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X射線螢光分析的基礎和最重要的儀器性能

在過去,X射線螢光分析(XRF)主要用於地質學。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通常用於材料分析,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、環保且非破壞。

這就是測量是如何進行的

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”。由於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“螢光”輻射。

這種二次輻射的能量水準類似指紋一樣:它是每個元素的特徵。探測器接收螢光並將信號數位化。在信號經過處理後,設備產生一個光譜:檢測到的光子的能級在x軸上繪製,其頻率(計數率)在y軸上繪製。樣品中的元素可以從光譜中波峰的位置(x軸方向)來辨識。這些峰的水準(y軸方向)提供了有關元素濃度的資訊。

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,可用於常規應用。對於特殊應用,例如在半導體或印刷電路板(PCB)行業,還使用鉬、鉻或銠陽極;這些陽極尤其適用於測量輕元素和分析材料。

 

過濾器

在從陽極到樣品的過程中,初級X射線會透過過濾器。Fischer通常使用由薄金屬箔製成的過濾器,由鋁或鎳製成。這些過濾器透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雜訊。因此,可以實現對微弱信號的更高靈敏度。例如,鋁過濾器有助於檢測特別低濃度的鉛

 

通孔和X射線光學

通孔(準直器)位於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,因此產生的螢光信號也相應變弱。 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製造商,Fischer是其中之一!;

探測器

最後一個至關重要的元件是探測器,它是“看到”螢光輻射的部分。

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。它非常適合於含有較小測量點上較厚鍍層的測量。但是,由於它提供的能量解析度較低且靈敏度有限,尤其是對於輕元素,因此僅部分適合於要求高的測量任務。

矽PIN二極體是一種中階的探測器。它具有比比例接收器更好的解析度,但測量面積很小。它既可以用於材料分析,也可以用於鍍層厚度測量。但是對於較小的測量點,需要相對較長的測量時間。

最高品質的X射線螢光設備採用矽漂移探測器(SDD)。這種類型的檢測器具有極好的能量解析度,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,此類設備可以確定奈米級別的鍍層厚度,並可以輕易地分析複雜的多鍍層結構。

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