誤(wu)差(cha);化學組成相(xiang)同(tong)，熱處(chu)理(li)過程(cheng)不同的(de)樣品(pin)，得到的(de)計數(shu)率也(ye)不同;成分不均(jun)勻(yun)的(de)金屬試樣要(yao)重(zhong)熔，快速(su)冷卻(que)後(hou)制(zhi)成圓片;對表面(mian)不平的(de)樣品(pin)要打(da)磨拋(pao)光;對於粉(fen)末(mo)樣品(pin)，要研(yan)磨至(zhi)300目-400目(mu)，然(ran)後(hou)壓成圓片，也(ye)可(ke)以(yi)放(fang)入樣品(pin)槽(cao)中測定(ding)。對於固(gu)體樣品(pin)如果(guo)不能得到均(jun)勻(yun)平(ping)整的(de)表面(mian)，則(ze)可以把試樣用酸溶(rong)解(jie)，再(zai)沈澱(dian)成鹽類進(jin)行測(ce)定(ding)。對於液態(tai)樣品(pin)可以(yi)滴在(zai)濾(lv)紙上，用紅外燈蒸(zheng)幹水(shui)份(fen)後(hou)測(ce)定(ding)，也(ye)可(ke)以(yi)密(mi)封在(zai)樣品(pin)槽(cao)中。

　　總之(zhi)，所(suo)測樣品(pin)不能含有水(shui)，油和揮(hui)發性(xing)成分，更不能含有腐蝕(shi)性(xing)溶(rong)劑。

　　定(ding)性(xing)與(yu)定(ding)量(liang)分(fen)析

　　1.定(ding)性(xing)分(fen)析:不同元(yuan)素的(de)熒(ying)光X射線(xian)具有各自(zi)的(de)特(te)定(ding)波長(chang)，因(yin)此根據熒(ying)光X射線(xian)的(de)波長(chang)可以(yi)確定(ding)元(yuan)素(su)的組成。

　　如果(guo)是波長(chang)色散型(xing)光譜儀(yi)，對於壹(yi)定(ding)晶(jing)面間(jian)距(ju)的晶(jing)體，由(you)檢測器轉動(dong)的2θ角(jiao)可以(yi)求(qiu)出(chu)X射(she)線(xian)的(de)波長(chang)λ，從而確定(ding)元(yuan)素(su)成分。事實(shi)上(shang)，在(zai)定(ding)性(xing)分(fen)析時(shi)，可以靠(kao)計算(suan)機(ji)自(zi)動(dong)識別譜線(xian)，給(gei)出(chu)定(ding)性(xing)結論。

　　但(dan)是如果(guo)元素(su)含(han)量(liang)過低或(huo)存在(zai)元(yuan)素(su)間的(de)譜線(xian)幹擾時(shi)，仍需(xu)人(ren)工鑒(jian)別(bie)。

　　2.定(ding)量(liang)分(fen)析：X射線(xian)熒(ying)光光譜法(fa)進(jin)行定(ding)量(liang)分(fen)析的依(yi)據(ju)是元素(su)的熒(ying)光X射線(xian)強度Ii與試樣中該元(yuan)素(su)的含量(liang)Wi成正(zheng)比(bi):

　　根據(ju)上式(shi)，可以采(cai)用標準曲線(xian)法(fa)，增(zeng)量(liang)法，內標法等進(jin)行定(ding)量(liang)分(fen)析。但(dan)是這(zhe)些(xie)方法(fa)都(dou)要使標準樣品(pin)的組成與試樣的(de)組成盡可(ke)能相(xiang)同(tong)或(huo)相(xiang)似(si)，否則(ze)試樣的(de)基體效(xiao)應(ying)或(huo)共(gong)存元(yuan)素的影(ying)響，會給(gei)測定(ding)結果(guo)造成很大的偏差。