X熒光分析儀的分光系統的結構及原理

分光系統是波長(cháng)色散型X射線(xiàn)熒光光譜儀的重要部件，它由分光晶體及傳動(dòng)機構、限高光欄、準直鏡和衰減器等器件組成。其中主要的器件是晶體分光器，它的作用是通過(guò)晶體衍射把不同波長(cháng)的X射線(xiàn)分開(kāi)。

一、分光晶體

分光晶體是晶體分光系統的核心部件，為了獲得較好的分析效果，晶體的選擇是十分重要的。分光晶體相當于光學(xué)光譜儀中棱鏡和光柵，X射線(xiàn)區域之所以不能使用棱鏡或光柵作為的分光單元，是因為X射線(xiàn)的波長(cháng)短、能量大、穿透力強、幾乎不發(fā)生折射。

晶體分光的原理是根據布拉格衍射定律2dsinθ=mλ，當波長(cháng)為λ的X射線(xiàn)以θ角射到晶體時(shí)，如果晶面間距為d，則在出射角為θ的方向可以觀(guān)測到波長(cháng)為λ=2dsinθ的一級衍射及波長(cháng)為λ/2、λ/3、… 高級次衍射。改變θ角，可以觀(guān)測到其他波長(cháng)的X射線(xiàn)，從而使不同波長(cháng)的X射線(xiàn)得以分開(kāi)。

大部分分光晶體為無(wú)機或有機鹽類(lèi)單晶，也可使用人造多晶膜晶體。不同的分光晶體的2d值及適用范圍也不同。分光晶體選用時(shí)應考慮以下因素：

1）衍射強度高

分光晶體的低級次線(xiàn)的衍射強度一般大于高一次級次線(xiàn)，衍射強度也隨波長(cháng)而變化。晶體表面的光潔度、晶體結構的完整性、晶體的不同晶面都會(huì )影響衍射強度。

2）分辨率高，利于減少譜線(xiàn)干擾

分辨率是指分光晶體能分開(kāi)或辨別兩條波長(cháng)十分相近譜線(xiàn)的能力。同一晶體的不同晶面會(huì )有不同的分辨率，一般選用高分辨率的晶體和晶面。分辨率同時(shí)受角色散率和發(fā)散度的影響。

角色散率(dθ/dλ)是指兩條譜線(xiàn)的2θ角分開(kāi)的程度。由布拉格方程微分得到：

dθ/dλ=m/(2dcosθ)=tano/λ

由上式可見(jiàn)，2d較小的晶體角色散率大，分辨率也高，當m>1時(shí)，高級次的分辨率比一級線(xiàn)的高。

發(fā)散度是指譜峰寬度，可用譜線(xiàn)的半峰寬來(lái)度量。兩相鄰的譜線(xiàn)譜峰越寬越難分辨。

 3）信噪比高

信噪比是指信號與噪聲的比值，一般選用信噪比高的晶體。

4）溫度效應小

一般地，隨衍射角的增大，晶體的熱膨脹系數對譜峰位移的影響也將增大。所選晶體應是受溫度、濕度影響小的。

 二、晶體分光系統

晶體分光系統可按晶體類(lèi)型分為平面晶體分光系統和曲面晶體分光系統兩類(lèi)。平面晶體色散法中，由樣品上每一點(diǎn)發(fā)射出來(lái)的各種波長(cháng)的X射線(xiàn)入射到給定的晶體，由于樣品上同一點(diǎn)發(fā)射出來(lái)，并從其他方向入射到晶面上的同一波長(cháng)譜線(xiàn)，不符合布拉格定律而不被衍射。曲面晶體的曲率允許側向發(fā)射的同一波長(cháng)譜線(xiàn)以同樣的布拉格角入射到晶面，這樣就有更多的同一波長(cháng)的譜線(xiàn)同時(shí)在晶體上受到衍射，且受衍射的譜線(xiàn)會(huì )聚到同一條線(xiàn)或一個(gè)點(diǎn)上起到“強聚焦”效果。

 1）平面晶體分光系統

平面晶體構成的分光系統結構簡(jiǎn)單，晶體不需要特殊磨制，一般用于掃描型X射線(xiàn)熒光光譜儀。其系統主要由X射線(xiàn)管（激發(fā)源）、分光晶體、準直器、檢測器組成。由于使用了準直器，衰減了X熒光的強度，是有些元素如Na和Mg等幾乎不能用其獲得準確的分析結果。

2）曲面晶體分光系統

與平面晶體分光系統相比，曲面晶體分光系統具有強聚焦的能力。衍射強度和分辨率都比平面晶體分光系統好。其有兩種比較典型的曲率方案：全聚焦法和對數螺線(xiàn)法。

①全聚焦法光路設計較簡(jiǎn)單，焦距效果好，且系統結構簡(jiǎn)單，無(wú)需前后準直器。但是晶體的磨制、彎曲和黏貼難度大，不能適用于所有晶體。

②對數螺線(xiàn)法的分光光路設計是使X射線(xiàn)聚焦在一個(gè)很小的區域，比平面晶體的強度遠高很多。且對數螺線(xiàn)法的光路設計幾乎適用于所有的晶體，晶體及晶體架的加工簡(jiǎn)單，但是數學(xué)模型較復雜。

 三、分光機構

分光晶體被安裝在精密控制的旋轉裝置上，由于試樣位置是固定的，為檢測到試樣發(fā)出的波長(cháng)為λ的熒光X射線(xiàn)，分光晶體轉動(dòng)θ角，檢測器必須轉動(dòng)2θ角。