X射线荧光分析仪（XRF）的工作原理

文章背景：X射线荧光分析仪（X-ray Fluorescence Spectrometer，简称：XRF分析仪），是一种快速的、非破坏式的物质测量方法。在测定电子电器产品中是否存在限用物质时，一般采用XRF进行初筛。

根据分光方式的不同，X射线荧光分析可分为能量色射和波长色射两类，也就是通常所说的能谱仪（EDXRF）和波谱仪（WDXRF）。本文主要介绍能谱仪的工作原理。

1 XRF基础知识

1.1 基本公式

1.2 特征X射线的产生

2 EDXRF基本结构和工作原理

2.1 EDXRF基本结构

2.2 X光管的结构与工作原理

2.3 探测器

2.3.1 主要技术指标和作用

2.3.2 探测器的类型

2.4 光路系统

1 XRF基础知识

1.1 基本公式

式（1-4）是XRF定性定量分析的基础。通过物质所辐射的特征谱线的波长λ（或能量E），就可以知道原子序数为Z的元素存在，即可对物质进行定性判断；根据元素特征谱线的强度大小，可对物质中存在元素的含量进行定量分析。

1.2 特征X射线的产生

一束高能粒子（射线）在与原子的相互作用下，如果其能量大于或等于原子某一轨道电子的结合能时，可以将该轨道的电子逐出，形成空穴；此时原子处于非稳定状态，在极短的时间内，轨道的外层电子向空穴跃迁，使原子恢复至稳定状态。

那么，在外层电子跃迁的过程中，两个壳层之间的能量差就以特征X射线的形式溢出原子。

位于某壳层的电子被激发称为某系激发，产生的特征荧光X射线辐射称为某系谱线。实际的物理过程十分复杂，例如L层有三个支能级，其中L1能级稳定，不产生跃迁，电子会由LII、LIII向K层跃迁，分别产生Kα1和Kα2。

2 EDXRF基本结构和工作原理

2.1 EDXRF基本结构

2.2 X光管的结构与工作原理

2.3 探测器

2.3.1 主要技术指标和作用

作用：将X射线光子的能量转换成易于计算的电信号。

（1）能量分辨率

在EDXRF中，能量分辨率以能量分布曲线的半峰高宽度（FWHM）来表示。

国际通用的分辨率测试标准：使用二氧化锰试剂，对MnKα谱线进行测试，计算谱峰的半峰高宽度。

FWHM的值越小，能量分辨率越高，荧光分析仪分辨相邻谱线的能力就越好。

（2）峰背比（峰本比）

峰位计数与平均本底（背景）计数的比值。一般情况下，其比值在几千比一，且数值越大越好。

（3）计数率

在一定的分辨率的指标下，探测器的最高计数率，且数据越高越好。

（4）探测效率（能量响应）

探测效率指的是记录到的粒子数目与入射到探测器灵敏体积内的粒子数之比。一般来说，探测效率越高越好。

2.3.2 探测器的类型

依据其用途不同，X射线探测器有分别用于波长及能量色散型仪器的探测器。如：

• 气体探测器 —— 正比计数器
• 闪烁探测器 —— 光电倍增管
• 半导体探测器 —— Si(Li)/Si-PIN/SDD/Ge探测器
• 其他类型探测器

2.4 光路系统

主要包括：（1）滤光片；（2）准直器。

作用：提高被测元素的谱线的峰背比，提高强度，使检测结果更具有准确性和可靠性。

参考资料：

[1] XRF技术培训（https://wenku.baidu.com/view/0119acbac281e53a5802fff5.html）

[2] 电离辐射安全与防护基础（http://fushe.mee.gov.cn/index.php?a=resource&m=Index）

[2] Mylearning平台课程（EDXRF介绍）