X 射線熒光

EDXRF 光譜法 - 理論和儀器

X 射線熒光 (XRF) 光譜越來越成為直接測量各種材料中原子元素濃度的首選分析工具。從固體和粉末到液體和薄膜,由於 X 射線源、光學和探測器技術的不斷發展和革命性突破,XRF 已成為一種更強大的定量技術。

從 1950 年代中期引入商用波長色散 XRF 光譜儀,到 1970 年代早期開發能量色散 X 射線熒光 (EDXRF) 儀器,日益普及的可負擔計算能力對於獲得和接受技術。隨著 1980 年代中期個人計算機 (PC) 作為行業標準平台的廣泛普及和使用,X 射線熒光光譜成為早期原子光譜分析技術的更簡單且擁有成本更低的替代方案。

X射線熒光理論

在 X 射線熒光 (XRF),電子可以通過吸收足夠能量的光波(光子)從其原子軌道中彈出。光子的能量 (hν) 必須大於電子與原子核結合的能量。當內部軌道電子從原子中射出時(中圖),來自較高能級軌道的電子將轉移到較低能級軌道。在這個轉變過程中,一個光子可能從原子中發射出來(下圖)。這種熒光被稱為元素的特徵 X 射線。發射光子的能量將等於進行躍遷的電子所佔據的兩個軌道之間的能量差。因為給定元素中兩個特定軌道殼層之間的能量差始終相同(即特定元素的特徵),所以當電子在這兩個能級之間移動時發射的光子將始終具有相同的能量。因此,通過確定特定元素發出的 X 射線光(光子)的能量(波長),就有可能確定該元素的身份。

對於元素發射的特定能量(波長)的熒光,每單位時間的光子數(通常稱為峰強度或計數率)與樣品中該分析物的量有關。樣品中所有可檢測元素的計數率通常通過在一定時間內計數各種分析物的特徵 X 射線能量線檢測到的光子數來計算。值得注意的是,由於現代檢測器技術的不完美分辨率,這些熒光線實際上被觀察為具有半高斯分佈的峰。因此,通過確定樣品光譜中 X 射線峰的能量,並通過計算各種元素峰的計數率,可以定性確定樣品的元素組成,並定量測量這些元素的濃度。 .

從 1950 年代中期引入商用波長色散 XRF 光譜儀,到 1970 年代早期開發能量色散 X 射線熒光 (EDXRF) 儀器,日益普及的可負擔計算能力對於獲得和接受技術。隨著 1980 年代中期個人計算機 (PC) 作為行業標準平台的廣泛普及和使用,X 射線熒光光譜成為早期原子光譜分析技術的更簡單且擁有成本更低的替代方案。

X射線管激發

和以前常見的真空管一樣, X 射線管 由一個陰極(將電子發射到真空中)和一個收集電子的陽極組成,從而建立通過管的電流。一個高壓電源,例如 4 到 150 千伏 (kV),連接在陰極和陽極之間,以加速電子撞擊陽極。 X 射線管的 X 射線光譜輸出,包括來自陽極材料的特徵線和 軔致輻射 輻射,取決於陽極材料和加速電壓。

從 1950 年代中期引入商用波長色散 XRF 光譜儀,到 1970 年代早期開發能量色散 X 射線熒光 (EDXRF) 儀器,日益普及的可負擔計算能力對於獲得和接受技術。隨著 1980 年代中期個人計算機 (PC) 作為行業標準平台的廣泛普及和使用,X 射線熒光光譜成為早期原子光譜分析技術的更簡單且擁有成本更低的替代方案。

PIN 二極管 EDXRF 探測器

一個 PIN二極管 是一種二極管,在 p 型半導體和 n 型半導體區域之間具有寬的、輕摻雜的“近”本徵半導體區域。 Peltier 冷卻矽 PIN 光電二極管通常用作 X 射線熒光 (XRF) 光譜法的高分辨率能量色散檢測器。檢測效率是矽片厚度的函數;例如,厚度為 300 微米的晶圓在 10 KeV 下提供接近 100% 的檢測效率,但在 150 KeV 下僅提供約 1% 的效率。儘管 PIN 二極管 EDXRF 探測器本質上非常堅固,但在真空罐受損、珀爾帖堆棧停止正常冷卻、X 射線窗口損壞或污染或 PIN 二極管因輻射損壞而退化時,可能需要維修或維修.

SDD EDXRF 探測器

一種新型 Peltier 冷卻 X 射線探測器, 矽漂移探測器 (SDD),主要用於 X 射線光譜法 (EDXRF 和 MDXRF) 以及電子顯微鏡 (EDX)。這項技術變得非常流行,因為與其他 X 射線探測器相比,它們的特點包括非常高的計數率和相對較高的能量分辨率。與其他固態 X 射線探測器一樣,矽漂移探測器通過其在探測器材料中產生的電離量來測量入射光子的能量。 SDD 的主要區別特徵是由一系列環形電極產生的橫向場,迫使電荷載流子“漂移”到一個小的收集電極。 SDD 的這種“漂移”概念允許吞吐量超過每秒 100,000 次計數 (CPS)。當前一代 SDD EDXRF 探測器,場效應晶體管 (FET) 移出輻射路徑,比第一代設備更可靠,代表了傳統 EDXRF 探測器技術的當前最先進技術。

脈衝處理器和多通道分析儀

高分辨率 X 射線探測器產生的脈衝經過脈衝整形處理 放大器 (脈衝處理器)。由於放大器需要時間來塑造脈衝以獲得最佳分辨率,因此必須在分辨率和計數率之間進行權衡。較長的處理時間可提供更好的分辨率,但可能導致“脈衝堆積”,其中來自連續光子的脈衝重疊。當前最先進的數字脈衝處理技術依賴於試圖減少脈衝長度以提高檢測器性能的線性濾波方法。然而,無法解析緊密間隔的脈衝意味著脈衝堆積仍然是一個問題。這會導致檢測器吞吐量受限、光譜精度和能量分辨率降低、光譜噪聲增加和檢測器死區時間增加。在 EDXRF 中,多通道分析儀 (MCA) 是用於存儲來自脈衝處理器的信息的組件。每個通道對應一個小的能量增量,來自探測器的每個脈衝根據脈衝的幅度(即光子能量)存儲在適當的通道中。

應用

EDXRF 光譜儀是許多應用的首選元素分析工具,因為它們比電感耦合等離子體發射光譜 (ICP-OES) 和原子吸收 (AA) 等其他技術更小、設計更簡單且操作成本更低。原子熒光(AF)光譜。一些常見的 EDXRF 應用示例如下: 水泥和生料:硫、鐵、鈣、矽、鋁、鎂等;高嶺土:鈦、鐵、鋁、矽等;粒狀催化劑:鈀、鉑、銠、釕等;礦石:銅、錫、金、銀等;水泥和砂漿填料:灰中的硫;汽油、柴油和RFG:硫、錳、鉛等;殘餘瓦斯油:硫、氯、釩、鎳等;二次油:氯等;煤油、石腦油:硫磺等;原油和船用燃料:硫、釩、鎳等;電鍍、酸洗和預處理浴:金、銅、銠、鉑、鎳、硫酸鹽、磷酸鹽、氯化物等;乙酸:鎂、鈷和溴;對苯二甲酸(TPA):鈷、錳、鐵等;對苯二甲酸二甲酯(DMT):重金屬; PVC 共聚物溶液:氯;照相乳劑:銀;粘土:金屬和非金屬;廢物和廢水流:RCRA 金屬、氯化物、磷酸鹽等;食品、寵物食品及其他動物飼料:鉀、磷、氯;化妝品:鋅、鈦、鈣、錳、鐵、矽、磷、硫、鋁、鈉;木材處理:CCA、Penta、ACQ、ACZA、磷系阻燃劑、環烷酸銅、環烷酸鋅、TBTO、IPBC及其組合;抗酸劑:鈣;牙膏:磷和錫。

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