XRF光谱仪原理及维护

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1. 选择测量介质:真空或He气
2. 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) 4. 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
• 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)
X光管
原级辐射I
荧光辐射Ii
探测器
1
t dt
2
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;
1.能量色散光谱仪(EDAXS)
半导体探测器
样 品
X光管或放射性同位素 多道分析器 MCA 冷却器
X光管-样品-探测器-定标器-微机
二维光学(光管直接激发)EDXRF
sample
channel counts
energy (KeV)
X-ray tube detector amplifier and multi-channel analyser
二. X射线荧光仪分析原理
XRF光谱分析原理
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2θ,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。
gasgain
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



e-+ eAr + eAr + eAr + eAr + eAr + eAr + eAr + eAr + eAr
Ar气原子电离电位:3ev
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:
n
E
Phot
Eion
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;V1<V2<V3 上限甄别器 输入 反符合电路 输出
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
kV 60 50 40 30 24 K lines Fe - Ba Cr - Mn Ti - V Ca - Sc Be - K L lines Sm - U Pr - Nd Cs - Ce Sb - I Ca - Sn
最佳工作电流
K (Z S )
• 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
两个重要定律
布拉格衍射( Bragg) 定律 :
以Fe为例,当n = 1时 对于LiF 200 晶体: 2d = 0.4028 nm Fe Kα λ= 0.19373 nm θ= 28.75° • 莫塞莱(Moseley)定律:
1
1/ 2
nλ= 2d Sinθ
2θ = 57.50°
却水管、管壳组成。
X光管原理图
阳极 电流 电子
灯丝
Be窗口
X射线光子
Axios仪器的荧光激发源
X射线管
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 4 ~ 10 倍; 2. 3. 激发轻元素时,选择低电压,高电流; 激发重元素时,选择高电压,低电流;
最佳工作电压的选择
KV/KeV
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(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,脉冲高度分布条件(PHD)
6. 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(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
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 软 件 激发源 荧光发射源 光谱单色化 光电转换 计数电路 操作控制
定性定量分析
1. 激发源- X光管
阴极灯丝
Rh
X射线 Be窗口
阳极
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
2.波长色散X射线光谱仪
样品
初级准直器
探测器 X光管
分光晶体
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
小结EDXRF和 WDXRF优缺点:
• 能量型:优点,无分光系统,小巧,检测 灵敏度提高2—3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。
出射窗口 放大器 阳极丝 50μ m
入射窗口
Ar 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


+ Ar
4. 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。
正比计数器的工作原理
将不可测量的光信号转变成可测的脉冲信号
探测器
multi-channel analyser
Detector
二次靶
Secondary target
channel counts
energy (KeV)
EPSON5
X光管 X-ray tube 样品 Sample
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。
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(DOPS)
提高扫描速度和角度定位精度
定位精度:
0.0001o -2
定位精度:
驱动方式: 准 确 度:
2400o /分钟
-2 独 立转动 0.0025o -2
XRF光谱仪原理及维护
一.X射线荧光仪概论
.炼钢炉前分析的发展
手动湿法分析
手动仪器分析
自动快速分析
.快速分析的几种模式
进样
制样(铣床)
试样归类存储 机械手
火花光谱
X荧光
X射线荧光仪分类
XRF光谱仪通常分成两大类: 1. 能量色散光谱仪(EDXRF) 2. 波长色散光谱仪(WDXRF)
Minipal4
X光管初级辐射直接激发样品,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。
三维光学 (二次靶片振光激发)
放大器及多道分析器 amplifier and
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 = 4Be ~ 原子序数 Z = 原子序数 Z =
55Cs 37Rb 53I
, 选用K系谱线
~ 92U, 选用L系谱线 ~ 60Nd,选用K或L系谱线
三. X射线荧光仪部件功能
( 8 - 30 keV )
放大器
Be窗
光阴极
倍增极
阳极
闪烁晶体
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 2. 封闭正比计数器 : (0.1 - 15 keV );
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
脉冲高度分析器的作用
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。
5.脉冲高度分析器
准直器 150 mm 550 mm 4000 mm
L - spectra U - Ru Mo - Fe -
K - spectra Te - K Cl - F O -Be
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。
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 100/150 mm 300 mm 700 mm L - spectra U - Pb U - Ru Mo - Fe K - spectra Te - As Te - K Cl - O
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
点击新应用项 输入新程序名 输入通道组名 汇编样品识别 检查状态参数
样品形态说明 汇编化合物表 汇编分析通道 2角光学扫描 确定背景位置
搜索光谱干扰 计算测量时间 PHD扫描 确定脉冲条件
建立定量分析程序
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
平面晶体光学系统
对数螺线弯晶光学系统
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。
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。
Hale Waihona Puke Baidu
晶体分光原理与布拉格定律
入射波长
布拉格定律
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 柱面弯曲晶体/狭缝色散系统-聚集系统,用于同时式仪器

点: 速度快、精度高、
无机械误差。
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。
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