南京大学-X射线荧光光谱分析实验报告

X 荧光分析

一．实验目的

1．了解能量色散X 荧光分析的原理、仪器构成和基本测量、分析方法。 2．验证莫塞莱定律，并从实验推出屏蔽常数。

3．研究对多道分析器的定标，以及利用X 荧光分析测量位未知样品成分及相对含量的方法。

二．实验原理

以一定能量的光子、电子、原子、α粒子或其它离子轰击样品，将物质原子中的内壳层电子击出，产生电子空位，原子处于激发态。外壳层电子向内壳层跃迁，填补内壳层电子空位，同时释放出跃迁能量，原子回到基态。跃迁能量以特征X 射线形式释放，或能量转移给另一个轨道电子，使该电子发射出来，即俄歇电子发射。测出特征X 射线能谱，即可确定所测样品中元素种类和含量。

特征曲线X 射线根据跃迁后电子所处能级可以分为,,K L M 系等；根据电子跃迁前所在能级又可分为βαγβαL L K K K ,,,,等不同谱线。特征X 谱线的的能量为两壳层电子结合能之差。因此，所有元素的,K L 系特征X 射线能量在几千电子伏到几十千电子伏之间。X 荧光分析中激发X 射线的方式一般有三种：

（1）用质子、α粒子等离子激发

（2）用电子激发；

（3）用X射线或低能γ射线激发。我们实验室采用X射线激发（XIX技术），用放射性同位素作为激发源的X光管。

XIX技术中，入射光子除与样品中原子发生光电作用产生内壳层空位外，还可以发生相干散射和非相干散射（康普顿散射），这些散射光子进入探测器，形成XIX分析中的散射本底。另外，样品中激发出的光电子又会产生轫致辐射，但这产生的本底比散射光子本底小得多，且能量也较低，一般在3keV以下。所以XIX能谱特征是：特征X射线峰叠加在散射光子峰之间的平坦的连续本底谱上。如图1能谱示意图所示。

图一：能谱示意图

测量特征X射线常用()

Si Li探测器，它的能量分辨率高，适用于多元素同时分析，也可选用()

Ge Li或高纯Ge探测器，但均价格昂贵。

在X荧光分析中，对于轻元素（一般指45

Z<的元素）通常测其KX射线，对于重元素（45

Z>的元素），因其KX射线能量较高且比LX射线强度弱，

常测其LX 射线，这样测量的特征X 射线能量一般在20keV 以下。正比计数管在此能量范围，探测效率较高，其能量分辨率虽比()Si Li 探测器差，但远好于()NaI TI 闪烁探测器，质量好的正比管5.89keV 处分辨率优于15%，能满足学生实验的需要。

X 荧光分析可以同时测出样品中所含元素种类和各元素绝对或相对含

量。所含元素种类可以由测出的特征X 射线能量与已知的各元素特征X 射线能量值相对照识别出来。 元素的绝对含量可由下式计算：

00

4i i i N A W n TN σεπ

=

Ω

其中Ni 为所测元素的一个特征峰计数（扣除本底后的峰面积），A 为该元素的原子量，0n 为入射粒子数，i σ为特征X 射线产生截面，i 表示KX 射线或LX 射线，i ε为探测该特征峰处的效率、T 为该特征X 射线在样品中的透射率，对薄样品近似为1。0

N 为阿伏伽德罗常数，Ω为探测器对样品所强

立体角。样品中,A B 两种元素的含量比可由下式计算：

A A

B B

A i j j

B

B B A A j i i

N A W W N A σεσε= 样品中元素的含量亦可以根据前述标准样品测得的定标曲线，用同样测试时间比较测出。

对峰重迭的谱，需要用曲线（常用高斯线）拟合法，算出峰面积,i j N N 。

1913年莫塞莱发现元素的特征X 射线频率ν与原子序数Z 有下列关系：

=-

AZ B

式中,A B是常数；对一定范围内的元素，,A B不随Z改变。

三．实验仪器

射线源，探测器，计算机，多种样品

四．实验内容

1．X荧光分析仪能量-道址关系。

可以选一组特征X射线峰相隔较远，峰不重迭的元素，以不同的相对含量制成一组样品，在与测试样品相同的几何条件下，测出各元素的特征X射线峰所在的道址和相应的计数。由特征X射线能量数据表查出标样中各元素特征X射线的能量，作出能量一道址曲线。

2．验证莫塞茉定律

用数种纯金属样品，测出它们的特征X射线能量，验证满足上述关系

AZ B

=-

3．样品测量。

X荧光分析可以同时测出样品中所含元素种类和各元素绝对含量。元素绝

对含量可由下式计算：

00

4i i i N A W n TN σεπ

=

Ω

样品中,A B 两种元素的含量比可由下式计算：

A A

B B

A i j j

B

B B A A j i i

N A W W N A σεσε= 通过测量样品的特征X 射线能量来判断样品中的元素成分

五．数据处理

1．对多种材料的X 荧光分析实验数据如下：

23Y O 327 14.9584 1K α 2TiO

93 4.51084

1K α

1元硬币 156 1毛硬币 132 5毛硬币

170

表一：X 荧光分析实验数据

2．由表中已知元素的数据画出能量-道址图像，如下：

图二：能量-道址关系图像

对图像做线性拟合得到的一些参数为：

参数 拟合结果 95%置信区间

斜率 0.0448 0.04401, 0.0456 截距 0.4379 0.2546, 0.6212

线性相关系数

99.96%

表二：能量-道址关系拟合结果

故能量E 与道址N 之间的关系表达式为：

0.04480.4379E N keV =+

3．确定莫塞莱关系式中的常数

莫塞莱关系AZ B ν=-，而E h ν=，若令C hA =，D hB =，则有

E CZ D =-

由表一中轻元素（,,,,Fe Cu Zn Y Mo ）的数据做出E Z -的图像，并且进行