一文讀懂X射線熒光光譜儀（XRF）

　　原理用X射線照射試樣時(shí)，試樣可以被激發(fā)出各種波長的熒光X射線，需要把混合的X射線按波長(或能量)分開，分別測量不同波長(或能量)的X射線的強(qiáng)度，以進(jìn)行定性和定量分析，為此使用的儀器叫X射線熒光光譜儀。

　　儀器構(gòu)造

　　激發(fā)光源

　　兩種類型的X射線熒光光譜儀都需要用X射線管作為激發(fā)光源。燈絲和靶極密封在抽成真空的金屬罩內(nèi)，燈絲和靶極之間加高壓(一般為40KV)，燈絲發(fā)射的電子經(jīng)高壓電場加速撞擊在靶極上，產(chǎn)生X射線。X射線管產(chǎn)生的一次X射線，作為激發(fā)X射線熒光的輻射源。只有當(dāng)一次X射線的波長稍短于受激元素吸收限1min時(shí)，才能有效的激發(fā)出X射線熒光。大于1min的一次X射線其能量不足以使受激元素激發(fā)。

　　X射線管的靶材和管工作電壓決定了能有效激發(fā)受激元素的那部分一次X射線的強(qiáng)度。管工作電壓升高，短波長一次X射線比例增加，故產(chǎn)生的熒光X射線的強(qiáng)度也增強(qiáng)。但并不是說管工作電壓越高越好，因?yàn)槿肷鋁射線的熒光激發(fā)效率與其波長有關(guān)，越靠近被測元素吸收限波長，激發(fā)效率越高。

　　X射線管產(chǎn)生的X射線透過鈹窗入射到樣品上，激發(fā)出樣品元素的特征X射線，正常工作時(shí)，X射線管所消耗功率的0.2%左右轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線輻射，其余均變?yōu)闊崮苁筙射線管升溫，因此必須不斷的通冷卻水冷卻靶極。

　　波長色散型

　　分光晶體:

　　作用:是通過晶體衍射現(xiàn)象把不同波長的X射線分開。

　　原理:根據(jù)布拉格衍射定律2dsinθ=nλ，當(dāng)波長為入的X射線以θ角射到晶體，如果晶面間距為d，則在出射角為θ的方向，可以觀測到波長為=2dsinθ的一級衍射及波長為λ/2，λ/3等高級衍射。改變θ角，可以觀測到另外波長的X射線，因而使不同波長的X射線可以分開。

　　能量色散型

　　能量色散譜儀是利用熒光X射線具有不同能量的特點(diǎn)，將其分開并檢測，不必使用分光晶體，而是依靠半導(dǎo)體探測器來完成。

　　X光子射到探測器后形成一定數(shù)量的電子-空穴對，電子-空穴對在電場作用下形成電脈沖，脈沖幅度與X光子的能量成正比。在一段時(shí)間內(nèi)，來自試樣的熒光X射線依次被半導(dǎo)體探測器檢測，得到一系列幅度與光子能量成正比的脈沖，經(jīng)放大器放大后送到多道脈沖分析器。

　　按脈沖幅度的大小分別統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)，脈沖幅度可以用X光子的能量標(biāo)度，從而得到計(jì)數(shù)率隨光子能量變化的分布曲線，即X光能譜。

　　特點(diǎn)及應(yīng)用

　　1.優(yōu)點(diǎn):設(shè)備相對簡單?？梢栽诖髿庵泄ぷ?，靈敏度高。

　　2.缺點(diǎn):X射線入射深度較大，因而當(dāng)薄膜厚度在微米級以下時(shí)，常規(guī)射線技術(shù)在測定薄膜結(jié)構(gòu)和成分信息時(shí)沒有優(yōu)勢。

　　如:實(shí)驗(yàn)使用Cu靶X射線的波長約為0.15nm，其在固體中的穿透厚度一般在100~10000m之間，然而一般薄膜厚度通常在10~100nm。這時(shí)X射線穿透深度遠(yuǎn)大于樣品薄膜厚度，因此常規(guī)的X射線熒光法襯底的干擾很大，很難實(shí)現(xiàn)對納米級薄膜進(jìn)行成分分析。所以，需要控制X射線的入射角度，減小入射深度，減輕襯底信息的干擾。

　　X射線熒光光譜儀的不斷完善和發(fā)展所帶動(dòng)的X射線熒光分析技術(shù)已被廣泛用于冶金，地質(zhì)、礦物、石油、化工、生物、醫(yī)療、刑偵、考古等諸多部門和領(lǐng)域。X射線熒光光譜分析不僅成為對其物質(zhì)的化學(xué)元素、物相、化學(xué)立體結(jié)構(gòu)、物證材料進(jìn)行試測，對產(chǎn)品和材料質(zhì)量進(jìn)行無損檢測，對人體進(jìn)行醫(yī)檢和微電路的光刻檢驗(yàn)等的重要分析手段，也是材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等普遍采用的一種快速、準(zhǔn)確而又經(jīng)濟(jì)的多元素分析方法。同時(shí),X射線熒光光譜儀也是野外現(xiàn)場分析和過程控制分析等方面儀器之一。

　　應(yīng)用領(lǐng)域

　　樣品制備與分析進(jìn)行X射線熒光光譜分析的樣品，可以是固態(tài)，也可以是水溶液。無論什么樣品，樣品制備的情況對測定誤差影響很大。

　　對金屬樣品要注意成分偏析產(chǎn)生的誤差;化學(xué)組成相同，熱處理過程不同的樣品，得到的計(jì)數(shù)率也不同;成分不均勻的金屬試樣要重熔，快速冷卻后制成圓片;對表面不平的樣品要打磨拋光;對于粉末樣品，要研磨至300目-400目，然后壓成圓片，也可以放入樣品槽中測定。對于固體樣品如果不能得到均勻平整的表面，則可以把試樣用酸溶解，再沉淀成鹽類進(jìn)行測定。對于液態(tài)樣品可以滴在濾紙上，用紅外燈蒸干水份后測定，也可以密封在樣品槽中。

　　總之，所測樣品不能含有水，油和揮發(fā)性成分，更不能含有腐蝕性溶劑。

　　定性與定量分析

　　1.定性分析:不同元素的熒光X射線具有各自的特定波長，因此根據(jù)熒光X射線的波長可以確定元素的組成。

　　如果是波長色散型光譜儀，對于一定晶面間距的晶體，由檢測器轉(zhuǎn)動(dòng)的2θ角可以求出X射線的波長λ，從而確定元素成分。事實(shí)上，在定性分析時(shí)，可以靠計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別譜線，給出定性結(jié)論。

　　但是如果元素含量過低或存在元素間的譜線干擾時(shí)，仍需人工鑒別。

　　2.定量分析：X射線熒光光譜法進(jìn)行定量分析的依據(jù)是元素的熒光X射線強(qiáng)度Ii與試樣中該元素的含量Wi成正比:

　　根據(jù)上式，可以采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法，增量法，內(nèi)標(biāo)法等進(jìn)行定量分析。但是這些方法都要使標(biāo)準(zhǔn)樣品的組成與試樣的組成盡可能相同或相似，否則試樣的基體效應(yīng)或共存元素的影響，會(huì)給測定結(jié)果造成很大的偏差。