X射线荧光分析技术.ppt
《X射线荧光分析技术.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《X射线荧光分析技术.ppt(100页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第三节第三节 X射线荧光分析技射线荧光分析技术术(XRF)第三章第三章核分析技术与方法核分析技术与方法1 利用利用外界辐射外界辐射激发激发待分析样品中的原子待分析样品中的原子,使使原子发出特征原子发出特征X射线(荧光),射线(荧光),通过通过测定测定这这些些特征特征X射线的射线的能量能量和和强度强度,可以,可以确定确定样品中样品中微量元素的种类微量元素的种类和和含量含量,这就是,这就是X射线荧光分射线荧光分析析,也叫做,也叫做源激发源激发X荧光分析荧光分析。X射线荧光分析射线荧光分析(X-ray fluorescence analysis technique):2第三节第三节 X射线荧光分析射
2、线荧光分析1.1 X射线荧光方法的物理基础射线荧光方法的物理基础1.2 X射线荧光方法和技术射线荧光方法和技术1.3 X射线荧光的室内分析射线荧光的室内分析31.1 X X射线荧光方法的物理基础射线荧光方法的物理基础一、一、X X射线的本质与特点射线的本质与特点二、二、X射线荧光的产生与莫塞莱定律射线荧光的产生与莫塞莱定律三、俄歇效应与荧光产额三、俄歇效应与荧光产额41.1 X X射线荧光方法的物理基础射线荧光方法的物理基础一、一、X X射线的本质与特点射线的本质与特点 1 1、伦琴发现伦琴发现X射线射线52 2、本质和特点、本质和特点 X X射线射线(次级(次级X X射线射线荧光)荧光)是在
3、原子核周是在原子核周围,由电子或其它粒子轰击内层轨道电子,围,由电子或其它粒子轰击内层轨道电子,并使之脱离原子而形成电子空位,在邻近并使之脱离原子而形成电子空位,在邻近壳层电子补充空位时,其剩余能量释放后壳层电子补充空位时,其剩余能量释放后产生的高频产生的高频电磁波电磁波,具有,具有波动性波动性;波长为:;波长为:0.130.4867E=h ,=c/日常生活中的日常生活中的射频图谱射频图谱8波动性波动性光速、反射、折射、偏振、相干散射波长单位:1010m 光速,反射,折射,偏振光速,反射,折射,偏振和和相干散射相干散射等,以一定的等,以一定的波长波长和和频率频率为特征。为特征。a、1906年年
4、 巴克拉巴克拉 偏振现象偏振现象b、1912年年 劳厄劳厄 晶格衍射实验晶格衍射实验c、1913年年 莫塞莱和布拉格莫塞莱和布拉格 进一步证实进一步证实波长色散波长色散X X荧光分析荧光分析显示显示X射线的波动性有射线的波动性有:实验证实:实验证实:9 光电吸收光电吸收,非相干散射非相干散射,气体电离气体电离和和产生闪光产生闪光等现象,等现象,以一定的以一定的能量能量和和动量动量为特征;为特征;能量色散能量色散X X荧光分析荧光分析E=h ,=c/微粒性微粒性能量、电离、光电吸收、非相干散射能量单位:eV显示显示X射线的微粒性有射线的微粒性有:10 同一切微观粒子一样,同一切微观粒子一样,X
5、X射线也具有射线也具有波动波动和和微粒微粒的双的双重性重性;显然,显然,无论是测量能量还是波长,都可以实现对相无论是测量能量还是波长,都可以实现对相应元素的分析,其效果是一样的。应元素的分析,其效果是一样的。波动性波动性光速、反射、折射、偏振、相干散射波长单位:1010mE=h ,=c/微粒性微粒性能量、电离、光电吸收、非相干散射能量单位:eV11 其一,高能粒子与原子发生碰撞并从中驱逐一个其一,高能粒子与原子发生碰撞并从中驱逐一个内层电子,出现一个电子内层电子,出现一个电子空空位位,此时原子处于受激态此时原子处于受激态。其二,经过其二,经过10-1210-14s,外层电子向内跃迁,填外层电子
6、向内跃迁,填补内层电子空位,同时放出补内层电子空位,同时放出X X射线。射线。第一个过程是第一个过程是吸收入射粒子能量吸收入射粒子能量,因而入射离子,因而入射离子的能量必须略高于内层电子的结合能;的能量必须略高于内层电子的结合能;第二个过程是第二个过程是放出能量放出能量,其特征,其特征X X射线能量等于两射线能量等于两个能级的能量差。个能级的能量差。1)1)特征特征X X射线的产生过程:射线的产生过程:二二、X X射线荧光的产生与莫塞莱定律射线荧光的产生与莫塞莱定律 12跃迁选择定则跃迁选择定则:n0l=1j=0,1MLKL线系线系K线系线系3d5/23d3/22P3/22P1/22S1/22
7、P3/22P1/22S1/21S1/2特征特征X X射线能级图解射线能级图解2 2)特征)特征X X射线谱的结构射线谱的结构K1和K2K1、K2、K3MLKL线系线系K线系线系3d5/23d3/22P3/22P1/22S1/22P3/22P1/22S1/21S1/2L线系线系K线系线系3d5/23d3/22P3/22P1/22S1/22P3/22P1/22S1/21S1/213原子能级及原子能级及K K、L L系系X X荧光谱线产生示意图荧光谱线产生示意图壳层3 3)X X荧光谱线的概念与谱系命名荧光谱线的概念与谱系命名14 K系谱线包括系谱线包括Ka1、Ka2、K1、K2、K3等。并且它等。
8、并且它们之间的们之间的X射线照射量率相差很大。射线照射量率相差很大。大致比例为:大致比例为:I(Ka1):I(Ka2):I(K1):I(K2)=100:50:25:5各谱系之间各谱系之间X射线强度也相差很大,近似为:射线强度也相差很大,近似为:K:L:M=100:10:1 这表明,每一元素的这表明,每一元素的X射线谱的结构很复杂,其中,射线谱的结构很复杂,其中,Ka线相对强度是最大的线相对强度是最大的15两个概念:两个概念:a a、能驱逐一个内层电子所需的入射粒子的最低能量称、能驱逐一个内层电子所需的入射粒子的最低能量称之为之为吸收限。吸收限。b b、激发效率(激发效率(),表征入射粒子的激发
9、特性表征入射粒子的激发特性 定义:定义:一个入射粒子与单位面积上一个靶原子作用一个入射粒子与单位面积上一个靶原子作用时,在某壳层上产生时,在某壳层上产生X X荧光的几率荧光的几率。16 1913年,年,莫塞莱莫塞莱(H.G.J.Moseley)发现,发现,每个谱每个谱系的系的X X射线能量的平方根与原子序数射线能量的平方根与原子序数Z Z之间存在着以之间存在着以下简单的线性关系下简单的线性关系:(1 1)式中,式中,a和和b均为常数。这就是均为常数。这就是莫塞莱定律莫塞莱定律。(2)(2)式中,式中,R为里德伯常数;为里德伯常数;h为普朗克常数;为普朗克常数;c为光速。为光速。4 4)莫塞莱定
10、律)莫塞莱定律an正数,与内壳层电子数目有关正数,与内壳层电子数目有关n1,n2-壳层电子跃迁前后所处壳层的主量子数壳层电子跃迁前后所处壳层的主量子数17三三、俄歇效应与荧光产额、俄歇效应与荧光产额 1 1、俄歇效应、俄歇效应 X X射线荧光产生过程中,若产生特征射线荧光产生过程中,若产生特征X X射线的能射线的能量大于原子某外层电子的结合能时,则有可能将能量大于原子某外层电子的结合能时,则有可能将能量传递给原子本身的外层电子,使之成为自由电量传递给原子本身的外层电子,使之成为自由电子,而不再发射特征子,而不再发射特征X X射线。这一物理过程称为射线。这一物理过程称为俄歇俄歇效应效应,相应的电
11、子称为,相应的电子称为俄歇电子俄歇电子,俄歇电子的动能,俄歇电子的动能为特征为特征X X射线的能量与该外层电子结合能之差。射线的能量与该外层电子结合能之差。18 发射特征发射特征X射线的几率称为荧光产额,用射线的几率称为荧光产额,用表示。表示。荧光产额可分为荧光产额可分为K层,层,L层,层,M层,层,等不同的荧光等不同的荧光产额。产额。K层荧光产额层荧光产额(k)定义为单位时间内定义为单位时间内K层发射层发射特征特征X射线光子,除以射线光子,除以K层在同一时间形成的电子空层在同一时间形成的电子空位数。位数。式中:式中:NK为为K层单位时间内形成的电子空位数层单位时间内形成的电子空位数;(nK)
12、为单位时间内为单位时间内i射线谱发射的光子数。射线谱发射的光子数。L层、层、M层的荧光产额层的荧光产额L和和M的确定方法也类似。的确定方法也类似。2 2、荧光产额、荧光产额19 荧光产额的计算比较复杂,这里介绍一个荧光产额的计算比较复杂,这里介绍一个半经半经验公式验公式:式中式中:Z为原子序数。为原子序数。A、B、C:为系数为系数;K层荧光产额层荧光产额(k)、L层荧光产额层荧光产额(L)和和M层层荧光产额荧光产额(M)具有相同形式的半经验公式,但其系具有相同形式的半经验公式,但其系数不同。数不同。20不同壳层系数值不同壳层系数值21 用用X荧光方法适于分析荧光方法适于分析中等以上的原子序数元
13、素中等以上的原子序数元素。各线系相比,各线系相比,应尽量利应尽量利用用K系谱线系谱线,这对,这对X荧光荧光的产生和测量均有利。的产生和测量均有利。对于对于轻元素轻元素,荧光产额,荧光产额低,给测量带来很大困低,给测量带来很大困难,这也是一般条件下分难,这也是一般条件下分析低原子序数元素时,精析低原子序数元素时,精度不高的根本原因。度不高的根本原因。221.2 X射线荧光方法和技术射线荧光方法和技术一、激发源一、激发源二、二、X射线探测器射线探测器三、平衡滤片对三、平衡滤片对四、射线荧光照射量率的基本公式四、射线荧光照射量率的基本公式五、基体效应概述五、基体效应概述231.2 X射线荧光方法和技
14、术射线荧光方法和技术 进行进行X射线荧光方法测量时,要有相应的射线荧光方法测量时,要有相应的仪器,它一般由仪器,它一般由激发源激发源、滤片滤片、探测器探测器和和测测量系统(量系统(后端电子学仪器后端电子学仪器)组成。组成。241 1、放射性同位素源、放射性同位素源 突出突出优点优点是是:体积小,重量轻,成本低体积小,重量轻,成本低。可以使用放射性同位素直接放出的可以使用放射性同位素直接放出的射线、射线、射线射线或或X X射线来激发被测对象,也可以将初级射线照射靶物射线来激发被测对象,也可以将初级射线照射靶物质而产生次级光子的组合源,再激发被测对象。质而产生次级光子的组合源,再激发被测对象。常见
15、的同位素源的常见的同位素源的几何形状几何形状主要有三种主要有三种:点源点源、片状片状源源和和环状源环状源。使用时要根据使用时要根据被测对象的形状、大小和探测装置的几被测对象的形状、大小和探测装置的几何布置何布置等因素综合考虑。等因素综合考虑。一、激发源一、激发源25选择同位素激发源时必须考虑以下几点选择同位素激发源时必须考虑以下几点:(1(1)激发源放出的激发源放出的射线或射线或X X射线的能量,必须大于待测射线的能量,必须大于待测元素的元素的K K层或层或L L层的吸收限。层的吸收限。能激发能激发K K层最好,不得已才利用层最好,不得已才利用L L层的吸收限。层的吸收限。(2)(2)具有足够
16、长的半衰期具有足够长的半衰期。不仅消除了半衰期校正带来的误差,而且使用时间长,不仅消除了半衰期校正带来的误差,而且使用时间长,节省费用。节省费用。(3)(3)适当的几何形状和源的活度适当的几何形状和源的活度。以尽可能提高待测元素特征以尽可能提高待测元素特征X X射线的照射量率和信射线的照射量率和信 噪比。噪比。261)射线源射线源 射线源是利用射线源是利用核衰变核衰变时产生的时产生的射线。使用广射线。使用广泛且特性典型的射线源是泛且特性典型的射线源是241Am源。源。241Am是是辐射体,在辐射体,在衰变时发射衰变时发射射线,主要射线,主要能量是能量是59.56keV和和26.4keV两种,衰
17、变产物两种,衰变产物237Np处于处于激发态,以激发态,以内转换的形式内转换的形式发射发射NpL系特征系特征X射线。射线。因此因此,241Am源又是源又是X射线源射线源。主要优点:主要优点:价格便宜,半衰期长价格便宜,半衰期长(433年年)。2728 57Co也是常用的一种也是常用的一种射线源。利用其射线源。利用其121.9keV和和136.3keV的射线,可有效地激发的射线,可有效地激发Au、W、Hg、Pb、Bi、Th和和U等等重元素重元素的的K系谱线。系谱线。主要缺点:主要缺点:半衰期太短半衰期太短(270天天)。292)X射线源射线源 在原位在原位X辐射取样中,应用最多的辐射取样中,应用
18、最多的X射线源有射线源有238Pu、55Fe、109Cd和铍窗和铍窗241Am。238Pu源是源是辐射体,辐射体,半衰期为半衰期为87.7年年。伴随。伴随衰变发射多种能量的衰变发射多种能量的射线。但光子射线。但光子产额都很低产额都很低,一般在一般在105(光子光子/衰变衰变)量级以下。只量级以下。只43.5keV(3.92l04光子光子/衰变衰变)和和99.9keV(7.40105光子光子/衰变衰变)稍稍高。高。30 238Pu衰变的子体衰变的子体234U处于激发态。它由激发处于激发态。它由激发态跃迁到基态时伴随很强的态跃迁到基态时伴随很强的UL系系X射线。射线。主要谱线有主要谱线有UL1(1
19、3.6lkeV),UL2(16.42keV)、UL1(17.22keV)和和UL1(20.16keV)。31 55Fe以以K电子俘获电子俘获方式衰变方式衰变为为55Mn。在。在K层电子形成空位,并层电子形成空位,并生成锰的稳定同位素。生成锰的稳定同位素。K层空位被层空位被外层电子补充时,发射外层电子补充时,发射MnK和和MnKX射线。其能量分别为射线。其能量分别为5.898keV和和6.489keV。55Fe源的源的半衰期为半衰期为2.6年年,在,在定量测量中,工作十天以上定量测量中,工作十天以上(0.01T1/2)时,需进行半衰期校正。时,需进行半衰期校正。32 109Cd(镉)源也是以(镉
20、)源也是以K俘获方式进行衰变,产物俘获方式进行衰变,产物为为109mAg,在,在K层形成空位。层形成空位。109mAg再以同质异能跃再以同质异能跃迁方式衰变为稳定核素迁方式衰变为稳定核素109Ag。109mAg跃迁到跃迁到109Ag时,也可能以内转换方式在时,也可能以内转换方式在K层轨道上形成空位,产生荧光产额很高的层轨道上形成空位,产生荧光产额很高的AgK系特系特征征X射线,其能量为射线,其能量为22.16keV(AgK)和和24.95keV(AgK)。33主要缺点主要缺点:价格昂贵,半衰期偏短价格昂贵,半衰期偏短(453(453天天),应进,应进 行半衰期校正行半衰期校正。343)射线激发
21、的射线激发的X射线组合源射线组合源 使用放射性同位素放出的的使用放射性同位素放出的的射线,照射到一个射线,照射到一个选择好的选择好的纯元素纯元素的靶物质上,而以该靶物质发射出的的靶物质上,而以该靶物质发射出的特征特征X射线作激发源。射线作激发源。这种把放射性同位素和靶物质构成一定几何形状,这种把放射性同位素和靶物质构成一定几何形状,组合产生的组合产生的X射线源就叫射线源就叫组合源组合源,如,如241Am/Ag组合源。组合源。35364)射线源和轫致辐射源射线源和轫致辐射源 很少单独使用,一般通过各种靶组合,利很少单独使用,一般通过各种靶组合,利用所产生的各种能量的轫致辐射和特征用所产生的各种能
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 射线 荧光 分析 技术
限制150内