南京大学近代物理实验-X荧光分析.docx

X荧光分析摘要：本文介绍了能量色散X荧光分析的原理、仪器构成和基本测量、分析方法。实验中还研究了对多道分析器的定标以及利用X荧光分析测量未知样品成分。关键词：X荧光分析，多道分析器，莫塞莱定律一、引言X 荧光分析是一种快速、无损、多元素同时测定的现代技术，已广泛应用于材料科学、生物医学、地质研究、环境监测、天体物理、文物考古、刑事侦察、工业生产等诸多领域，例如可用X荧光分析技术研究：钢中碳、锰含量与低碳钢的脆性转变温度的关系；千分之几的锰对铁镍合金薄膜磁电阻的严重影响；检测齿轮箱润滑油中各金属元素的含量，在不拆卸机件的情况下，分析飞行器部件磨损状况；分析大气中浮游尘、气溶胶、水源污染情况、食品中有害物；分析血样、头发、牙齿、淋巴细胞、活性酶中微量元素与人体健康、疾病的相关性；无损分析文物组分；分析飞船带回的月岩、陨石等成分；测定地下水样中砷浓度，依据金矿与砷同时存在的特征，找出金矿；用稀硝酸淋洗可疑射击者的手，测定浓缩液中硫、钡、铁、铅含量，作为侦察的依据，可信度达90%-98%；监控水泥中钙、铁、铝等含量，达到控制水泥生产品质的目的；分析土壤中微量元素，以确定作物（特别是草药）种植的适宜性等。二、实验原理以一定能量的光子、电子、质子、粒子或其他离子轰击样品，将物质原子中的内壳层电子击出，产生电子空位，原子处于激发态。外壳层电子向内壳层跃迁，填补内壳层电子空位，同时释放出跃迁能量，原子回到基态。跃迁能量以特征X射线形式释放，或能量转移给另一个轨道电子，使该电子发射出来，即俄歇电子发射。另外还可能存在几率较低，主量子数相同，角量子数不同，亚壳层间电子的Coster-Kronig非辐射跃迁。测出特征X射线能谱，即可确定所测样品中元素种类和含量。当原子中K层电子被击出后，L层或M层的电子填补K层电子空位，同时一定几率发射特征X射线。LK产生的X射线叫系，L层有三个子壳层，允许跃迁使系有两条谱线和。MK产生的X射线叫系，M层有五个字壳层，允许跃迁使有，，三条谱线。当原子中L层电子被击出后，ML跃迁产生的X射线叫L系。图1是特征X射线系与电子跃迁能级示意图。图1 特征X射线系-跃迁能级示意图特征射线的能量为两壳层电子结合能之差，即所有元素的系特征射线能量在几千电子伏到几十千电子伏之间。荧光分析中激发射线的方式一般有三种：（1）用质子、粒子或其他离子激发；（2）用电子激发；（3）用射线或低能射线激发。用质子激发特征射线的分析技术（常记为）是几种激发方式中分析灵敏度最高的，相对灵敏度达，绝对灵敏度可达，而且可以将质子束聚焦、扫描，对样品作微区分析。用电子束激发（常记为），目前主要用在扫描电镜与电子探针中。与相比，电子激发引起的韧致辐射本底比质子激发大，影响分析灵敏度。一般灵敏度比低个数量级。另外这种激发方式不能在空气中进行，只适用于薄样品。用射线或低能射线激发（记为），常用光管，放射性同位素作为激发源。这类激发用射线不易聚焦；分析灵敏度亦稍低，相对灵敏度一般为，绝对灵敏度约为，低于的灵敏度。轻便型仪器常用放射性同位素和X光管作激发源。可选用的同位素源主要有激发出的等。其中在衰变后发出的的射线，其能量为能谱如图2所示。的半衰期为87.7年，用得比较多。图2 源的射线能谱X光管是通过加热阴极K发出的热电子在阴、阳极间高压电场加速下，轰击阳极A(常称阳极靶)产生X射线的。图3是比较典型的X光管(钨靶)产生的X射线谱;它由连续谱和特征谱组成。特征谱决定于靶材，其生成机理如前述。连续谱产生机理如图4所示。高速电子打入阳极靶，被靶中原子核的库仑场减速，发出韧致辐射。原子核的质量远大于电子质量，此过程中原子核的动能可忽略，因此，韧致辐射发出的光子能量hv应等于电子动能的减少，即， 图3 X光管激发的X射线谱 图4 连续谱产生机理示意图当电子动能减少到0时，发出的光子能量最大，相应频率最高，波长最短 由上式可知，连续谱有与加速高压成反比的短波限，它与靶材和光管电流均无关。测出短波限，也可以推算出普朗克常数h。 在频率不太高时，连续谱的强度近似为，辐射的空间分布象偶极振子的辐射分布。频率高时偏前向。 连续谱的强度分布与X光管阳极与阴极间电压，光管电流和靶元素的原子序数有关，其关系为，连续谱最大强度对应的波长约为短波限的1. 5倍。 特征X射线强度，当X光管靶材一定后，与管电压V和管电流i的关系为 ，其中为激发电势，它对应于激发某线系所需的最低能量。当V是的2~3倍时，，当时，。 XIX技术中，人射光子除与样品中原子发生光电作用产生内壳层空位外，还可以发生相干散射和非相干散射（康普顿散射），这些散射光子进入探测器，形成XIX分析中的散射本底。另外，样品中激发出的光电子又会产生轫致辐射，但这产生的本底比散射光子本底小得多，且巨能量也较低，一般在以下。所以X