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进口仪器仪表供应商   2019年11月16日 星期六
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[技术]X射线荧光分析技术应用误区

文章出处:http://www.mkyd.net [2011/3/21 9:22:04]
责任编辑:进口仪器仪表技术部
作者:进口仪器仪表
X射线荧光分析作为工业分析技术经历了几十年的发展历程,在水泥制造业已得到广泛应用。我国水泥工业中X射线荧光分析技术的应用和发展,基本上是在近25年中实现的。上个世纪七十年代末八十年代初,一方面随着大量新型干法水泥生产线的成套引进,大型X荧光光谱仪开始出现在我国水泥工业,另一方面,随着钙铁分析仪的研制成功,钙铁分析仪在水泥生产过程控制中迅速普及,形成了高端产品和低端产品两翼齐飞的局面;八十年代后期,采用管激发、Si(Li)半导体探测器的X射线荧光能谱仪曾一度受到关注,但到了九十年代初期,国产的源激发正比计数管多元素分析仪,以其简单实用的结构和价格低廉的优势迅速进入市场,成为以水泥工业为主要对象的中档产品;世纪之交前后,针对工业分析应用开发的小型多道X荧光光谱仪,随着我国水泥工业结构调整的步伐得以大量应用。可以说,目前在水泥制造业,X射线荧光分析仪的应用是处于百花齐放的时代。这种局面给用户带来了多种选择,同时也形成一些误区。本文试图跳出X荧光分析技术领域学术研究和商业行为的圈子,从水泥制造业应用X荧光分析技术的角度,提出一些避免误区的观点。
  
  1.X射线荧光分析基本原理
  
  荧光,顾名思义就是在光的照射下发出的光。X射线荧光就是被分析样品在X射线照射下发出的X射线,它包含了被分析样品化学组成的信息,通过对上述X射线荧光的分析确定被测样品中各组份含量的仪器就是X射线荧光分析仪。
  
  从原子物理学的知识我们知道,对每一种化学元素的原子来说,都有其特定的能级结构,其核外电子都以各自特有的能量在各自的固定轨道上运行,内层电子在足够能量的X射线照射下脱离原子的束缚,成为自由电子,我们说原子被激发了,处于激发态,这时,其他的外层电子便会填补这一空位,也就是所谓跃迁,同时以发出X射线的形式放出能量。由于每一种元素的原子能级结构都是特定的,它被激发后跃迁时放出的X射线的能量也是特定的,称之为特征X射线。通过测定特征X射线的能量,便可以确定相应元素的存在,而特征X射线的强弱(或者说X射线光子的多少)则代表该元素的含量。
  
  量子力学知识告诉我们,X射线具有波粒二象性,既可以看作粒子,也可以看作电磁波。看作粒子时的能量和看作电磁波时的波长有着一一对应关系。这就是著名的普朗克公式:E=hc/λ。显然,无论是测定能量,还是波长,都可以实现对相应元素的分析,其效果是完全一样的。
  
  2.X射线荧光分析仪的分类
  
  2.1.根据分光方式的不同,X射线荧光分析可分为能量色散和波长色散两类,也就是通常所说的能谱仪和波谱仪,缩写为EDXRF和WDXRF。
  
  通过测定荧光X射线的能量实现对被测样品的分析的方式称之为能量色散X射线荧光分析,相应的仪器称之为能谱仪,通过测定荧光X射线的波长实现对被测样品分析的方式称之为波长色散X射线荧光分析,相应的仪器称之为X射线荧光光谱仪。
  
  2.2.根据激发方式的不同,X射线荧光分析仪可分为源激发和管激发两种:用放射性同位素源发出的X射线作为原级X射线的X荧光分析仪称为源激发仪器;用X射线发生器(又称X光管)产生原级X射线的X荧光分析仪称为管激发仪器。
  
  2.3.就能量色散型仪器而言,根据选用探测器的不同,X射线荧光分析仪可分为半导体探测器和正比计数管两种主要类型。
  
  2.4.根据分析能力的大小还可分为多元素分析仪器和个别元素分析仪器。这种称呼多用于能量色散型仪器。
  
  2.5.在波长色散型仪器中,根据可同时分析元素的多少可分为,单道扫描X荧光光谱仪、小型多道X荧光光谱仪和大型X荧光光谱仪。
  
  3.选型误区
  
  随着技术发展,X射线荧光分析仪的种类越来越多,商品名称也比较混乱,再加上用户对相关知识的了解有限,使得用户合理选择仪器的难度大大增加。
  
  误区1:强调“荧光”,许多用户误认为只有用X光管作为激发源的管激发仪器才是X荧光仪,一味地强调所谓“荧光”。事实上,如前所述,无论是采用X光管还是采用放射性同位素源作为激发源,只要是由X射线激发、通过测定被测样品发出的荧光X射线得出其化学成分及含量的仪器,都是X荧光分析仪。
  
  源激发和管激发各有优缺点。源激发类型的仪器结构简单、紧凑,特别是放射性同位素源发出X射线是自然现象,其强度是非常稳定的。虽然有着自然衰减,但这种衰减是遵循可描述的物理规律的,也就是说是我们可以准确计算出来的,而且作为商品化仪器选用的同位素源半衰期都比较长,在短周期内这种衰减几乎反映不出来。放射源的最大弱点在于,它发出的X射线强度小,能量分布不可调。因此可分析元素种类是受限制的,光路的几何布置必须非常紧凑,分析时间相对要长一些,谱线处理和定量分析计算难度较大。
  
  管激发型仪器的激发源是X射线管。与放射性同位素源相比,最大的优点在于其可调节性。通过调节管流和高压,可以在一定范围内改变输出X射线的强度和分布,进而有选择性地提高或减小对某些特定元素的激发效率,提高分析能力。再者,X射线管的输出强度远远高于放射性同位素源,光路的几何布置受限制小,可使用准直器、滤光片、狭缝等进一步提高性能。采用X光管的最大问题在于稳定性,给X光管提供高压的高压电源稳定性必须在万分之三以下,X光管本身还需要冷却,而且环境温度、电网波动等因素都会影响X光管输出X射线的稳定性,从而影响仪器的稳定性。因此,一般来讲,管激发仪器对使用环境及外围条件的要求要比源激发仪器高得多。
  
  误区2:重硬件轻软件和技术。任何一种分析仪器在某一领域的成功应用都是硬件、软件和分析技术有机结合的结果,三者缺一不可。毫无疑问,硬件是基础,但硬件并不能决定一切。从应用的角度来讲,硬件只有通过软件才能充分发挥作用,而分析技术涉及到仪器应用的每一个环节。一台好仪器,一定是建立在分析技术研究基础之上的,否则,它就很难适应众多用户的各种需求,这样的仪器等于没有灵魂。对于软件的考察,绝不能停留在画面的漂亮与否、花样是否齐全等表面文章上,关键要看采用的算法是否先进有效,建立在怎样的分析技术基础上,是否适应于主要被分析样品的特性,还要考虑是否适合操作人员的素质和能力。
  
  误区3:重价格轻服务。价格当然是选购商品的重要因素,但不应当是决定性因素。分析仪器各部件质量及其价格悬殊极大,并且直接决定了仪器的售价,单纯追求价格便宜,很难保证质量。对于X荧光分析仪这样的设备来说,服务往往更为重要。这里所说的服务不仅指安装调试、备品备件供应、维修服务等,更重要的是应用技术服务。对于大多数用户来讲,是不具备自行研究分析技术并用于指导应用的,这种情况下,技术服务显得尤为重要。
  
  误区4:听别人多,看自己少。用户在设备选型时经常会开展一些调研考察,一方面了解一些各种仪器及厂家的基本情况,作一些相互比较;另一方面会去一些与自己情况类似的用户那里考察。这当然是必要的。但最重要的还是要根据自己的实际情况和具体需求来选择。比如:以全厂质量控制为主要目的,样品种类多,需要做全分析,准确度要求高,应用环境比较好,可以考虑X荧光光谱仪;以生产过程控制为主要目的,应用环境较差则可考虑多元素分析仪、钙铁仪等源激发类仪器;原料不太好、波动大,没有预均化措施或很简陋,分析仪器要配置高一些,最好考虑在线分析仪器,在线钙铁仪加多元素分析仪或小型多道X荧光光谱仪便是很好的组合,当然,有条件的可以上中子活化在线分析仪,而原料稳定、预均化很有效,分析仪器的配置则可以低一些,多元素分析仪甚至离线钙铁仪便可以解决问题;操作人员素质较高,仪器可以选择小型多道X荧光光谱仪等功能多样、灵活性较大的,反之则应考虑选择功能单一、操作简单的源激发类仪器。
 
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