X射線熒光分析中的相關技術研究

X射線熒光分析又稱X射線次級發射光譜分析,本法系利用原級X射線光子或其它微觀粒子激發待測物質中的原子,使之產生次級的特征X射線(X射線熒光)而進行物質成分分析和化學態研究的方法。1948年由H.費里德曼(H.Friedmann)和L.S.伯克斯(L.S.Birks)制成第一臺X射線熒光分析儀,至60年代本法在分析領域的地位得以確立。現代X射線熒光光譜分析儀由以下幾部分組成:X射線發生器(X射線管、高壓電源及穩定穩流裝置)、分光檢測系統(分析晶體、準直器與檢測器)、記數記錄系統(脈沖輻射分析器、定標計、計時器、積分器、記錄器)。不同元素具有能量不同的特征X射線譜,而各譜線的熒光強度又與元素的濃度呈一定關系,測定待測元素特征X射線譜線的能量和強度就可以進行定性和定量分析。本法具有譜線簡單、分析速度快、測量元素多、能進行多元素同時分析等優點。是目前大氣顆粒物元素分析中廣泛應用的三大分析手段之一(其他兩方法為中子活化分析和質子熒光分析)。X射線熒光方法作為核地球物理方法及核技術應用的重要組成部分,所涉及的方面極為廣泛。除了最先應用并取得廣泛贊譽的地質勘查和礦產資源評價之外,還在選礦、冶金、建材、化工、生物醫學、石油、天然氣、環境保護、工業產品檢測以及貴金屬檢測、鍍層研究、文物鑒定等多個方面得到了極其廣泛的應用。隨著科學的發展和X射線熒光方法的提高,其應用的深度和廣度將進一步加大。本文對X射線熒光分析中涉及的相關技術進行了詳細的研究,這主要包括:對能量選擇濾光片在X射線熒光分析中的應用的研究,對X射線的管壓管流對X熒光測量的影響的研究,對激發源、樣品、探測器的相對幾何關系對X射線熒光測量的影響的研究。其中重點研究了能量選擇濾光片在X射線熒光分析中的應用。根據對X射線在物質中的吸收規律的研究,我們知道:同種物質對不同能量X射線的吸收系數是不同的。能量選擇濾光片就是利用這一基本原理而設計出來的。X射線在物質中的吸收服從指數規律: ,那么X射線光子穿過x厚度物質層的透過率為:。另一方面:從物質對X射線光子的吸收曲線,我們還知道它有下列三個特點:1.當光子的能量大于物質元素的K吸收限時,同一物質對低能光子的吸收比對更高能量光子的吸收厲害得多。2.吸收曲線在吸收限處發生突變。這種突變在K吸收限處尤其顯著,它的突變比為:上式中,μ1和μ2分別表示吸收限高能側的吸收系數和吸收限低能側的吸收系數。不同元素的吸收限突變比,隨著原子序數增加而慢慢遞減。3.相鄰元素(對重元素也可以是相近元素)的K吸收限在能量上相差不大,一般僅5%左右,而且它們的K吸收限突變比幾乎相等,吸收系數曲線在吸收限附近能區的變化規律基本相似。因此,根據需要可以設計成下列三種常用的X射線濾光片:1.吸收系數濾光片:在低能光子場合,物質對光子的吸收系數隨著光子的能量變化很大。入射光子能量越低,吸收系數越大,因此可以用一物質薄片(原子序數比要濾去的X射線的發射元素的原子序數小),讓高能的光子易通過,低能的光子不易通過。這樣的薄片我們叫吸收系數濾光片。2.吸收限濾光片:在元素吸收限的兩側,特別是K吸收限的兩側,吸收系數突變很大,因此可以合理地選擇濾光片的材料,使它的吸收限(一般用K吸收限)正好位于相近的兩種X射線能量之間,讓能量低的一種射線易通過,能量較高的一種射線不易通過。這種濾光片就叫做吸收限濾光片。3.平衡濾光片:平衡濾光片的基本原理就是利用物質吸收限能量的差別所形成的能量通帶來對能量通帶內X射線的計數率進行測量,從而使得能量分辨率較差的探測器(如半導體探測器)也能將相鄰元素的X射線明顯分開。通過對X射線熒光分析中的這些相關技術的研究,極大地提高了X熒光測量的精度,從而使得X射線熒光分析在礦產勘查,油氣勘查,選礦,冶金,工業產品有害物質檢測等領域更好的發揮作用,帶來巨大的社會效益和經濟效益。