兩種常見(jiàn)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(lèi)型的X射線熒光光譜儀都需要用X射線管作為激發(fā)光源。上圖是X射線管的結(jié)構(gòu)示意圖。燈絲和靶極密封在抽成真空的金屬罩內(nèi)，燈絲和靶極之間加高壓(一般為40KV)，燈絲發(fā)射的電子經(jīng)高壓電場(chǎng)加速撞擊在靶極上，產(chǎn)生X射線。X射線管產(chǎn)生的一次X射線，作為激發(fā)X射線熒光的輻射源。只有當(dāng)一次X射線的波長(zhǎng)稍短于受激元素吸收限lmin時(shí)，才能有效的激發(fā)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(fā)。
X射線管的靶材和管工作電壓決定了能有效激發(fā)受激元素的那部分一次X射線的強(qiáng)度。管工作電壓升高，短波長(zhǎng)一次X射線比例增加，故產(chǎn)生的熒光X射線的強(qiáng)度也增強(qiáng)。但并不是說(shuō)管工作電壓越高越好，因?yàn)槿肷鋁射線的熒光激發(fā)效率與其波長(zhǎng)有關(guān)，越靠近被測(cè)元素吸收限波長(zhǎng)，激發(fā)效率越高。
X射線管產(chǎn)生的X射線透過(guò)鈹窗入射到樣品上，激發(fā)出樣品元素的特征X射線，正常工作時(shí)，X射線管所消耗功率的0.2%左右轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線輻射，其余均變?yōu)闊崮苁筙射線管升溫，因此必須不斷的通冷卻水冷卻靶電極。
2、分光系統(tǒng)
分光系統(tǒng)的主要部件是晶體分光器，它的作用是通過(guò)晶體衍射現(xiàn)象把不同波長(zhǎng)的X射線分開(kāi)。根據(jù)布拉格衍射定律2dsinθ=nλ，當(dāng)波長(zhǎng)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(cè)到波長(zhǎng)為λ=2dsinθ的一級(jí)衍射及波長(zhǎng)為λ/2, λ/3----- 等高級(jí)衍射。改變θ角，可以觀測(cè)到另外波長(zhǎng)的X射線，因而使不同波長(zhǎng)的X射線可以分開(kāi)。分光晶休靠一個(gè)晶體旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)。因?yàn)樵嚇游恢檬枪潭ǖ模瑸榱藱z測(cè)到波長(zhǎng)為λ的熒光X射線，分光晶體轉(zhuǎn)動(dòng)θ角，檢測(cè)器必須轉(zhuǎn)動(dòng)2θ角。也就是說(shuō)，一定的2θ角對(duì)應(yīng)一定波長(zhǎng)的X射線，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)分光晶體和檢測(cè)器，就可以接收到不同波長(zhǎng)的熒光X射線見(jiàn)(圖10.5)。一種晶體具有一定的晶面間距，因而有一定的應(yīng)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(lái)分析不同范圍的元素。上述分光系統(tǒng)是依靠分光晶體和檢測(cè)器的轉(zhuǎn)動(dòng)，使不同波長(zhǎng)的特征X射線接順序被檢測(cè)，這種光譜儀稱(chēng)為順序型光譜儀。
另外還有一類(lèi)光譜儀分光晶體是固定的，混合X射線經(jīng)過(guò)分光晶體后,在不同方向衍射，如果在這些方向上安裝檢測(cè)器，就可以檢測(cè)到這些X射線。這種同時(shí)檢測(cè)不波長(zhǎng)X射線的光譜儀稱(chēng)為同時(shí)型光譜儀，同時(shí)型光譜儀沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而性能穩(wěn)定，但檢測(cè)器通道不能太多，適合于固定元素的測(cè)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(diǎn)陣面被彎曲成曲率半徑為2R的圓弧形,同時(shí)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(jiàn)圖10.6)，用幾何法可以證明，當(dāng)X射線從第一狹縫射向彎曲晶體各點(diǎn)時(shí)，它們與點(diǎn)陣平面的夾角都相同，且反射光束又重新會(huì)聚于第二狹縫處。因?yàn)閷?duì)反射光有會(huì)聚作用,因此這種分光器稱(chēng)為聚焦法分光器，以R為半徑的圓稱(chēng)為聚焦圓或羅蘭圓。當(dāng)分光晶體繞聚焦圓圓心轉(zhuǎn)動(dòng)到不同位置時(shí)，得到不同的掠射角θ，檢測(cè)器就檢測(cè)到不同波長(zhǎng)的X射線。當(dāng)然，第二狹縫和檢測(cè)器也必須作相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，而且轉(zhuǎn)動(dòng)速度是晶體速度的兩倍。聚焦法分光的優(yōu)點(diǎn)是熒光X射線損失少，檢測(cè)靈敏度高。
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