X射線熒光光譜在地質(zhì)測試中的應(yīng)用

趙翔

摘要：X射線熒光光譜技術(shù)在地質(zhì)測試中能有效提高對地質(zhì)樣品多種元素的測試效果，檢測精準(zhǔn)度和檢出限較高，符合國家關(guān)于地質(zhì)樣品檢測的要求，操作便捷不會對測試樣品造成破壞，因此得到廣泛應(yīng)用。本文對X射線熒光光譜技術(shù)的工作原理進(jìn)行分析，探討了優(yōu)化其應(yīng)用于地質(zhì)測試中的對策和方法，通過具有針對性的實踐建議，旨在促進(jìn)地質(zhì)找礦工作取得更好成果，為國家資源發(fā)展建設(shè)作出更大貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：X射線;熒光光譜;地質(zhì)測試;應(yīng)用

地質(zhì)勘察技術(shù)尋找礦藏時，地質(zhì)測試技術(shù)是通過測試數(shù)據(jù)來為準(zhǔn)確找到礦藏提供最直接的技術(shù)支撐。常用地質(zhì)找礦中的檢測方法和儀器較多，常見的是容量法、重量發(fā)和比色法等。在現(xiàn)代儀器儀表快速發(fā)展背景下，X射線熒光光譜儀成為現(xiàn)代地質(zhì)找礦中較先進(jìn)的高科技儀器設(shè)備，具有的獨特優(yōu)勢成為地質(zhì)測試方法非常可靠的技術(shù)補(bǔ)充和支撐。本文對X射線熒光光譜作為分析技術(shù)的工作原理進(jìn)行分析，探討了優(yōu)化其應(yīng)用于地質(zhì)測試中的對策和方法。

1 X射線熒光光譜概述

1.1 X射線熒光光譜技術(shù)工作原理

X射線熒光光譜技術(shù)是利用X射線對地質(zhì)樣品進(jìn)行照射，從而激發(fā)樣品中元素內(nèi)部的電子，并進(jìn)行驅(qū)逐電子引發(fā)電子躍遷，從而釋放出體現(xiàn)該樣品元素特征的X射線。這種X射線也被稱之為熒光。X射線熒光的產(chǎn)生，是因為X射線在和樣品元素原子發(fā)生碰撞，逐出原子后就會在原子位置上形成空穴，此時高能級的電子會進(jìn)入這些空穴進(jìn)行填補(bǔ)，在這過程中高能級電子會釋放以核能為形式的能量，這些能量就形成了X射線熒光。X射線熒光的能量差別來自高能級電子和低能級電子層之間的差距，這種能量差別就是元素所特有的指標(biāo)。目前，X射線熒光光譜技術(shù)采用定量和定性兩種分析方法。定性分方法的原理是測量不同能量的混合X射線，之后依據(jù)能量的不同來區(qū)別元素種類。定量分析法式利用X射線熒光的強(qiáng)度和元素的匹配程度來確定元素的種類。

1.2 X射線熒光光譜技術(shù)工作優(yōu)勢

一是 X射線熒光光譜技術(shù)的檢查過程比較簡單，只需要對樣品進(jìn)行射線照射，不會對樣品造成完整性損傷。二是 X射線熒光光譜技術(shù)的分析效率很高，檢測限通常在10-6區(qū)間時能達(dá)到百分之百，并能利用富集預(yù)處理讓檢測限達(dá)到10-8。三是 X射線熒光光譜技術(shù)的檢查精度高，不會受到外界干擾而降低精度。四是 X射線熒光光譜儀器比較小巧，通常是手提式，使用成本低，非常便于野外測繪工作者使用。以上的工作優(yōu)勢受到野外勘探測試工作的歡迎，在工作中得到了比較廣泛的應(yīng)用。

2 X射線熒光光譜技術(shù)的發(fā)展及儀器分析

2.1 X射線熒光光譜技術(shù)的發(fā)展

X射線熒光光譜技術(shù)誕生于X射線被發(fā)現(xiàn)后的50年后，德國、法國和美國的學(xué)者先后于上個世紀(jì)的50-60年代，研制出了商業(yè)用的X射線熒光光譜儀器。在微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展下，X射線熒光光譜儀器在進(jìn)入新世紀(jì)以來，已經(jīng)朝著自動智能、專業(yè)集成和小型輕便的方向發(fā)展，應(yīng)用范圍越來越廣泛。

2.2 X射線熒光光譜儀器的組成

X射線熒光光譜儀器是由 X射線的發(fā)生系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、樣品傳輸系統(tǒng)和分光監(jiān)測系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等多部分組成。主要的元件是：第一，X射線發(fā)生器和光管。該元件是X射線熒光光譜儀的核心元件，直接影響儀器的整體性能，高壓發(fā)生器和光管的穩(wěn)定性、靈敏度決定了X射線熒光光譜儀器的應(yīng)用范圍。X射線高壓發(fā)生器的作用是轉(zhuǎn)換外部輸入的交流電源為直流電源，為X射線管發(fā)生光電效應(yīng)提供電能。上世紀(jì)末期，中頻、高頻和超高頻高壓發(fā)生器的研制成功，替代了早期的整流發(fā)生器和恒電位發(fā)生器，讓X射線高壓發(fā)生器的工作性能更加穩(wěn)定高效。第二，準(zhǔn)直器。該元件是由具有緊密間距的平滑金屬片組成，金屬片之間的距離，決定了準(zhǔn)直器的型號，一般有100-150-450等類型可供選用?，F(xiàn)代準(zhǔn)直器已經(jīng)發(fā)展為組合型，以適應(yīng)不同用戶對分辨率和靈敏度的需要。其中比較有特點的是超粗、超細(xì)型準(zhǔn)直器，能實現(xiàn)對輕元素的高精度測量，提高了對痕量元素的分辨效果。第三，測角儀。采用機(jī)械齒輪傳動原理的測角儀和準(zhǔn)直器共同組成分光和測量系統(tǒng)。現(xiàn)代測角儀已經(jīng)采用光學(xué)定位傳感器和摩爾系統(tǒng)光學(xué)編碼來實現(xiàn)測量，測量精度相比傳統(tǒng)機(jī)械原理的測角儀有了一個數(shù)量級精度的提高，傳動速度是原來機(jī)械式測角儀的數(shù)倍。第四，分光晶體。作為X射線熒光光譜儀的主要色散元件，功能是利用布拉格衍射定理對樣品中的元素進(jìn)行探測。選用的晶體如果衍射強(qiáng)度大，就會分辨率比較好，但信噪比會增加，在溫度、濕度變化下不會有高級衍射干擾產(chǎn)生，具有較為合適的探測波長范圍。第五，探測器。是用來改變探測能量形式或大小的裝置，可以把檢測中的光子信號轉(zhuǎn)化成為用來計量測定的電脈沖信號。常見的探測器有流氣式、封閉式、閃爍式等正比計數(shù)器類型。X射線計數(shù)效率和分辨率是評價探測器性能的主要指標(biāo)。

3 X射線熒光光譜技術(shù)在地質(zhì)測試中的應(yīng)用建議

3.1在區(qū)域地質(zhì)勘察中應(yīng)用

利用 X射線熒光光譜儀器對地質(zhì)勘察中采集的樣品粉末進(jìn)行多元素測定非常便捷，能快準(zhǔn)確、高精度地得到檢測結(jié)果。對于不同區(qū)域的地質(zhì)勘察樣品，能利用專業(yè)計算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提高了分析準(zhǔn)確性和效率。通常區(qū)域化測試中需要測定39種不同的元素，而X射線熒光光譜儀就能對其中的26種進(jìn)行準(zhǔn)確測定。目前X射線熒光光譜儀進(jìn)行測定工作流程比較完整，在結(jié)合其他化學(xué)探樣品分析方法后，多元素測定的效果很好，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會價值。

3.2在巖石礦物主微量元素測定中應(yīng)用

在巖石礦物的主微量元素的化學(xué)分析工作中，X射線熒光光譜儀結(jié)合化學(xué)分析方法能有效降低傳統(tǒng)檢測工作量大、時間長、任務(wù)重的難題，簡化了分析過程，保證了測定精度。在上世紀(jì)70年代以后，學(xué)術(shù)界先后攻克了主微量元素測定中的機(jī)體效應(yīng)數(shù)學(xué)校正、硼酸鹽融制和計算機(jī)應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，為X射線熒光光譜儀的廣泛應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。目前國內(nèi)巖石礦物主微量元素測定主要是采用熔融法進(jìn)行，能準(zhǔn)確測定出硅酸鹽巖石中的30種主微量元素情況。

3.3在礦石礦物分析中的應(yīng)用

X射線熒光光譜技術(shù)應(yīng)用于稀土礦石中一些微量元素的定量定性分析已經(jīng)取得了很好的效果，比如能對閃鋅礦、黃銅礦、輝鉬礦等有色金屬、黑色精神、稀有金屬和非金屬礦進(jìn)行分析應(yīng)用，測定速度快而精度有保證。利用X射線熒光光譜技術(shù)對巖石、土壤和水系沉積物等一些粉末狀物質(zhì)的均勻性檢測，也顯示具有良好的精度和可靠性。

3.4在野外測繪現(xiàn)場的應(yīng)用

X射線熒光光譜技術(shù)在野外測繪現(xiàn)場的應(yīng)用分析優(yōu)勢比較顯著。上世紀(jì)國內(nèi)研制出的便攜式X射線熒光光譜儀器XRF在野外試驗成功后，進(jìn)行多次改型，已經(jīng)獲得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)目前主要是研發(fā)和應(yīng)用微信計算機(jī)為核心的便攜式X射線熒光光譜儀，以滿足野外測繪現(xiàn)場工作條件較差，對操作要求比較高的需求。

X射線熒光光譜技術(shù)在地質(zhì)測試中的應(yīng)用將適應(yīng)當(dāng)今儀器儀表小型專業(yè)化、多功能智能化的發(fā)展方向，圍繞提高精度、靈敏度，拓寬應(yīng)用范圍進(jìn)行不斷的創(chuàng)新實踐。

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