波长色散型X射线荧光光谱仪与能量色散型X射线荧光光谱仪的区别

2017-04-19 21:25 阅读 931 次 评论 0 条

波长色散型X射线荧光光谱仪与能量色散型X射线荧光光谱仪的区别

 

一.X射线荧光分析仪简介

X射线荧光分析仪是一种比较新型的可以对多元素进行快速同事测定的仪器。在X射线激发下,被测元素原子的内层电子发生能级跃迁而发出次级X射线(X-荧光)。波长和能量是从不同的角度来观察描述X射线所采用的两个物理量。波长色散型X射线荧光光谱仪(WD-XRF)。是用晶体分光而后由探测器接受经过衍射的特征X射线信号。如果分光晶体和控测器做同步运动,不断地改变衍射角,便可获得样品内各种元素所产生的特征X射线的波长及各个波长X射线的强度,可以据此进行特定分析和定量分析。该种仪器产生于50年代,由于可以对复杂体进行多组同事测定,受到关注,特别在地质部门,先后配置了这种仪器,分析速度显著提高,起了重要作用。随着科学技术的进步在60年代初发明了半导体探测仪器后,对X荧光进行能谱分析成为可能。能谱色散型X射线荧光光谱仪(ED-XRF),用X射线管产生原级X射线照射到样品上,所产生的特征X射线(荧光)这节进入SI(LI)探测器,便可以据此进行定性分析和定量分析,第一胎ED-XRF是1969年问世的。近几年来,由于商品ED-XRF仪器及仪表计算机软件的发展,功能完善,应用领域拓宽,其特点,优越性日益搜到认识,发展迅猛。

 

二.波长色散型X射线荧光光谱仪与能量色散型X射线荧光光谱仪的区别

虽然光波色散型(ED-XRF)X射线荧光光谱仪与能量色散型(ED-XRF)X射线荧光光谱仪同属于X射线荧光分析仪,它产生信号的方法相同,最后得到的波谱也极为相似,单由于采集数据的方式不同,WD-XRF(波谱)与WD-XRF(能谱)在原理和仪器结构上有所不同,功能也有区别。

(一)原理区别

X射线荧光光谱法,是用X射线管发出的初级线束辐照样品,激发各化学元素发出二次谱线(X-荧光)。波长色散型荧光光仪(WD-XRF)是用分光近体将荧光光束色散后,测定各种元素的特征X射线波长和强度,从而测定各种元素的含量。而能量色散型荧光光仪(ED-XRF)是借组高分辨率敏感半导体检查仪器与多道分析器将未色散的X射线荧光按光子能量分离X色线光谱线,根据各元素能量的高低来测定各元素的量,由于原理的不同,故仪器结构也不同。

(二)结构区别

1.波长色散型荧光光谱仪(WD-XRF)

波长色散型荧光光谱仪(WD-XRF),一般由光源(X-射线管),样品室,分光晶体和检测系统等组成。为了准且测量衍射光束与入射光束的夹角,分光晶体系安装在一个精密的测角仪上,还需要一庞大而精密并复杂的机械运动装置。由于晶体的衍射,造成强度的损失,要求作为光源的X射线管的功率要大,一般为2-3千瓦,单X射线管的效率极低,只有1%的功率转化为X射线辐射功率,大部分电能均转化为而能产生高温,所以X射线管需要专门的冷却装置(水冷或油冷),因此波谱仪的价格往往比能谱仪高。

2.能量色散型荧光光谱仪(DE-XRF)

能量色散型荧光光谱仪(DE-XRF),一般由光源(X-线管),样品室何检测系统等组成,与波长色散型荧光光仪的区别在于他不分光晶体,由于这一特点,是能量色散型荧光光仪具有如下的优点

(1). 仪器结构简单,省略了晶体的精密运动装置,野无需精确调整。还避免了晶体衍射所照成的前度损失,光源使用的X射线管功率低,一般在100W一下,不需要昂贵的高压发生器和冷却系统,空气冷却即刻,节省电力。

(2). 能量色散型荧光光仪的光源,样品,检测器彼此靠得越近,X射线的利用率很高,不需要光学聚集,在累计整个光谱时,对样品位置变化不象波长色散型荧光光仪那样敏感,对样品形状也无特殊要求。

(3). 在能量色散谱仪中,样品发出的全部特征X射线光子同时进入检测器,这样奠定了使用多道分析器和荧光同时累计和现实全部能谱(包括背景)睇基础,也能清楚地表明背景和干扰线。因此,半导体检测器X射线光谱仪能比晶体X射线光谱仪快而方便地完成定性分析工作。

(4). 能量色散发的一个附带有点事测量整个分析线冲高度分部的积分程度,而不是封顶强度。因此,减小了化学状态引起的分析线波长的漂移影响。由于同时累积还减少了一起的漂移影响,提高净计算的统计精度,可迅速而方便地用各种方法处理光谱。同时累积观察和测量所有元素,而不是按特定谱线分析特定元素。因此,减少偶然错误判断某元素的可能性。

(三)功能区别

考虑到各种情况,能量色散型荧光仪和波长色散型荧光仪的检测限基本相同。但在(高能光子)范围内能量色散的分辨率好些,在长波(低能光子)范围内,波长色散的分辨率好些。就定性分析而言,在分析多种元素时能量色散优于单道晶体谱仪。就测量个别分析元素而言,波长色散好些。如果分析的元素事先不知道,用能量色散较好,而分析元素已知则用多道晶体色散仪好。对易受放射性损伤的样品,如果液体,有机物(可能发生辐射分解),玻璃品,工艺品(可能发生褪色)等,用能量色散型荧光散型荧光仪分析特别有利。能量色散型荧光仪很适合动态系统的研究。如在催化,腐蚀,老化,磨损,改性和能量转换等与表面化学过程有关的研究。

总之,能量色散型荧光和波长色散型荧光折两种仪器,各有所有点和不足,它们只能互补,而不能替代。

 

三.WD-XRF与ED-XRF的简明比较

项目

波长色散型

能量色散性

原来

X荧光经晶体分光,在不同衍射角测量不同元素的特征线

X荧光直接进入检测器,经电子学系统处理得到不同元素(不同能量)的X荧光能谱

结构

未满足全波段需要,配置多块晶体,根据单道扫描和多道同时测定的需要,设置扫描机构和若干固定通道

无扫描机构,只用一个检查器和多道脉冲分析器,结构简单得多,无转动件,可靠性高

X-光管

高功率,要高容量冷却系统,管寿命短

低功率,不许冷却水,管寿命水

检测器

正比计数器,和λ,晶体,检测器有关

SI(LI),用LN冷却

灵敏度

μɡ∕ɡ

轻基体μɡ∕ɡ级,其他10-10²μɡ∕ɡ

准确度

取决于表样

取决于表样

精密度

很好

低浓度时不如WD

系统稳定性

需作周期性漂移校正,定期工作曲线

好,工作曲线可长时间使用

方便性

一般

分析速度

单道慢,多道快

人员要求

较高

一般

样品表面

要求平坦

要求不高

价格

18-45/台(其中单道扫描$18-25/台)

6-11/台(其中娇小型的$6-7/台)

测定元素范围

Z≥5,B-U

Z≥11,Na-U,特殊薄窗时可Z≥8,O-U

 

 

四.多道同时式光谱仪的优点

多道同时式光谱仪的优点,有以下几个方面:我们知道X射线荧光光谱仪的分析精度依赖于特征谱线的总计数,要想达到某个分析精度,总计数要达到某个值才能保证。多道同时式分析仪,因为各个通道同时工作,这样测试时间就可以设定为最难满足精度的元素通道所需的时间。由于只需考虑最难满足精度的元素的测定时间,总测定时间就是这个时间,一般几十秒到2、3百秒。根据这个时间,多道同时式分析仪一般只需要选用小功率X光管(一般几百瓦)即可满足对总计熟虑的要求。

 

(一)多道同时式光谱仪优点

优点1,小功率X光管和高压电源及冷却系统的成本低和寿命长,故障率低,维护量小。
我们知道高精度测角仪是扫描式X射线荧光光谱仪的核心部件,对角度精度要求很高,由于要保证在所有测量过程中高精度的运动,对可靠性要求很高,技术难度和维护成本也高。使用测角仪,每次要测量某个元素的特征X射线,都要准确运动到对应的角度,即使再好的角度重复性,也不能保证没有误差,总会或多或少带来计数率误差。而多道同时式分析仪不需要测角仪,而代之以晶体角度固定的多个道,没有运动部件,维护量和可靠性容易保证。根据我的经验,在其他影响技术率稳定性的条件(恒温、流气密度稳定、高压电源稳定性等)保证的比较好的情况下,计数率稳定性非常接近理论统计涨落,这是多道同时式分析仪一个突出的优点。
优点2,分光系统无运动部件,计数率精度可以达到很高水平。
由于多道同时工作,对时间的压力不大,特征谱线计数率可以不用那么高,对荧光信号处理的速度要求也就不那么高,一般保证通过率几万cps就够用了。这也是国内目前还只有多道同时式分析仪的原因。
优点3,对信号处理电路要求较低。

 

(二)多道同时式光谱仪缺点

缺点1,由于采用多个通道,每个通道都需要独立的分光器,衍射晶体,探测器,放大器和多道脉冲处理器,加起来成本也还是比较高。
缺点2.通道数量总是要受到结构的限制,不可能很多,这也是多道同时式分析仪一般用在行业应用的原因——分析元素的数量有限。RoHS应用虽然分析的元素数量有限,但基体元素很多很杂,因为在定量过程中必须考虑基体元素的影响,原则上需要测试基体元素,所以也不太实用。但对水泥、玻璃、陶瓷、钢铁等行业,还是比较好的选择。皮实,精度也相当好。

 

(三)多道同时式光谱仪优缺点评价

多固定道的的优缺点和单通道扫描式仪器的优缺点是互相印证的。
1.分析元素的数量不受限制,除了最轻的几个元素外几乎可以作全元素分析。这是优点。由于元素是分时测量的,测量总时间是每个元素的测试时间之和,为了保证总测试时间处于可接受的范围,必要每个元素要很短时间测完并达到计数率要求。这样大功率X光管和高速荧光信号处理就是必须的。大功率X光管和高压电源的使用,是技术能力的体现,当然也是问题多发点所在。维护成本很高。
2.高精度测角仪是单通道扫描式仪器的技术核心之一,对于复杂的应用几乎是必须的。对于特定的应用有些浪费。

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