X射线荧光光谱分析讲课稿.pptx

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1、第1页/共57页Which elements are present?What are their concentrations?第2页/共57页第一章X射线荧光光谱基本原理第3页/共57页X射线的发现、应用 第4页/共57页X射线简介X射线是原子内层电子在高速运动电子的冲击下产生跃迁而发射的光辐射，波段在10-3-10nm。X射线光谱分为连续光谱和特征光谱。第5页/共57页特征光谱的产生 高能量粒子与原子碰撞，将内层电子逐出，产生空穴,此空穴由外层电子跃入，同时释放出能量，就产生具有特征波长的特征光谱。第6页/共57页特征X射线线系照射物质的一次X射线的能量将物质中原子的K、L层电子逐出，原

2、子变成激发态，K层或L层上产生的空位被外层电子填补后，原子便从激发态恢复到稳定态，同时辐射出X射线，其能量与波长关系服从光谱跃迁公式：第7页/共57页特征X射线线系并不是对应于所有能级组合的谱线都能出现，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。n=1的跃迁产生的线系命名为线系，n=2的跃迁产生的线系命名为线系，依次类推。各系谱线产额依K，L，M系顺序递减，因此原子序数55的元素，选L系谱线做为分析线。第8页/共57页莫斯莱定律早 在 1913年，英 国 年 青 的 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

3、与X射线波长之间的关系。这就是莫斯莱定律：v不同的元素具有不同的特征X射线，根据特征谱线的波长，可以判断元素的存在，即定性分析。v根据谱线的强度，可以进行定量分析。第9页/共57页布拉格方程2dsin=nX射线荧光分析中利用晶体对X射线分光，分光晶体起光栅的作用。晶体分光X射线衍射的条件就是布拉格方程：波长为的X射线荧光入射到晶面间距为d的晶体上，只有入射角满足方程式的情况下，才能引起干涉。也就是说，测出角度，就知道，再按莫斯莱公式便可确定被测元素。第10页/共57页概述：X射线荧光光谱分析的基本原理v试样受X射线照射后，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，

4、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的特征X射线。v通过测定试样中特征X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。v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。第11页/共57页X射线荧光光谱分析的特点分析元素范围广BeU测量元素含量范围宽 0.000 x%100%分析试样物理状态不做要求，固体、粉末、晶体、非晶体均可。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，试样不发生化学变化的无损分析

5、。可以进行均匀试样的表面分析。第12页/共57页X射线荧光光谱的应用 广泛应用于地质、冶金、矿山、电子机械、石油、化工、航空航天材料、农业、生态环境、建筑材料、商检等领域的材料化学成分分析。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第13页/共57页第二章X射线荧光光谱仪荷兰荷兰PHILIPSPHILIPS公司生产的公司生产的 Ma

6、gixPW2424型型X X射线荧光光谱仪射线荧光光谱仪第14页/共57页第15页/共57页仪器主要性能指标可测元素范围可测元素范围Be-U的元素。常规分析一般只包括原子序数的元素。常规分析一般只包括原子序数11（Na）的元素，其他元素只在特定情况下才能测定（如钢铁中的元素，其他元素只在特定情况下才能测定（如钢铁中的的C等）等）检测浓度范围检测浓度范围大部分元素大部分元素0.000 x%-100%探测器探测器闪烁计数器（最大计数率闪烁计数器（最大计数率1000kcps），流气正比计数器），流气正比计数器（最大计数率（最大计数率2000kcps），封闭式正比计数器（），封闭式正比计数器（Xe）（

7、最大计数率（最大计数率1000kcps）高压发生器高压发生器最大功率最大功率2.4kW，稳定度，稳定度0.0005%（外电源波动为（外电源波动为1%时）时），外电源允许波动范围，外电源允许波动范围10%X光管光管超锐端窗超锐端窗Rh靶，最大功率靶，最大功率2.4kW（60kV，125mA）测角仪测角仪2角准确度角准确度0.0025；2角重复性角重复性0.0001，扫描速度，扫描速度20.0001-2/s可调可调第16页/共57页第17页/共57页。1X射线光管（X-rayTube)端窗型光管：阳极靶接正高压，灯丝阴极接地。内循环冷却水使用去离子水。综合考虑激发效率，杂质线，背景及更换X射线光管

8、所需要的时间等因素，本仪器选用Rh靶。Rh靶的最高电压60kV，最大电流125mA，最大功率2.4kw，kV与mA之间的调节会由软件自动完成。测量时，对于短波长元素使用高压低电流，对长波长元素使用低压高电流。Rh靶的窗口由75um厚的铍（Be）制成，这有利于Rh的L系特征线的传播，对低原子数元素的特征线激发很重要。第18页/共57页严禁碰撞、触摸铍窗，极薄，易破。注意防潮，除尘。因为X光管要承受高压，否则易引起放电。注意恒温。当温度低于露点（25）时如果开高压，由于空气湿度大，导致光管金属部分收缩，易损伤光管。温度高于设定温度，仪器会自动关闭高压，停止工作。1X射线光管（X-rayTube)注

9、意事项第19页/共57页2滤波片（TubeFilters)v作用：利用金属滤波片的吸收特性减少靶物质的特征X射线、杂质线和背景对分析谱线的干扰，降低很强谱线的强度。v位置：位于X光管与样品之间。仪器配有4块滤波片200umAl200umAl测定能量范围在测定能量范围在测定能量范围在测定能量范围在6-10keV6-10keV内的谱线，降低背景和检测限。内的谱线，降低背景和检测限。内的谱线，降低背景和检测限。内的谱线，降低背景和检测限。750umAl750umAl测定能量范围在测定能量范围在测定能量范围在测定能量范围在10-20keV10-20keV内的谱线，降低背景和检测限。内的谱线，降低背景和

10、检测限。内的谱线，降低背景和检测限。内的谱线，降低背景和检测限。300umCu300umCu削弱削弱削弱削弱RhRh的的的的KK系线，用于能量在系线，用于能量在系线，用于能量在系线，用于能量在20keV20keV以上的谱线测定。以上的谱线测定。以上的谱线测定。以上的谱线测定。1000umPb1000umPb在在在在停停停停机机机机状状状状态态态态时时时时使使使使用用用用，保保保保护护护护光光光光管管管管免免免免受受受受粉粉粉粉尘尘尘尘污污污污染染染染，还还还还可可可可避避避避免免免免检检检检测器的消耗。测器的消耗。测器的消耗。测器的消耗。第20页/共57页3样品杯(Samplecup)照射在单

11、位面积试样上X射线的强度（I）与离开X光管焦斑距离（R）的平方成反比。因此放置样品杯时位置的重现性相当重要。I=K/R2第21页/共57页4 4 准直器面罩（CollimatorMasks)位置：准直器面罩架在样品和准直器之间。目的：使只有从样品发出的荧光被测到，而避免由试样杯罩产生的干扰线。准直器面罩的直径比样品杯口再小2mm。第22页/共57页5准直器(Collimators)准直器由一组薄片组成，目的是使从样品发出的X射线以平行光束的形式照射到晶体。薄片之间的距离越小，越容易形成平行光，产生的谱线峰形也更锐利，更容易与附近的谱线区分。薄片间距越小，通过的荧光强度越弱。因此准直器的选择存在

12、分辨率与灵敏度互相消长的情况，即分辨率提高，则灵敏度下降。可以通过与晶体共同选择来消除这个问题，晶面间距d小的晶体有更好的分辨率，两者相结合应用，可以既降低荧光强度的损耗，又可提高分析的灵敏度。薄片间距薄片间距薄片间距薄片间距分辨率分辨率分辨率分辨率 灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度 分析元素范围分析元素范围分析元素范围分析元素范围 150um150um高高高高低低低低重元素重元素重元素重元素UKUK300um300um中等中等中等中等中等中等中等中等重元素重元素重元素重元素UKUK700um700um低低低低高高高高轻元素轻元素轻元素轻元素ClFClF4000um4000um很低很低很低很低很高很高

13、很高很高轻元素轻元素轻元素轻元素Be,B,C,NBe,B,C,N准直器以薄片间距来分类第23页/共57页6 6 晶体(Crystal)v有8个供选择的晶体可覆盖所有波长，分布在一个滚筒周围。晶体的作用是通过衍射将从样品发出的荧光按不同的波段分离，根据的原理是布拉格方程。v分为平面晶体和弯面晶体两种。用平晶，有99%99%的辐射被发射并被准直器吸收，辐射强度损失很大，采用弯晶可使强度提高十倍。v 晶面间距d d值不同，可供选择的晶体很多，仪器中选用5 5块晶体。晶体的选择决定可测定的波长范围，即可测定的元素。v温度变化时，晶体的晶面间距要发生改变，则探测角22也会发生变化。测定时分辨率越高，温度

14、变化带来的影响越大，再次证明恒温对使用X X射线荧光光谱仪的重要性。名称名称名称名称/衍射面衍射面衍射面衍射面2d/nm2d/nm测定元素测定元素测定元素测定元素其它其它其它其它LiF200LiF2000.40280.4028KUKU分辨率、衍射强度均最佳的通用晶体。分辨率、衍射强度均最佳的通用晶体。分辨率、衍射强度均最佳的通用晶体。分辨率、衍射强度均最佳的通用晶体。Ge111Ge1110.65320.6532PdPPdP可侧面弯曲，有很高的灵敏度。可侧面弯曲，有很高的灵敏度。可侧面弯曲，有很高的灵敏度。可侧面弯曲，有很高的灵敏度。PE002PE0020.87420.8742AlClAlCl合

15、成晶体合成晶体合成晶体合成晶体PX1PX14.884.88OMgOMg合成晶体合成晶体合成晶体合成晶体LiF220LiF2200.28480.2848VUVU高分辨率，用于分析稀土元素。高分辨率，用于分析稀土元素。高分辨率，用于分析稀土元素。高分辨率，用于分析稀土元素。第24页/共57页7检测器(Detector)检测器是X荧光光谱仪中用来测定X射线信号的装置，它的作用是将X X射线荧光光量子转变为一定数量的电脉冲，表征X X射线荧光的能量和强度。检测器的工作原理:入射X射线的能量和输出脉冲的大小之间有正比关系，利用这个正比关系进行脉冲高度分析。第25页/共57页7检测器(Detector)通

16、常用作测量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，如在波长色散谱仪中用流气式正比计数器测定超轻元素时，入射窗的窗膜应尽可能用1um或更薄的膜，减少射线的吸收。2具有良好的能量线性和能量分辨率。3具有较高的信噪比，要求暗电流小，本底计数低。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。第26页/共57页流气式正比检测器闪烁检测器检测器种类：流气式正比检测器（GasFlowDetector）闪烁检测器（ScintillationDetector）封闭式检测器(SealedDetector)复合型检测器(DuplexDetector)第27

17、页/共57页流气式正比检测器与闪烁检测器比较流气式正比检测器流气式正比检测器流气式正比检测器流气式正比检测器闪烁检测器闪烁检测器闪烁检测器闪烁检测器机理机理机理机理X X射线的电离作用射线的电离作用射线的电离作用射线的电离作用X X射线的荧光作用射线的荧光作用射线的荧光作用射线的荧光作用原理原理原理原理X X射射射射线线线线光光光光子子子子入入入入射射射射，与与与与工工工工作作作作气气气气体体体体中中中中的的的的氩氩氩氩原原原原子子子子作作作作用用用用，部部部部分分分分能能能能量量量量被被被被氩氩氩氩气气气气吸吸吸吸收收收收，吸吸吸吸收收收收的的的的能能能能量量量量导导导导致致致致电电电电子子

18、子子从从从从外外外外电电电电子子子子层层层层逃逃逃逃逸逸逸逸，这这这这些些些些电电电电子子子子被被被被阳阳阳阳极极极极的的的的芯芯芯芯线线线线吸吸吸吸收收收收并并并并加加加加速速速速，由由由由此此此此形形形形成成成成的的的的动动动动能能能能产产产产生生生生了了了了电电电电子子子子雪雪雪雪崩崩崩崩，从从从从而而而而得得得得到到到到一一一一个个个个电电电电脉脉脉脉冲冲冲冲，每每每每个个个个脉脉脉脉冲冲冲冲分分分分别别别别记记记记录录录录后后后后，进进进进行行行行脉冲高度分析（脉冲高度分析（脉冲高度分析（脉冲高度分析（PHDPHD）。）。）。）。闪闪闪闪烁烁烁烁晶晶晶晶体体体体将将将将入入入入射射射

19、射X X射射射射线线线线光光光光子子子子转转转转变变变变为为为为闪闪闪闪烁烁烁烁光光光光子子子子射射射射到到到到光光光光电电电电倍倍倍倍增增增增管管管管上上上上，光光光光电电电电倍倍倍倍增增增增管管管管将将将将一一一一级级级级电电电电子子子子产产产产生生生生出出出出加加加加倍倍倍倍的的的的二二二二级级级级电电电电子子子子，经经经经过过过过多多多多级级级级加加加加倍倍倍倍，在在在在阳阳阳阳极极极极上上上上形形形形成成成成信信信信号号号号脉脉脉脉冲冲冲冲。闪闪闪闪烁烁烁烁晶晶晶晶体体体体一一一一般般般般都都都都是是是是采用微量铊激活的采用微量铊激活的采用微量铊激活的采用微量铊激活的NaINaI单晶

20、。单晶。单晶。单晶。构构构构造造造造窗材窗材窗材窗材对对对对X X射线的透射率大的聚丙烯膜（射线的透射率大的聚丙烯膜（射线的透射率大的聚丙烯膜（射线的透射率大的聚丙烯膜（1um1um或或或或6um6um厚）厚）厚）厚）金属铍金属铍金属铍金属铍阴阳极阴阳极阴阳极阴阳极芯线为阳极，外加芯线为阳极，外加芯线为阳极，外加芯线为阳极，外加1500-2000V1500-2000V高压高压高压高压光光光光电电电电倍倍倍倍增增增增管管管管的的的的阳阳阳阳极极极极和和和和阴阴阴阴极极极极之之之之间间间间外外外外加加加加电压电压电压电压700-1000V700-1000V工作气体工作气体工作气体工作气体P-10P

21、-10气气气气体体体体（Ar90%Ar90%+CHCH4 410%10%），ArAr是是是是电电电电离离离离原原原原子，子，子，子，CHCH4 4作为淬灭气体用来抑制作为淬灭气体用来抑制作为淬灭气体用来抑制作为淬灭气体用来抑制持续持续持续持续放电。放电。放电。放电。应用范围应用范围应用范围应用范围原子量原子量原子量原子量2828，NiNi，轻元素分析，轻元素分析，轻元素分析，轻元素分析原子量原子量原子量原子量2828，重元素分析，重元素分析，重元素分析，重元素分析最大计数率最大计数率最大计数率最大计数率2000kcps2000kcps1000kcps1000kcps能量分辨率能量分辨率能量分辨

22、率能量分辨率 高高高高低低低低波长范围波长范围波长范围波长范围 长波段，长波段，长波段，长波段，BeBeNiNi的的的的KK谱线和谱线和谱线和谱线和HfHfBaBa的的的的L L谱线谱线谱线谱线 短短短短波波波波段段段段，NiBaNiBa的的的的KK谱谱谱谱线线线线和和和和HfUHfU的的的的L L谱线谱线谱线谱线第28页/共57页第29页/共57页第三章定性半定量分析第30页/共57页定性分析v定性分析是用测角仪进行角度扫描，通过晶体对X射线荧光进行分光，记录仪记录谱图，再解析谱图中的谱线以获知样品中所含的元素。v 莫莱斯定律是定性分析的基础，它指出了特征X射线的波长与元素原子序数的一一对应

23、关系。v 目前绝大部分元素的特征X射线均已准确测出，新型的X射线荧光光谱仪已将所有谱线输入电脑储存，扫描后的谱图可通过应用软件直接匹配谱线。第31页/共57页定性分析X射线荧光的光谱单纯，但也有一些干扰现象，会造成谱线的误读，即使电脑也不例外，因此在分析谱图过程中应遵守以下的X射线规律特点，对仪器分析的误差进行校正。每种元素的一系列波长确定的谱线，其强度比是确定的，如Mo的特征谱线K系的K1,K2,K1,K2,K3,它们的强度比是1005014 5 7。不同元素的同名谱线，其波长随原子序数的增大而减小。（这是由于电子与原子核之间的距离缩短，电子结合得更牢固所致）判断一个未知元素的存在最好用几条

24、谱线，如K,K，以肯定元素的存在。应从峰的相对强度来判断谱线的干扰情况。若某一强峰是Cu K K,则Cu K的强度应是K的1/51/5，当Cu K的强度很弱，不符合上述关系时，可能有其它谱线重叠在Cu K上。第32页/共57页半定量分析为什么会出现半定量分析？v层出不穷的新材料需要进行成分剖析，而传统的湿化学法既费时又费力。v有关工业废弃物中有害元素的立法，增加了对快速半定量分析的方法需求。v非破坏分析的要求增加，又无合适的标准样品可用。v用户对半定量分析结果已感满足，无须再做进一步的精密定量分析。半定量分析软件的发展1989年，UniQuant首先问世，作为新一代半定量分析软件。之后，各XR

25、F制造商陆续推出各自的半定量分析软件，如SemiIQ,ASQ,SSQ等。Philips公司在SemiIQ无标样软件基础上，开发出最新的IQ+无标样定量分析软件。这些软件的共同特点是：所带标样只需在软件设定时使用一次；分析试样原则上可以是不同大小，形状和形态；分析元素范围9F92U；分析一个样品的时间是15-30分钟。第33页/共57页用IQ+软件半定量分析样品过程半定量分析o对未知样进行全程扫描o对扫描谱图进行SearchandMatch（包括谱峰的识别，背景扣除，谱峰净强度计算，谱峰的匹配）o输入未知样的有关信息(金属或氧化物；液体，粉末压片或熔融片；已知浓度组分的输入；是否使用膜校正和充氦

26、系统；是否归一)o进行半定量分析第34页/共57页第35页/共57页第36页/共57页第37页/共57页第38页/共57页定性分析和半定量分析不需要标准样品，可以进行非破坏分析。半定量分析的准确度与样品本身有关，如样品的均匀性、块状样品表面是否光滑平整、粉末样品的颗粒度等，不同元素半定量分析的准确度可能不同，因为半定量分析的灵敏度库并未包括所有元素。同一元素在不同样品中，半定量分析的准确度也可能不同。大部分主量元素的半定量分析结果相对不确定度可以达到10%（95%置信水平）以下，某些情况下甚至接近定量分析的准确度。半定量分析适用于：对准确度要求不是很高，要求速度特别快（30min以内可以出结果

27、），缺少合适的标准样品，非破坏性分析等情况。定性半定量分析第39页/共57页第四章定量分析第40页/共57页第41页/共57页选择分析条件现代波长色散X射线荧光光谱仪所提供的软件具有智能性功能，当选定要测定的元素时，能自动给出相应的分析条件，这些条件具有通用性，但是当具体样品浓度不同时，须根据实际情况调整，选择最佳的分析条件。X光管的电压和电流选择设置的高压和电流的乘积不能超出最大功率，即2400W。kVkVKK系线系线系线系线L L系线系线系线系线6060FeBaFeBaSmUSmU5050CrMnCrMnPrNdPrNd4040TiVTiVCsCeCsCe3030CaScCaScSbISb

28、I2020BeKBeKCaSnCaSn第42页/共57页选择分析条件滤波片的选择使用滤波片的目的是除去原级谱对待测元素的干扰，改善峰背比，提高分析的灵敏度。例如：Rh靶测定Cu样中痕量的Sn,Cd和Ag时，Rh的K线及Compton散射线完全覆盖了Cd和Ag的K线，使之不能测定，但若在X光管和样品之间加入300um的黄铜作为滤波片，则可以除去Rh的K线及其Compton散射线。第43页/共57页1分辨率好，有利于减少谱线干扰。2衍射强度高。3衍射后所得谱线的峰背比要大。4最好不产生高次衍射。5晶体受温度、湿度影响要小。6所选晶体的晶面间距2d值必须大于待分析元素的波长。晶体的选择原则选择分析条

29、件仪器配备晶体及其适用范围：晶体晶体晶体晶体 适用范围适用范围适用范围适用范围 KK系线系线系线系线L L系线系线系线系线LiF200LiF200TeTiTeTiUHfUHfLiF220LiF220TeVTeVULaULaGe(III)Ge(III)ClPClPCdZrCdZrPE(002)PE(002)ClAlClAlCdBrCdBrPX1PX1MgOMgO第44页/共57页选择分析条件角度校正、背景扣除和计数时间的确定v角度的选择取决于待测元素所选的谱线和晶体，这两个条件一旦选定，SuperQ软件会自动提供合适的2角。v背景选择的原则：若谱峰对称，取谱图尾部一点做背景；若非对称谱或有谱线干

30、扰，通常需选2个背景点。v计数时间取决于分析元素的浓度及检出限。根据XRF的标准偏差与被分析成分的浓度的关系，按照下式：计算CSE，将CSE与浓度输入后，即可求得峰位和背景的测定时间。CSERel=0.005C(C为浓度%，CSE是计数统计误差)第45页/共57页脉冲高度分析（PHD）选择分析条件使用脉冲高度分析仪的主要目的是处理探测器给出的电脉冲信号。根据XRF的工作原理，X射线进入探测器后，探测器每吸收一个X射线光子，经电离或光电效应，产生一个电脉冲，脉冲高度与X射线光子的能量成正比。第46页/共57页逃逸峰的处理从晶体衍射出来的X射线荧光，在氩气场合，其能量大于等于氩气的K层电子激发电位

31、时，就可使氩气产生ArK线，如果ArK线的X射线荧光能够在探测器内部被再次吸收，那么脉冲高度依然与X光子能量成正比，但是，当ArK（氩量子）未被吸收而逃逸，只能探测到损失了ArK那部分能量（约3keV）之外的能量。因此逃逸峰的能量等于入射X射线能量与Ar气体特征X射线能量之差。因此在PHD分布曲线中可见两个峰。逃逸峰是否要包括在PHD的上阀和下阀之间，视待测元素含量而定。通常含量低时，其逃逸峰不包括在内，反之则需包括在内。第47页/共57页定量分析是对样品中指定元素进行准确定量测定。定量分析需要一组标准样品做参考。常规定量分析一般需要5个以上的标准样品才能建立较可靠的工作曲线。常规X射线荧光光

32、谱定量分析对标准样品的基本要求：组成标准样品的元素种类与未知样相似（最好相同）；标准样品中所有组分的含量应该已知；未知样中所有被测元素的浓度包含在标准样品中被测元素的含量范围中；标准样品的状态（如粉末样品的颗粒度、固体样品的表面光洁度以及被测元素的化学态等）应和未知样一致，或能够经适当的方法处理成一致。定量分析第48页/共57页定量分析方法X射线荧光分析法基本上就是一种测定出样品产生的X射线荧光强度，然后跟标准样品的X荧光强度对比的比较方法。标样比较法1 1 校正曲线法2数学校正法3内标法增量法没有标样时也可利用增量法。即在未知样品中添加一定量的分析元素或含分析元素的物质，根据含量与X射线荧光强度变化求得分析值。第49页/共57页第50页/共57页第51页/共57页第52页/共57页第53页/共57页第54页/共57页Which elements are present?What are their concentrations?第55页/共57页第56页/共57页感谢您的观看。第57页/共57页