离子束分析粒子诱发X荧光分析

粒子诱发X射线荧光分析

ParticleInducedX-rayEmission（PIXE)核科学技术学院X射线的发现

科学没有终极理论19世纪末期，物理学已能令人满意地勾画出自然现象及其相互关系的图像，似乎达到了相当完善的程度，包括电、磁、光等一切现象都好像很适合一般的力学概念，大至天体运动，小至原子运动，牛顿的物理学似乎是无所不包、无所不能的。许多物理学家们觉得已经完成了他们应该做的全部工作，认为物理学的所有伟大发现可能都已完备，以后除了重复及改良过去的实验，使原子量或一些自然常数增加些小数点位数以外，将再也不会有什么事可做了，“科学的大厦已经建成”，人类对自然界的认识已经到了顶点，经典物理学已经发展到“终极理论”，科学似乎已完成了历史使命。

可是，就在19世纪的最后几年里，一些轰动世界的革命性发现无情地冲击了物理学界的保守观点，活生生的客观事实使一些科学的“顶峰论”者目瞪口呆，对原本熟悉的物质世界立即又感到陌生了。

当时轰动世界的事件，首先是X光的发现和放射性元素的发现。

伦琴抓住了绿光1895年11月8日傍晚，德国物理学家伦琴(1845~1923)正在沃兹堡大学的一个实验室，做一项关于阴极射线的实验。阴极射线实验是在抽空的电子管中，由阴极发出的电子在电场加速下所形成的电子流，确认电子的存在。

伦琴用黑纸将阴极射线管完全掩遮好，使之与外界相隔绝，然后把窗帘放下，打开高压电源，以便检查有没有光线从管中漏出。突然，他发现有一道绿光从附近的一个板凳射出，掠过他的眼前。他把高压电源关掉，光线也随着消失。奇怪！板凳怎么会发射出光来呢？“留心意外的事情”是科学研究工作者的座右铭。伦琴马上点了灯，照了照板凳，发现那里摆着的原来是自己做其他试验时用的一块硬纸板，硬纸板上涂了一层荧光材料(氰亚铂酸钡的晶体)。伦琴感到十分惊讶。从阴极射线管中散出的阴极射线有效射程仅有一英寸(1英寸＝2.54厘米)，显然是不会跑出这么远的。那么是什么使荧光材料闪出光亮的呢？伦琴很快意识到有某种崭新的未知光线发生了。这种未知光线从阴极射线管发出，穿过了黑纸包层，射到了硬纸板上，激发了涂料的晶体发出荧光。

伦琴为此惊喜万分，再次打开开关，随手拿一本书挡在阴极射线管与硬纸板之间，发现硬纸板依然有光。伦琴激动得难以控制自己，一连几天几夜关在实验室里继续实验。他先后在阴极射线管与硬纸板之间放了木头、乌木、硬橡胶、氟石以及许多种金属，结果发现这种未知的光线仍然能够照直穿透这些物体。只有铝和铂挡住了这种光线。

伦琴的妻子对于伦琴总是迟迟不回家很生气。于是伦琴把她带到实验室里，把用一张黑纸包好的照相底片放在她的手掌下，然后用阴极射线管一照，拍下了历史上最著名的一张照片。冲洗出来的底片清楚地呈现出伦琴夫人的手骨结构，手上那枚金戒指的轮廓也清晰地印在上面。

伦琴当时无法说明这种未知的射线，就用代数上常用来求未知数的“X”来表示，把它定名为X射线。伦琴经过了一连七个星期废寝忘食的紧张工作，终于在12月28日完成了举世轰动的科学报告。这时，有一些物理学家们才开始懊悔自己没有追究实验室内照相底片“走光”的问题。也有的物理学家责备自己把照相底片感光，错误地归于阴极射线的作用结果。还有一位物理学家声称，他发现X光是在伦琴之前，只是由于不愿中断正常的研究工作，而未发表。的确，这个发现完全有条件在20年前的任何实验室完成。可是，如果伦琴对这一“科学的闪光”漫不经心，轻意放过这一重要线索，或是不深入思索，轻率地把它归于任何一种别的原因，那么X光还是发现不了。

1901年，当瑞典科学院颁发第一次诺贝尔奖金时，物理学奖的选择对象自然在伦琴身上。伦琴成名以后，反对用自己的姓氏来命名X射线。同时他还谢绝了巴伐利亚王子所授予的他的贵族爵位，并因此受到贵族的冷遇。他把他获得的全部诺贝尔奖金都捐献给了自己的工作单位沃兹堡大学物理实验室作为研究费用。他说：“我认为发明和发现都应属于整个人类”。伦琴的无私精神受到了世界各国人民的高度赞扬。X射线的特性X射线属于电磁辐射

电磁辐射（电磁波，光）：以巨大速度通过空间、不需要任何物质作为传播媒介的一种能量，具有波、粒二向性。

电磁波谱按波长顺序排列为：γ射线→X射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波

高能辐射区γ射线能量最高，来源于核能级跃迁χ射线来自内层电子能级的跃迁光学光谱区紫外光来自原子和分子外层电子能级的跃迁可见光红外光来自分子振动和转动能级的跃迁波谱区微波来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁无线电波来自原子核自旋能级的跃迁波长长χ射线的产生TheAugereffectismorecommoninelementsoflowZbecausetheiratomicelectronsaremorelooselyboundedandtheircharacteristicX-raysmorereadilyabsorbed.

R:里德伯常数；h:普朗克常数n1,n2:主量子数;σ:屏蔽常数χ射线的能量特性（指纹特性）特征χ射线的能量为两内电子壳层的能量差MLK1S1/22P3/22P1/22S1/23d5/23d3/22P3/22P1/22S1/2L线系K线系特征X射线能级图解跃迁定则:△l=±1△j=0,±1X射线的吸收m

:物质的质量吸收系数;:物质的线性吸收系数；

m=

/ρµ=µph+µc+µinct:质量厚度（=ρd，d为厚度，ρ为密度）元素的原子序数Z越大，物质的密度越大吸收系数越大。波长λ愈短，即能量愈大，穿透物质能力越强。单元素物质化合物或混合物质μm=∑（Wjμm,j）即按重量比加权AplotofmassabsorptioncoefficientvsenergyoftheX-rayphotonfor82Pb.AbruptchangesareobservedcorrespondingtoabsorptionedgesforK,LandMelectrons.Attheenergy(wavelength)oftheedge,thephotonsfirstbecomesufficientlyenergetictoejectK,LandMphotoelectrons

若要去掉Z元素的X谱线，Z-1orZ-2的元素被用于吸收片。特征X射线的吸收X射线的产生光子激发ElectronExcitation---highbrakeradiationbackgroundX-RayExcitation---x-raytubeHowtogetinnershellcavity?Proton,helium,deuteronetal.,---acceleratorbased,PIXERadioisotope---gamma,beta,alphasynchrotronradiation电子激发离子激发同步辐射激发放射性同位素激发X射线的激发源TheX-raytubeisenergizedbyahigh-voltagepowersupplywithanoutputof0.5to50kV.Theheadofthevacuumtubeconsistsofatarget(anode),whichisoftenmadeoftungstenandchromium.Asacceleratedelectronsstrikethetarget,X-raysareemitted.X-rayspectrumproducedbyelectronbombardmentofatungstentarget:ContinuumSpectrum:Thecontinuumresultsfromdecelerationofelectronsbytheatomsinthetarget.

CharacteristicSpectra:Electronbombardmentalsoproducescharacteristicpeaks

x-raytube原子内壳层的电离截面1）photoexcitation

σph=5/4(σk)σk:crosssectionofK-layerσk∝Z5/E0E0:thephotoenergy2)ElectronexcitationE:入射电子能量C:cont，m值为0.7~13)HeavychargedparticleexcitationZ1:atomicnumberofincidenceparticleE1:energyofincidenceparticlem1:massofincidenceparticleme:massofelectronui:bindingenergyX射线荧光产额ωi

ωi=σx,i/σv,iσv,i:原子第i层的空穴产生截面，即电离截面σx,i:填补该空穴产生时发射特征X射线的截面KLMa-0.03795-0.11107-0.00026b0.034260.013680.00386c-0.1163*10-5-0.2177*10-60.20101×10-6X射线荧光产额ω的经验公式波长色散法d根据布啦格法则,对于确定的晶面间距d值，改变入射束与表面的夹角θ，则可测量发生衍射的x射线的波长λ。

2dSinθ=nλ

这种方法分辨率高，但探测效率低，主要用于化学环境下的精细结构研究。BraggDiffraction(Si,石墨)WAVELENGTHDISPERSIVEXRFSPECTROSCOPYX射线的探测能量色散法是常用的探测方法。原理是把x射线在探测器里直接转换成电脉冲，脉冲幅度正比于x射线的能量，有脉冲幅度分析器记录各种幅度的脉冲计数。能量色散法在PIXE分析中，一般使用能量分辨率好的Si（Li）探测器，它要在液氮温度下（77K）工作，探头封闭在真空中，用很薄的铍窗将其与大气隔离开。对5.9Mev的x射线其分辨率可达160ev。Lithium-DriftedSi(Li)Detectors返回HV--LV--Output--TestTemperatureProtect前置放大Si(Li)晶体金属Be窗(μm量级)Si(Li)能量色散探测系统确定物质中微量元素的种类和含量的一种方法。它用外界辐射激发待分析样品中的原子，使原子发出标识X射线（荧光），通过测量这些标识X射线的能量和强度来确定物质中微量元素的种类和含量。根据激发源的不同，可分成：带电粒子激发X荧光分析电磁辐射激发X荧光分析电子激发X荧光分析X射线荧光分析概述

X-rayfluorescenceanalysisENERGYDISPERSIVEXRFSPECTROSCOPYTheprimaryX-raybeamexcitesseveralspectrallinesfromthesample.InenergydispersiveXRFallwavelengthsenterthedetectoratonce.

online6640XRFP

管道液体系统

液体/浆体应用

Acommondesignhasthemeasuringheadplacednexttoaflow-throughcell.Asingleheadcanbeconfiguredtomovebetweenmultiplesamplestreams.Thestreamsareflowingcontinuou

online6640XRFTub

料斗,管送系统

粉末应用

Ameasuringheadmatedtoachamberfilledwithpowder.Thechamberisfilled,packedbyvibration,analyzed,emptied,andthenrefilled.

6640XRFRD

转盘粉末取样器系统

粉末应用

Ameasuringheadplacedoveraturntablethatrotatesintoasamplechutetocollectasam

X-射线荧光分析仪实用系统

6640XRFRA

伸缩式粉末取样器

粉末应用

Ameasuringheadplacedoveramovingarmthatextendsintoaproductchutetocolle

6640XRFWeb

纵向扫描系统

涂层,薄板,钢板,纸张输送带应用

Ameasuringheadiseasilyinstalledoveramovingweb,coil,orconveyor.Theheadcanmoveacrosswebtorecordaprofileofthesamplewhileitismoving

6640XRTB

投射法系统

板材/罐/传送带适应性应用

AmeasuringheadandanotherX-raysourceareeasilyinstalledacrossthesamplewhereispipe,tub,pot,movingweb,coil,orconveyoronlyifthesampledensityisnotchanging,orahighenergydensitymeasurementisneededtocompensateit’sinfluence.Theheadisfixedoverthewebtorecordawholeprofileofthesamplebyadjustthedistanceoverthesample

p-6640-300T

Labandin-situtest

便携式X-射线荧光分析仪

300T为生产现场或实验室使用而设计。典型应用于石油化工、涂/镀行业、工矿企业，塑料橡胶工业等各种场合，能进行诸多元素的分析

The300Tisdesignedfortheproductionorlaboratoryenvironment.ItsintegratedWindows95computermakesforeasyroutineanalysis,andsimplifiesmethoddevelopment.Electronicdatastorageallowsspectraloverlapcomparisons,andreadilypermitsdiscriminationofdataviaemailornetwork.ResultsareeasilytransferredtoExcelorotherdatabase/spreadsheetprogramsforsampletracking.

EquippedwithX-raytubefiltersanddetectorfiltersprovideforawiderangeofanalysispossibilities.Typicalapplicationsincludepetroleumproducts,coatings,minerals,ores,plasticsandrubbertonamejustafew.Largesamplesfiteasilyinsidetheanalysischamberwithoutspecialpreparati

日本RigakuX荧光分析仪

该XRF荧光光谱仪是日本理学RIX3000型全自动X射线荧光光谱仪，运用X射线束照射试样产生该试样所特有的二次X射线，通过测量该X射线的波长和强度，即可得到被分析样品的元素种类和含量。该光谱仪对元素周期表中“B”--“U”的所有元素都可以进行定性、定量分析（固体、粉末、液体样品）。

应用仪器进行各种工业产品和化工产品（电缆、金属材料、矿石原料、高分子聚合体、半导体材料等）元素及氧化物的定性、定量分析工作。

本系统有配套附属设备：

（1）样品粉碎机；（2）3OT压片机

日本RigakuX荧光分析仪带电粒子激发X荧光分析简称PIXE，它应用的带电粒子可以是质子、α粒子或重离子，目前使用最多的是质子。常用静电加速器产生的几兆电子伏能量的质子束轰击样品，质子使样品中各元素原子的内层电子电离，接着较外层的电子向内层跃迁,同时发射X射线。由于各种元素发射具有特定波长（或能量）的标识X射线,可利用锂漂移硅探测器及能谱分析仪来确定元素的种类。而标识谱线强度可用来确定元素含量。PIXE是离子束分析的一个重要分支。其开创者是SvenA.E.Johansson等人[1]，于1970年首次开展这方面的工作，并为人们所重视，且日益广泛的被大家采用。粒子诱发x射线荧光分析（PIXE）在PIXE技术中，可以将原始的样品（如金属、粉末、生物组织）直接作为靶进行分析。这样的靶往往是厚靶，它制备方便，但数据处理比较复杂，灵敏度也差。另一种是将样品进行灰化、溶解等处理，然后把它置于一定的衬底膜上，作为靶进行分析。这类靶称为薄靶，可以不考虑质子在靶中的能量损失和X射线的自吸收，获得及处理数据都比较容易，灵敏度也好。但制靶工艺比较复杂，容易受到环境的污染。PIXE分析具有灵敏、快速、取样少和无损分析等特点。该方法对大多数元素（Z≥12）是很灵敏的其相对灵敏度为PPm（即百万分之一）量级，可检测的元素含量的下限为10-16g。1.薄靶绝对测量特征X射线的计数阿佛加德罗常数入射粒子个数探测器对特征X射线的探测效率原子序数待测元素的重量X射线产生截面探测器所张的立体角PIXE定量分析方法相对测量 相对测量方法是在相同的条件下，分别测量标准和样品中待测元素的表征X射线的强度，这样就可以避免Ω、ξ等因子中的系统误差和σx的不确定性。 待测元素的峰计数 标准元素的峰计数 待测元素的重量 标准元素的重量PIXE定量分析方法2.厚靶1,2,3……..ix粒子束图例：厚靶样品示意图PIXE定量分析方法待测元素特征X射线峰的计数Nx为：为待