文档介绍：NurfürdenpersönlichenfürStudien,Forschung,zukommerziellenZweckenverwendetwerden《X射线荧光光谱分析的基础知识》讲义廖义兵X射线是一种电磁辐射,其波长介于紫外线和γ射线之间。它的波长没有一个严格的界限,-50nm的电磁辐射。对分析化学家来说,-24nm,,24nm则是最轻元素Li的K系谱线。1923年赫维西(Hevesy,)提出了应用X射线荧光光谱进行定量分析,但由于受到当时探测技术水平的限制,该法并未得到实际应用,直到20世纪40年代后期,随着X射线管、分光技术和半导体探测器技术的改进,X荧光分析才开始进入蓬勃发展的时期,成为一种极为重要分析手段。一、X射线荧光光谱分析的基本原理元素的原子受到高能辐射激发而引起内层电子的跃迁,同时发射出具有一定特殊性波长的X射线,根据莫斯莱定律,荧光X射线的波长λ与元素的原子序数Z有关,其数学关系如下:λ=K(Z−s)−2式中K和S是常数。而根据量子理论,X射线可以看成由一种量子或光子组成的粒子流,每个光具有的能量为:E=hν=hC/λ式中,E为X射线光子的能量,单位为keV;h为普朗克常数;ν为光波的频率;C为光速。因此,只要测出荧光X射线的波长或者能量,就可以知道元素的种类,这就是荧光X射线定性分析的基础。此外,荧光X射线的强度与相应元素的含量有一定的关系,据此,可以进行元素定量分析。图1为以准直器与平面单晶相组合的波长色散型X射线荧光光谱仪光路示意图。图1平面晶体分光计光路示意图A—X射线管;B—试料;C—准直器;D—分光晶体;E—探测器由X射线管(A)发射出的X射线(称为激发X射线或一次X射线)照射到试料(B),试料(B)中的元素被激发而产生特征辐射(称为荧光X射线或二次X射线)。荧光X射线通过准直器(C)成为近似平行的多色光束投向晶体(D)时,对于某一选定的晶体和入射角位置,只有一种波长满足布拉格衍射公式:式中:n—衍射击级数,一般用一级衍射击,即n=1;λ—波长,nm;d—分光晶体的晶面间距,nm;θ—入射光束与晶体表面的夹角。衍射光束在与入射光束成2θ角的方向出射,并由位于该方向的探测器(E)所接收,根据测得谱线的波长识别元素,而元素某一特征谱线的强度又与该元素在试料中的含量相关,从而可根据谱线强度求得其含量。二、X射线荧光光谱仪用X射线照射试样时,试样可以被激发出各种波长的荧光X射线,需要把混合的X射线按波长(或能量)分开,分别测量不同波长(或能量)的X射线的强度,以进行定性和定量分析,为此使用的仪器叫X射线荧光光谱仪。由于X光具有一定波长,同时又有一定能量,因此,X射线荧光光谱仪有两种基本类型:波长色散型和能量色散型。图1-3是这两类仪器的原理图。现将两种类型X射线光谱仪的主要部件及工作原理叙述如下:1、X射线管两种类型的X射线荧光光谱仪都需要用X射线管作为激发光源。图1-4是X射线管的结构示意图。灯丝和靶极密封在抽成真空的金属罩内,灯丝和靶极之间加高压(一般为50kV),灯丝发射的电子经高压电场加速撞击在靶极上,产生X射线。X射线管产生的一次X射线,作为激发X射线荧光的辐射源,X射线管产生的X射线透过铍窗入射到样品上,激发出样品元素的特征X射线,正常工作时,%左右转变为X射线辐射,其余均变为热能使X射线管升温,因此必须不断的通冷却水冷却靶电极。2、分光系统分光系统的主要部件是晶体分光器,它的作用是通过晶体衍射现象把不同波长的X射线分开。根据布拉格衍射定律2dsinθ=nλ,当波长为λ的X射线以θ角射到晶体,如果晶面间距为d,则在出射角为θ的方向,可以观测到波长为λ=2dsinθ的一级衍射及波长为λ/2,λ/3-----等高级衍射。改变θ角,可以观测到另外波长的X射线,因而使不同波长的X射线可以分开。分光晶休靠一个晶体旋转机构带动。因为试样位置是固定的,为了检测到波长为λ的荧光X射线,分光晶体转动θ角,检测器必须转动2θ角。也就是说,一定的2θ角对应一定波长的X射线,连续转动分光晶体和检测器,就可以接收到不同波长的荧光X射线见(图1-5)。一种晶体具有一定的晶面间距,因而有一定的应用范围,目前的X射线荧光光谱仪备有不同晶面间距的晶体,用来分析不同范围的元素。上述分光系统是依靠分光晶体和检测器的转动,使不同波长的特征X射线接顺序被检测,这种光谱仪称为顺序型光谱仪。另外还有一类光谱仪分光晶体是固定的,混合X射线经过分光晶体后,在不同方向衍射,如果在这些方向上安装检测器,就可以检测到这些X射线。这种同时检测多种波长X射线的光谱仪称为同时型光谱仪,同时型光谱仪没有转动机构,因而性能稳