X射線熒光分析的基礎和最重要的儀器性能

X射線熒光分析的基礎和最重要的儀器性能

在過去，X射線熒光分析（XRF）主要用于地質學。如今，它已成為工業和實驗室的關鍵技術。這種方法非常通用：它可以檢測從鈉到鈾的所有相關化學元素

XRF通常用于材料分析，即確定樣品中給定物質的含量，如測量珠寶中的黃金含量或根據《有害物質限制》（RoHS）指令檢測日常物品中的有害物質。此外，可以使用XRF測量鍍層的厚度：它快速、環保且無損。

測量是如何進行的

當X射線設備開始測量時，X射線管會發出高能輻射，這也被稱為‘初級’輻射。當這些X射線擊中樣品中的一個原子時，它們會增加能量–即它們“激發”原子 - 使原子向其原子核附近發射電子，這個過程被稱為“電離”。由于這種狀態是不穩定的，一個來自更高電子層的電子移動來填充空隙，從而發射出“熒光”輻射。這種二次輻射的能量水平類似指紋一樣：它是每個元素的特征。探測器接收熒光并將信號數字化。在信號經過處理后，設備產生一個光譜：檢測到的光子的能級在x軸上繪制，其頻率（計數率）在y軸上繪制。樣品中的元素可以從光譜中波峰的位置（x軸方向）來識別。這些峰的水平（y軸方向）提供了有關元素濃度的信息。

最重要的設備屬性保證最佳測量結果

許多因素影響設備區分不同元素的能力。 X射線管，光學元件，過濾器和檢測器等部件在其中起主要作用。

X射線管

X射線管中的材料決定了激發樣品的初級X射線輻射的能譜。通常使用鎢陽極，它能產生一種特別強烈和廣泛的光譜，可用于常規應用。對于特殊應用，例如在半導體或印刷電路板（PCB）行業，還使用鉬、鉻或銠陽極；這些陽極尤其適用于測量輕元素和分析材料。

濾波器

在從陽極到樣品的過程中，初級X射線會通過濾波器。Fischer通常使用由薄金屬箔制成的濾波器，由鋁或鎳制成。這些濾波器通過吸收部分光譜來改變初級輻射的特性。這樣可以顯著降低背景噪聲。因此，可以實現對微弱信號的更高靈敏度。例如，鋁濾波器有助于檢測特別低濃度的鉛

通孔和X射線光學

通孔（準直器）位于X射線管和樣品之間。它控制主光束的大小，確保僅激發樣品上的特定聚焦點被激發。當測量點必須很小時，到達樣品的輻射極小，因此產生的熒光信號也相應變弱。 為了獲得足夠高的計數以進行可靠的計算，測量需要花費更長的時間。解決此問題的方法是多毛細管光學器件。 多毛細管是一束玻璃纖維，它能將幾乎把所有的初級輻射像放大鏡一樣聚焦在一個小點上。 全球只有兩家這樣的光學器件制造商。

探測器

最后一個至關重要的組件是探測器，它是“看到”熒光輻射的部分。

久經考驗的比例計數管（PC）具有較大的感應面積，因此可實現較高的計數率。它非常適合于帶有較小測量點上較厚鍍層的測量。但是，由于它提供的能量分辨率較低且靈敏度有限，尤其是對于輕元素，因此僅部分適合于要求高的測量任務。

硅PIN二極管是一種中檔的探測器。它具有比比例接收器更好的分辨率，但測量面積很小。它既可以用于材料分析，也可以用于鍍層厚度測量。但是對于較小的測量點，需要相對較長的測量時間。

最高質量的X射線熒光設備采用硅漂移探測器（SDD）。這種類型的檢測器具有非常好的能量分辨率，這意味著它甚至可以檢測樣品中濃度非常低的元素的輻射。此外，此類設備可以確定納米級別的鍍層厚度，并可以輕易地分析復雜的多鍍層結構。