光谱使用说明书

多道荧光光谱仪

MXF 2400

使用说明书

日本岛津公司分析与测试分公司

日本.东京

本手册详细描述了本仪器的原理及结构，其中包括很多我们的核心设计技术，所以用户完全可以掌握。

我们希望客户不要将本说明书传借或透露给第三者。

本仪器内部会产生对人体有害的X射线和高压。为了安全使用本仪器请注意以下事项。

使用高压气体钢瓶注意事项

非常感谢购买岛津公司的X射线荧光光谱仪。岛津公司为您提供一下担保：1.保证期

自验收之日起12个月或自装船之日起18个月。

2.保证

如果在保证期限内出现岛津公司应该负责的故障，我们将免费更换或维修。

3.保证项目

本保证将不包括由以下原因造成的故障：

1）误用或错用；

2）由非岛津公司或岛津公司的授权公司维修所造成的故障；

3）不是本产品所造成的故障；

4）由试样带进的粉末等粘附到X光管或晶体上，而造成的损坏或性能下降；

5）在高温、潮湿、有腐蚀性气体、爆炸性气体、震动等的恶劣环境下使用；

6）火灾、地震和其他自然灾害；

7）安装完成之后运输或移动产品；

8）消耗件或其他等同于消耗的部件。

目录

1.原理及结构 (9)

1.1测量原理 (9)

1.2X光管 (9)

1.3X光管冷却装置 (10)

1.4高压变压器 (10)

1.5X射线功率控制器（PCX-16） (11)

1.6X射线功率单元 (11)

1.7照射室 (11)

1.8固定分光器 (13)

1.9扫描道 (14)

1.10检测器 (15)

1.11温控装置 (17)

1.12送样装置 (17)

1.13真空抽气管路 (18)

1.14试样盒 (18)

1.15转盘 (19)

1.16流气检测器的气体配管 (20)

1.17操作面板DPX-16 (20)

1.18处理器RX-16 (23)

1.19检测器高压供电单元HVX-16 (27)

1.20衰减器单元 (27)

1.21供电单元PUX-16 (27)

1.22真空稳定阀 (28)

2.启动仪器 (28)

3.停止和中断仪器运行 (30)

3.1停止仪器 (30)

3.2中断系统 (30)

4.分析 (31)

5.CWC-16 (32)

5.1X光管冷却单元功能概述 (32)

5.2外冷却水供排水接头 (32)

5.3外冷却水 (32)

5.4供水（加水） (33)

5.5驱动装置 (33)

5.6停水 (33)

5.7冷却水循环系统图 (34)

6.调节、校正、调整 (35)

6.1真空度调节 (35)

6.2温度调节 (35)

6.3设定检测器高压 (35)

6.4P.H.A校准 (36)

6.5快门 (37)

6.6转盘 (37)

6.7送样装置 (38)

6.8X射线快门 (39)

6.9流气检测器（FPC） (39)

6.10如何检查真空泄漏 (41)

6.11外部冷却水单元CWC-16 (41)

6.12分光器 (42)

7.故障处理分析程序 (42)

8.维护 (47)

8.1日检查和维护项目列表 (47)

8.2日检查和维护程序 (49)

8.2.1 CWC-16 (49)

8.2.2 FPC（流气检测器）的气体管路系统 (50)

9. 消耗品、维护部分、选购件列表 (51)

10. 电磁阀和真空泵使用说明书 (53)

10.1电磁阀PKW/PKA/PKS (53)

10.2真空泵,型号GDH-162 (53)

1.原理及结构

1.1测量原理

从X光管发射出来的X射线照射到样品表面，试样中的组成元素就会发射出其特征波长的X射线（或称荧光X射线）。由于样品包含很多元素，所以发射出来的X射线是一束包含有很多特征X射线的混合光束。混合光束进入安装在试样周围的分光器，每个分光器只能分出特定波长的X射线，因此当混合光束进入分光器时，只有代表特定元素的特定波长的X射线才能被分光器的分光晶体反射出来。随后，特征X射线进入连接在分光器后面的监测器。被反射出来的特征X射线的强度与试样的元素含量成正比。这样，通过检测一定时间内X 射线的量，就能计算出试样中元素的含量。各种元素的特征X射线能够同时进行检测、计算和记录。

①转盘

②操作面板DPX-16

③冷却水供应单元CWC-16

④处理器RX-16

⑤检测器高压电源HVX-16

⑥电源PUX-16

⑦配电板

图1.1

1.2X光管

X光管竖直安装在仪器主题的中心部位。X光管由美国V ARIAN公司生产。在高压下加热光管产生热电子，当热电子撞击到靶材，靶上就产生连续波长（包含有靶材的特征X射线）的X射线。两者的混合光束就是初级X射线。

初级X射线穿过厚0.076mm的铍窗（位于X光管的底端），照射到被检测的样品上。由于光管靶材是铑，初级X射线是一束混合光束，它包含有连续X射线和特征X射线（Rh-K,Rh-L）。Rh-K和Rh-L射线有助于样品中轻元素和重元素的激发。

当热电子束撞击到靶材上时，超过99%的能量被转变成热能，这些热能将靶加热，如光管的输出功率为4kW时，靶的加热功率就约为4kW。

因此把必须进行冷却，以免溶化。靶是由X光管冷却单元供应的循环纯水进行冷却的。

冷却水必须被送到X光管接近靶的部位进行冷却，因为这里也会被释放出来

的热量加热。

X光管的效率会在几年之后随着灯丝的耗损而下降。因此，在满足测量功率的条件下，在维修之前最好不要加大X射线的强度。

①X射线光管②重元素扫描道③固定分光计

图1.2

1.3X光管冷却装置

上面已经提到，用纯水而不用普通的自来水对X光管进行冷却。

为了冷却在X光管里被加热的纯水并且使它再次回流到X光管，在仪器主机部分安装X光管冷却装置CWC-16。冷却装置包括纯水箱、水泵、离子交换树脂容器以及、水压和电导率安全电路。此外，还有热交换器（吸收纯水的热量）、自来水（外冷却水）流进热交换器对内冷却水进行冷却。

1.4高压变压器

高压变压器安装在仪器右后下角，变压器通过高压电缆向X光管提供高压电。变压器内部由4部分组成：(a) 几万伏的高压变压器；(b) 整流电路（提供直流电压）；(c) 产生小波动直流电压的滤波电容；(d) 管流、管压测量电阻，控制X光管功率，这些部件都浸在变压器油里，以防止高压危险。

升压变压器和内部的电路会产生热量，因此高压变压器需要有循环自来水冷却。

控制X射线功率的测量电阻会波动、不稳定现象，这取决于温度。在满负荷4kW的状态下，需要大约2小时使冷的变压器达到一个完全稳定的温度（即强度）。在这期间。X射线强度的波动大约是0.3%（转变为测量强度后）。因此，为了得到较高的分析精度，需要通过不间断地对X光管供电来保持变压器的稳定的温度。

警告标志

高压变压器

仪器右侧

1.5X射线功率控制器（PCX-16）（参考图1.3）

X射线功率控制器（PCX-16）安装在RX-16中，在仪器主机的右上角。这部分包括通过高压变压器供给X光管的稳定电源。它为仪器提供一个稳定的X 射线功率，以避免测量强度产生波动，即使是电源有波动的情况下也保持稳定。此装置能使管流、管压在电流波动1%的情况下，波动维持在0.001%。这一波动当被转换成测量强度是相当于0.004%。电源的瞬间波动不会影响测量强度。但是，如果这种瞬间波动经常发生，就会导致产生一个不正常的波形，他就会影响测量强度。为了避免发生这种情况，最好安装稳压电源（A VR）。

了解X射线功率控制器PCX-16的详细情况，请参阅1.18处理单元RX-16，(a) X射线功率控制器PCX-16。

图1.3 X射线功率控制器

1.6X射线功率单元

本单元从PCX-16接受控制信号，通过半导体闸流管的控制产生高功率。1.7照射室

照射室（图1.4）固定在主机的中心部位，它是检测系统的核心部位，可分成3部分从上至下依次为：(a) 真空室①；(b) 快门台；(c) 试样室。三个部分用螺丝连接。X光管位于真空室上方，在真空使周围连接很多分光器通道。为了阻止空气吸收X射线，真空室和所有的分光器通道都抽成真空。所以整个装置都是真空的。

由于真空室必须保持真空，以及为了防止X射线泄漏出真空室，真空室的底部由一个快门密封。只有当分析进行的过程中，快门才在快门电机的控制下打开。

①

照射台 ②

快门台 ③

试样室 ④

快门 ⑤ 快门电机 ⑥ 旋转器位置挡帽 ⑦ 轴间轴承 ⑧ 快门轴 ⑨ 偏心轮 ⑩ 快门微动开关 ? 快门臂 ? X 射线挡板 ? 挡板电机

图1.4 真空室

（俯视）

图1.5 快门光电传感器位置

即使在分析的过程中快门打开，也不会造成X 射线泄漏出照射室，因为在试样的底部由试样托密封。整个照射室对X 射线是完全密封的。由一个光电传感器检测快门的开启或关闭。

从照射室的尾部观察，右边的光电感应器是检测快门开的，左边的检测快门关。

试样室固定在快门台的下边，在试样室由一个旋转器位置挡帽，限定试样的位置。试样室中的样品或试样盒就是被压紧到这个旋转器的位置挡帽上的。这样，X 光管的靶与试样表面之间的距离就是不变的常数。试样释放出来的X 射线取决于试样表面成分含量和试样表面抛光纹路的方向。因为，为了使X 射线分布快门关传感器

快门开传感器 快门

均匀，再分析的过程中使试样旋转。限定试样位置的旋转位置挡帽紧靠轴间轴承。旋转马达固定在试样拖上，使试样和旋转器位置挡帽一起旋转，同时试样紧压在旋转器位置挡帽上，转速为60转/分钟。

分析时，在快门打开之前真空泵是连在试样室内的。当采用压片法进行分析时，由于抽真空会使一部分粉末抽到真空室内。因此，应该定期（一个季度一次）对快门台和试样室进行拆卸和清洗。

由于X射线的长期照射，快门的○形密封环会慢慢失效。因此需要一年更换一次。

1.8固定分光器

一个元素对应一个分光器（图1.6），分光器固定在真空室周围。

本仪器采用聚光分光器，这种分光器使用弯晶。与使用平面晶体的平行光束测定法相比，聚光法能提高X射线的光强。聚光法原理可用图1.7描述。

①衍射晶体

②晶体固定架

③检测器固定架④检测器

⑤盖子

图1.6 固定分光器

图1.7 分光器原理

分光器从原理上讲包括3个部分：入射狭缝、出射狭缝和分光晶体。

这3个部分分布在罗兰圆上，罗兰圆由分光晶体的曲面决定。包含有各种元素特征波长的X射线光束从样品表面发射，经过入射狭缝照射到晶体表面。调整晶体角度的螺丝应该被拧紧，这样使晶体表面和两个狭缝形成的角度对称。那么只有特定波长的X射线会被反射到出射狭缝。其它波长的X射线不会被反射，或者即使反射也不会照射到出射狭缝。

nλ=2dsinθ[?]

式中：λ=被反射的波长

d=晶格间距，取决于晶体材料（原子平面间距）

θ=入射角和反射角

n=正整数，通常为1

假设波长为1/2λ、1/3λ、1/4λ的X射线，如果正整数又恰好为2、3、4，这种情况也是何以上等式。因此，这几条X射线也会被反射，并反射向同一出射狭缝。它们被称为高次线。在本仪器中，这些高次线会经过检测器和测量电路等方法消除掉。

对于每个元素的晶体的材料，应该选择对这种元素的特征波长具有较高反射率的晶体。有3种曲率型号。

每个元素对应使用的晶体型号在清单中有详细说明。

为了提高反射强度，晶体表面顺次排列，因此狭缝不是一条细线，而是有一定宽度（0.3-3mm）。如果狭缝的宽度增加，X射线光束的强度也会相应增强。但是如果增加狭缝宽度，会有干扰线反射进来。狭缝的宽度已经在仪器制造厂家设定好了，但是如果需要的话，也可以调整狭缝的宽度。

晶体的角度可以很容易地在调整程序中进行。（以后描述）

1.9扫描道

扫描道由初级入射狭缝、分光晶体、次级入射狭缝、闪烁检测器和驱动机械装置。

初级入射狭缝是固定的。分光晶体、次级入射狭缝、闪烁检测器以同样的角度转动。

图1.8 扫描道

本仪器主要使用密封式气体检测器。由于这种计数器不消耗气体，因此能节省很多费用。

计数管充以1×105Pa压力的惰性气体（Ne、Ar、Kr中的一种），中心线上有一根细金属丝。高压电源通过检测探针（计数管芯线引出头）向计数管提供大约2000V的正高压，在计数管的前端，有一个由轻金属制成的狭窄窗体，这种轻金属可以保证不吸收太多的X射线。检测探针和外露部分连接在信号放大电路上。

每当X射线光信号进入窗体，就会有一个电流波流进放大电路。通过计量电流波的数量（即X射线光信号数量），即可知X射线强度。电流波的高度与X 射线波长成反比。因此，如前所述，当高次线也进入时，波形将是叠加（重叠）在一起的。这种情况可以通过波高分布(PHD)电路消除。不过，高次线也不是总存在，事实上，虽然波长是固定的，电流波高度的波动还是在一定程度上取决于X射线光信号。波高是由波高测量程序（以后叙述）测量的。下面就是波高分布

图。

图1.9

另外，当X射线光信号进入计数管后，一些光信号形成了比正常波高低得多

的波形。结果，在波高分布曲线中就形成了逃逸峰。

图1.10

逃逸峰平均高度（Pe）与规则峰平均高度（Pn）的比为：

Pe/ Pn=[入射X射线能量-气体吸收边缘能量]/入射X射线能量

强度也会由于气体类型的不同而不同。逃逸峰也会当它们由X射线光信号形成时计数。

接下来描述检测效率。如果入射X射线的一部分被计数器窗体材料所吸收，或者在传递信号的过程中没有被密封气体检测到，那么检测效率就会降低。这些吸收和传输特性受窗体材料、气体和X射线波长影响，计数器显示特性曲线如下图。因此，在选择密封气体和窗体材料时必须注意，应该尽量提高目标检测波长的X射线的检测效率，同时减少高次线的干扰波长的检测效率，高次线可以被分离并减少到一定程度。

这就是物理分布。

图1.11 检测效率

本仪器中有各种型号的计数器，如下。它们都是为了尽量提高每个元素的检

但是，对于C、F和Na来说，它们的特征X射线会被金属窗体吸收。针对这种情况我们使用高分子材料制作的非常薄的薄膜来制作窗体。因此，对于这几种元素就使用流气正比计数管来检测，这种流气正比计数管里面有气体连续流动。计数器上连有气缸和气体管道。

流气正比计数器使用PR气（Ar90%+CH

10%的混合气体）。

4

在分光器里已经提到，下式为分光晶体条件X射线衍射式：

nλ=2dSinθ

整数n和波长λ为常数，但是晶层间距会随温度的升高而增大，因此为了使上式有效，λ为常数，反射角必须随d而改变。

因此，反射光线逐渐地从狭缝部位开始分开，X射线强度也会应为温度变化而变化。为了阻止这种情况发生，要求用户在分析室安装空调，同时仪器内部配置了温控系统，从而尽量减少分光器的温度波动。温控系统包括一个加热器和风扇组。CTX-16上的控制电路控制恒温，风扇送入的空气将使恒温得以实现。

晶体有很大的温度系数，所以，反射角很大的元素将很容易受温度影响。Al，Si，S，K，Ca都属于这类元素，因此测温探头一般固定在这些元素的分光器附近。我们通常建议用户安装空调，使分析室温度保持在23℃±5℃，同时也要保证仪器的通风量不变。

根据分析室的环境条件，仪器的内部温度应该设定在30-35℃范围内。

1.12送样装置

装有样品的试样盒由送样装置将其从仪器试样台传送入仪器，接着试样盒就被嵌入X光管正下方的试样台。即使在传送的过程中，试样台（图1.12①）也会在送样装置连接系统的控制下始终保持水平。当试样台开始离开仪器试样平台进入仪器内部时，试样槽周围的保护装置被弹簧弹起，以防止试样盒滑落。

试样台上安装有旋转马达（使试样旋转）和减速齿轮，试样槽就在齿轮头的末端旋转。齿轮头传动轴由一个密封件真空密封。当试样盒被置于试样室时，会有一个位于试样槽下方的弹簧将其紧压在旋转器上，以确保其在适当位置。紧靠试样室的试样台的位置可由螺钉⑦、⑧、⑨校准。连接系统由带有涡轮的驱动轴驱动。在送样装置到达试样室前瞬间或返回仪器试样台时，信号就会由微动开关检测到并送出，之后驱动马达的开关就会被断开。

齿轮和涡轮之间的间隙可由涡轮调整机构调解。

①试样台

②试样槽

③保护装置

④旋转马达

⑤旋转销

⑥弹簧

⑦螺钉

⑧螺钉

⑨螺钉

⑩涡轮

○11驱动轴

○

12微动开关

○

13微动开关

○

14驱动马达

○15涡轮调整机构图1.12 送样装置

1.13真空抽气管路

真空抽气管路（图1.13）安装在仪器的左下部。

真空抽气管路主要包括真空泵、真空室阀、试样室阀和试样室泄漏阀。

试样室阀和试样室泄漏阀的开关是按照分析操作状态而动作的，他们负责预抽空和将空气泄放到试样室。真空室阀通常是打开的，以维持真空室的真空状态。除非当试样室阀打开时，为了阻止气体倒流，才将它临时关闭。

真空传感器（皮拉尼计）安装在真空管路上，用于检测真空和控制操作。

当操作中止（暂停）时，真空泵可以阻止真空泵油倒流。但是，作为一项预防措施，以上提到的阀门在断电停机时会被全部关闭，而在断电停机时泄漏阀全被打开，以便让空气从真空泵的吸气端进入。这样就能阻止真空泵油倒流。

还有一个真空稳定阀，它是保持分析过程中真空度为一常数。这个装置是从真空感应器获取电流信号，来控制泄漏阀的打开或关闭动作，以稳定真空度。

图1.13真空抽气管路

1.14 试样盒

分析室试样是放在试样盒（图1.14）中。试样盒的盖子上表面是用螺钉固定起的掩蔽盖。试样在试样盒里用海绵或弹簧紧压在掩蔽盖上，使试样表面与盖子

上表面处于同一平面上。而且在试样盒的盖子上表面紧压在旋转装置的适当位置时，试样的表面也会处于一个固定的位置，不会受掩蔽盖的厚度的影响。

标准的试样掩蔽盖的内径是30mm，分光器的大小是专门设计的，以使测量时只有样品表面的直径在30mm之间的部分反射到分光器进行测量。因此，掩蔽盖的材料就不会影响到测量。但是直径小于30mm的掩蔽盖会由影响。

如果大量的海绵塞满内部，那么抽气将会花很长时间。所以，建议底部最好用固体材料填充。如果海绵塞的过多，就会花费过多时间来抽真空。对于薄片样品，用固体材料或弹簧将其顶起。如果海绵用来支撑比较软的样品，尤其是压块样品，样品的表面很可能在盖盖时被掩蔽盖损坏。使用弹簧能使样品和掩蔽盖在支撑台上一起转动，从而避免损坏样品表面。对于比较厚的试样可以使用适量的海绵。

如果试样粉末污染试样，可以在试样下面放一张纸。如果试样残留的粉末污染试样，换试样时应该清洗试样盒、掩蔽盖、支撑加外表面和海绵。

图1.14 试样盒

1.15 转盘

进样转盘一次能装载8个试样盒。停止位置传感器位于旋转圆板下面。当位置传感器检测到销子时，马达就会暂停一会。

①停止位置传感器

②旋转圆板

③销子

④传感器（自动进样时使用）图1.15转盘

1.16 流气检测器的气体配管

当需要用流气检测器来检测C或F等元素时，就需要配置流气检测器的气体配管。仪器后面装有一个6m3（大气压状态）的气缸。在一天24小时连续使用的情况下，可以使用4个月。气体是PR气（Ar90%+CH410%）。气瓶中的高压气体通过减压阀减压到20KPa（表压）。之后流经针形阀、流量计、压力表、检测器，之后通过密度稳定器下面的管子排出。流量是10-20mL/min。如果检测器内的气体密度变化，会引起脉冲高度变化，进而影响测量值。

气体密度稳定器可以精确地控制检测器的气体压力，使其处于大约110KPa （绝对压力），所以气体密度不会随大气压力和温度而变化。

①阀

②减压阀

③压力计④阀

⑤针形阀

⑥电磁阀

⑦流量计

⑧FPC检出器

⑨管路

⑩电磁阀

○11针形阀

○

12压力传感器图1.16流气检测器的气体配管

1.17 操作面板DPX-16

操作面板位于主机前面板的左侧，有以下功能：

图1.17操作面板DPX-16

①X射线功率控制显示和操作；

②扫描道显示和操作；