X射线荧光成像

上海光源X射线成像讲习班2013年10月23-25日上海

X 射线荧光成像

邓彪

上海光源国家科学中心先进成像实验室

目录

X射线荧光光谱基本原理

Ｘ射线荧光成像

Ｘ射线荧光mapping

X射线荧光CT

上海光源成像线站

Ｘ射线荧光成像系统上海光源成像线站Ｘ

实验装置

重建算法

实验操作

X射线荧光的产生

当试样受到x射线、高

能粒子束、紫外光等照射时，由于高能粒子或光子与试样原子碰撞，将原子内层电子逐出形成空穴，使原子处于激发态，这种

激发态离子寿命很短，当外层电子向内层空穴跃迁时，多余的能量即以x射线的形式放出，并在外层产生新的空穴和产生新的x射线发射，这样便产生一系列的特征x射线。

莫斯莱定律 1913年，英国物理学家莫斯莱(Moseley)就详细研究了不同元素的特征X 射线谱,依据实验结果确立了原子序数Z 与X 射线波长之间的关系射线波长之间的关系。。这就是莫斯莱定律：

不同的元素具有不同的特征X 射线，根据特征谱线的波长波长，，可以判断元素的存在可以判断元素的存在，，即定性分析分析。。

根据谱线的强度，可以进行定量分析分析。。

特征X 射线线系

并不是对应于所有能级组合

的谱线都能出现的谱线都能出现，，而是必须遵

守电子跃迁的选择定则进行跃

迁，才能辐射出特征X 射线射线。。 ∆n=1的跃迁产生的线系命名

为α线系线系，，∆n=2的跃迁产生的

线系命名为β线系线系，，依次类推依次类推。。

各系谱线产额依K ，L ，M 系顺序递减系顺序递减，，因此原子序数<55的元素通常选K 系谱线做为分析线系谱线做为分析线，，原子序数>55的元素元素，，选L 系谱线做为分析线系谱线做为分析线。。

X 射线荧光光谱分析的基本原理

试样受X 射线照射后射线照射后，，其中各元素原子的内壳层其中各元素原子的内壳层（（K ，L 或M 层）电子被激发逐出原子而引起电子跃迁电子被激发逐出原子而引起电子跃迁，，并发射出该元素的特征X 射线荧光射线荧光。。每一种元素都有其特定波长的特征X 射线射线。。

通过测定试样中特征X 射线的波长射线的波长，，便可确定存在何种元素，即为X 射线荧光光谱定性分析射线荧光光谱定性分析。。

元素特征X 射线的强度与该元素在试样中的原子数量射线的强度与该元素在试样中的原子数量（（即含量含量））成比例成比例，，因此因此，，通过测量试样中某元素特征X 射线的强度强度，，采用适当的方法进行校准与校正采用适当的方法进行校准与校正，，便可求出该元素在试样中的百分含量试样中的百分含量，，即为X 射线荧光光谱定量分析射线荧光光谱定量分析。。

X 射线荧光光谱分析的特点

•分析元素范围广分析元素范围广：：Be —U

•测量元素含量范围测量元素含量范围宽宽：痕量—100%

•分析试样物理状态不做要求分析试样物理状态不做要求，，固体固体、、粉末粉末、、晶体晶体、、非晶体均可非晶体均可。。

•不受元素的化学状态的影响不受元素的化学状态的影响。。

•属于物理过程的非破坏性分析属于物理过程的非破坏性分析，，试样不发生化学变化的无损分析化的无损分析。。

•可以进行均匀试样的表面分析可以进行均匀试样的表面分析。。

X 射线荧光光谱的应用

广泛应用于地质广泛应用于地质、、冶金冶金、、矿山矿山、、电子机械电子机械、、石油石油、、化工化工、、航空航天材料空航天材料、、农业农业、、生态环境生态环境、、建筑材料建筑材料、、商检等领域的材料化学成分分析学成分分析。。

直接分析对象:

固体: 块状样品(规则,不规则)比如:钢铁,有色行业(纯金属或多元合金等),金饰品等

固体: 线状样品,包括线材,可以直接测量

固体: 钻削,不规则样品,可以直接测量

粉末: 矿物,陶瓷,水泥(生料,熟料,原材料,成品等),泥土,粉末冶金,铁合金或少量稀松粉末,可以直接测量;亦可以压片测量或制成玻璃熔珠 稀土

同步辐射X射线荧光分析

同步辐射X射线荧光分析法是在传统的X射线荧光分析法基础上发展起来的，它用同步辐射光源代替传统的X光源作为激发源。同步辐射光源具高强度、高极化性和天然准直等特点，使用它激发的X 射线荧光分析具有比传统X光源或电子束激发的X 射线荧光分析高灵敏度和高空间分辨，可以说同步辐射源是X射线荧光分析最理想的激发源。

X 电子射线射线、、质子质子、、电子荧光分析比较

荧光分析比较

第三代同步辐射装置上的X 射线微探针利用单色光可达到10-15克的元素探测灵敏度。

同步辐射X 射线微探针的元素探测限比PIXE 低得多，探测结构的灵敏度比电子衍射高得多。

目录

X射线荧光光谱基本原理

Ｘ射线荧光成像

Ｘ射线荧光mapping

X射线荧光CT

上海光源成像线站

Ｘ射线荧光成像系统上海光源成像线站Ｘ

实验装置

实验操作

数据处理

X射线荧光成像

扫描成像））

1)硬X射线荧光微探针

射线荧光微探针（（mapping扫描成像

用聚焦极细的X射线轰击样品的表面，并根据

微区内所发射出X射线的波长（或能量）和强度进行定性和定量分析的方法。

应用领域：

在金属学上，用于测定合金、金属间化合物、偏析、夹杂和脱溶物的组成，研究结晶过程中原子的迁移，了解杂质或合金原子在晶界、亚晶界和晶粒内部的分配，考察金属在气相或液相介质中腐蚀和氧化的机理，测定金属渗层、镀层厚度和组成，观察试样中元素的分布。

在岩石矿物方面，可用于鉴定微粒矿物和细小包体，研究矿物内部的化学均匀性和元素的地球化学特性等。

在材料科学方面，普遍用于分析研究微电子元、器件中的杂质和缺陷。 在化工方面，用于对催化剂、颜料和腐蚀物的分析。

在医学和生物学方面，用于分析人类和生物的骨骼、牙齿、硅肺、肾结石、头发等，以及跟踪毒性元素在生物体内的分布。

在大气科学方面，用于逐粒测定飘尘的成分。

缺点：样品需切片