XRF儀器分析培訓(島津波譜儀)

1、1 1X X射線熒光光譜儀射線熒光光譜儀 日本島津國際貿(mào)易有限公司日本島津國際貿(mào)易有限公司型號：型號：XRF-1800XRF-1800 2 2 主要配置：主要配置： LiF、Ge、PET、TAP、SX-52及及SX-98N 6塊塊分光晶體；分光晶體；FPC、SC檢測器；液體樣品盒；檢測器；液體樣品盒；微區(qū)刻度尺微區(qū)刻度尺 主要性能指標：主要性能指標： 1、檢測元素范圍：、檢測元素范圍：4Be-92U 2、元素含量范圍：、元素含量范圍：0.0001%-100% 3、最大掃描速度：、最大掃描速度：300/min3 3 主要用途：主要用途： 1 1、測量塊狀、粉末、薄膜和液態(tài)材料的元、測量塊狀、粉末

2、、薄膜和液態(tài)材料的元素種類及含量，并建立工作曲線。素種類及含量，并建立工作曲線。 2 2、對礦石樣品進行局部分析。、對礦石樣品進行局部分析。 3 3、通過元素含量分析涂層、薄膜厚度。、通過元素含量分析涂層、薄膜厚度。 主要優(yōu)點：主要優(yōu)點： 分析迅速、樣品前處理簡單、可分析元素范分析迅速、樣品前處理簡單、可分析元素范圍廣、譜線簡單，光譜干擾少圍廣、譜線簡單，光譜干擾少4 4 基礎知識簡介基礎知識簡介5 5什么是什么是儀儀器分析？器分析？ 儀器分析是一大類分析方法的總稱，一般的說，儀儀器分析是一大類分析方法的總稱，一般的說，儀器分析是指采用比較復雜或特殊的儀器設備，通器分析是指采用比較復雜或特殊的

3、儀器設備，通過測量物質(zhì)的某些物理或物理化學性質(zhì)的參數(shù)及過測量物質(zhì)的某些物理或物理化學性質(zhì)的參數(shù)及其變化來獲取物質(zhì)的化學組成、成分含量及化學其變化來獲取物質(zhì)的化學組成、成分含量及化學結構等信息的一類方法?；蛘哒f通過施加給測試結構等信息的一類方法?；蛘哒f通過施加給測試樣品一定的能量，然后分析其對聲、光、電等物樣品一定的能量，然后分析其對聲、光、電等物理或物理化學信號的響應程度或變化大小。分析理或物理化學信號的響應程度或變化大小。分析儀器即測量這些信號及變化的裝置。根據(jù)待測物儀器即測量這些信號及變化的裝置。根據(jù)待測物質(zhì)在分析過程中被測量或用到的性質(zhì)，儀器分析質(zhì)在分析過程中被測量或用到的性質(zhì)，儀器分析

4、可分為光分析方法、電分析方法、分離分析方法可分為光分析方法、電分析方法、分離分析方法等。等。 6 67 7儀儀器分析方法的分器分析方法的分類類classification of instrument analytical method儀器分析電化學分析法光分析法色譜分析法熱分析法分析儀器聯(lián)用技術質(zhì)譜分析法8 8什么是光譜：光譜是一系列有規(guī)律排布的光。如什么是光譜：光譜是一系列有規(guī)律排布的光。如雨后的彩虹。雨后的彩虹。9 9101010-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-1110 110 210 310 4紫外線超短波短 波中

5、 波長 波 超 聲 波nm1mmkmgreenbluevioletyelloworengeredradiant波長()pmX射線 射線可見光紅外線微 波(indigo)1111光分析法光分析法：光學分析法是根據(jù)物質(zhì)吸收、發(fā)射、散射電磁波或電磁波與物質(zhì)作用而建立起來的一類分析方法。光學分析法可歸納為以下兩大類：第一類 光譜分析法。例如原子吸收光譜分析、原子發(fā)射光譜分析，分子吸收光譜分析，X射線熒光分析和穆斯鮑爾光譜分析等。第二類 非光譜分析法。例如折射，偏振法，旋光色散法，濁度法，X射線衍射法，電子顯微鏡法等。1212光分析法光譜分析法非光譜分析法原子光譜分析法分子光譜分析法原原子子吸吸收收光光

6、譜譜原原子子發(fā)發(fā)射射光光譜譜原原子子熒熒光光光光譜譜X射射線線熒熒光光光光譜譜折射法圓二色性法X射線衍射法干涉法旋光法紫紫外外光光譜譜法法紅紅外外光光譜譜法法分分子子熒熒光光光光譜譜法法分分子子磷磷光光光光譜譜法法核核磁磁共共振振波波譜譜法法1313什么是光譜分析？ 用特殊的儀器設備對特定物質(zhì)的光譜進用特殊的儀器設備對特定物質(zhì)的光譜進行分析的方法。行分析的方法。 常見的光譜分析儀器有： 原子吸收光譜儀；直讀光譜分析儀 ICP直讀光譜分析儀；X射線熒光光譜儀 原子熒光光譜儀1414X射射線熒線熒光分析光分析1515 X X射線熒光光譜儀的分類射線熒光光譜儀的分類 1. 1. 根據(jù)分光方式的不同，

7、根據(jù)分光方式的不同，X X射線熒光分析可射線熒光分析可分為分為能量色散能量色散和和波長色散波長色散兩類，兩類， 縮寫為縮寫為EDXRFEDXRF和和WDXRFWDXRF。 2. 2. 根據(jù)激發(fā)方式的不同，根據(jù)激發(fā)方式的不同，X X射線熒光分析射線熒光分析儀可分為儀可分為源激發(fā)源激發(fā)和和管激發(fā)管激發(fā)兩種兩種 1616波長色散與能量色散分辨率的比較波長色散與能量色散分辨率的比較1717波長色散波長色散X X射線光譜儀分類射線光譜儀分類 1.1.純掃描型純掃描型: : 一般配備一般配備4-64-6塊晶體、兩個計數(shù)器、塊晶體、兩個計數(shù)器、衰減器等衰減器等. .靈活靈活, ,造價較低造價較低. .但是分

8、析速度但是分析速度慢慢, ,穩(wěn)定性稍差穩(wěn)定性稍差, ,真空室過大真空室過大, ,輕元素掃描輕元素掃描道流氣窗易損壞，故障率較高。道流氣窗易損壞，故障率較高。 2.2.純多道同時型純多道同時型: : 每個元素一個通道每個元素一個通道, ,多數(shù)部件可以多數(shù)部件可以互換。穩(wěn)定分析速度快、真空室很小互換。穩(wěn)定分析速度快、真空室很小. .故故障率低。但是造價高障率低。但是造價高. .1818 3.3.多道加掃描道型多道加掃描道型: : 在多道同時型儀器上加掃描道在多道同時型儀器上加掃描道, ,既有多既有多道同時型的優(yōu)點道同時型的優(yōu)點, ,又有靈活的優(yōu)點又有靈活的優(yōu)點. . 4.4.掃描型儀器加固定道掃描

9、型儀器加固定道: : 在掃描型儀器上加在掃描型儀器上加2-42-4個固定道個固定道. .部分部分減少了掃描型儀器的慢速、穩(wěn)定性差的減少了掃描型儀器的慢速、穩(wěn)定性差的缺點缺點, ,但是基本構造沒有改變但是基本構造沒有改變, ,真空室很真空室很大大, ,配備固定道后檢測距離加大，靈敏度配備固定道后檢測距離加大，靈敏度降低，故障率偏高。降低，故障率偏高。1919掃描型與同時型的比較掃描型與同時型的比較項項 目目XRF-1800XRF-1800MXF-2400MXF-2400分析靈敏度分析靈敏度最高最高很高很高高含量分析高含量分析很好很好最好最好基本參數(shù)法基本參數(shù)法全功能全功能全功能全功能工作曲線法工

10、作曲線法最適合最適合適合適合元素面成象元素面成象可以可以無無高次線解析高次線解析標準標準無無2020 X X射線及射線及X X射線熒光射線熒光 X-X-射線：波長射線：波長0.0010.00150nm50nm； X X射線熒光的有效波長射線熒光的有效波長:0.01:0.014.5nm4.5nm X X射線的能量與原子軌道能級差的數(shù)量級相同射線的能量與原子軌道能級差的數(shù)量級相同X-X-射線熒光分析射線熒光分析 利用元素內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生的熒光光譜，應用于元素的定利用元素內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生的熒光光譜，應用于元素的定性、定量分析、固體表面薄層成分分析；性、定量分析、固體表面薄層成分分析；X-射線光譜X-

11、射線熒光分析X-射線吸收光譜X-射線衍射分析X-射線光電子能譜2121 X X射線熒光分析基本原理射線熒光分析基本原理 X X射線管發(fā)出一次射線管發(fā)出一次X X射線（高能）射線（高能）, ,照射照射樣品，激發(fā)其中的化學元素樣品，激發(fā)其中的化學元素, ,發(fā)出二次發(fā)出二次X X射射線線, ,也叫也叫X X射線熒光射線熒光, ,其波長是相應元素的標其波長是相應元素的標識識特征波長特征波長( (定性分析基礎定性分析基礎););依據(jù)譜線依據(jù)譜線強度與元素含量的比例關系進行定量分析強度與元素含量的比例關系進行定量分析. .2222 熒光分析的樣品有效厚度一般為熒光分析的樣品有效厚度一般為0.1mm0.1m

12、m。 （金屬（金屬0.10.1；樹脂；樹脂33）有效厚度并非初級線束穿透的深度，而是有效厚度并非初級線束穿透的深度，而是由分析線能夠射出的深度決定的！由分析線能夠射出的深度決定的！2323XRFXRF18001800結構概念圖示結構概念圖示波長色散型波長色散型WDX(WDX(順序掃描型順序掃描型) ) 2424順序型單道掃描順序型單道掃描XRFXRF系統(tǒng)配置系統(tǒng)配置2525多道同時型多道同時型XRFXRF儀器結構儀器結構2626多道熒光工作原理圖多道熒光工作原理圖樣品樣品檢測器檢測器X X射線束射線束分光晶體分光晶體分光晶體分光晶體檢測器檢測器2727多道同時型熒光光譜儀概念圖多道同時型熒光光

13、譜儀概念圖2828X X射線及射線及X X射線熒光射線熒光2929原子的殼層結構原子的殼層結構3030特征特征X X射線射線 在在 X X射線管中，當撞擊靶的電子具有足夠能射線管中，當撞擊靶的電子具有足夠能量時，這個電子可將靶原子中最靠近原子核量時，這個電子可將靶原子中最靠近原子核的處于最低能量狀態(tài)的的處于最低能量狀態(tài)的 K K層電子逐出，在層電子逐出，在 K K電子層中出現(xiàn)空穴，使原子處于激發(fā)狀態(tài)，電子層中出現(xiàn)空穴，使原子處于激發(fā)狀態(tài)，外側(cè)外側(cè) L L層電子則進入內(nèi)層空穴中去，多余的層電子則進入內(nèi)層空穴中去，多余的能量以能量以 X X射線的形式釋放出來，原子再次恢射線的形式釋放出來，原子再次

14、恢復到正常的能量狀態(tài)。產(chǎn)生的是復到正常的能量狀態(tài)。產(chǎn)生的是KaKa線。線。 對應其他的躍遷則產(chǎn)生對應其他的躍遷則產(chǎn)生KbKb、LaLa、LbLb等等等等31313232熒熒光光X射射線線 入射 X射線激發(fā)原子的內(nèi)層電子，使電子層出現(xiàn)空洞，原子成為不穩(wěn)定狀態(tài)（激發(fā)狀態(tài)），外層電子進入空洞而使原子成為穩(wěn)定狀態(tài)，多余的能量釋放出來這個能量就是熒光X射線由于電子軌道分為K，L，M 以及 ，因此也分別稱為K 線、L 線N層M層L層K層K K KL L 3333X射射線線的的產(chǎn)產(chǎn)生生。從陽極發(fā)出的高速電子撞擊對陰極而產(chǎn)生X射線 以 X射線形式輻射出的能量極小，大部分能量轉(zhuǎn)變成熱能 陰極的熱量用水或風進行冷

15、卻3434X X射線管的結構射線管的結構3535初級初級X X射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)生高速電子撞擊陽極高速電子撞擊陽極(Rh(Rh、CuCu、CrCr等重金屬等重金屬) )：熱能：熱能(99%)+X(99%)+X射線射線(1%)(1%)高速電子撞擊使陽極元素的內(nèi)層電子激發(fā)；產(chǎn)生高速電子撞擊使陽極元素的內(nèi)層電子激發(fā)；產(chǎn)生X X射線輻射；射線輻射； 3636連續(xù)光譜連續(xù)光譜 連續(xù)光譜又稱為“白色”X射線，包含了從短波限m開始的全部波長，其強度隨波長變化連續(xù)地改變。從短波限開始隨著波長的增加強度迅速達到一個極大值，之后逐漸減弱，趨向于零。連續(xù)光譜的短波限m只決定于X射線管的工作高壓。 3737不同靶的連

16、續(xù)譜圖不同靶的連續(xù)譜圖特征光特征光譜譜3838高級次譜線( n = 2 ) 和一級次譜線 ( n = 1 )在相同的角度被檢測分光晶體的工作原理：3939 當當X X射線入射到物質(zhì)中時，其中一部分會被物質(zhì)原子散射線入射到物質(zhì)中時，其中一部分會被物質(zhì)原子散射到各個方向。當被照射的物質(zhì)為晶體時，且原子層的間射到各個方向。當被照射的物質(zhì)為晶體時，且原子層的間距與照射距與照射X X射線波長有相同數(shù)量級，在某種條件下，散射射線波長有相同數(shù)量級，在某種條件下，散射的的X X射線會得到加強，顯示衍射現(xiàn)象。射線會得到加強，顯示衍射現(xiàn)象。 當晶面距離為當晶面距離為d d，入射和反射，入射和反射X X射線波長為射

17、線波長為時，相臨兩時，相臨兩個晶面反射出的兩個波，其光程差為個晶面反射出的兩個波，其光程差為2dsin2dsin，當該光程，當該光程差為差為X X射線入射波長的整數(shù)倍時，反射出的射線入射波長的整數(shù)倍時，反射出的x x射線相位一致，射線相位一致，強度增強，為其他值時，強度互相抵消而減弱。強度增強，為其他值時，強度互相抵消而減弱。 滿足滿足2dsin=n2dsin=n時，衍射線在出射角時，衍射線在出射角方向產(chǎn)生衍方向產(chǎn)生衍射，從而達到分光的目的。射，從而達到分光的目的。4040 相干散射線的干涉現(xiàn)象； 相等，相位差固定，方向同， n 中n不同，產(chǎn)生干涉 X X射線的衍射線：射線的衍射線： 大量原子

18、散射波的疊加、干涉而產(chǎn)生最大程度加強的光束；Bragg衍射方程： DB=BF=d sin n = 2d sin光程差為 的整數(shù)倍時相互加強；只有當入射只有當入射X X射線的波長射線的波長 22倍晶面間距時，才能產(chǎn)生倍晶面間距時，才能產(chǎn)生衍射衍射4141X X射射線熒線熒光光光光譜儀譜儀 X-ray fluorescence spectrometer波長色散型：晶體分光能量色散型：高分辨半導體探測器分光波長色散型波長色散型X X射線熒光光譜儀射線熒光光譜儀四部分：X光源；分光晶體； 檢測器；記錄顯示；按Bragg方程進行色散；測量第一級光譜n=1；檢測器角度 2； 分光晶體與檢測器同步轉(zhuǎn)動進行掃

19、描。分光晶體與檢測器同步轉(zhuǎn)動進行掃描。4242全固態(tài)檢測器4343儀器結構和微區(qū)分析系統(tǒng) 專利可以在30mm直徑內(nèi)的任意位置進行分析。4444250um250um成圖分析，世界首創(chuàng)成圖分析，世界首創(chuàng)實用的詳細顯示 巖石樣品巖石樣品Ba 250m 成圖Ba 1mm 成圖4545濾光片濾光片初級濾光片次級濾光片4646初級濾光器初級濾光器(光源濾光片)作用作用降低背景降低背景改善熒光改善熒光4747次級濾光片（次級濾光片（檢測器濾光片） .濾去無用的線濾去無用的線4848濾光片的原理與使用 Cu的X射線光譜在通過Ni濾片之前(a)和通過濾片之后(b)的比較 （虛線為Ni的質(zhì)量吸收系數(shù)曲線）4949

20、對標樣對標樣的依的依賴賴性性5050工作曲線法工作曲線法 標樣繪制曲線 標樣的要求 標樣與試樣的關系 使用中的一致性 5151工作曲線 C3 C2 C1 含量強度R1R2R35252什么是什么是FPFP法法 FP法也叫基本參數(shù)法 純理論狀態(tài)下，物質(zhì)的量與X射線的強度之間具有一定的函數(shù)關系。現(xiàn)實中由于散射、吸收增強等因素以及晶體衍射效率的變化等等因素造成實測強度與理論強度的不一致，通過校準實測強度與理論強度之間的差異而建立起來的一種以理論參數(shù)為主的分析方法。其需要較少的標準樣品或僅需要一些純物質(zhì)即可以進行半定量定量分析的計算。5353基體效應基體效應 基體：分析元素以外的全部 基體效應：在一定的

21、分析條件下，試樣中基體元素對分析元素測量結果的綜合影響。 Wi = (aI2 + bI + c)(1 + djWj) - l jWjWi = (aI2 + bI + c)(1 + djWj) - l jWj j i, Base j i, Base5454礦物效應和粒度效應礦物效應和粒度效應 在礦石分析中，由于同一元素會以不同的價態(tài)、不同的結構、不同的晶體存在。這種微觀上的差別無法用機械方法除去，這稱為礦物效應。 當樣品中的顆粒達到一定細度是，X射線的強度達到恒定。顆粒度增加X射線強度下降。 波長越長該現(xiàn)象越嚴重。金屬的表面處理也有類似的情況，我們稱其為粒度效應和表面效應5555試樣的組成及元素

22、間的影響試樣的組成及元素間的影響 試樣表面的處理 顆粒度的影響 成分波動的影響 重疊影響 高含量元素峰影響5656樣品的制備及樣品樣品的制備及樣品與標樣的一致性與標樣的一致性 熒光分析中標樣與分析樣品的一致性是影響分析結果的重要因素。有時甚至將一致性放在最重要的地位。最好使兩者具有：相似的組成、相似的狀態(tài)、相同的加工方式、相似的大小 在樣品制備中還要考慮：均勻、無夾雜、無氣孔、無污染、代表性等問題5757 理想待測試樣應滿足的條件理想待測試樣應滿足的條件： 1.有足夠的代表性（因為熒光分析樣品的有效厚度一般只有10100） 2.試樣均勻。 3.表面平整、光潔、無裂紋。 4.試樣在射線照射及真空

23、條件下應該穩(wěn)定、不變型、不引起化學變化。 5.組織結構一致!5858 樣品的基本展示形態(tài)： 1.固體：鑄塊類；板、陶瓷、玻璃類；橡皮、木材、紙類 2.小零件類 3.粉末及壓塊 4.液體和溶液 5.支撐式樣品：薄膜和鍍層 6.熔融產(chǎn)物5959 常用的制樣方法 1.1.金屬塊狀樣品和其它塊狀材料：金屬塊狀樣品和其它塊狀材料： 澆鑄-切割-磨光或拋光或車制 要求：1、塊狀大小合適 2、有合適的平面且平整、光潔、 無裂紋、無氣孔 3、表面干凈無污染6060 2.2.粉末樣品壓片法：粉末樣品壓片法： 一些脆性材料，如礦石、水泥、陶瓷、耐火材料、渣、部分合金可以制成粉末樣品。一般是以粒度200目以上為平均

24、指標。一般疏松樣品不易成塊，壓片成型時可以加入10-15%的粘結劑，如甲基或乙基纖維素，淀粉，硼酸等。6161 3 3、粉末樣品熔融法、粉末樣品熔融法： 一些基體復雜，礦物效應嚴重不能采用壓片法的可考慮熔融。 熔融一般使用5%黃金95%鉑金的坩堝，溶劑與粉體質(zhì)量比一般為為10：1，常用溶劑為Li2B4O7（熔點930）、LiBO2（熔點850），常用的脫模劑為NaBr、LiF、NH4I、NH4Br。62626363X X射線熒光分析技術射線熒光分析技術譜線重疊影響例：元素Ka（Kev/nm） Kb（Kev/nm） La（Kev/nm） Lb（Kev/nm）Cu8.04/0.1548.90/0.

25、139Zn8.63/0.1439.57/0.129Pb10.55/0.11812.61/0.098As10.54/0.11711.72/0.1066464吸收吸收增強效應增強效應 1.基體：不包括分析元素本身的其他組成。 2.產(chǎn)生吸收增效效應的原因： 基體吸收初級線（較小但不容易修正） 基體吸收二次分析線（嚴重，但容易發(fā)現(xiàn)，容易修正） 基體元素發(fā)射出自身的特征譜線，分析元素受基體元素特征譜線的激發(fā)而發(fā)射特征譜線（增強)6565標準化和漂移校正 標準化（漂移校正） 控樣分析6666 標準化標準化 分析儀器因時間變化、計數(shù)器老化、分析儀器因時間變化、計數(shù)器老化、X X光管老化等引起光管老化等引起工

26、作曲線的偏離漂移。用高低標或高號標樣的測定強工作曲線的偏離漂移。用高低標或高號標樣的測定強度與標準強度比較，再利用數(shù)學方法將測定的強度修正到度與標準強度比較，再利用數(shù)學方法將測定的強度修正到標準強度的過程叫做標準化。標準強度的過程叫做標準化。 1.用接近上限和下限的兩個標準試樣標準化叫做兩點標準化。 2.用接近上限的一個標準試樣標準化稱做一點標準化。 3.標準化樣品必須均勻并能得到穩(wěn)定的譜線強度比。6767控制試樣法控制試樣法 在實際工作中，由于分析試樣和標準試樣的差異，常使分析結果出現(xiàn)系統(tǒng)偏差，往往使用一個與分析試樣的狀態(tài)一致的控制試樣來確保分析結果?？貥訉嶋H是一個標樣，應滿足控樣實際是一個

27、標樣，應滿足： 控樣的含量與分析試樣的盡可能一致； 控樣與試樣的冶金物理過程一致； 控制試樣含量準確、成分均勻、無缺陷。 在日常分析時，將控制樣與試樣在相同的條件下進行分析，通過點(R控,C控)作原曲線的平行線，這就是控樣法的校準曲線。6868持久曲線持久曲線控制曲控制曲線線 C0 C控控 含量含量強強度度R6969基本參數(shù)基本參數(shù)(FP)(FP)法法1 標準基本參數(shù)法 無標樣定量分析2 推定基本參數(shù)法 定性、定量分析分析3 定量基本參數(shù)法 少量標樣（12個）的精確定量分析4 背景基本參數(shù)法（BG-FP） （島津?qū)＠?070典 型 應 用7171X X射線熒光分析特點射線熒光分析特點1、X射線熒光分析的優(yōu)點 樣品處理相對簡單 峰背比較高,分析靈敏度高. 不破壞試樣,無損分析. 分析元素多(一般從892號),分析含量范圍廣ppm100%. 試樣形態(tài)多