x光分析原理概论.docx

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x光分析原理概论

x光分析原理概论

一.前言

由于科技的进步，普通的化学分析法，因其费时费事，已渐渐不被使用。

如今所追求的迅速且精确地分析方法。

x光分析法是一种非破坏性，且应用范围较广，无论样品是液体、固体或粉体均能利用的。

又能分析大部分的元素。

其分析的浓度可精确至PPM。

因此不论是生产化验或者是研究发展分析等化学试验都使用的。

尤其是工厂的化验分析除了准确性外，更是要讲求时效，x光分析法可说是最佳的分析方法。

水泥厂一般的分析最主要有Si、Al、Fe、Ca、Mg、S等元素。

微量方面有K,Na,Cl,P,Mn等较为主要。

这些元素在x光分析法中均能分析的。

一般使用传统式的化学分析法。

只是分析Si、Al、Fe、Ca、Mg、S等较为主要元素，即需要1—2天时间才能完成。

微量元素方面更是费时，有的只分析其中一种元素即需要1—2天时间。

但是以x光分析法，只需要数十分钟即可完成所有的分析步骤。

因此以电脑调配生料时，一定要配合使用x光分析仪，迅速且精确的分析生料成分。

再以电脑迅速计算所需要调配的配比，如此才能达到更精确调配生料的要求。

二.x光的性质

1.如同可见光一样，x光是电磁波的一种。

其速度均为3.0*10m/sec。

其主要的不同之处在于波长的不同，可见光波长较长，x光则波长较短。

波长越短则所含能量愈高。

附图一：

电磁波光谱

2.x光其行进路线为直线，不需经过中间介质。

不受电场或磁场的影响。

3.x光可能被某些结晶所折射、偏光，此为Bragg´s定律。

4.x光可使底片感光，可使空气游离，称为游离辐射。

5.x光依其波长的长短，可被不同的物质而有不同程度的吸收。

6.x光管所产生的x光（一次辐射），因能量的不同（即波长的不同），可使被照射物体产生特性x光（即二次射线，也称荧光射线）。

7.x光会破坏细胞，产生生理上的变化。

三.x光管及x光的产生

1895年德国人W.C.Routgen首先发现x光，后人也称为Routgen光。

附图二：

x光管

由上图来看，此x光管又一阴极用来产生电子，又利用高电压的电场作用，使电子加速，让电子以很高的能量向阳极金属靶上撞击，受到靶的阻挡而减速时，就释放能量，于是产生x光。

运动中的电子，受靶的阻挡而释放能量时，有的电子一次就把所带的能量全部放尽。

有的电子需反复经多次撞击才能把能量放完。

因此在所产生的x光中，也含有各种不同的波长。

一次就把能量全部放出的电子，所释放的能量最大，由此产生的x光，波长也最短。

如果电子释放的能量较小，则产生的x光，波长也较长。

因电子所释放的能量均有各种大小不同的数值，以致所产生的x光，也有各种不同的波长，我们称这种含有各种波长的x光谱为连续光谱。

如附图三。

图中当管电压（KV）逐渐升高时，x光的能量也逐渐升高，与最高能量相当的最短波长的x光也逐渐变短，输出x光也逐渐增多。

亦即x光强度增加。

附图三：

x光连续光谱及特性x光

如果保持管电压一定，只提高管电流（MA），则如下左图所示。

附图四：

连续光谱性质

如果更换金属靶极为不同的元素，则如上右图所示。

x光管所产生的x光，有能量来看，则电子的能量只有不到其中1％转变成为x光。

其他均变为热能，所以必须用冷却水以冷却阳极，且阳极的材质必须有严格的要求。

选择x光管则视所需要的x光能量，而选择其所用的金属靶极，及最大的管电压和管电流。

四.特性x光及其利用于x光分析法

当物质受到高能量的电子，x光或ｒ射线等照射时，则原子内层轨道的电子受到激励，而跳出轨道。

造成内层轨道空虚。

此时，较外层轨道的电子则跳入内层，同时放出能量，以x光形式放射出来。

因原子内每一层轨道均有一定的能限。

当电子跳回低能限的位置时，所产生的x光亦具有的轨道能限亦不同。

所以这些x光的波长随元素而定，一定元素会产生一定波长的x光。

我们称这些一定波长的x光为特性x光

x光分析法即是利用这些特性x光，来作元素的定性定量分析。

又称为荧光分析法。

当试样受到x光管所放射出来的x光射线的照射。

即产生其所含元素的特性x光。

而有部分的特性x光经过准直器。

而由分光结晶于特性的Ø角度中，将其中某一元素的特性x光与其他元素的特性x光分离的。

再经过第二准直器而进入侦测器内，将x光转变为电脉冲或计数，可以表示入射x光的强度。

其第一准直器，分光结晶及为准直器均固定于一同心圆上，所以侦测器可以转动，以改变2Ø角度，而找寻不同反射Ø角的特性x光

在定性分析上，可转动侦测器，在特定的Ø角度上。

可测定出特性x光的强度。

则由此角度Ø依据Bragg´s定律，可推测出何种特性x光，而断定此种样品内含有何种元素。

在定量分析上，则侦测器固定于一定Ø角度上，此为我们所需要测定元素的特性x光的反射角度Ø上，经过一定时间，则可得到一特性x光的强度累积计数。

此计数与试样的元素含有量成正比。

因此，可由计数推算出元素成份的含有量。

一般在工厂上应用，主要是定量方法，于下节再详述。

1.分光结晶（Reflectincrystal）

当试样由于受到x光管所发出的第一次x射线的照射，而产生多种特性x光。

其波长均随着元素而不同。

如何分离这些特性x光，而单独找出我们所需要测定的特性x光呢？

即利用分光结晶。

附图七：

Bragg´s定律nλ=2dsinØ

x光因其波长的不同，其反射角度亦不同，因此可转动分光结晶，而得到我们所希望的x光。

分光结晶的种类有许多种。

分离不同的特性x光时，可能要选择不同的分光结晶，以能够得到最强的x光强度，最好的分离效果。

普通分光结晶均有潮解性，极易与空气中水分作用而变潮，因此一定要保持于真空中。

2.侦测器（Detector）

用来测定x光的强度的侦测器，普通又两种型式

（1）荧光计数侦测器

（2）比例计数侦测器

（1）荧光计数侦测器（SC）

附图八：

荧光计数侦测器

闪烁物质在吸收x光后在其内部造成游离及激励。

当闪烁物质受激励的原子和分子回到基态，而将过多的能量以荧光释放出来。

光子传到光电增幅管的光阴极。

光阴极吸收光子并放出电子。

电子向第一个平行电极加速，撞击平行电极后产生四个到六个二次电子或更多，平行电极的电压，一极必一极高而已，电子逐渐被吸收，产生电子倍增的现象，最后一极平行电极的输出是电子的电流脉冲。

可以计数得到x光的强度。

（3）比例计数侦测器（PC）

附图九：

比例计数侦测器

其构造常作圆筒形，内有各种混合气体，最常用者为PRGAS、90％Ar、10％CH4。

筒壁接于负电气为阳极，筒内中心为为一金属条，接于正电气为阴极。

筒的一端为云母或Be所制成的薄膜窗，供x光进入。

由于x光在侦测器中撞击气体分子所产生的电子，以极高速度冲向阳极，在其过程中撞击其他气体分子，促使中和状态的气体游离而产生二次电子，于是电子大增，游离加剧，外路电流增大。

输出的是电子的电流脉冲。

x光能量的不同，其脉冲大小亦不同，利用波高分析以区别。

此种侦测器又分为两种形式。

一为密闭式比例计数侦测器（S-PC）筒内气体为密闭的。

一为开流式比例侦测器（F-PC）当测定时筒内要随时通入PRGAS

3.波高分析

当以分光结晶分离不同波长的x光时，大部分的x光均可以有效地分离的。

但是由Bragg´s定律来看nλ=2dsinθ。

只要是相等倍数的x光波长还是无分离的。

又因这些x光的波长不同，则能量不同。

其由侦测器所测的电流脉冲亦大小不同。

另一方面侦测器亦受环境的杂波影响而产生不同的的电流脉冲。

所以必须利用波高分析器。

将我们所要测定的电流脉冲与其他脉冲分离的。

附图十：

波高分析原理

五.定量分析及检量线

x光分析时，样品必须经过处理后才能分析的，样品的处理方法有两种。

一为粉末法，以小型研磨机将样品磨成非常细的粉末，再加高压（20T-30T）成型，成为表面很光滑的样品饼状的东西。

一为熔融法。

将样品与少许助熔剂混合，于高温电炉中，成为熔融液体状态，在冷却的则成为玻璃状的样品。

检量线的制作。

首先要以普通化学分析方法测定标准样品的成分。

由于成份的高低与特性x光强度的强弱成正比。

所以下一页的图，可得到一检量线。

因此测定未知样品时，由x光分析仪测出其特性x光强度，再由检量线推算出其成份。

六

1.苏厂系统，分析元素Si、Al、Fe、Ca、Mg、S、K、Cl

2.x光管采用RH靶极，适合水泥中元素分析。

采用水冷式。

3.分光式采用真空式。

4.自动样品输送设备，可连续测定样品，操作简单方便。

5.

七.x光分析的误差因素

仪器方面

1.x光管高电压、电流的变动。

2.波高分析的变动，受温度、湿度，外界干扰的影响。

3.PRGAS气压、流量的变动，影响侦测器的精确性。

4.侦测器内被污染的可能性。

5.分光结晶的受损及反射角度的不正确。

6.外界温度、湿度的变动，电的干扰。

样品方面

1.未按照制样标准操作。

2.粒度分布不均匀，过粗。

3.原料种类及矿物结晶的不同。

4.标准样品的测定误差大。

检量线制作不准确。