x射线读书报告(共19页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上读 书 报 告X射线荧光光谱姓 名: 专业班级: 学 号: 0 日 期: 2 一、 简介X射线:介于 和 间的 。由物理学家W.K.1于1895年发现,故又称。波长小于0.1埃的称超硬,在0.11埃范围内的称硬X射线,110埃范围内的称软X射线。X射线分为连续X射线和特征X射线两类:(1)如果被靶阻挡的电子的能量,不越过一定限度时,只发射连续光谱的辐射。这种辐射叫做轫致辐射,连续光谱的性质和靶材料无关。(2)一种不连续的,它只有几条特殊的线状光谱,这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射,特征光谱和靶材料有关。X射线荧光光谱法(简称XRF):它的基本原理是当物质中的原子受到
2、适当的高能辐射的激发后,放射出该原子所具有的特征X射线。根据探测到该元素特征X射线的存在与否的特点,可以定性分析;而其强度的大小可作定量分析。利用初级X射线光子(原级X射线)或其他微观离子激发待测物质中的原子,使之产生荧光(次级X射线)而进行物质成分分析和化学态研究的方法。按激发、色散和探测方法的不同,分为X射线光谱法(波长色散)和X射线能谱法(能量色散)。根据色散方式不同,X射线荧光分析仪相应分为X射线荧光光谱仪(波长色散)和X射线荧光能谱仪(能量色散)。二、 仪器原理X射线荧光光谱分析的基本原理可表述为:试样受X射线照射后,其中各元素原子的内壳层(K、L或M壳层)电子被激发逐出原子而引起壳
3、层电子跃迁,并发射出该元素的特征X射线(荧光)。每一种元素都有其特定波长(或能量)的特征X射线。通过测定试样中特征X射线的波长(或能量),便可确定试样存在何种元素,即为X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(即含量)成比例。因此,通过测量试样中某元素特征X射线的强度,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,即为X射线荧光光谱定量分析。工作过程: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
4、的形式放出,并在教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。特征X射线经准直器准直,投射到分光晶体的表面,按照布拉格定律产生衍射,使不同波长的荧光X射线按波长顺序排列成光谱。这些谱线由检测器在不同的衍射角上检测,转变为脉冲信号,经电路放大,最后由计算机处理输出。晶体分光X射线衍射的条件是由布拉格(Bragg,W.L.)提出的2 dsinn三、 仪器结构1. X射线光谱仪分类波长色散型,一般说的X射线荧光光谱仪都是指使用晶体分光的波长色散型光谱仪。这类仪器又可分为两种,一种是对各元素逐一进行角度扫描顺序进行测定的所谓扫描式光谱仪;另一种是每个元素都单独配备一个固定的测角
5、器同时分析多个元素的所谓多元素同时分析式X荧光光谱仪。能量色散型。以带有半导体探测器和多道脉冲高度分析器为特征的X射线荧光光谱仪叫做能量色散型光谱仪。因其具有能同时测定多个元素的优点,且数据处理快,故应用领域日益扩大。2. X射线光谱仪结构1) X射线管结构:X射线管是由一个带铍窗口的、防辐射的金属罩和一个具有绝缘的真空玻璃罩组成的管套。作用:用X射线管发出的初级X射线照射样品,以激发样品组成元素的特征谱线。X射线管的主要特点和要求:(1)能连续地于较高的功率水平工作.(2)对于常用荧光分析X射线管,焦斑的尺寸一般为(56)mmX(79)mm。 X射线荧光分析不像衍射分析那样要求有较严格的“点
6、源”,只是要求有较大的X射线发射通量,故对于荧光分析用光管,允许采用较大的焦斑,以提高功率容量。(3)管窗应尽可能地靠近焦斑,以增大照射样品的立体角。(4)应尽可能采用较薄的铍窗,以对各种波长的X射线提供有效的激发。(5)靶材应有较高的纯度,在结构上海应尽可能避免因灯丝的挥发或溅射使靶面和管窗玷污。(6)输出恒定,结构上应由于发热引起的构件几何尺寸和位置的变化降至最低限度。(7)配备多种靶材,以适应各种要求的分析应用。常用靶材有有Rh(铑)、W (钨)、 Mo(钼)、Cr 、Ag、Pt(铂)和Au(金)等。随着现代仪器和分析技术的发展,荧光分析X射线管的种类越来越多,现在常用的有侧窗型X射线管
7、和端窗型X射线管,其他还有双靶X射线管、可拆式X射线管等。X射线管分类:侧窗型X射线管:是最常用的一种X射线管。它的窗口位于管头的侧面,结构比较简单,多采用负高压工作,故使用比较安全。对于这种类型的管子,有些在结构上采用较大的阴极-阳极距离,而灯丝发射的电子需沿一较长的阳极准直管到达阴极,在准直管正对窗的位置开一个小孔,作为X射线的出口。这种结构的优点是可以减轻灯丝物质对靶面的和管口玷污,且可遮挡偏离聚焦方向的杂散电子。端窗型X射线管:它的窗口位于管子的端部,为了兼顾长短波段的激发效率,常选用中等原子序数的Rh(铑)或Pd(钯)作靶材,并采用正高压结构,使得所用铍窗可薄至75mm,大大提高了长
8、波辐射的透射率,因而改善了对长波X射线的激发效率。它的阴极灯丝绕着阳极卷绕,靶面焦斑成圆环状。由于阳极处于高压,冷却水路不能接地,它应当使用经过特殊处理的去离子水,否则,将因流水导电而引起危险。因灯丝部分紧挨管窗,此处通常也应以普通自来水冷却。X射线管的杂质线在分析微量铁、镍、铜、锌等元素时,由X射线管产生的杂质线往往使背景增高。消除这种杂质的方法有三种:一种是使用一次X射线滤光片;另一种是换用杂质线少的X射线管;还有一种是估计杂质线的强度。估计杂质线空白值的方法中有一种是利用组成相似的样品其峰值强度与背景强度之比不变这一关系,通过数学计算来校正的方法。上图表示各种X射线管及其最适合分析元素的
9、范围2) 准直器:准直器的作用:滤掉发散的射线,使一束基本平行的光束到达晶体和探测器窗口。在通常状况下,样品与分析晶体之间的入射准直器是固定不动的,并分为:粗准直器:金属片间距约;细准直器:金属片间距约3) 分光晶体射线发光光谱中的分析晶体(也就是单色器)相当于光学发射光谱中的棱镜,与光栅相似。作用是将试样发出的经过准直后的平行的荧光X射线束,按不同波长将谱线在空间一一展开,形成一种衍射波谱,从而可以分别测量每种波长。分析晶体的选择:最基本的是它的衍射强度、色散率(当波长发生变化时所引起的衍射角或弧长的变化)和分辨率(分开或辨别波长几乎相同的两条谱线的能力)必须合乎元素测定上的要求,而且应当具
10、有优良的指标。选择一块合适的分光晶体,可以提高分析线的强度,免受某些谱线和二级衍射线的干扰或减轻干扰成分等,从而有利于提高测定的准确度和灵敏度。以下是常用的几种主要分光晶体和应用范围及特性4) 探测器它是用来接收X射线并把它转变成可测量的或可观察的量。现在最常用的探测器有充气探测器和闪烁计数器。探测器的种类:1、 充气探测器: X射线可以使气体电离,产生电子和正离子,此过程为初始电离。由电离产生的电子和离子有两种相反的运动情况:一是扩散运动,即离子从密度大的地方向密度小的地方扩散;另一是复合运动,即离子和电子又重新复合成中性分子,其趋势是使离子的数目减少。以Ar气为例: 形成的电子与正离子组合
11、起来叫做一个离子对。从惰性气体原子中逐出第一个电子所需的能量相当小 。而实际需要的能量取决于原子序数。当原子序数增加,粒子的影响范围减小,理论和有效电离能之间相对差别随原子序数增加而扩大。X射线电离产生的初始离子对数目(n)正比于入射线的能量(EO),由下式表示:n=Eo/ei 其中ei是有效电离能。简单的充气探测器,是由其中心带有一根金属丝的空心圆柱体组成。金属丝就是探测器的阳极,探测器圆筒外壳接地,并在大气压下充入合适的混合气体。在正常的温度和压力下,一个电子的平均自由程相对来说是短的。低电压时,碰撞时非弹性碰撞,每次碰撞产生出新电子,而在它们原来的位置上留下了初始电子,这种周而复始的过程
12、,最终产生出n个电子飞向阳极。高电压时,碰撞不再是非弹性碰撞了,因为一个电子平均自由程中所获得的动能,比碰撞时所损失的能量还多。当电子飞向接近阳极的强电场区时,每个平均自由程上获得的能量大大地增加,这种倍增过程称为雪崩现象。其净效应叫做气体放大倍数或气体增益。其大小如下式:G=N*ei/E0式中 G-气体放大倍数;N-离子对数目,产生的电子最终飞向阳极。充气X射线探测器的气体放大倍数与施加电压的关系曲线中有许多区域其中比较重要的有正比计数区:电压相当高,有明显雪崩发生。雪崩次数基本上与初始电离对的数目相同。由于所有电子都被收集,故所收集的总电荷数正比于X射线光子的能量。还有一个有利得特点:离子
13、尚未远离阳极之前,电子到达阳极,并被收集起来,围绕阳极丝形成正离子空间电荷鞘(简称正离子套),限制输出脉冲的高度。由于这个作用导致输出脉冲高度的不均匀性和较窄的脉冲高度分布。盖革计数区:在这个区域里,施加电压很高以致雪崩极其激烈,气区中气体离子和原子均被激发,而且阴极壁上发出紫外线。当这些电子打击阳极时,发出二次电子和低能X射线,由于阴极受到正离子的轰击而驱逐出电子。这些发射电子又引起新的雪崩。紫外辐射进入气区引起光电离,由此产生的光电子也引起雪崩。因此,在盖革区中,初始电离一旦发生,立即使得整个计数器发生全面放电。正比特性完全消失,输出的脉冲幅度相同,大约为正比区脉冲幅度的1000倍。盖革计
14、数器或盖革-弥勒计数器,就在这个区域内工作。目前,X射线光谱分析中有三种气体探测器:盖革-弥勒探测器,封闭正比探测器,以及流气正比探测器。盖革-弥勒探测器通常简称为盖革计数器1928年首先被采用。它是最简单的一种X射线探测器。特点:构造较简单,输出脉冲幅度大,对一定能量范围的X射线具有较高的探测灵敏度,无能量甄别作用,死时间长。比起盖革探测器来,正比探测器有两个特殊的优点:第一是死时间短,只有0.2s.第二是平均脉冲高度直接正比于入射X光子能量。而其另一个特征是,当入射波长短于惰性气体吸收限时,会出现一个比原来脉冲幅度小的附加脉冲,叫做逸出峰(逃逸峰)。只要入射辐射能够激发惰性气体特征辐射时,
15、便会出现逸出峰。流气正比探测器的原理与封闭正比探测器相同,差别是前者适合于很薄的入射窗口。普遍采用Ar/10%CH4混合气体。2、 闪烁计数器:X射线荧光分析所用的闪烁计数器由闪烁体、光导、光电倍增管及相关电路组成。闪烁体一般采用微量铊激活的NaI单晶。原理:当X射线照射于某些物质时,这些物质能瞬时发出可见光,利用光电倍增管可将这种闪烁光转换为电脉冲在用电子测量装置把它放大和记录下来。闪烁计数器结构示意图闪烁体:是指在X射线或粒子作用下会发光的器件,这类器件可将X射线或粒子的能量转换成便于探测的光讯号。一般分为有机闪烁体和无机闪烁体。光导:其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
16、,因此要防止光子散射和防止在界面上产生反射。光电倍增管是将闪烁体发射的可测光子讯号转变为电讯号的器件。闪烁探测器的特性:闪烁探测器的分辨率比起正比探测器差得多,但是它的光谱响应曲线在很大的波长范围内几乎保持不变。3X射线能谱仪:X射线荧光能谱仪没有复杂的分光系统,结构简单。X射线激发源可用X射线发生器,也可用放射性同位素。能量色散用脉冲幅度分析器。探测器和记录等与X射线荧光光谱仪相同。四、 分析方法1. 定性分析从X射线管产生的一次X射线照射到样品,样品中含有的各元素其吸收限的能量小于入射线能量时,都同时产生X射线荧光。定性分析就是用测角器进行角度扫描,通过晶体对X射线荧光进行分光,用记录仪将
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