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什么是XRF技术?

来源: 时间:2019-04-01 10:05:34 次数:

众所周知,X射线在医疗诊断领域得到了广泛应用,其实,它同时也奠定了诸多功能强大的分析测试技术的基础,包括X射线荧光(XRF)光

X射线荧光光谱分析(XRF)技术

基本理论
众所周知,X射线在医疗诊断领域得到了广泛应用,其实,它同时也奠定了诸多功能强大的分析测试技术的基础,包括X射线荧光(XRF)光谱分析技术。 
XRF光谱分析技术可用于确认物质里的特定元素, 同时将其量化。它可以根据X射线的发射波长(λ)及能量(E)确定具体元素,而通过测量相应射线的密度来确定此元素的量。如此一来,XRF度普术就能测定物质的元素构成。

每一个原子都有自己固定数量的电子(负电微粒)运行在核子周围的轨道上。而且其电子的数量等同于核子中的质子(正电微粒)数量。从元素周期表中的原子数我们则可以得知质子的数目。每一个原子数都对应固定的元素名称, 例如铁,元素名是Fe,原子数是26。 能量色散X荧光与波长色散X荧光光谱分析技术特别研究与应用了最里层三个电子轨道即K,L,M上的活动情况,其中K轨道更为接近核子,每个电子轨道则对应某元素一个个特定的能量层(如图1.2)。


在XRF分析法中,从X光发射管里放射出来的高能初级射线光子会撞击样本元素。这些初级光子含有足够的能量可以将最里层即K层或L层的电子撞击脱轨。这时,原子变成了不稳定的离子。由于电子本能会寻求稳定,外层L层或M层的电子会进入弥补内层的空间。在这些电子从外层进入内层的过程中,它们会释放出能量,我们称之为二次X射线光子。而整个过程则称为荧光辐射。每种元素的二次射线都各有特征。而X射线光子荧光辐射产生的能量是由电子转换过程中内层和外层之间的能量差决定的。 
这个关系用公式表示为:

其中h是普朗克常数,c代表光速,而λ是具体光子的波长。 
波长和能量成反比,因元素不同而不同。例如, 铁原子Fe的Kα能量大约是6.4千电子伏。特定元素在一定时间内所放射出来的X射线的数量或者密度,能够用来衡量这种元素的数量。典型的XRF能量分布光谱显示了不同能量时光子密度的分布情况。

元素分析
诸多元素分析人员都会选择XRF光谱分析技术,因为它可以在PPM到100的浓度变化范围中确定元素成分并将其量化。 而且,它基本上不要求样本准备工作,也不会破坏样品, 彻底分析样品得到测试结果的过程也非常短。 所有这些优点使得X荧光光谱分析技术与其它的元素分析技术相比大大地降低了样品分析的单位成本。 
比如说,湿化学元素分析技术不仅因为使用到浓缩酸或其他危险物质而具有破坏性,而且样本的准备工作也相对耗时。 分析过程除毁掉样本外,还会产生一些废弃的危害性液体等待安全处理。 具体讲,这种技术常常需要20多分钟甚至几个小时的样本准备与分析时间。 这难免会导致单位样本分析的相对高昂费用。 然而,在PPB或更低浓度的分析中,湿化学仪器分析技术还是得到了广泛的应用。 
当然,任何的元素分析技术在应用时都会存在化学或物理的缺陷,所有应该不断的修正补充,以得到准确的分析结果。 大部分湿化学仪器元素分析技术的发展存在三个障碍:过分具体而复杂的样本准备过程,仪器的发展步伐以及系统软件中数学计算的更正难度。 而X荧光分析技术起初主要面对的则是如何处理基质效应——物质的其他元素会影响到目的元素的分析结果。鉴于问题的普遍性与突出性,研究人员经记录分析已经通过仪器应用的不断发展与系统软件中数学计算的修正找到了简易而快速的解决办法。 有些时候,样品的形状结构也有可能会影响到X荧光分析的结果,但是也可以通过加工使之变得平滑或变成玻璃球状等手段加以解决。 
用X荧光光谱分析技术进行定量测试,主要采用的是实验的方法或基本参数的数学分析方法(FP),其中实验的方法指的是采用与未知量性质类似的标准进行校准曲线的分析。 而FP更加常用,因为它不需要任何标准或校准曲线就可以进行元素分析。 这样的话,分析人员就可以立即使用分析系统,而没有必要花时间为不同的元素成分建立各自的校准曲线。 随着现代计算机性能提升与应用,FP数学分析还可以通过参照已知物质的元素库简便而快速地确定未知物质的元素组成,甚至还能彻底识别此物质。

能量弥散X射线荧光光谱分析技术
SciAps 选择能量弥散X射线荧光(EDXRF)光谱分析技术主要基于两点:一是其简便性,二是它非常适用于现场手持测试。 每个EDXRF光谱分析系统通常包含三个主要部分: 激发源、一台光谱仪或检测器以及一个数据收集或处理器。与波长色散X射线荧光光谱分析系统相比,EDXRF光谱分析系统具有以下特点:操作简单、分析进程迅速、购买价格较低而且长期维护费用更是理想。这些都使它在当今世界范围内得到了更广泛的应用。携带型EDXRF光谱分析仪可自由移动进行样品测试,而不再像以前那样必须把样品移到分析仪工作处而且还得想法使样品满足分析条件。在21世纪,其应用会涉及到越来越多的领域,例如侦察破案、分析合金、检测污染、辅助历史研究、寻找大型杀伤性武器 、维护艺术珍品等元素分析相关方面。


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