波長色散X射線熒光光譜儀的新進展

X射線熒光光譜分析在20世紀80年代初已是一種成熟的分析方法，是實驗室、現(xiàn)場分析主、次量和痕量元素的方法之一。X射線熒光光譜儀（XRF）是利用原級X射線或其他光子源激發(fā)待測物質(zhì)中的原子，使之產(chǎn)生熒光（次級X射線）,從而進行物質(zhì)成分分析的儀器。X射線熒光光譜儀又稱XRF光譜儀，有波長色散型和能量色散型兩種，適用于測定鈹 (Be)以上的化學元素的含量。它的優(yōu)點是不破壞樣品，分析速度快，分析精度高，樣品制備簡單。X射線熒光光譜儀還可以用于微區(qū)分析及確定分層和涂層的厚度和成分。

X-射線與物質(zhì)的交換

XRF熒光光譜儀是可以對任何種類的樣品進行元素分析的分析技術(shù)，無論分析的樣品是液體、固體、漿料還是粉末。 它是一種可靠的技術(shù)，結(jié)合了高精度和準確性以及簡便、快速的樣品制備等優(yōu)點。可以在要求實現(xiàn)高處理量的工業(yè)環(huán)境下自動完成使用準備，并且提供定性和定量的樣品相關(guān)信息。

XRF熒光譜儀系統(tǒng)通常分為兩大類：波長色散型(WDXRF) 和能量色散型(EDXRF)。

EDXRF熒光光譜儀，一般由光源（X-線管）、樣品室及檢測系統(tǒng)等組成，與波長色散型熒光光儀的區(qū)別在于他不用分光晶體及精密運動裝置（測角儀）。

EDXRF 光譜儀的特點：

• 儀器結(jié)構(gòu)簡單小巧，省略了精密運動裝置
• 沒有分光晶體
• X射線管功率低（一般＜50W）
• 無需昂貴的高壓發(fā)生器和冷卻系統(tǒng)（空氣冷卻即可）
• 可同時執(zhí)行元素分析

優(yōu)點在于X射線利用率高，可同時檢測多元素，價格低；

缺點是靈敏度低、分辨率低、檢出限高（相對于WDXRF）.

WDXRF一般由光源（X-射線管）、樣品室、分光晶體和檢測系統(tǒng)等組成。它可以分析從鈹 (Be) 到鈾 (U) 的各種元素， 濃度范圍從100 % 到低至亞 ppm 級。

WDXRF以其的準確度、精密度和可靠性著稱。這種強大的分析技術(shù)，使其可用于所有形式的工業(yè)應(yīng)用，包括：水泥生產(chǎn)、玻璃生產(chǎn)、采礦、選礦、鋼鐵及有色金屬、石油和石化、聚合物及相關(guān)行業(yè)、制藥、保健產(chǎn)品和環(huán)保等。 

WDXRF 光譜儀中，X 射線光管用作直接照射樣品的光源，并且使用波長色散式檢測系統(tǒng)來測量樣品發(fā)出的熒光。 分光晶體根據(jù)波長（而不是能量）來分離 X 射線，可用于識別每種不同元素發(fā)出的特征輻射。 此類分析可以通過逐一（依次）測量不同波長的 X 射線強度來完成，或者在固定位置同時測量所有不同波長的 X 射線強度。 X射線管需要高功率，需要專門的冷卻裝置（水冷或油冷），需要分光晶體及測角儀，因此波譜儀的價格往往比能譜儀高。

WDXRF 光譜測定的優(yōu)勢：

• 高分辨率，特別適用于輕重元素

• 低探測限制，特別適用于輕重元素

• 穩(wěn)定的分析

• 高處理量

WDXRF一般分為順序掃描型和多道同時型（固定道）

掃描道波長色散X射線熒光光譜儀

固定道波長色散X射線熒光光譜儀

波長色散型的儀器發(fā)展現(xiàn)在，掃描道與固定道交替發(fā)展，其優(yōu)缺點也是互相印證的：

 對于掃面型儀器：

1，分析元素的數(shù)量不受限制，除了輕的幾個元素外幾乎可以作全元素分析，這是優(yōu)點。由于元素是分時測量的，測量總時間是每個元素的測試時間之和，為了保證每個元素要很短時間測完并達到計數(shù)率要求，大功率X光管和高速熒光信號處理就是必須的。大功率X光管和高壓電源的使用，是技術(shù)能力的體現(xiàn)，當然也是問題多發(fā)點所在，維護成本很高。

2，高精度測角儀是單通道掃描式儀器的技術(shù)核心之一，對于復(fù)雜的應(yīng)用幾乎是必須的。對于特定的應(yīng)用有些浪費。

對于固定道儀器：

1，各個通道同時工作，這樣測試時間就可以設(shè)定為難滿足精度的元素通道所需的時間?？倻y定時間就是這個時間，一般幾十秒到2、3百秒。根據(jù)這個時間，多道同時式分析儀一般只需要選用小功率X光管(一般幾百瓦)即可滿足對總計數(shù)率的要求。小功率X光管和高壓電源及冷卻系統(tǒng)的成本低和壽命長，故障率低，維護量小。

2，分光系統(tǒng)無運動部件，計數(shù)率精度可以達到很高水平。

3，對信號處理電路要求較低。

4，由于采用多個通道，每個通道都需要獨立的分光。,衍射晶體、探測器、放大器和多道脈沖處理器，加起來成本也還是比較高。通道數(shù)量總是要受到結(jié)構(gòu)的限制，不可能很多，這也是多道同時式分析儀一般少在行業(yè)應(yīng)用的原因——分析元素的數(shù)量有限。

特定用戶需要根據(jù)自己的需求特點選擇合適的WDXRF儀器。

近些年來，X射線儀器仍然取得了巨大的進步，如：全反射X射線熒光光譜儀（TXRF）、聚焦微束X射線熒光光譜儀（μXRF）、偏振X射線熒光光譜儀（EDPXRF）等相繼商品化。

WDXRF光譜儀近年同樣取得了顯著的技術(shù)進步：

X射線管

1) 4KW大功率: 4KW薄窗 X 射線管，對于 19K~92U 元素范圍的重元素，提高靈敏度30%以上，對于 4Be~17Cl 元素范圍的輕元素，提高靈敏度 70%以上。同時，4KW 薄窗X 射線管的冷卻方式的改進，以及 X 射線發(fā)生器控制方式的發(fā)展，使得 4KW 薄窗 X 射線管在應(yīng)用上的可靠性大大增強。 X 射線管功率也有小型化趨勢，使自身的體積縮小, 而且無需外冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，如200w X射線管，性價比高、使用成本低，適用于要求固定的用戶。

2) 鈹( Be) 窗超薄化: X 射線管的鈹窗厚度一般為75~ 125um, 有的產(chǎn)家的X射線管的鈹窗厚度僅有30um, 這樣大大提高了初級X 射線的透射率。薄窗X光管對Be, B, C, N等超輕元素的分析，對微量樣品分析，微區(qū)分析的發(fā)展起著大地推動作用。

3) X光管端窗超銳化: 這種超銳X射線管外形*, 頭部尖細, 內(nèi)部采用陶瓷絕緣, 其設(shè)計更加緊湊、合理、精確。窗口至樣品的距離 較常規(guī)端窗管短( 約 16mm) , 大大提高了X 射線輻照強度。而且, 由于采用優(yōu)良的絕緣和長壽命的燈絲, 延長了X 射線管的使用壽命。

4) X光管雙靶化: 為了使輕重元素都能獲得激發(fā)效率, 一些儀器廠家將X 光管設(shè)置 成雙靶型。如日本株式會社理學。

高壓發(fā)生器：

近年來, 譜儀的高壓發(fā)生器幾乎都采用高頻變換高壓發(fā)生器。發(fā)生器的高壓穩(wěn)定性也較高, 一般說來, 當網(wǎng)路電壓波動不超過10% 時, 穩(wěn)定性可達±0.0005%, 從而保證了X 射線管所發(fā)射X 射線強度的高穩(wěn)定性。

測角儀：

測角儀是順序式 X 射線熒光光譜儀的核心部件, 也是同時式多道 X 射線熒光光譜儀中掃描的基本部件。如一些儀器制造商分別用無齒輪莫爾條紋測角儀和激光定位光學傳感器驅(qū)動測角儀，取代傳統(tǒng) θ/2θ 齒輪機械運動的測角儀， 2θ 掃描精度也由齒輪機械運動的±0.001°提高到±0.0002°， 2θ掃描速度提高到80°/s 。

探測器和計數(shù)器：

在現(xiàn)代波長色散 X 射線熒光光譜儀中, 探測器和計數(shù)器的大線性計數(shù)率由原來的105 s- 1擴展到106 s- 1, 甚至大線性計數(shù)率可達4 106 s- 1 。正比計數(shù)器逐漸由原來的流氣式向封閉式過度。采用封閉式正比計數(shù)器后, 工作時既 無需配制工作氣體, 又防止了氣體質(zhì)量的不一致 和流量變化對測量結(jié)果的影響,從而保證了測量 結(jié)果具有更好的再現(xiàn)性。

X射線儀器正在越來越多的行業(yè)得到重視，已經(jīng)涌現(xiàn)出一批新的國家標準，如環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域：土壤和沉積物、空氣顆粒物新出了波長色散X射線熒光光譜法檢測標準，大大提高了檢測效率。進一步證明了WDXRF儀器的可靠性、高精度、低檢出限和旺盛的生命力。

HJ 780-2015土壤和沉積物-無機元素的測定 波長色散X射線熒光光譜法；

HJ 830-2017環(huán)境空氣顆粒物中無機元素的測定 波長色散X射線熒光光譜法；