XRF光谱仪基本原理及结构

1、 ROHS测试仪分析原理 1.0 XRF介绍：1.1 XRF射线的发现： 1895年德国物理学家伦琴发现X射线。 1896年法国物理学家GEORGES S 发现X射线荧光。 1948年，美国海军实验室弗利德曼和伯克斯应用盖克计数器开发出第一台波长色散X射线工荧光光谱仪。 20世纪七年代末，我国开始引入X射线荧光光谱仪。1.2 X射线荧光光谱仪的种类（按规模分）： 便携式工荧光能谱仪：同位素源为激发源，体积小巧，便于携带，不能达到大型荧光能谱的分析精度，定性半定量，可同时分析黄金（AU）等24种元素，主量元素分析准确度可达1%以内。 小型管激发X-荧光能谱仪：探测器采用正比计数管技术，体积较小，

2、价格便宜，单元素的高含量的分析，分辨率较差，不能对相邻元素进行分析，不能进行多元素分析，一般仅对一个元素进行半定量分析。 大型X-荧光能谱仪：采用SI（LI）探测器技术，很高的稳定性，很高的灵敏度，准确度和重现性，可同时分析NA-U的各种元素，分析的浓度从100%-PPM级。 微区X-荧光能谱仪：从事材料的平均成份分析，可对微区选择的分析，价格较高。1.4 XRF仪器品牌：SeiKo (日本精工)：台式 Horiba（日本掘场）：台式Skyray（中国天瑞）：台式 Niton （美国尼通）：手持式 Innov（美国伊洛维）：手持式Shimadzu（日本岛津）：台式不需前处理非破坏性分析被测样品

3、X射线X射线管检测器1.5 XRF测试的优势：全元素同时分析可对应固体，粉末，液体X荧光射线2.0 XRF光谱原理：2.1 什么是X射线？X射线的本质是电磁辐射波，与可见光相似，仅是波长不同而已。X射线波长：0.01nm-40.0nm X射线能量：124Kev-0.124Kev X射线与物质作用时，产生各种不同的和复杂的过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三部分： 1.透过物质按原来方向传播-X射线透射：拍摄医学透视照片，机场安全管理或工业上作为材料内部品质鉴定。 2.被散射-X射线衍射：利用散乱X射线得到物质的结晶信息(构造） 3.被吸收从而产生荧光X射线-X射线荧光：元素组

4、成和镀层厚度等信息2.2 X射线荧光的产生： 当能量高于原子内层电子结合能的高能X射线与原子发生碰撞时，驱逐一个内层电子而出现一个空穴，使整个原子体系处于不稳定的激发态然后核外电子自发地由能量高的状态跃迁到能量低的状态。当较外层的电子跃入内层空穴所释放的能量不在原子内被吸收，而是以辐射的形式放出，便产生X射线荧光，其能量等于两能级之间的能量差。 因此，X射线荧光的能量或波长是特征性的，与元素有一一对应的关系。 原子的组成简图：K层L层原子核M层N层2.3 特征光谱的产生： 碰撞 跃迁 （高） 空穴 跃迁 （低） 不同元素具有自己的特征谱线-定性基础。 2.4 荧光X射线的波长与元素的原子序数的

5、关系： 莫斯莱定律：随着原子序数的增大，荧光X射线的波长减小，而对应的能量增大2.5 定量分析：荧光X射线的强度与相应元素的含量成正比。 含A元素越多的话，元素A的X射线荧光也就越强。3. 0 XRF光谱仪的构造： X荧光具有一定的波长，同时也具有一定的能量波长色散型（WDXRF)：按照波长的差异进行分离和检测能量色散型（EDXRF)：按照能量的差异进行分离和检测 3.1 仪器的主要部件： 激发源，分光系统，滤波器/二次靶，检测器系统，数据处理系统 波长色散型：晶体分光器通过晶体衍射现象把不同波长的X射线分开 能量色散型：依靠样品X射线荧光能量来检测3.1.0 XRF光谱仪的构造激发源 X射线

6、管（激发源）的结构 冷却水进 冷却水出阳极 X射线管结构示意图钨丝加热电源高压 X射线X射线来源：连续谱靶元素特征辐射3.1.1 X射线管（光源）的靶材1.单一的靶材：分析重元素：钨靶 分析轻元素：铬靶 靶材的原子序数越大，X光管压越高，连续谱强度越大。表 各种靶材适合的分析元素范围3.1.2 复合靶材：如CrMo靶 低压情况下，主要由CR靶产生特征X射线光谱，激发轻元素高压情况下，主要由MO靶产生连续谱，激发重元素 3.1.3 常用的不同靶材X光管适用的范围：3.1.4 X射线管的要求： 要求能够连续地工作于较高的功率水平提供较大的X射线能量在保证X射线管使用寿命的情况下，窗用玻璃铍片应尽可

7、能的薄靶材纯度要高， 杂质谱线的强度应小于总强度的1% X射线管的使用： 灯丝和靶极密封在抽成真空的金属罩内 灯丝发射的电子经高压加速撞击在靶极上，产生一次X射线 只有当一次X射线的波长稍短于受激元素的吸收限波长时，才能有效地激发出X射线荧光 靶极和管工作电压决定了一次X射线的强度 X射线管所消耗功率的0.2%转变为X射线，其余均转换为热能，因此必须不断通冷却水冷却靶电极(与激发源结构图结合在一起理解） 3.1.5 XRF光谱仪的构造滤波器 滤波器的作用消除或降低来自X射线管发射的原级X射线谱，尤其是靶材的特征X射线对待测元素的干扰，可改善峰背比，提高分析的灵敏度。 滤波片的位置： 激发源与样

8、品之间（初级滤波片） 样品与检测器之间（次级滤波片） 滤波片的分类：初级滤波片：置于X射线管与样品之间，是为了得到单色性更好的辐射和降低分析元素谱感兴趣区内的原级谱散射引起的背景。 次级滤波片：置于样品与检测器之间，主要用于非色谱仪，有得于对试样中产生的多元素X射线荧光谱线进行能量选择，提高待测元素的测量精度。 初级滤光片作用一：抑制Rh的谱线 作用二：降低背景 利于滤波器（特定的金属薄片）使背景大幅度减少滤波器1可以检测出PE中5ppm Pb滤波器2可以检测出PE中2ppm Cd无滤波器则难检测出3.1.6 探测器的作用： 将X射线荧光光量子转变成一定形状和数量的电脉冲，表征X射线荧光的能量和强度。 常用探测器种类： 正比计数器（流气式或封闭式，PC） 闪烁计数器（SD)半导体计数器（SSD)探测器特点：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辨率3.具有良好的高计数率，死时间较短4.具有较高的信噪比，要