XRF光谱仪原理和维护ppt课件

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1、XRFXRF光谱仪原理及维护光谱仪原理及维护 一一. .X射线荧光仪概论. .炼钢炉前分析的发展u手动湿法分析u手动仪器分析u自动快速分析. .快速分析的几种模式X荧光火花光谱制样（铣床）机械手试样归类存储进样XRF光谱仪通常分成两大类：光谱仪通常分成两大类：1.能量色散光谱仪能量色散光谱仪(EDXRF)2. 波长色散光谱仪波长色散光谱仪(WDXRF)X射线荧光仪分类 1.能量色散光谱仪能量色散光谱仪(EDAXS)(EDAXS) X光管样品探测器定标器微机X光管或放射性同位素 半导体探测器 样 品 冷却器 多道分析器 MCA 二维光学（光管直接激发）二维光学（光管直接激发）EDXRFX光管初级

2、辐射直接激发样品，由样品发射的荧光直接进入探测器进行光电转换和能量分辨，信号输入多道分析器进行定性和定量分析。这种方式的仪器适用于快速定性分析和常规样品定量分析。其优点是定性分析速度快，缺点是对轻元素和重元素，分析效果差。Minipal4Minipal4三维光学三维光学 （二次靶片振光激发）（二次靶片振光激发）放大器及多道分析器探测器 二次靶 样品 X光管 X光管初级辐射激发二次靶(如Ti ka，多个) ，用偏振的靶线激发样品，产生样品荧光，经探测器光电转换并分光，输入多道分析器，进行定性和定量分析。通过偏振，降低背景，提高灵敏度。这种方式适用于测定痕量重金属元素。EPSON52.2.波长色散

3、波长色散X X射线光谱仪射线光谱仪样品X光管初级准直器分光晶体探测器 放大器 PHS 及计数电路波长色散荧光光谱仪由激发源、样品室、前级准直器、分光晶体、后准直器、探测器、放大器、多道脉冲分析器、定标器及计算机组成。波长色散光谱仪AXioS光谱仪光谱仪能量型：优点，无分光系统，小巧，检测灵敏度提高23数量级，可一次同时测定样品中几乎所有元素；缺点，分析背景大，准确度不够，尤其对轻元素还不能使相邻元素的Ka谱线完全分开。波长型：主要由光源、准直器、分光晶体、检测器、记录系统组成，有多道和单道式，分析准确度较高，价格较贵。小结EDXRF和 WDXRF优缺点：二二. X射线荧光仪分析原理射线荧光仪分

4、析原理XRF分析分包括定性分析与定量分析 。 1.根据选用的分析晶体和实测的2，用Bragg公式算出波长，根据Moseley定律确定元素，并从峰的能量中确定大致含量，进行定性分析；2. 根据已知元素某特定波长或能量的光谱线强度强度确定该元素在样品中的浓度，进行定量分析。 XRF光谱分析原理 两个重要定律 布拉格衍射（Bragg）定律:n=2dSin以以Fe为例，当n=1时对于LiF200晶体：2d=0.4028nmFeK=0.19373nm=28.752=57.50莫塞莱（Moseley）定律： 其中为波长，K、S是常数，Z是原子序数 XRF定量分析根据元素的特征X射线光谱线的强度与元素在样品

5、中含量间的函数关系，确定样品中各元素的浓度，称为定量分析。 XRF定量分析的基本步骤1.建立分析程序2.建立漂移校正程序3.建立标样浓度文件4.测量标样的光谱强度5.建立校准曲线6.测量未知样品 XRF定量分析程序的汇编步骤汇编分析应用程序汇编分析应用程序汇编分析应用程序点击新应用项点击新应用项输入新程序名输入新程序名输入通道组名输入通道组名汇编化合物表汇编化合物表汇编分析通道汇编分析通道检查状态参数检查状态参数样品形态说明样品形态说明 搜索光谱干扰搜索光谱干扰 确定背景位置确定背景位置2 角光学扫描角光学扫描确定脉冲条件确定脉冲条件PHD扫描扫描 计算测量时间计算测量时间汇编样品识别汇编样品

6、识别 建立定量分析程序1. 选择测量介质选择测量介质：真空或He气2. 选择通道光栏选择通道光栏：确定试样的照射面积大小通常有直径27mm或30mm或37mm可选3. 汇编需要分析的元素或化合物（用系统化合物表和周期表）汇编需要分析的元素或化合物（用系统化合物表和周期表）4. 选择试样类型选择试样类型：块样金属，合金等固体粉末压片.输入样品量，粘接剂种类及加入量熔融片.输入样品量，熔剂种类及加入量溶液.输入样品量，溶剂种类及溶剂加入量建立分析测量程序（续）5. 汇编测量通道道汇编测量通道道(Channel)：内容包括通道名、谱线、晶体、准直器、探测器、滤光片、kV/mA、峰位及背景测量时间，脉

7、冲高度分布条件(PHD)6.检查分析线光学条件检查分析线光学条件(Check Angle)：确定峰位实际角度及背景点；计算测量时间、检查谱重叠7.检查电学条件检查电学条件(Check PHD)：确定脉冲高度分布的设定条件8.自动生成分析测量程序 分析线的选择选择分析线时，通常选择高强度、最灵敏线。一般K系线强度L系线强度。在无干扰的情况下尽量选择K系线。一般：原子序数Z=4Be53I，选用K系谱线原子序数Z=55Cs92U，选用L系谱线原子序数Z=37Rb60Nd，选用K或L系谱线三三. X射线荧光仪部件功能射线荧光仪部件功能 仪器组件的基本功能X光管样 品光学系统探测器定标器计算机激发源荧光

8、发射源光谱单色化光电转换计数电路操作控制 软 件定性定量分析1. 激发源 X光管 X射线射线阴极灯丝阴极灯丝 阳极阳极RhBe窗口窗口1.阴极发射的电子在电场作用下飞向阳极,与阳极靶原子相遇突然停止运动，转移能量,发射X射线光子；2.高速电子的能量99%以热能释放，仅有1 的能量转变成X射线光子。3.由阳极、阴极、Be窗 口、真空室、陶瓷绝缘、HT插座、灯丝联结、冷 却水管、管壳组成。X光管原理图 电流 电子 灯丝 阳极 Be窗口 X射线光子 AxiosAxios仪器的荧光激发源仪器的荧光激发源 X射线管最佳激发电压的选择最佳激发电压的选择 1. 最佳激发电压应高于元素临界激发电位的最佳激发电

9、压应高于元素临界激发电位的 4 10 倍；倍； 2. 激发轻元素时，激发轻元素时，选择低电压选择低电压,高电流高电流; 3. 激发重元素时激发重元素时,选择高电压选择高电压,低电流低电流; 最佳工作电压的选择最佳工作电压的选择 KV/KeV 轻元素选择低电压, 高电流; 重元素选择高电压,低电流最佳工作电压 kVKlinesLlines60Fe-BaSm-U50Cr-Mn Pr-Nd40Ti-VCs-Ce30Ca-ScSb-I24Be-KCa-Sn最佳工作电流工作电流和强度的2次方成正比，管流管压之积小于额定功率的前提下，可选择工作电流尽可能的高 2.荧光发射源(样品) 2 1tdt原级辐射I

10、X光管探测器荧光辐射Ii由于原级辐射激发和共存元素互致激发样品发射的荧光由一次、二次、三 次荧光组成。3.光学(分光)系统光学系统由样品、前级准直器、分光晶体 和探测器准直器组成；晶体分光原理Braggs Law : n=2dsin 布喇格定律样品发射的具有不同波长的特征X射线通过晶体的衍射，散布在空间不同的方位上，并由探测器跟踪测量称为波长散射。晶体分光原理与布拉格定律布拉格定律入射波长准直器系统1.前级准直器的作用在于：控制入射光束的强度及分辨性能2.探测器准直器的作用在于降低杂散背景，提高灵敏度3. 通常具有两种准直器系统： 平面晶体/准直器色散系统非聚焦系统，用于顺序式仪器 柱面弯曲晶

11、体/狭缝色散系统聚集系统，用于同时式仪器4. 准直器由若干金属薄片（Mo)及隔垫叠积而成，金属片间隔越密，分辨率越高，强度越低；金属片间距越大，强度越高，分辨率越差。两种准直器装置对数螺线弯晶光学系统对数螺线弯晶光学系统 平面晶体光学系统平面晶体光学系统准直器工作原理辐射源发散光平行光在平面晶体光学系统中，准直器将发散光会聚成一束平行光，片间距越小，光束的准直度越高，分辨率越好，但强度越低。AXioS 仪器的准直器系统粗 高强度 低分辨率中 分辨率及强度一般细 高分辨 低强度准直器/狭缝应用范围准直器100/150mm300mm700mmL-spectraU-PbU-RuMo-FeK-spec

12、traTe-AsTe-KCl-O准直器150mm550mm4000mmL-spectraU-RuMo-Fe-K-spectraTe-KCl-FO-Be 滤光片的用途滤光片的用途1. 消除光管靶材的特征线干扰；2. 微量分析时可提高峰/背比， 获得较低的 LLd；3. 减弱初级光束强度；4. 抑制管光谱中的有害杂质光谱。滤光片位于X光管Be窗于样品之间；共有5块不同材质的薄片构成，由一马达驱动；消去X光管靶线和降低散射背景例光学编码定位测角仪光学编码定位测角仪(DOPS)(DOPS)定位精度定位精度: : 0.00010.0001o o -2-2 定位精度定位精度: 2400: 2400o o

13、/ /分钟分钟驱动方式驱动方式: : -2-2 独独 立转动立转动准准 确确 度度: 0.0025: 0.0025o o -2-2 优优 点：点： 速度快、精度高、速度快、精度高、 无机械误差。无机械误差。提高扫描速度和角度定位精度DOPS定位原理编码光盘与轴直接固定22条光栅刻线的像投影到光敏二极管上,产生一个信号;形成方波输出22条线平均，取样频率:1.5kHZ激光定位光学驱动测角仪（DOPS）由一光敏探头（光电二极管组）、一个光发射二极管光源、光源透镜和石英振荡器控制电路组成。编码光盘共720条刻痕，每两条表示0.5o,为避免痕距偏差，以一组22条刻痕的像经透镜投射道光电二极管，收集频率

14、为1.5kHZ的余弦波信号。监控频率为7.5MHz,每5000个时钟脉冲控制0.5o。4. 探测器工作原理探测器工作原理以光电效应为基础，把X射线光子转换成可测量的电压脉冲.以达到检测X射线光子的目的.1.探测器不仅能将光子转变成可以测量的脉冲，而且具有区分光子能 量大小的正比特性；2. 常用的探测器有:闪烁计数器、封闭型正比计数器和流气式正比计数器。正比计数器正比计数器的工作原理的工作原理 入射窗口入射窗口阳极丝阳极丝 50m50m放大器放大器出射窗口出射窗口将不可测量的光信号转变成可测的脉冲信号+ArAr+Ar+e-e-e-e-e-e-e-e-e-Ar+Ar+Ar+Ar+Ar+Ar+e-A

15、r+ Ar气原子电离电位:3evAr 气放电原理气放电原理光电效应： 一个入射光子使若干Ar原子产生常规电离，形成 正负离子对，电子 在电场作用下,获得能量使更多原子电离，产生大约106个电子形成 一次雪崩放电, 然后在CH4的淬灭作用下停止放电，从而形成一个电 压脉冲。EX探测器能量正比特性一个入射光子进入探测器时形成的最大正负离子对的数量取决于一个放大因子，这个因子称为放大倍数，可根据以下公式计算： 式中：n 最大正负离子对的数量；Ephot 为入射光子能量 ；Eion为Ar 原子的电离能量；gas gain 是气体的放大倍数，与探测器高压有关。入射光子能量越高形成的正负离子对数量越大，输

16、出脉冲的幅度就越大。这就是探测器的正比特性。闪烁计数器应用范围 重元素和短波辐射计数器，其适用范围为: 0.04 - 0.15nm ( 8 - 30 keV )光阴极 Be窗 闪烁晶体 倍增极 阳极 放大器 各种探测器的应用范围1. 流气正比计数器 : 适用于轻元素和长波辐射 0.08 - 12nm (0.1 - 15 keV )；2. 封闭正比计数器 : 中间元素和中波长辐射 0.10 - 6nm (9.0 - 11 keV )；3. 闪烁计数器 : 重元素和短波辐射 0.04- 0.15nm (8.0 30 kev );探测器的脉冲高度分布脉冲高度分析器的主要作用是记录每个能量高度间隔内产

17、生多少个脉冲？该脉冲的数目与谱线强度有关。检测器和脉冲高度分析器区别不同能量谱线光子的能力称为能量分辨率。脉冲高度分析器的作用5.脉冲高度分析器上限甄别器下限甄别器反符合电路输入输出脉冲高度选择器由上限甄别器、下限甄别器、反符合电路等部分组成。假设有三类脉冲进入脉冲高度分析器：V1 、V2 、V3；V1V2 10.0 50.0影 响 无任何影响 降低白血球 轻微烧伤，生病 呕吐 降低红/白血球 基本不能恢复 几天内死亡 立即死亡辐射安全累计剂量极限辐射安全累计剂量极限 器官 / 组织生殖器官，骨髓组织皮肤，骨骼，甲状腺手，前臂脚，踝关节其它器官身体年剂量极限 5 mSv 30 mSv 75 mSv 75 mSv 45 mSv 1 mSv辐射剂量与距离的反平方律辐射剂量与距离的反平方律 a1a2a3a1 = 16 Sva2 = 4 Sva3 = 2 Sv知识回顾知识回顾Knowledge Knowledge ReviewReview