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什么是 X射线荧光光谱分析

2024-06-17

当来自 X 射线管或放射源的初级 X 射线激发源撞击样品时,X 射线要么被原子吸收,要么通过材料散射。X 射线被原子吸收,将其所有能量转移到里面的电子的过程称为“光电效应”。在此过程中,如果初级 X 射线具有足够的能量,电子就会从内壳中弹出,从而产生空位。这些空位给原子带来了不稳定的条件。当原子恢复到稳定状态时,电子从外壳转移到内壳,在此过程中发出特征 X 射线,其能量是相应壳层的两个结合能之间的差值。因为每种元素都有一组独特的能级,每种元素都会以一组独特的能量产生 X 射线,从而可以非破坏性地测量样品的元素成分;测量通常使用固态探测器(常称为 Si-PIN、SDD 或 CdTe)完成。发射特征 X 射线的过程称为“X 射线荧光”或 XRF。使用 X 射线荧光的分析称为“X 射线荧光光谱法”。在大多数情况下,里面的 K 和 L参与 XRF 检测。一旦信号经过数字脉冲处理器处理,来自辐照样品的典型 X 射线光谱将显示不同强度的多个峰值。

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采用SDD  X 射线探测器和数字脉冲处理器获取光谱。

 

特征 X 射线被标记为 KLM N,以表示它们源自的电子层。另一个名称 α (a)β (b) gamma (g) 是用来标记源自较高电子层电子跃迁的 X 射线。因此,Ka X 射线是由电子从 L 层到 K 层的跃迁产生的,Kb X 射线是由电子从 M 层到 K 层的跃迁产生的,等等。壳层有多个较高和较低结合能电子的轨道,进一步指定为 a1a2 b1b2 等,表示电子从这些轨道跃迁到同一较低壳层。

XRF 方法广泛用于测量材料的元素组成。由于该方法快速且对样品无损,因此是现场应用和工业生产材料控制的方法。根据应用的不同,XRF 不仅可以使用 X 射线,还可以使用其他主要激发源(如 α 粒子、质子或高能电子束)来产生。

有时,当原子恢复到稳定状态时,它不会发射特征 X 射线,而是将激发能量直接转移到其中一个外层电子,导致其从原子中喷射出来。喷射出的电子称为俄歇电子。该过程是 XRF 的竞争过程。俄歇电子在低 Z 元素中比在高 Z 元素中更有可能出现

X 射线荧光工艺示例:钛原子 (Ti=22)

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1) K 层中的电子通过外部初级激发 X 射线从原子中弹出,产生空位。

K 线

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2) 来自 L M 壳层的电子跃迁以填补空位。在此过程中,它会发出该元素独有的特征 X 射线,进而在 L M 壳层中产生空位。

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L线

3) 当初级激发 X 射线或先前事件在 L 壳层中产生空位时,来自 M N 壳层的电子跃迁以占据空位。在此过程中,它会发出该元素独有的特征 X 射线,进而在 M N 壳层中产生空位。

俄歇电子

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来自内部原子的激发能转移到外部电子之一,导致其从原子中跃迁出来。


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