詳解X射線熒光光譜儀激發(fā)源的結(jié)構(gòu)

 

   激發(fā)元素產(chǎn)生特征X射線的機理是必須使原子內(nèi)層電子軌道產(chǎn)生電子空位。可使內(nèi)層軌道電子形式空穴的激發(fā)方式主要有以下幾種：帶電粒子激發(fā)、電磁輻射激發(fā)、內(nèi)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象和核衰變等。商用的X射線熒光光譜儀中，目前zui常用的激發(fā)源是電磁輻射激發(fā)。電磁輻射激發(fā)源主要用X射線管產(chǎn)生的原級X射線譜、誘發(fā)性核素衰變時產(chǎn)生的γ射線、電子俘獲和內(nèi)轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生X射線和同步輻射光源。

 

一、X射線管

 

   目前在波長色散譜儀中，高功率X射線管一般用端窗靶，功率3~4KW，其結(jié)構(gòu)示意圖如下：X光管本質(zhì)上是一個在高電壓下工作的二極管，包括一個發(fā)射電子的陰極和一個收集電子的陽極（即靶材），并密封在高真空的玻璃或陶瓷外殼內(nèi)。發(fā)射電子的陰極，一般由螺旋狀的燈絲組成，燈絲的材料是鎢絲。燈絲在一穩(wěn)定的燈絲電流加熱下發(fā)射電子，在燈絲周圍形成一定密度的電子云，電子在陽*壓作用，被加速飛向陽極，與陽極材料中原子相互作用，發(fā)射X射線。透射靶的陽極是緊貼鈹窗內(nèi)層，該陽極在電子束轟擊下所產(chǎn)生的X射線透過靶材和鈹窗射向試樣。而端窗靶在電子束轟擊下所產(chǎn)生的X射線由靶材表面射出，通過鈹窗射向試樣。

 

   場致發(fā)射X射線管是一種冷陰極管，它用針尖（鋼針）形成冷場致發(fā)射陰極在高電場強度下發(fā)射電子，而不是用加熱燈絲來發(fā)射電子，它產(chǎn)生的X射線強度比其他類型的X光管低，但仍較發(fā)射性核素要強，具有不需要冷卻水、安全和壽命長的優(yōu)點，能量色散譜儀依然使用這種靶。

 

   綜上所述，X射線管應(yīng)具有哪下特點：（1）要求能連續(xù)地工作于較高的功率水平；（2）提供較大的X射線能量代謝，允許采用較大的焦斑和較大的窗口；（3）在保證X射線管使用壽命的情況下，窗用材料鈹片應(yīng)盡可能薄；（4）靶材純度要高，雜質(zhì)譜線的強度應(yīng)小于總強度的1%；（5）為滿足多種分析要求，可配備多種靶材供選擇，但端窗靶一般選用銠為陽極材料；（6）提供X射線管的高壓和管電流的高壓電源輸出穩(wěn)定，波長色散譜儀通常應(yīng)小于0.001%，能量色散譜儀應(yīng)在0.1%~0.02%之間。

 

二、高壓發(fā)生器

 

    高壓發(fā)生器的穩(wěn)定性是譜儀性能的主要指標(biāo)之一。商用的譜儀高壓發(fā)生器基本有以下三大類型。早期的采用高壓放大器穩(wěn)壓—自耦變壓器調(diào)壓—高壓變壓器變壓—高壓整流電路，這種電路現(xiàn)已不用。第二類高壓發(fā)生器，采用雙向可控硅、肪沖觸發(fā)電路—高壓變壓器升壓—高壓整流電路，這類電路的特點是整機體積小、重量輕，穩(wěn)定度一般可達0.002%。第三類是諧波調(diào)制電路，它的高壓控制采用300Hz以上的諧波控制調(diào)波信號，以觸發(fā)可控硅使之形成方波交流電源，經(jīng)變壓器件變壓，再整流為高壓直流電源供X光管使用。這種電路的穩(wěn)定性主要取決于電路直流電源的穩(wěn)定程度，外電源波動，只能輕微地影響直流電源并迅速得到響應(yīng)和校正。

 

三、放射性核素激發(fā)源

 

    放射性核素作為激發(fā)源主要用于現(xiàn)場和在線分析的能量色散譜儀，特別是低分辨率的能量色散譜儀。它的優(yōu)點是體積小、無需外電源，且所產(chǎn)生的射線接近于單色光便于選擇。要求激發(fā)源的半衰期應(yīng)足夠長，并能制成活度合適、均勻的小型放射源，并具有良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性，不會造成環(huán)境污染。常用的有軟γ射線源、X射線源和β-X射線源。其結(jié)構(gòu)上通常由源芯、防護層、出射窗和源外殼組成。形狀主要有點源、片源和環(huán)源三種。

 

四、同步輻射光源

 

    同步輻射是帶電粒子在磁場內(nèi)圓形軌道中以相對論速率運動時所產(chǎn)生的電磁輻射。該電磁輻射是沿帶電粒子運動軌跡的切線方向發(fā)射的，其發(fā)射率和軌道曲率半徑與粒子質(zhì)量的四次方之乘積成反比，所產(chǎn)生的同步輻射總功率為PSR=88.47E4eI/R一般情況下，其功率較大功率X射線管大4~5個數(shù)量級。同步輻射光子束的能量很寬，一般在紫外和X射線能量范圍內(nèi)，具有能量可調(diào)、亮度高等特點，而且具有偏振性好、方向可調(diào)等優(yōu)點。

 

五、質(zhì)子激發(fā)

 

    質(zhì)子激發(fā)是和加速器產(chǎn)生的MeV量級的高能質(zhì)子，從而激發(fā)出樣品原子殼層電子，產(chǎn)生空穴，原子外殼層電子填充空穴，釋放出特征X射線或俄歇電子。質(zhì)子激發(fā)在樣品中產(chǎn)生的軔致輻射強度較電致輻射要小很多，對大多數(shù)元素的檢測限達到ppm級。