波长散射X射线光谱分析学习教案

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1、会计学1波长波长(bchng)散射散射X射线光谱分析射线光谱分析第一页，共84页。 内内 容容 提提 要要一.一. XRF基础理论基础理论二.二. 二二. XRF应用应用(yngyng)范围范围三.三. 三三. XRF分析原分析原理理四.四. 四四. 仪器结构原仪器结构原理理五.五. 仪器参数选择仪器参数选择 第1页/共84页第二页，共84页。一一. XRF 基础理论基础理论1.X-射线射线(shxin)定义定义 电磁辐射电磁辐射(din c f sh) 波长波长(bchng) 0.01 nm - 10.0 nm 能量能量 124 124 keVkeV - 0.124 keV1nm = 10

2、= 10-9m = 10-6mmg-raysX-raysUVVisual0.0010.01 0.11.0 10.0 100 200 nmE=hc 第2页/共84页第三页，共84页。X X光管产生光管产生(chnshng)(chnshng)的光谱的光谱第3页/共84页第四页，共84页。来自样品来自样品(yngpn)(yngpn)的特征的特征X X射线光谱射线光谱第4页/共84页第五页，共84页。3. X-射线光谱射线光谱(gungp)的分类的分类第5页/共84页第六页，共84页。第6页/共84页第七页，共84页。(gngsh)I =KiZ( ) min- 11第7页/共84页第八页，共84页。电

3、压对连续光谱强度分布电压对连续光谱强度分布(fnb)(fnb)位置位置的影响的影响I( )=KiZmin- 11第8页/共84页第九页，共84页。 电流电流(dinli) (i)(dinli) (i)对强度的影响对强度的影响I( )=KiZmin- 11第9页/共84页第十页，共84页。靶材靶材( (阳极阳极) )对强度的影响对强度的影响IWCrRh(nm)Z24C r45R h74WI( ) =KiZmin- 11第10页/共84页第十一页，共84页。= kZ-s s21第11页/共84页第十二页，共84页。NoImage跃迁跃迁(yuqin)图图第12页/共84页第十三页，共84页。量子力

4、学选择定则：量子力学选择定则： n = 0 n = 0 l = l =1 1 j = 0 , j = 0 ,1 1不符合不符合(fh)(fh)以上原则的跃以上原则的跃迁都是禁止的迁都是禁止的第13页/共84页第十四页，共84页。第14页/共84页第十五页，共84页。布拉格衍射布拉格衍射(ynsh)定律定律第15页/共84页第十六页，共84页。衍射衍射(ynsh)定义定义第16页/共84页第十七页，共84页。 1. 入射线和衍射线与晶体表面的夹角相等； 2. 入射线、衍射线和衍射面的法线共面； 3. 在衍射方向上，各原子发出(fch)的散射波同相位；衍射衍射(ynsh)条件条件第17页/共84页

5、第十八页，共84页。第18页/共84页第十九页，共84页。 荧光产额随原子序数而变荧光产额随原子序数而变, ,用受激发原子中用受激发原子中电子空位数中产生跃迁并形成电子空位数中产生跃迁并形成(xngchng)(xngchng)光光子发射的分数表示。子发射的分数表示。 = 光子(gungz)数 电子空位数电子空位数第19页/共84页第二十页，共84页。 二二.XRF 的应用的应用(yngyng)范围范围 元素范围元素范围(fnwi)： 4 号铍号铍 ( Be ) 92 号号铀铀 ( U ) 浓度范围浓度范围(fnwi)： 0.x PPm 100 % 样品形态：样品形态： 金属、非金属、化合物、固

6、金属、非金属、化合物、固 体、体、 液体、液体、 粉末、固溶体粉末、固溶体 X射线荧光分析射线荧光分析(fnx)方法是一种相对分析方法是一种相对分析(fnx)方法，方法， 它所适用的分析它所适用的分析(fnx)范围是：范围是：第20页/共84页第二十一页，共84页。三三 .XRF分析原理分析原理=sin12sin2122dnZdnZ thusiprelationsh Bragg Moseley放大器 ，脉冲高度分析器 ，计数电路degrees 2CPS分光晶体样品X光管2 初级准直器初级准直器探测器第21页/共84页第二十二页，共84页。 荧光分析荧光分析(fnx)原理原理 激激 发发 : 样

7、品受一次样品受一次X-射线激发射线激发,产生样品元素产生样品元素 的荧光的荧光 X- 射线射线 ; 单色化单色化 : 由样品组成元素发射的不同波长的荧由样品组成元素发射的不同波长的荧 光光 X - 射线射线,经晶体分光经晶体分光,变成波长单一变成波长单一 的荧光的荧光X-射线射线; 光电转换光电转换(zhunhun): 单色化的荧光单色化的荧光 X- 射线经探测器光电射线经探测器光电转转 换换,由光子变成脉冲信号由光子变成脉冲信号; 测测 量量 : 测量荧光的波长进行定性分析测量荧光的波长进行定性分析;测量一测量一 种波长的强度进行定量分析种波长的强度进行定量分析;第22页/共84页第二十三页

8、，共84页。荧光荧光(ynggung)分析原理分析原理 X光管初级X射线照射样品，激发组成元素发射荧光 X射线( 特征X射射线)； 样品发射的光谱线,通过初级准直器或狭缝入射晶体 表面进行分光； 分光后的单色光谱线进入探测器进行光电转换，输 出脉冲(michng)信号；探测器输入一个光子，便输出一个脉 冲，通过幅度放大和脉冲(michng)幅度选择，进行第二次分 光，变成 一 种完全单一波长和能量的脉冲(michng)。 微机及软件根据计数电路测量的X射线的强度(Kcps) 或波长进行定性和定量分析。第23页/共84页第二十四页，共84页。 光谱仪原理图光谱仪原理图第24页/共84页第二十五页

9、，共84页。第25页/共84页第二十六页，共84页。波长散射仪器波长散射仪器(yq)实际光路图实际光路图第26页/共84页第二十七页，共84页。第27页/共84页第二十八页，共84页。仪器仪器(yq)基本结构两种光路设基本结构两种光路设计计 第28页/共84页第二十九页，共84页。 kV K 系谱系谱(x p)线线 L 谱线谱线 60 Fe - Ba Sm - U 50 Cr - Mn Pr - Nd 40 Ti - VCs - Ce 30 Ca - Sc Sb - I 24 Be - KCa - Sn电压电压 KV KV 的最佳的最佳(zu ji)(zu ji)选择选择第29页/共84页第三

10、十页，共84页。激发激发(jf)(jf)条件选择条件选择 轻元素轻元素 激发激发(jf)轻元素时，采轻元素时，采 用用 低低 电电 压，大电流压，大电流第30页/共84页第三十一页，共84页。Rhk光谱光谱(gungp)MoK吸收吸收(xshu)限限RhL光谱光谱 连续谱连续谱 采用高电压采用高电压,低电流和低电流和RhK光谱激发，如光谱激发，如 60KV 50mA第31页/共84页第三十二页，共84页。仪器基本结构仪器基本结构 晶体使用晶体使用(shyng)平面和弯曲平面和弯曲分为平面分为平面(pngmin)和弯曲两种晶体和弯曲两种晶体第32页/共84页第三十三页，共84页。第33页/共84

11、页第三十四页，共84页。最佳最佳(zu ji)晶体的选择晶体的选择晶体晶体(jngt) LiF (420) LiF (220) LiF (200) Ge (111) Ge(111)C* InSb(111) InSb(111)C* PE (002) PE(002) C*2d n0.1800.2850.4030.6530.6530.7480.7480.8740.874 元素元素(yun s) K系系 Te - NiTe - VTe - KCl - PCl - PSiSiCl - AlCl - Al元元 素素 L系系U -HfU - LaU - InCd - ZrCd - ZrNb - SrNb -

12、 SrCd - BrCd - Br * C - 本晶体为横向弯曲型晶体本晶体为横向弯曲型晶体第34页/共84页第三十五页，共84页。晶体晶体(jngt)TlAP (100)PX1PX3PX4PX5PX62d 值值nm2.575520121130元素元素(yun (yun s)s)K K 系谱线系谱线Mg - OMg - OMg - OMg - OB BC CN NBeBe元素元素L 系谱线系谱线Se - VSe - V第35页/共84页第三十六页，共84页。不同分光不同分光(fn un)准直器的适准直器的适用范围用范围准直(zhn zh)器100/150 mm300 mm700 mmL - 光

13、谱(gungp)U - PbU - RuMo - FeK - 光谱 Te - AsTe - KCl - O准直器r150 m mm550 m mm4000 m mmL - 光谱U - RuMo - Fe-K - 光谱Te - KCl - FO -Be第36页/共84页第三十七页，共84页。1. 消除光管特征线的干扰消除光管特征线的干扰2. 微量分析时可提高峰微量分析时可提高峰/背比，获得背比，获得(hud)较低的较低的 LLd3. 减弱初级光束强度减弱初级光束强度4. 抑制管光谱的光谱杂质抑制管光谱的光谱杂质第37页/共84页第三十八页，共84页。 探测器工作原理探测器工作原理 : : 以以X

14、 X射线的光电效应为基础把射线的光电效应为基础把X X射线射线 光子转换成可测量的电压脉冲光子转换成可测量的电压脉冲 。 闪烁计数器闪烁计数器 : : 探测重元素和短波探测重元素和短波X X射线射线 0.04 - 0.15nm (8 - 30 keV) 0.04 - 0.15nm (8 - 30 keV) 流气正比流气正比(zhngb)(zhngb)计数器计数器 : : 轻元素和长波辐射轻元素和长波辐射 0.08 - 12nm (0.1 - 15 keV) 0.08 - 12nm (0.1 - 15 keV)； 封闭正比封闭正比(zhngb)(zhngb)计数器计数器 : : 中间元素和中波长

15、辐射中间元素和中波长辐射 0.10 - 6nm (9 - 11 keV ) 0.10 - 6nm (9 - 11 keV )；基本基本(jbn)(jbn)结构探测器结构探测器( (光电光电转换器转换器) )第38页/共84页第三十九页，共84页。 常用常用(chn yn)的探测器的探测器流气正比计数器流气正比计数器 轻元素探测器轻元素探测器 FC封闭正比计数器封闭正比计数器 过渡元素探测器过渡元素探测器 FX闪烁计数器闪烁计数器 重元素探测器重元素探测器 SC复合复合(fh)探测器探测器 中间元素探测器中间元素探测器 Du第39页/共84页第四十页，共84页。 结构流气结构流气(li q)(l

16、i q)正比计数器正比计数器 入射窗口入射窗口阳极阳极(yngj)(yngj)丝丝 50m 50m放大器放大器出射窗口出射窗口(chungku)HV(1700V)第40页/共84页第四十一页，共84页。 结构结构(jigu)闪烁计数器闪烁计数器Be窗口窗口(chungku) 光阴光阴(gungyn)极极倍增极倍增极阳极阳极 闪烁晶体闪烁晶体放大器放大器1300V第41页/共84页第四十二页，共84页。 X荧光荧光(ynggung)光谱仪各部光谱仪各部分的作用与参数分的作用与参数激激 发发 源源样样 品品 探探 测测 器器光学系统光学系统 电电 路路 微微 机机 X X光管：激发光管：激发(jf

17、)(jf)样品的荧光样品的荧光X X射线射线 样品样品(yngpn)室：装样品室：装样品(yngpn)和测量和测量 用晶体分光，选择各元素的荧光谱线用晶体分光，选择各元素的荧光谱线 探测器：用光电转换，探测荧光谱线探测器：用光电转换，探测荧光谱线 DMCADMCA计数电路：测量谱线的净强度计数电路：测量谱线的净强度 微机及软件：定性和定量分析微机及软件：定性和定量分析第42页/共84页第四十三页，共84页。 n = 2d Sin n = 2d Sin n- n-衍射级数；衍射级数； 1. 1. 不同元素的特征谱线，通过晶体的色散，分布在空间不同元素的特征谱线，通过晶体的色散，分布在空间(kng

18、jin)(kngjin) 不同位置不同位置()()； 2. 2. 不同的晶体或同一晶体不同晶面，具有不同的晶面间不同的晶体或同一晶体不同晶面，具有不同的晶面间 距距(d),(d),不同的色散不同的色散 效率、分辨本领和适用的波长范围；效率、分辨本领和适用的波长范围；第43页/共84页第四十四页，共84页。 晶晶 体体LiF (420)LiF (220)LiF (200)Ge (111)Ge(111)C*InSb(111) InSb(111)C*PE (002)PE(002)C* 2d nm0.1800.2850.4030.6530.6530.7480.7480.8740.874 元元 素素 K

19、系系Te - NiTe - VTe - KCl - PCl - PSiSiCl - AlCl - Al 元素元素(yun s) L系系U - HfU - LaU - InCd - ZrCd - ZrNb - SrNb - SrCd - BrCd - Br第44页/共84页第四十五页，共84页。晶体晶体(jngt)TlAP (100)PX1PX3PX4PX5PX62d 值值nm2.575520121130元素元素(yun s)(yun s)K K系谱线系谱线Mg - OMg - OMg - OMg - OB BC CN NBeBe元素元素L系谱线系谱线Se - VSe - V第45页/共84页第

20、四十六页，共84页。 入射窗口入射窗口阳极阳极(yngj)(yngj)丝丝 50m 50m放大器放大器出射窗口出射窗口(chungku)将不可测量的光信号转变成可测的脉冲信号将不可测量的光信号转变成可测的脉冲信号第46页/共84页第四十七页，共84页。 X射线射线(shxin)探测器探测器 探测器工作原理 : 以X射线的光电效应为基础把X射线光子转换成 可测量的电压脉冲 。 覆盖的波长范围 ：0.04 - 12nm(0.1 - 30 keV). 适用光谱线范围 ：UL IL和TeK BeK 闪烁计数器用于 : 重元素和短波辐射(fsh) 0.04-0.15nm(8-30keV)； 流气正比计数

21、器 : 轻元素和长波辐射(fsh) 0.08-12nm(0.1-15keV)； 封闭正比计数器 : 中间元素和中波长辐射(fsh) 0.10-6nm(9-11keV)；第47页/共84页第四十八页，共84页。1.闪烁(shn shu)计数器: 线性范围 1.5 Mcps2.流气计数器： 2.0 Mcps3.封Xe计数器: 1.5 Mcps 线性失真度 n 闪烁计数器闪烁计数器第57页/共84页第五十八页，共84页。第58页/共84页第五十九页，共84页。第59页/共84页第六十页，共84页。第60页/共84页第六十一页，共84页。第61页/共84页第六十二页，共84页。第62页/共84页第六十

22、三页，共84页。微机微机(wi j)(wi j)及数据处理及数据处理 微处理机的作用：微处理机的作用： 1. 1. 控制仪器操作；控制仪器操作；2. 2. 各种参数的智能化选择；各种参数的智能化选择； 数据处理内容：数据处理内容： 1. 1.光谱干扰与背景的校正计算光谱干扰与背景的校正计算 ； 2. 2.强度与浓度的回归分析计算强度与浓度的回归分析计算 ； 3. 3.基体影响的校正；基体影响的校正； 4. 4.分析数据的统计分析分析数据的统计分析 ； 5. 5.数据报表和通讯传输；数据报表和通讯传输； 6. 6.数据的存储数据的存储(cn ch)(cn ch)、图象显示及输出；、图象显示及输出

23、； 7. 7.各种函数计算。各种函数计算。第63页/共84页第六十四页，共84页。薄膜分析薄膜分析(fnx)管理工具管理工具无标分析无标分析(fnx)实验校准实验校准统计过程控制统计过程控制分析分析设置设置第64页/共84页第六十五页，共84页。 系统(xtng)设置屏第65页/共84页第六十六页，共84页。数值数值(shz)显显示示报警报警(bo jng)极限极限显示方式显示方式控制控制(kngzh)钮钮光谱仪状态显示屏光谱仪状态显示屏下拉菜单下拉菜单第66页/共84页第六十七页，共84页。快捷快捷(kui ji)进入钮进入钮显示信息和错误显示信息和错误分段对话分段对话化合物和通道化合物和通

24、道第67页/共84页第六十八页，共84页。新应用新应用(yngyng) :化合物表化合物表第68页/共84页第六十九页，共84页。通道通道(自动自动(zdng)产生产生)ChannelTypeLineX-talCollimatorDetectorTube filterkVmAAngleOffset Bg1 (2T)Offset Bg2 (2T)下拉菜单下拉菜单操作操作(cozu)按钮按钮第69页/共84页第七十页，共84页。校准校准(jio zhn) 第70页/共84页第七十一页，共84页。第71页/共84页第七十二页，共84页。 自动校正基体自动校正基体(j t)影响影响第72页/共84页第

25、七十三页，共84页。第73页/共84页第七十四页，共84页。 标准特点：标准特点： SPC在线在线(zi xin)控制控制 第74页/共84页第七十五页，共84页。第75页/共84页第七十六页，共84页。第76页/共84页第七十七页，共84页。第77页/共84页第七十八页，共84页。第78页/共84页第七十九页，共84页。第79页/共84页第八十页，共84页。第80页/共84页第八十一页，共84页。AnalyteConcentration range RMSS 0 - 1000 ppm13 ppm Sulfur ConcentrationStd. Dev.123 ppm3 ppm第81页/共84页第八十二页，共84页。第82页/共84页第八十三页，共84页。AnalyteConcentration range(ppm)RMS(ppm)NiV (low) V (high)0 - 1000 - 3000 - 10003510Nickel ConcentrationStd. Dev.19.8 ppm1.2 ppm第83页/共84页第八十四页，共84页。