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单波长X射线荧光光谱仪

2022-05-06 09:07:22   

一、概 述

        单波长X射线荧光光谱仪（Monochromatic Excitation X-ray Fluorescence Spectrometer: ME XRF），也可称为单色化激发X射线荧光光谱仪，其通过单色化光学器件将X射线管出射谱某单一波长（对应单一能量）衍射取出并照射样品，由于消除X射线管出射谱中韧致辐射所产生的背景信号，从而大幅提升元素信噪比，是X射线荧光光谱领域一项越来越被重视的核心技术。


二、原理

       X射线管产生的初级X射线照射样品表面，样品中元素外层电子被激发发产生能级跃迁而释放出元素特征X射线荧光，能量色散型探测器将不同元素的特征X射线荧光分辨并探测其强度，称为能量色散型X射线荧光光谱仪。样品中元素特征X射线荧光经分光晶体按其波长不同进行分光，并由探测器探测强度，称为波长色散型X射线荧光光谱仪。可见，ED XRF与WD XRF主要区别在于样品中产生的元素荧光是经能量探测器直接探测还是经晶体对不同波长分光并探测。

         单波长X射线荧光光谱仪是在X射线照射样品前进行X射线光的单色化处理，单色化的手段有依靠双曲面弯晶实现点到点（X射线管发光点到样品点）聚焦衍射，也有采用多层膜光学器件实现单色化衍射，也可以采用二次靶技术实现靶材被激发产生的靶材特征荧光射线进一步照射样品。其优势是单色化激发极大降低了由于X射线管出射谱韧致辐射照射样品而产生的连续散射线背景强度，获得较佳的元素特征X射线荧光信号峰背比。

         严格说来，单波长X射线荧光光谱仪进一步可分为单波长激发-能量色散X射线荧光光谱仪和单波长激发-波长色散X射线荧光光谱仪。

三、特点

   低背景
    单色化激发技术有效降低光管出射谱散射线背景干扰，与硅漂移探测器相配合，将元素      分析范围延伸至O和F。


   宽微区分析
    双曲面弯晶技术实现X射线点到点聚焦衍射，实现更高性能的微区分析，理论上聚焦点       达到10um级别。


   元素成像
    与显微镜组成高精度、高灵敏度（亚ppm）、高空间分辨率元素成像系统。



   仪器小型化
    采用小功率X射线管，仪器结构简单，实现小型化。


四、应用
       X射线荧光光谱仪以样品处理简单、无损、快速等特点，广泛应用于钢铁、水泥、矿产冶炼、环境保护、石油化工、考古、科研等领域。
      单波长X射线荧光光谱仪随着国际ISO、美国ASTM、中国行业等方法标准的制订，将XRF元素检测范围延伸至微量甚至痕量，在石油化工、环境保护、食品安全、中药重金属、有色冶炼等行业发挥越来越大的作用。

五、技术参数
（1）元素分析范围：O-U；

（2）元素检出限：轻元素 F＜0.1%，金属元素Cu＜0.2ppm，重金属Pb、Cd＜0.1ppm；（与样品基体和分析时间相关）

（3）分析时间：60~600秒；

（4）样品类型：固体、粉末、液体；
（5）样品处理要求：均匀性、颗粒度；

六、发展历史
    1895年德国物理学家伦琴发现并证实了X射线，直至1948年，弗里德曼和伯克斯研制了第一台商品化的波长色散X射线荧光光谱仪（WD XRF），而后1969年，美国海军实验室研制出真正意义上的能量色散X射线荧光光谱仪（ED XRF）。

    常规的能量色散X 射线荧光光谱仪采用滤光片降低X射线管散射线背景，单波长X射线荧光光谱仪采用双曲面弯晶、偏振二次靶、多层膜等技术消除X射线管散射线背景。代表厂商有北京安科慧生[3-4]和美国XOS公司。

七、示例

采用单波长激发能量色散X射线荧光光谱仪分析水质重金属

       微焦斑X射线管与全聚焦型双曲面弯晶构成样品的激发源，具有高亮度、单色化的特点，高度单色化的入射X射线激发样品后，样品的出射X射线中几乎不包含连续散射背景，得到样品中元素荧光X射线极佳的峰背比。
 

 

图：单色化Mo：Kα17.4能量色散谱图
 

         采用硅晶体制成全聚焦型双曲面弯晶，单色化衍射Mo:Kα17.4eV，有效激发5KeV~17KeV能量区间内的元素，从样品中出射的射线除了被激发样品中的元素荧光射线和Mo:Kα瑞利散射和康普顿散射外，几乎不含其它散射线，另一优势是充分利用能量色散探测器SDD计数率，因此达到对目标元素极佳的检出限。

 

图：单色化激发能量色散元素荧光谱图
 

        样品：水基体中配置Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Hg、Pb、Br，含量2ppm溶液，元素能量谱图。

参考资料
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