毛细管X光透镜聚焦的微束X射线荧光谱仪的研发及应用

针对不同样品的分析需求,本文设计了几种不同类型的微束X射线荧光谱仪。用高精度激光位移传感器实时校正样品表面被测量点与毛细管透镜出端之间的距离,以减少形状不规则的古陶瓷样品测量时带来的误差;利用毛细管X光透镜传输能量高于25keV的X射线效率低的特点,将其应用于高铅釉瓷器彩料的无损分析中;采用大功率X射线源,扫描分析了大米中K、Ca等元素分布;以人民币5角硬币为例,研究了能量色散的微束X射线衍射方法。研究结果表明,本文研发的微束X射线荧光谱仪在生物样品和文物样品的分析研究中有广泛的应用前景。

一种毛细管聚焦的便携式微束X射线荧光谱仪

基于毛细管X光透镜技术的便携式能量色散X射线荧光分析因其无损分析等优点成为分析文物样品的有利工具。但由于文物样品的表面不平整或弧度以及毛细管X光透镜聚焦X射线的特点,导致在测量过程中样品测量点与毛细管X光透镜出端之间的距离产生变化,引起照射样品的X射线束斑大小发生改变,从而影响测量结果的准确性和元素区域扫描的分辨率。介绍了本实验室自行研发的一种新型便携式微束X射线荧光谱仪,此谱仪主要是由SDD X射线探测器、30W低功率X射线管、毛细管X光透镜、CCD和一个新型闭环控制系统构成。该闭环控制系统是在激光位移传感器能够精确控制样品测量点到毛细管X光透镜出端距离的基础上,结合LabVIEW语言环境下开发的计算机控制程序以及步进电机、样品台等器件组成。基于此系统,该实验室研发的便携式微束X射线荧光谱仪在测量过程中可以时刻保证照射样品的X射线光斑大小固定不变。同时,该谱仪还可以通过调整样品测量点到透镜出端的距离来选择不同尺寸的X射线照射光斑。为了验证设备的可行性,使用该便携式微束X射线荧光谱仪在激活激光位移传感器和关闭激光位移传感器两种情况下测量了一块表面不平整古陶瓷样品釉彩层中K,Ca,Zn和Fe等元素的含量及分布,并将测量结果进行了对比。结果显示,在激活激光位移传感器的情况下测得的样品微区元素含量与真实值较接近,扫描区域元素分布图的分辨率更好,表明本谱仪基于激光位移传感器开发的自动调整样品测量点到透镜出口端距离的闭环控制系统能有效的减少由于样品表面不平整或弧度带来的测量误差,弥补了现有微束X射线荧光谱仪在此方面的不足。因此,本便携式微束X射线荧光谱仪在无损分析检测文物方面具有潜在的应用前景。

能量色散X射线荧光光谱仪现状及其发展趋势

能量色散X射线荧光光谱仪被广泛用于许多部门和领域,已成为理化检测、野外现场分析和过程控制分析等的重要工具。文中介绍了现代能量色散X射线荧光光谱仪主要性能指标,综述了能量色散X射线荧光光谱仪的硬件和软件研制现状,简述了多种新型的能量色散型X射线荧光光谱仪,并对其发展趋势与前景进行了展望。

利用毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术对单根头发中元素空间分布进行无损扫描分析

头发中的元素与人的饮食和健康状况有关,对头发中元素的分析,不仅可用于刑事物证鉴别,还可为疾病的预防和治疗提供依据,因此,如何检测头发中元素分布等信息倍受人们关注。本文利用基于毛细管X光透镜和实验室普通X射线光源的共聚焦微束X射线荧光技术对单根头进行了无损扫描分析,分析了单根头发中元素的空间分布。在该毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术中,毛细管X光会聚透镜的出口焦斑和毛细管X光平行束透镜的入口焦斑处在共聚焦状态,从而形成共聚焦微元,探测器只能探测到来自该共聚焦微元中的X射线信号,降低了背底信号对X射线荧光谱的影响,从而有利于提高该共聚焦X射线荧光技术的分析精度。该共聚焦技术中采用了具有高功率密度增益的毛细管X光会聚透镜,降低了该共聚焦X射线荧光技术对X射线光源功率的要求,从而保证了该共聚焦技术可以采用实验室普通X射线光源,降低了实验成本。实验表明,毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术在单根头发元素分布检测中具有应用价值。

能量色散X射线荧光谱仪在土壤中^(40)K活度分析中的应用

对粉末样品进行压片制样,建立了能量色散X射线荧光(EDXRF)谱仪测定环境土壤样品中40 K放射性活度的方法。方法标准曲线的相关系数为0.991 0,测量的精密度为2.98%,测量标准样品的最大相对偏差为6.40%。采用本方法和γ谱仪同时测量7个土壤样品,并对这两种分析方法的测量结果采用配对t检验SPSS程序计算。结果表明,两种方法所得数据无显著性差异(P>0.05),可使用X射线荧光谱仪法分析土壤中40 K的放射性活度。这种方法操作简便,精密度和准确度较好,具有广泛的实用性。

毛细管X光透镜三维共聚焦微束X射线荧光技术在岩矿样品分析中的应用

利用毛细管X光透镜搭建了三维共聚焦微束X射线荧光谱仪,处在激发道的多毛细管X射线会聚透镜和处在探测道的多毛细管X射线平行束透镜处于共聚焦状态,该共聚焦结构降低了X射线荧光光谱的背底,从而有利于降低的X射线荧光分析技术的探测极限。在上述共聚焦结构中,多毛细管X射线会聚透镜和多毛细管X射线平行束透镜的焦斑重合形成共聚焦微元,探测器只能探测到来自该共聚焦微元内的X射线荧光信号,当该共聚焦微元在样品移动时,就可利用该共聚焦技术原位无损得到样品内部的三维X射线荧光信息。该共聚焦技术使用的多毛细管X射线会聚透镜具有103量级的功率放大倍数,从而降低了该共聚焦技术对高功率X射线源的依赖程度,即利用低功率普通X射线源就可以设计毛细管X光透镜共聚焦X射线荧光技术。利用上述共聚焦微束X射线荧光谱仪对两种岩矿样品进行三维无损分析,在其中一种岩石中发现:Fe浓度大的区域Cu的浓度也大,这在一定程度上反映了岩矿自然生长的机理。实验结果证明:该共聚焦X射线荧光技术可以在不破坏样品情况下分析岩矿样品中元素成分组成和元素三维分布情况。该共聚焦三维微束X射线荧光技术在矿石勘察、玉器选材和鉴别、石质食用器皿、"赌石"和家用石质地板检测等领域具有潜在的应用。

便携式微束X射线荧光谱仪的研发

研制了便携式微束X射线荧光谱仪,并对其硬件、软件和性能等特征进行了分析。该谱仪应用激光位移传感器实时检测样品测量点到透镜出端之间的距离并自动调节该距离的方法,来解决考古样品表面不平整或弧度而造成的照射样品X射线束斑变化的问题,从而保证X射线照射光斑大小不变。为验证谱仪的可靠性,采用该谱仪测量了表面高度差接近5mm的古陶瓷样品微区的釉彩层元素的分布。分析结果表明,激光位移传感器能有效减少由于样品表面不平整或弧度带来的测量误差。此外,使用本谱仪分析了5角硬币表面4mm×4mm的区域,经过数据处理后得到Cu、Sn等元素的分布及其合金相的分布,表明该谱仪不仅可进行微区能量色散X射线荧光分析(μ-EDXRF),同时还可进行微区能量色散X射线衍射分析(μ-EDXRD)。

同步辐射共聚焦X射线荧光微探针技术在生物原位研究中的应用

同步辐射共聚焦X射线荧光微探针技术(Synchrotron Radiation confocal micro X-ray Fluorescence,confocal μ-SRXRF)是一种具有深度分辨的三维元素分析方法,可以原位获得样品不同深度的化学元素信息,广泛应用于生命和环境原位研究领域。在上海同步辐射光源(Shanghai SynchrotronRadiationFacility,SSRF)硬X射线微聚焦及应用光束线站(BL15U1)搭建了共聚焦μ-SRXRF的实验装置和低温原位装置,并应用于生物样品体内化学元素分析。利用该装置对拟南芥种子和保持在低温环境中的大型蚤进行了原位荧光成像分析,无需切片及干燥过程直接获得了化学元素在样品体内的空间分布特征,并与常规μ-SRXRF获得的结果进行对比。实验结果表明:共聚焦μ-SRXRF可直接对生物样品体内的化学元素进行有效测量,同时联合低温原位装置可以扩展对热敏感的生物样品的化学元素分析,为生命和环境等研究领域提供强有力的原位表征技术。

X射线荧光谱仪测定B^#锌中的Cu、Pb、Fe

本文通过采用人工合成标样，用HGS2400数据软件，合理地选择分析曲线，对B^#锌中Cu,Pb,Fe元素的快速分析进行了试验，结果表明本方法能满足ISP冶炼工艺的要求。

一种快速测量共聚焦X射线分析装置探测微元尺寸方法

共聚焦X射线荧光技术是一种无损的三维光谱分析技术,在材料,生物,矿物样品分析,考古,证物溯源等领域具有广泛应用。共聚焦X射线荧光谱仪的核心部件为两个多毛细管X光透镜。一个为多毛细管X光会聚透镜(PFXRL),其存在一后焦点,作用是把X光管所发出的发散X射线会聚成几十微米大小的高增益焦斑。另一透镜为多毛细管X光平行束透镜(PPXRL),其存在一几十微米大小前焦点,置于X射线能量探测器前端,其作用是接收特定区域的X射线荧光信号。在共聚焦X射线荧光谱仪中,PFXRL的后焦点与PPXRL的前焦点重合,所形成的区域称作探测微元。只有置于探测微元区域的样品能够被谱仪检测到,使样品与探测微元相对移动,逐点扫描,便能够对样品进行三维无损的X射线分析。探测微元的尺寸决定共聚焦X射线荧光谱仪的空间分辨率,因此精确测量谱仪的探测微元的尺寸是非常重要的。如图1所示,谱仪探测微元可以近似为椭球体,其尺寸可以用水平方向分辨率X,Y,和深度分辨率Z表示。目前,常采用金属细丝或金属薄膜通过刀口扫描的方法测量谱仪探测微元尺寸。为了精确的从三个维度测量探测微元尺寸,金属细丝直径要小于探测微元尺寸。金属细丝和探测微元都是数十微米级别的尺寸大小,很难把金属靠近探测微元。为了得到探测微元在不同X射线能量下尺寸变化曲线,要采用多种金属细丝测量。采用单个金属细丝依次测量比较耗费时间。采用金属薄膜可以很方便地测量探测微元的深度分辨率Z,但是当测量水平分辨率X,Y时,难以准确测量。为了解决以上谱仪探测微元测量中存在的问题,本文提出采用多种金属丝平行粘贴在硬纸片上作为样品用于快速测量探测微元尺寸。附有金属细丝的硬纸片靠近谱仪探测微元,可以将探测微元置于硬纸片所在平面。由于硬纸片与金属细丝在同一水平面,在谱仪摄像头的协助下,可以把金属细丝迅速的靠近探测微元。靠近探测微元后,在全自动三维样品台的协助下,金属细丝沿两个方向对探测微元分别进行一次二维扫描。通过对二维扫描数据的处理便可以获得探测微元尺寸随入射X射线能量变化曲线。采用此方法对实验室所搭建的共聚焦X射线荧光谱仪的探测微元进行了测量。

小型化管激发X射线荧光仪的研制

新一代的小型化管激发X射线荧光测量仪,是为适应地质大调查的需要而研制的。该仪器采用了低功率小型X射线管及35kV高压电源构成的可控X射线源,小型低功耗电致冷Si-PIN半导体探测器,袖珍型计算机为工作平台构成X射线荧光能谱分析系统,根据工作环境的要求,在驻地可直接使用笔记本微机,使其功能强大,直接成图成像及解释。在野外使用掌上电脑,实现仪器的便携化及原位测量。分析元素范围可从S(Z=16)至U(Z=92),检出限为1/106～1/105,可用于地质矿产调查、大比例尺化探测量、环境调查、工业、考古等领域。

TBP萃取——X射线荧光谱仪测定地质样品中的金(Au)

金和干扰它的X射线荧光谱仪(XRF)测定的元素(Zn、Pb和As)的行为,对用磷酸三丁脂(TBP)作为固相萃取剂(SE),从盐酸、硝酸和王水中萃取进行了研究.发现从浸透过王水的矿浆中萃取金是定量选择性回收金最有利的方法,金的分布系数“D_(Au)是10~4ml/g.在从盐酸溶液中萃取金时,在研究金的整个浓度范围内(10^(-5)～10^(-4)mol),D_(Au)的值同样超过10~4.但是,随着萃取温度的增高,它将有很大的降低,从20℃的5×10~5ml/g降至70℃的9×10~3ml/g.从有氯气的盐酸萃取过程中观察到,铅有异常高的分布系数,D_(pb)=10~3ml/g.这可以用形成 Pb(N)的氯的络合物来解释.发展了一种测定天然样品中金的XRF方法.这种方法包含采用0.025mol的热硫脲溶液从SE(TBP)中反萃取金.为次级XRF提供一个薄层样品.25g的样品,测定限是10ng/g(10^(-5)%).本方法的精度用多种参考方法进行了鉴定,结果在10%的范围内一致.

用同步辐射共聚焦X射线方法研究古代彩绘样品的层状结构

同步辐射共聚焦X射线方法是一种元素成分及其化学结构的三维无损分析方法,在地质、考古、环境、生物及材料等领域具有重要的应用。在上海光源的硬X射线微聚焦光束线站(BL15U)建立共聚焦X射线实验方法,并用于故宫彩绘样品的制作工艺及层状结构分析。基于BL15U的K-B聚焦系统,在能散探测器前采用会聚毛细管半透镜实现与K-B聚焦镜焦点的共聚焦状态,深度分辨在8.04 ke V(Cu-Kα)为31.5μm,可以开展共聚焦微束X射线荧光(Micro-X-ray Fluorescence,Micro-XRF)和共聚焦微束X射线吸收精细结构(Micro-X-ray Absorption Fine Structure,Micro-XAFS)实验研究。对故宫斗彩陶瓷和彩绘样品进行了元素及其化学态的深度分布分析,获得了斗彩陶瓷特有的三层釉结构以及彩绘样品内部颜料的化学信息。实验结果表明,该系统具有较高的空间分辨和探测灵敏度,是文物样品三维无损分析的有力工具。

CD－4微机化X射线荧光仪研制

针对国内便携式Ｘ射线荧光仪存在的功能不强、稳定性差、功耗偏大等问题，采用合理的微机化学方案和Ｘ射线荧光谱稳定技术，研制ＣＤ—４微机化Ｘ射线荧光仪。性能测试及应用表明：该仪器功能强、稳定性好、功耗低，具有国内同类仪器的先进水平.

X-射线荧光光谱法测定玻纤原料石灰石中CaO含量的不确定度评定

采用X-射线荧光光谱法测定石灰石中CaO含量,对影响分析结果的主要不确定度分量进行讨论和分析,建立了数学模型。通过对试样称量、测量重复性、标准物质、工作曲线变动和高低标校准引起的不确定度分量的评定,计算了合成标准不确定度和扩展不确定度。评定结果表明,标准物质引起的不确定度对总不确定度影响最大。

X射线荧光仪在铁精粉中钛含量测定试验研究中的应用研究

铁精粉作为炼铁的主要原料之一,若钛含量超标,对钢铁的产出具有极大的影响,因此研究X射线荧光仪在铁精粉中钛含量测定试验研究中的应用。通过确定X射线荧光仪特征谱区,选取荧光仪测样时间,研究准备了大量实验仪器与试剂。通过选择不同的熔炉温度与无水四硼酸锂浓度,设置两个阶段的实验测试条件。实验结果:在其他条件相同情况下,当选择1000℃熔炉温度时,在测量铁精粉中钛含量的结果中,最大值与最小值之间相差仅为0.009,比熔炉温度在500℃及1500℃时,分别小了0.094和0.046。在其他条件相同情况下,当选择6.00g无水四硼酸锂浓度时,测量结果间差异较小,最大值与最小值之间仅相差0.004,比在3.00g和9.00g无水四硼酸锂浓度时,分别小了0.062和0.076。由此可见,说明在使用X射线荧光仪测量铁精粉中钛含量时,熔炉温度选择1000℃,无水四硼酸锂浓度选择6.00g时,实验结果最为精确。

使用X光透镜的XRF谱仪的研究进展

使用外径为２００μｍ的复合导管组装的Ｘ光透镜，可将发散的Ｘ光束聚成直径为２５０μｍ的微束。测量了透镜的能谱特性，选择不同范围能谱特性的透镜可改善ＸＲＦ谱仪对个别元素的探测极限。与最佳几何但不带透镜的ＯＭＩＣＲＯＮ微束荧光谱仪比较表明，带透镜的ＸＲＦ谱仪对中重元素的分析灵敏度提高了近１０倍．