兩種常見X射線光譜儀的主要部件及工作原理
2021-08-18
1、X射線管
兩種類型的X射線熒光光譜儀都需要用X射線管作為激發光源。上圖是X射線管的結構示意圖。燈絲和靶極密封在抽成真空的金屬罩內，燈絲和靶極之間加高壓(一般為40KV)，燈絲發射的電子經高壓電場加速撞擊在靶極上，產生X射線。X射線管產生的一次X射線，作為激發X射線熒光的輻射源。只有當一次X射線的波長稍短于受激元素吸收限lmin時，才能有效的激發出X射線熒光。大于lmin的一次X射線其能量不足以使受激元素激發。
X射線管的靶材和管工作電壓決定了能有效激發受激元素的那部分一次X射線的強度。管工作電壓升高，短波長一次X射線比例增加，故產生的熒光X射線的強度也增強。但并不是說管工作電壓越高越好，因為入射X射線的熒光激發效率與其波長有關，越靠近被測元素吸收限波長，激發效率越高。
X射線管產生的X射線透過鈹窗入射到樣品上，激發出樣品元素的特征X射線，正常工作時，X射線管所消耗功率的0.2%左右轉變為X射線輻射，其余均變為熱能使X射線管升溫，因此必須不斷的通冷卻水冷卻靶電極。
2、分光系統
分光系統的主要部件是晶體分光器，它的作用是通過晶體衍射現象把不同波長的X射線分開。根據布拉格衍射定律2dsinθ=nλ，當波長為λ的X射線以θ角射到晶體,如果晶面間距為d，則在出射角為θ的方向，可以觀測到波長為λ=2dsinθ的一級衍射及波長為λ/2, λ/3----- 等高級衍射。改變θ角，可以觀測到另外波長的X射線，因而使不同波長的X射線可以分開。分光晶休靠一個晶體旋轉機構帶動。因為試樣位置是固定的，為了檢測到波長為λ的熒光X射線，分光晶體轉動θ角，檢測器必須轉動2θ角。也就是說，一定的2θ角對應一定波長的X射線，連續轉動分光晶體和檢測器，就可以接收到不同波長的熒光X射線見(圖10.5)。一種晶體具有一定的晶面間距，因而有一定的應用范圍，目前的X射線熒光光譜儀備有不同晶面間距的晶體，用來分析不同范圍的元素。上述分光系統是依靠分光晶體和檢測器的轉動，使不同波長的特征X射線接順序被檢測，這種光譜儀稱為順序型光譜儀。
另外還有一類光譜儀分光晶體是固定的，混合X射線經過分光晶體后,在不同方向衍射，如果在這些方向上安裝檢測器，就可以檢測到這些X射線。這種同時檢測不波長X射線的光譜儀稱為同時型光譜儀，同時型光譜儀沒有轉動機構，因而性能穩定，但檢測器通道不能太多，適合于固定元素的測定。
此外，還有的光譜儀的分光晶體不用平面晶體，而用彎曲晶體，所用的晶體點陣面被彎曲成曲率半徑為2R的圓弧形,同時晶體的入射表面研磨成曲率半徑為R的圓弧,第一狹縫,第二狹縫和分光晶體放置在半徑為R的圓周上,使晶體表面與圓周相切,兩狹縫到晶體的距離相等(見圖10.6)，用幾何法可以證明，當X射線從第一狹縫射向彎曲晶體各點時，它們與點陣平面的夾角都相同，且反射光束又重新會聚于第二狹縫處。因為對反射光有會聚作用,因此這種分光器稱為聚焦法分光器，以R為半徑的圓稱為聚焦圓或羅蘭圓。當分光晶體繞聚焦圓圓心轉動到不同位置時，得到不同的掠射角θ，檢測器就檢測到不同波長的X射線。當然，第二狹縫和檢測器也必須作相應轉動，而且轉動速度是晶體速度的兩倍。聚焦法分光的優點是熒光X射線損失少，檢測靈敏度高。
在線客服