便攜式X射線熒光元素分析儀的應(yīng)用

祁昌煒 ，朱杰勇 ，王佳音 ，劉 磊

（1.昆明理工大學(xué)國土資源與工程學(xué)院，云南昆明650093；

2.云南災(zāi)害測報(bào)防治高技術(shù)開放實(shí)驗(yàn)室，云南昆明650093）

1 儀器簡介

1.1 儀器概況

本研究所使用的便攜式X熒光光譜儀為美國NITON公司生產(chǎn)的XL3t500型手持式合金分析儀.該熒光分析儀使用50 kV、2-Watt微型X射線管，半導(dǎo)體制冷檢測器，激發(fā)源為金靶50 kV/40μA（最大值），分辨率小于190 eV.儀器測試條件：用X射線激發(fā)金靶，激發(fā)能量 50 kV/40 μA，檢測時(shí)間 30 s［1］.

1.2 儀器分析原理

使用X射線熒光進(jìn)行元素分析試驗(yàn)樣品，在其構(gòu)成原子受到外部輻射源的激發(fā)之時(shí)，會放射出X射線，而X射線熒光分析就是一種基于該現(xiàn)象的技術(shù).當(dāng)X射線從X射線管被激發(fā)，撞擊構(gòu)成這種試驗(yàn)樣品的原子時(shí)，它將逸出該原子的一個(gè)內(nèi)層電子.而這個(gè)撞擊出的空穴，瞬間會被更高能級的外層電子填充.而兩個(gè)能級的能量差，在撞擊的過程中以X射線的形式輻射出來.我們把這種輻射稱為“特征X射線”，因?yàn)閷τ谀撤N放射的元素（或原子），其特征X射線的能量是特定且唯一的.如果我們能夠測量出這種能量以及由單種元素產(chǎn)生的“特征X射線”的強(qiáng)度，那么就可以分別在定量和定性兩個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)X射線熒光分析 .

1.3 儀器的主要性能指標(biāo)

儀器主要的測試模式有礦業(yè)模式和土壤模式，分別能夠測試30種元素和32種元素，具體測試元素見表1.

表1 XL3t500型便攜式X熒光光譜儀測試元素Table1 Elements tested by the XL3t500-mode portable XRFanalyzer

2 便攜式X射線熒光儀的使用

2.1 測試模式

1）標(biāo)準(zhǔn)塊狀樣品模式：此模式操作適合于目標(biāo)元素含量小于1%的任意樣品，應(yīng)用了某特定樣品的康普頓效應(yīng)（X射線與原子非彈性碰撞）.當(dāng)X射線照射時(shí)，并沒有激發(fā)出熒光而僅僅與樣品中的原子發(fā)生碰撞，這時(shí)就產(chǎn)生康普頓散射效應(yīng)，它的產(chǎn)生的強(qiáng)度與樣品的濃度（平均原子量）成比例［3］.一個(gè)輕元素樣品如土壤和沙樣品產(chǎn)生的康普頓散射效應(yīng)較重元素如礦石樣品更強(qiáng)些.分析儀分析這些散射峰并自動調(diào)整基于樣品物質(zhì)的濃度，而且使得分析樣品時(shí)不需考慮特定地點(diǎn)的探頭矯正標(biāo)準(zhǔn).這一模式主要用于分析土壤中的元素污染物.

2）Cu/Pb礦業(yè)模式：礦業(yè)銅鉛模式分析土壤和其他塊狀樣品而不需要針對某一礦石母質(zhì)進(jìn)行調(diào)整.該模式是分析巖石或土壤的理想模式，而且對元素含量等于或大于1%的樣品分析效果理想.礦業(yè)銅鉛測試模式主要針對樣品中含量大于1%的輕質(zhì)礦石金屬元素的分析測試.整個(gè)基本參數(shù)算法可使儀器精確地檢測出從百分之幾到100%的元素含量，并自動糾正元素間相互的影響.XRF分析儀不能檢測出輕于鈣的元素及其化合物，通常的樣品成分如氧化物、碳酸鹽和硅酸鹽等都不能被檢測出.如果要精確校正結(jié)果，需要通過為單個(gè)元素添加校正因子來校正輕元素對測試結(jié)果的干擾.這些線性相關(guān)的校正因子提高了基本參數(shù)校正的精確性.對每類礦石的測試只需輸入一次校正因子.

2.2 儀器校正

1）校正探頭屏幕：為使儀器測試時(shí)能達(dá)到最佳狀態(tài)，在每天使用分析儀之前都要對其做探頭校正，在測試的數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯不一致的情況時(shí)也須進(jìn)行探頭校正.儀器探頭校正將持續(xù)一段特定的預(yù)設(shè)時(shí)間過程，目的是使儀器能夠在野外操作中正常發(fā)揮性能.當(dāng)儀器進(jìn)行探頭校正時(shí)，要避免儀器振動、噪音、強(qiáng)電場或其他對儀器的可能干擾.儀器校正屏幕一直顯示，直至校正完畢，而后顯示校正結(jié)果.

2）儀器偏差校正：如果分析儀測試結(jié)果表明需要進(jìn)行偏差修正，則需要按照確定校正因子的步驟進(jìn)行.如果分析的地點(diǎn)發(fā)生變化，一個(gè)可取的做法是建立一些檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)以確定分析儀測試結(jié)果仍在可接受的范圍內(nèi).確定校正因子需要至少3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品，標(biāo)準(zhǔn)樣品數(shù)量越多，獲得的結(jié)果就越好.步驟如下：①選擇礦業(yè)測試模式；②確定儀器中的所有校正因子都已設(shè)置未默認(rèn)值（斜率為1，截距為0）；③每個(gè)濾光片測試至少測試120秒；④通過與標(biāo)準(zhǔn)樣品數(shù)據(jù)對比得出校正因子；⑤將得到的校正因子數(shù)值輸入分析儀中.對于每種元素，將分析儀測試獲得的數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)樣品數(shù)值對比成圖，通過線性回歸的方法計(jì)算斜率和截距.回歸方程為y=mx+b，其中m為斜率，b為y軸上的截距.斜率值m和截距值b即為校正因子，可直接輸入到分析儀中.校正因子也可通過科學(xué)計(jì)算器進(jìn)行線性回歸計(jì)算獲得.y值為實(shí)驗(yàn)室的分析結(jié)果，x值為分析儀測試結(jié)果.

3 便攜式X射線熒光儀應(yīng)用條件試驗(yàn)

3.1 與化學(xué)分析結(jié)果對比

本次分析樣品采自金牛廠鉛鋅礦，采樣完成后送云南省有色地質(zhì)測試中心進(jìn)行測試，分析了Pb、Zn兩元素.縮分按四分法、喬頓公式（Q=Kd2）進(jìn)行，試樣加工前在55℃烘干，加工至200目.然后將200目附樣進(jìn)行X熒光分析，結(jié)果見表2和圖1.

表2 金牛廠礦區(qū)Pb、Zn元素化學(xué)分析值與X熒光分析值對比表Table2 Com parison of Pb and Zn valuesbetween lab analysisand XRF

圖1 金牛廠礦區(qū)Pb、Zn元素化學(xué)分析與X熒光分析對比Fig.1 Comparison between lab analysisand XRF for Pb and Zn

3.2 潮濕對測試結(jié)果的影響

選取5件樣品進(jìn)行試驗(yàn)，用X熒光光譜進(jìn)行潮濕后分析，與實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果對比，結(jié)果見表3和圖2.

表3 金牛廠礦區(qū)Pb、Zn元素化學(xué)分析值與X熒光光譜潮濕分析值對比表Table3 Comparison of Pb and Zn values in wet condition between lab analysisand XRF

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)室分析與X射線熒光光譜儀分析結(jié)果相近，但濕度因素會降低元素含量.因此，便攜式X射線熒光光譜儀是一種較為便捷的分析儀器，具有操作簡單，測試速度快的特點(diǎn).

［1］崔強(qiáng)，張文元，蘇伯民，等.便攜式X熒光光譜儀在莫高窟壁畫原位無損檢測的初步應(yīng)用［J］.敦煌研究,2010,124（6）:77—81.

［2］錢建平，吳高海，陳宏毅.便攜式X射線熒光光譜儀應(yīng)用條件試驗(yàn)及效果［J］.物探與化探,2010,34（4）:497—502.

［3］江晶，狄家亮，肖鵬程，等.X熒光技術(shù)在贛南某鉛鋅礦勘查中的應(yīng)用［J］.科技經(jīng)濟(jì)市場,2010（4）:38—39.