X射线荧光光谱仪的结构和性能

λmin(nm)=1.2398/V(kV)
4、特征X射线谱
产生X射线需要的最小能量等于相应壳层电子的结合能，也 称为吸收边能量Eabs.当用X射线光管激发时，达到激发出特 征X射线的最小电压与吸收边能量Eabs相对应，故也称此时 所需的电压为临界激发能。光管只有在超出临界激发电压的 情况下，靶的特征线才会出现。 I=Ki(V-VC)n 式中，I为特征谱线强度；V为管压；i为管电流；VC为临界 激发电压。
§1.2 探测器
探测器的作用: 是将X射线荧光光量子转变为一定形状和数量的电 脉冲，表征X射线荧光的能量和强度。 X射线光谱分析中常用的三种探测器 : 正比计数器（流气式或封闭式） 闪烁计数器 半导体计数器
§1.2 探测器
用作测量X射线的探测器具有如下特点：
（1）在所测量的能量范围内具有较高的探测效率； （2）具有良好的能量线性和能量分辩率； （3）具有较高的信噪比； （4）具有良好的高计数率特性，死时间较短； （5）输出信号便于处理、寿命长、使用方便、价 格便宜；
§1.1 激发源
激发元素产生特征X射线的机理是必须使原子内层 电子轨道产生电子空位。可使内层轨道电子形式空 穴的激发方式主要有以下几种：带电粒子激发、电 磁辐射激发、内转换现象和核衰变等。 商用的X射线荧光光谱仪中，目前最常用的激发源 是电磁辐射激发。电磁辐射激发源主要用X射线管 产生的原级X射线谱、诱发性核素衰变时产生的γ射 线、电子俘获和内转换所产生X射线和同步辐射光 源。
3、连续X射线谱
X射线光管利用由高压产生的X射线束作为激发源。高能入 射粒子或电子与靶元素中束缚力较弱的电子发生随机碰撞后， 电子减速，动能损失，损失的能量将以光子发射的形式出现， 从而产生连续的X射线谱，称为韧致辐射。 受入射电子能量的限制，产生的光子能量不可能超过入射电 子能量，故连续谱存在一最小值，称为短波限。
§1.1.2 放射性同位素激发源
放射性核素作为激发源主要用于现场和在线分析的能量色散 谱仪，特别是低分辨率的能量色散谱仪。 它的优点是体积小、无需外电源，且所产生的射线接近于单 色光便于选择。要求激发源的半衰期应足够长，并能制成活 度合适、均匀的小型放射源，并具有良好的物理化学稳定性， 不会造成环境污染。常用的有软γ射线源、X射线源和β-X射 线源。 其结构上通常由源芯、防护层、出射窗和源外壳组成。 形状主要有点源、片源和环源三种。
§1.1.1 X射线管
1、X射线管的基本结构
X光管本质上是一个在高电压下工作的二极管，包括一个发 射电子的阴极灯丝和一个收集电子的阳极靶（即靶材），铍 窗以及聚集栅极组成，并密封在高真空的玻璃管或陶瓷外壳 内。利用高压电缆与高压发生器相接，同时对高功率管还需 要配有冷却系统。 发射电子的阴极，一般由螺旋状的灯丝组成，灯丝的材料是 钨丝。灯丝在一稳定的灯丝电流加热下发射电子，在灯丝周 围形成一定密度的电子云，电子在阳极高压作用，被加速飞 向阳极，与阳极材料中原子相互作用，发射X射线。
3.67 4.51 4.09 7.13 2.50 1.25
100 45 130 8~14 10 43
ZnS(Ag) 450 BGO Li玻璃 蒽 480 395 447
2、光导
光导的功能是使闪烁体发射的可测光子打到光电倍 增管的光阴极上。
3、光电倍增管
光电倍增管的功能是将闪烁体发射的可测光子讯号 转变为电讯号的器件。它由光电阴极、聚焦栅级、 倍增极（打拿极）和阳极组成。它的作用是吸收闪 烁体发射的光子能量后，发射出光电子。
1、闪烁体
常见无机闪烁体的发光特性
材料（相对 NaI(Tl)） 最强发射 波长/nm 发光衰变 时间/µS 折射率 密度/ （g·cm-3） β和γ射线闪 烁效率
NaI(Tl) CsI(Tl)
410 565
2.3 1.0 0.2 0.3 75 30nS
1.85 1.79 2.40 2.15 1.53 1.62
§1.2.1 X射线探测器的主要技术指标
2、能量分辨率 相对分辨率定义为：
∆E Rr= E p
谱仪分辨率与探测器的面积、时间常数和分析效率 之间的关系是：通常探测器面积愈小，分辨率愈好； 在面积固定的情况下，时间常数增加，光子测量得 更准，相应的分辨率也更好。
§1.2.1 正比计数器
§1.2.1 正比计数器
§1.2.3 半导体（能量）探测器
由于半导体探测器能量分辨率远较正比计数 器和闪烁计数器好，在20世纪70年代中期已 广泛用作能量色散X射线荧光分析仪的探测器。 主要有以下三种半导体探测器： 1、漂移硅探测器和高纯硅探测器 2、锂漂移锗探测器和高纯锗探测器 3、化合物半导体探测器
§1.2.3半导体（能量）探测器
§1.1.4 粒子激发
质子激发是和加速器产生的MeV量级的高能 质子，从而激发出样品原子壳层电子，产生 空穴，原子外壳层电子填充空穴，释放出特 征X射线或俄歇电子。质子激发在样品中产生 的轫致辐射强度较电致辐射要小很多，对大 多数元素的检测限达到ppm级。
§1.1.5 单色与选择激发
单色激发有多种方式，最常用的单色和选择 激发方式是选用滤光片和二次靶，可消除管 光谱分布。管光谱被轻基体强烈散射，在痕 量元素的谱峰附近产生高背景，会严重干扰 测定。
§1.1.3 同步辐射光源
同步辐射是带电粒子在磁场内圆形轨道中以相对论速率运动 时所产生的电磁辐射。该电磁辐射是沿带电粒子运动轨迹的 切线方向发射的，其发射率和轨道曲率半径与粒子质量的四 次方之乘积成反比，所产生的同步辐射总功率为 PSR=88.47E4eI/R 一般情况下，其功率较大功率X射线管大4~5个数量级。 同步辐射光子束的能量很宽，一般在紫外和X射线能量范围 内，具有能量可调、亮度高等特点，而且具有偏振性好、方 向可调等优点。
§1.2.2 闪烁计数器
§1.2.2 闪烁计数器
闪烁计数器由闪烁体、光导、光电倍增管及 相关电路组成，入射的X射线与闪烁体作用使 之发光 ，光子经光导进入光电倍增管光电阴 极并产生光电子，光电子在电位不同的各个 再生极之间加速并产生倍增，在阳极上形成 较强的电脉冲讯号，电讯号经前置放大器输 出，供电路处理。
组成与特性：能量探测器除半导体探测器和前置放大器外， 还须由主放大器、多道分析器等共同组成完整的能量探测器。 主放大器作用：是将前置放大器微弱和低信噪比的信号放大 成型，便于用脉高分析，并滤掉和压制极低频信号，改善能 量分辨率。 多道分析器作用：测量每一放大后的脉冲信号，并将其转换 成数字形式。脉冲高度对应于入射光子能量，在一定脉冲高 度下所累计的数量代表了特定能量光子的数量。
二、探测器分辨率比较
探测器 分光晶体LiF200 波长色散-分光晶体LiF220 Si(Li)探测器 高纯Ge探测器 Si漂移探测器（SDD） 温差电冷型半导体探测器(SiPIN) 电耦合阵列探测器（CDD） 超导跃变微热量感应器（TES） 超导隧道结探测器（STJ） CdZnTe探测器 低能Ge探测器 四叶花瓣型探测器 分辨率/eV 31 22 140 150 140 149 130 3.9 12 280 522 1050 条件/keV 8.04(Cu Kα) 8.04(Cu Kα) 5.9(Mn Kα) 5.9(Mn Kα) 5.9(Mn Kα) 5.9(Mn Kα) 5.9(Mn Kα) 5.9(Mn Kα) 5.9(Mn Kα) 5.9(Mn Kα) 122(Co57) 122(Co57) 适用领域与范围 波长色散 波长色散 1~50keV 1~120keV 二维阵列 2~25keV 二维阵列 实验新型 实验新型 2~100keV 5~1000keV 高能粒子
§1.2.4 各种探测器性能比较 一、波长色散与能量色散能力
流气式正比计数器主要用于轻元素分析，闪烁计数器用于重元 素测定，此两种探测器分辨率低，必须与分光晶体同时使用， 主要用于波长色散X射线光谱仪。
探测器 流气式正比计数器 NaI闪烁计数器 Si(Li)探测器 适用波长范围/nm 0.15~5.0 0.02~0.2 0.05~0.8 平均能量/离子对 26.4eV 350eV 3.6eV 电子数/光子 305 23 2116 分辨率/keV 1.2 3.0 0.16

2、X射线管的特性
X射线管应具有哪下特点： （1）要求能连续地工作于较高的功率水平； （2）提供较大的X射线能量代谢，允许采用较大的焦斑和较大 的窗口； （3）在保证X射线管使用寿命的情况下，窗用材料铍片应尽可 能薄； （4）靶材纯度要高，杂质谱线的强度应小于总强度的1%； （5）为满足多种分析要求，可配备多种靶材供选择，但端窗 靶一般选用铑为阳极材料； （6）提供X射线管的高压和管电流的高压电源输出稳定，波长 色散谱仪通常应小于0.001%，能量色散谱仪应在 0.1%~0.02%之间。
5、高压发生器
高压发生器的稳定性是谱仪性能的主要指标之一。 早期的采用高压放大器稳压—自耦变压器调压—高压变压器 变压—高压整流电路，这种电路现已不用。 第二类高压发生器，采用双向可控硅、肪冲触发电路—高压 变压器升压—高压整流电路，这类电路的特点是整机体积小、 重量轻，稳定度一般可达0.002%。 第三类是谐波调制电路，它的高压控制采用300Hz以上的谐 波控制调波信号，以触发可控硅使之形成方波交流电源，经 变压器件变压，再整流为高压直流电源供X光管使用。这种 电路的稳定性主要取决于电路直流电源的稳定程度，外电源 波动，只能轻微地影响直流电源并迅速得到响应和校正。
§1.1 激发源
波长色散X射线荧光光谱仪所用的激发源是不同功率的X射 线管，功率可达4~4.5kW，类型有侧窗、端窗、透射靶和复 合靶。 能量色散X射线荧光光谱仪用的激发源有小功率的X射线管， X X 功率从4~1600W，靶型有侧窗和端窗。 靶材主要有Rh、Cr、W、Au、Mo、Cu、Ag等，并广泛使 用二次靶。现场和便携式谱仪则主要用放射性核素源。
是以某种气体在X射线或其他射线照射下产生电离而形成电 脉冲为依据的核辐射探测器。 所收集的总电荷数正比于X射线光子的能量，电流脉冲幅度 与初始电离成正比，在外加电压稳定时，这一正比关系相 当稳定，可以得到较好的分辨率。有利于测量某些能量较 低、电离密度较小的X射线荧光。由于它使用寿命长、体积 小、重量轻并在常温下工作，能量分辨优于闪烁计数器。 气体的主要作用是将入射X射线的能量成比例地转变成电荷， 同时，还要防止正离子移向阴极时，从阴极上逐出电荷而 引起二次放电。
§1.2.1 X射线探测器的主要技术指标
1、探测效率 可理解为被记录到的脉冲数与入射X射线光量子数 这比，通常分为绝对效率和本征效率。 2、能量分辨率 探测器对入射X射线的不同能量分辨能力用“能量分 辨率”来表示，在波长色散X荧光光谱仪中，谱分 辨率可分为绝对分辨率和相对分辨率： FWHM=｛（FWHMX）2+（FWHMS）2｝1/2
X射线荧光光谱仪的 结构和性能
蓝美秀
第一章
X射线荧光光谱仪的结构和性能
可分为:
同步辐射X射线荧光光谱 质子X射线荧光光谱 全反射X射线荧光光谱 波长色散X射线荧光光谱 能量色散X射线荧光光谱等
X射线荧光光谱的主要结构部分 :
光源 色散元件 探测器 谱仪控制 数据处理
§1.1 激发源
激发样品的光源主要包括: 具有各种功率的X射线管 放射性同位素激发源 电子、质子激发激发源 同步辐射光源
1、X射线管的基本结构
透射靶的阳极是紧贴铍窗内层，该阳极在电子束轰击下所 产生的X射线透过靶材和铍窗射向试样。而端窗靶在电子 束轰击下所产生的X射线由靶材表面射出，通过铍窗射向 试样。 场致发射X射线管是一种冷阴极管，它用针尖（钢针）形 成冷场致发射阴极在高电场强度下发射电子，而不是用加 热灯丝来发射电子，它产生的X射线强度比其他类型的X 光管低，但仍较发射性核素要强，具有不需要冷却水、安 全和寿命长的优点，能量色散谱仪依然使用这种靶。
三、探测器的选用
选择探测器，探测器的能量探测范围、分辨 率、活性区大小、线性相应范围、铍窗厚度 等是重要因素。分辨率、有效活性区和线性 相应范围这三种因素正好相互制约。