離子束分析粒子誘發(fā)X熒光分析

粒子誘發(fā)X射線熒光分析

ParticleInducedX-rayEmission（PIXE)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院X射線的發(fā)現(xiàn)

科學(xué)沒有終極理論19世紀(jì)末期，物理學(xué)已能令人滿意地勾畫出自然現(xiàn)象及其相互關(guān)系的圖像，似乎達(dá)到了相當(dāng)完善的程度，包括電、磁、光等一切現(xiàn)象都好像很適合一般的力學(xué)概念，大至天體運(yùn)動，小至原子運(yùn)動，牛頓的物理學(xué)似乎是無所不包、無所不能的。許多物理學(xué)家們覺得已經(jīng)完成了他們應(yīng)該做的全部工作，認(rèn)為物理學(xué)的所有偉大發(fā)現(xiàn)可能都已完備，以后除了重復(fù)及改良過去的實(shí)驗(yàn)，使原子量或一些自然常數(shù)增加些小數(shù)點(diǎn)位數(shù)以外，將再也不會有什么事可做了，“科學(xué)的大廈已經(jīng)建成”，人類對自然界的認(rèn)識已經(jīng)到了頂點(diǎn)，經(jīng)典物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到“終極理論”，科學(xué)似乎已完成了歷史使命。

可是，就在19世紀(jì)的最后幾年里，一些轟動世界的革命性發(fā)現(xiàn)無情地沖擊了物理學(xué)界的保守觀點(diǎn)，活生生的客觀事實(shí)使一些科學(xué)的“頂峰論”者目瞪口呆，對原本熟悉的物質(zhì)世界立即又感到陌生了。

當(dāng)時轟動世界的事件，首先是X光的發(fā)現(xiàn)和放射性元素的發(fā)現(xiàn)。

倫琴抓住了綠光1895年11月8日傍晚，德國物理學(xué)家倫琴(1845~1923)正在沃茲堡大學(xué)的一個實(shí)驗(yàn)室，做一項關(guān)于陰極射線的實(shí)驗(yàn)。陰極射線實(shí)驗(yàn)是在抽空的電子管中，由陰極發(fā)出的電子在電場加速下所形成的電子流，確認(rèn)電子的存在。

倫琴用黑紙將陰極射線管完全掩遮好，使之與外界相隔絕，然后把窗簾放下，打開高壓電源，以便檢查有沒有光線從管中漏出。突然，他發(fā)現(xiàn)有一道綠光從附近的一個板凳射出，掠過他的眼前。他把高壓電源關(guān)掉，光線也隨著消失。奇怪！板凳怎么會發(fā)射出光來呢？“留心意外的事情”是科學(xué)研究工作者的座右銘。倫琴馬上點(diǎn)了燈，照了照板凳，發(fā)現(xiàn)那里擺著的原來是自己做其他試驗(yàn)時用的一塊硬紙板，硬紙板上涂了一層熒光材料(氰亞鉑酸鋇的晶體)。倫琴感到十分驚訝。從陰極射線管中散出的陰極射線有效射程僅有一英寸(1英寸＝2.54厘米)，顯然是不會跑出這么遠(yuǎn)的。那么是什么使熒光材料閃出光亮的呢？倫琴很快意識到有某種嶄新的未知光線發(fā)生了。這種未知光線從陰極射線管發(fā)出，穿過了黑紙包層，射到了硬紙板上，激發(fā)了涂料的晶體發(fā)出熒光。

倫琴為此驚喜萬分，再次打開開關(guān)，隨手拿一本書擋在陰極射線管與硬紙板之間，發(fā)現(xiàn)硬紙板依然有光。倫琴激動得難以控制自己，一連幾天幾夜關(guān)在實(shí)驗(yàn)室里繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。他先后在陰極射線管與硬紙板之間放了木頭、烏木、硬橡膠、氟石以及許多種金屬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種未知的光線仍然能夠照直穿透這些物體。只有鋁和鉑擋住了這種光線。

倫琴的妻子對于倫琴總是遲遲不回家很生氣。于是倫琴把她帶到實(shí)驗(yàn)室里，把用一張黑紙包好的照相底片放在她的手掌下，然后用陰極射線管一照，拍下了歷史上最著名的一張照片。沖洗出來的底片清楚地呈現(xiàn)出倫琴夫人的手骨結(jié)構(gòu)，手上那枚金戒指的輪廓也清晰地印在上面。

倫琴當(dāng)時無法說明這種未知的射線，就用代數(shù)上常用來求未知數(shù)的“X”來表示，把它定名為X射線。倫琴經(jīng)過了一連七個星期廢寢忘食的緊張工作，終于在12月28日完成了舉世轟動的科學(xué)報告。這時，有一些物理學(xué)家們才開始懊悔自己沒有追究實(shí)驗(yàn)室內(nèi)照相底片“走光”的問題。也有的物理學(xué)家責(zé)備自己把照相底片感光，錯誤地歸于陰極射線的作用結(jié)果。還有一位物理學(xué)家聲稱，他發(fā)現(xiàn)X光是在倫琴之前，只是由于不愿中斷正常的研究工作，而未發(fā)表。的確，這個發(fā)現(xiàn)完全有條件在20年前的任何實(shí)驗(yàn)室完成?？墒?，如果倫琴對這一“科學(xué)的閃光”漫不經(jīng)心，輕意放過這一重要線索，或是不深入思索，輕率地把它歸于任何一種別的原因，那么X光還是發(fā)現(xiàn)不了。

1901年，當(dāng)瑞典科學(xué)院頒發(fā)第一次諾貝爾獎金時，物理學(xué)獎的選擇對象自然在倫琴身上。倫琴成名以后，反對用自己的姓氏來命名X射線。同時他還謝絕了巴伐利亞王子所授予的他的貴族爵位，并因此受到貴族的冷遇。他把他獲得的全部諾貝爾獎金都捐獻(xiàn)給了自己的工作單位沃茲堡大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室作為研究費(fèi)用。他說：“我認(rèn)為發(fā)明和發(fā)現(xiàn)都應(yīng)屬于整個人類”。倫琴的無私精神受到了世界各國人民的高度贊揚(yáng)。X射線的特性X射線屬于電磁輻射

電磁輻射（電磁波，光）：以巨大速度通過空間、不需要任何物質(zhì)作為傳播媒介的一種能量，具有波、粒二向性。

電磁波譜按波長順序排列為：γ射線→X射線→紫外光→可見光→紅外光→微波→無線電波

高能輻射區(qū)γ射線能量最高，來源于核能級躍遷χ射線來自內(nèi)層電子能級的躍遷光學(xué)光譜區(qū)紫外光來自原子和分子外層電子能級的躍遷可見光紅外光來自分子振動和轉(zhuǎn)動能級的躍遷波譜區(qū)微波來自分子轉(zhuǎn)動能級及電子自旋能級躍遷無線電波來自原子核自旋能級的躍遷波長長χ射線的產(chǎn)生TheAugereffectismorecommoninelementsoflowZbecausetheiratomicelectronsaremorelooselyboundedandtheircharacteristicX-raysmorereadilyabsorbed.

R:里德伯常數(shù)；h:普朗克常數(shù)n1,n2:主量子數(shù);σ:屏蔽常數(shù)χ射線的能量特性（指紋特性）特征χ射線的能量為兩內(nèi)電子殼層的能量差MLK1S1/22P3/22P1/22S1/23d5/23d3/22P3/22P1/22S1/2L線系K線系特征X射線能級圖解躍遷定則:△l=±1△j=0,±1X射線的吸收m

:物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù);:物質(zhì)的線性吸收系數(shù)；

m=

/ρμ=μph+μc+μinct:質(zhì)量厚度（=ρd，d為厚度，ρ為密度）元素的原子序數(shù)Z越大，物質(zhì)的密度越大吸收系數(shù)越大。波長λ愈短，即能量愈大，穿透物質(zhì)能力越強(qiáng)。單元素物質(zhì)化合物或混合物質(zhì)μm=∑（Wjμm,j）即按重量比加權(quán)AplotofmassabsorptioncoefficientvsenergyoftheX-rayphotonfor82Pb.AbruptchangesareobservedcorrespondingtoabsorptionedgesforK,LandMelectrons.Attheenergy(wavelength)oftheedge,thephotonsfirstbecomesufficientlyenergetictoejectK,LandMphotoelectrons

若要去掉Z元素的X譜線，Z-1orZ-2的元素被用于吸收片。特征X射線的吸收X射線的產(chǎn)生光子激發(fā)ElectronExcitation---highbrakeradiationbackgroundX-RayExcitation---x-raytubeHowtogetinnershellcavity?Proton,helium,deuteronetal.,---acceleratorbased,PIXERadioisotope---gamma,beta,alphasynchrotronradiation電子激發(fā)離子激發(fā)同步輻射激發(fā)放射性同位素激發(fā)X射線的激發(fā)源TheX-raytubeisenergizedbyahigh-voltagepowersupplywithanoutputof0.5to50kV.Theheadofthevacuumtubeconsistsofatarget(anode),whichisoftenmadeoftungstenandchromium.Asacceleratedelectronsstrikethetarget,X-raysareemitted.X-rayspectrumproducedbyelectronbombardmentofatungstentarget:ContinuumSpectrum:Thecontinuumresultsfromdecelerationofelectronsbytheatomsinthetarget.

CharacteristicSpectra:Electronbombardmentalsoproducescharacteristicpeaks

x-raytube原子內(nèi)殼層的電離截面1）photoexcitation

σph=5/4(σk)σk:crosssectionofK-layerσk∝Z5/E0E0:thephotoenergy2)ElectronexcitationE:入射電子能量C:cont，m值為0.7~13)HeavychargedparticleexcitationZ1:atomicnumberofincidenceparticleE1:energyofincidenceparticlem1:massofincidenceparticleme:massofelectronui:bindingenergyX射線熒光產(chǎn)額ωi

ωi=σx,i/σv,iσv,i:原子第i層的空穴產(chǎn)生截面，即電離截面σx,i:填補(bǔ)該空穴產(chǎn)生時發(fā)射特征X射線的截面KLMa-0.03795-0.11107-0.00026b0.034260.013680.00386c-0.1163*10-5-0.2177*10-60.20101×10-6X射線熒光產(chǎn)額ω的經(jīng)驗(yàn)公式波長色散法d根據(jù)布啦格法則,對于確定的晶面間距d值，改變?nèi)肷涫c表面的夾角θ，則可測量發(fā)生衍射的x射線的波長λ。

2dSinθ=nλ

這種方法分辨率高，但探測效率低，主要用于化學(xué)環(huán)境下的精細(xì)結(jié)構(gòu)研究。BraggDiffraction(Si,石墨)WAVELENGTHDISPERSIVEXRFSPECTROSCOPYX射線的探測能量色散法是常用的探測方法。原理是把x射線在探測器里直接轉(zhuǎn)換成電脈沖，脈沖幅度正比于x射線的能量，有脈沖幅度分析器記錄各種幅度的脈沖計數(shù)。能量色散法在PIXE分析中，一般使用能量分辨率好的Si（Li）探測器，它要在液氮溫度下（77K）工作，探頭封閉在真空中，用很薄的鈹窗將其與大氣隔離開。對5.9Mev的x射線其分辨率可達(dá)160ev。Lithium-DriftedSi(Li)Detectors返回HV--LV--Output--TestTemperatureProtect前置放大Si(Li)晶體金屬Be窗(μm量級)Si(Li)能量色散探測系統(tǒng)確定物質(zhì)中微量元素的種類和含量的一種方法。它用外界輻射激發(fā)待分析樣品中的原子，使原子發(fā)出標(biāo)識X射線（熒光），通過測量這些標(biāo)識X射線的能量和強(qiáng)度來確定物質(zhì)中微量元素的種類和含量。根據(jù)激發(fā)源的不同，可分成：帶電粒子激發(fā)X熒光分析電磁輻射激發(fā)X熒光分析電子激發(fā)X熒光分析X射線熒光分析概述

X-rayfluorescenceanalysisENERGYDISPERSIVEXRFSPECTROSCOPYTheprimaryX-raybeamexcitesseveralspectrallinesfromthesample.InenergydispersiveXRFallwavelengthsenterthedetectoratonce.

online6640XRFP

管道液體系統(tǒng)

液體/漿體應(yīng)用

Acommondesignhasthemeasuringheadplacednexttoaflow-throughcell.Asingleheadcanbeconfiguredtomovebetweenmultiplesamplestreams.Thestreamsareflowingcontinuou

online6640XRFTub

料斗,管送系統(tǒng)

粉末應(yīng)用

Ameasuringheadmatedtoachamberfilledwithpowder.Thechamberisfilled,packedbyvibration,analyzed,emptied,andthenrefilled.

6640XRFRD

轉(zhuǎn)盤粉末取樣器系統(tǒng)

粉末應(yīng)用

Ameasuringheadplacedoveraturntablethatrotatesintoasamplechutetocollectasam

X-射線熒光分析儀實(shí)用系統(tǒng)

6640XRFRA

伸縮式粉末取樣器

粉末應(yīng)用

Ameasuringheadplacedoveramovingarmthatextendsintoaproductchutetocolle

6640XRFWeb

縱向掃描系統(tǒng)

涂層,薄板,鋼板,紙張輸送帶應(yīng)用

Ameasuringheadiseasilyinstalledoveramovingweb,coil,orconveyor.Theheadcanmoveacrosswebtorecordaprofileofthesamplewhileitismoving

6640XRTB

投射法系統(tǒng)

板材/罐/傳送帶適應(yīng)性應(yīng)用

AmeasuringheadandanotherX-raysourceareeasilyinstalledacrossthesamplewhereispipe,tub,pot,movingweb,coil,orconveyoronlyifthesampledensityisnotchanging,orahighenergydensitymeasurementisneededtocompensateit’sinfluence.Theheadisfixedoverthewebtorecordawholeprofileofthesamplebyadjustthedistanceoverthesample

p-6640-300T

Labandin-situtest

便攜式X-射線熒光分析儀

300T為生產(chǎn)現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室使用而設(shè)計。典型應(yīng)用于石油化工、涂/鍍行業(yè)、工礦企業(yè)，塑料橡膠工業(yè)等各種場合，能進(jìn)行諸多元素的分析

The300Tisdesignedfortheproductionorlaboratoryenvironment.ItsintegratedWindows95computermakesforeasyroutineanalysis,andsimplifiesmethoddevelopment.Electronicdatastorageallowsspectraloverlapcomparisons,andreadilypermitsdiscriminationofdataviaemailornetwork.ResultsareeasilytransferredtoExcelorotherdatabase/spreadsheetprogramsforsampletracking.

EquippedwithX-raytubefiltersanddetectorfiltersprovideforawiderangeofanalysispossibilities.Typicalapplicationsincludepetroleumproducts,coatings,minerals,ores,plasticsandrubbertonamejustafew.Largesamplesfiteasilyinsidetheanalysischamberwithoutspecialpreparati

日本RigakuX熒光分析儀

該XRF熒光光譜儀是日本理學(xué)RIX3000型全自動X射線熒光光譜儀，運(yùn)用X射線束照射試樣產(chǎn)生該試樣所特有的二次X射線，通過測量該X射線的波長和強(qiáng)度，即可得到被分析樣品的元素種類和含量。該光譜儀對元素周期表中“B”--“U”的所有元素都可以進(jìn)行定性、定量分析（固體、粉末、液體樣品）。

應(yīng)用儀器進(jìn)行各種工業(yè)產(chǎn)品和化工產(chǎn)品（電纜、金屬材料、礦石原料、高分子聚合體、半導(dǎo)體材料等）元素及氧化物的定性、定量分析工作。

本系統(tǒng)有配套附屬設(shè)備：

（1）樣品粉碎機(jī)；（2）3OT壓片機(jī)

日本RigakuX熒光分析儀帶電粒子激發(fā)X熒光分析簡稱PIXE，它應(yīng)用的帶電粒子可以是質(zhì)子、α粒子或重離子，目前使用最多的是質(zhì)子。常用靜電加速器產(chǎn)生的幾兆電子伏能量的質(zhì)子束轟擊樣品，質(zhì)子使樣品中各元素原子的內(nèi)層電子電離，接著較外層的電子向內(nèi)層躍遷,同時發(fā)射X射線。由于各種元素發(fā)射具有特定波長（或能量）的標(biāo)識X射線,可利用鋰漂移硅探測器及能譜分析儀來確定元素的種類。而標(biāo)識譜線強(qiáng)度可用來確定元素含量。PIXE是離子束分析的一個重要分支。其開創(chuàng)者是SvenA.E.Johansson等人[1]，于1970年首次開展這方面的工作，并為人們所重視，且日益廣泛的被大家采用。粒子誘發(fā)x射線熒光分析（PIXE）在PIXE技術(shù)中，可以將原始的樣品（如金屬、粉末、生物組織）直接作為靶進(jìn)行分析。這樣的靶往往是厚靶，它制備方便，但數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜，靈敏度也差。另一種是將樣品進(jìn)行灰化、溶解等處理，然后把它置于一定的襯底膜上，作為靶進(jìn)行分析。這類靶稱為薄靶，可以不考慮質(zhì)子在靶中的能量損失和X射線的自吸收，獲得及處理數(shù)據(jù)都比較容易，靈敏度也好。但制靶工藝比較復(fù)雜，容易受到環(huán)境的污染。PIXE分析具有靈敏、快速、取樣少和無損分析等特點(diǎn)。該方法對大多數(shù)元素（Z≥12）是很靈敏的其相對靈敏度為PPm（即百萬分之一）量級，可檢測的元素含量的下限為10-16g。1.薄靶絕對測量特征X射線的計數(shù)阿佛加德羅常數(shù)入射粒子個數(shù)探測器對特征X射線的探測效率原子序數(shù)待測元素的重量X射線產(chǎn)生截面探測器所張的立體角PIXE定量分析方法相對測量 相對測量方法是在相同的條件下，分別測量標(biāo)準(zhǔn)和樣品中待測元素的表征X射線的強(qiáng)度，這樣就可以避免Ω、ξ等因子中的系統(tǒng)誤差和σx的不確定性。 待測元素的峰計數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)元素的峰計數(shù) 待測元素的重量 標(biāo)準(zhǔn)元素的重量PIXE定量分析方法2.厚靶1,2,3……..ix粒子束圖例：厚靶樣品示意圖PIXE定量分析方法待測元素特征X射線峰的計數(shù)Nx為：為待