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X射线荧光光谱(XRF)技术全解析:原理、仪器类型与跨领域应用

更新时间:2025-03-07      点击次数:120

技术原理与物理基础

  1. 光电激发与弛豫过程
    当高能X射线(或γ射线)轰击样品时,其能量若超过原子内层电子结合能(如K层、L层),将导致电子电离并形成空位。激发态原子通过外层电子跃迁填补空位时,释放特征X射线(荧光辐射),其能量等于两电子轨道能级差(ΔE=hv),遵循莫塞莱定律:

(λ为特征X射线波长,Z为原子序数,k、σ为修正系数)

  1. 元素指纹识别
    每种元素形成元素指纹谱,实现ppm级(0.0001%)至百分含量范围的精准定性/定量分析。


仪器系统架构

核心组件功能描述
激发源高压X射线管(Rh靶/Ag靶,功率50-100 W)或放射性同位素源(如⁵⁵Fe、¹⁰⁹Cd)
样品室多轴可调样品台,支持直径1-50 mm样品,配备He气吹扫系统降低轻元素吸收
探测系统硅漂移探测器(SDD,能量分辨率<130 eV)或比例计数器
数据处理系统多道脉冲高度分析器(MCA)结合FP法/经验系数法解谱

技术类型对比

参数能量色散型XRF(ED-XRF)波长色散型XRF(WD-XRF)
分光原理直接测量X射线能量晶体分光测量X射线波长
探测器半导体探测器(SDD)流气式正比计数器+分光晶体
分辨率中等(~150 eV)高(~5 eV)
检测速度快速(秒级)较慢(分钟级)
典型应用现场快速筛查、多元素同时分析实验室高精度分析、重元素检测

跨行业应用矩阵

领域典型检测对象关键指标
冶金工业304/316不锈钢Cr/Ni/Mo含量牌号鉴别 误差小于0.5 wt%
环境监测土壤中Pb/Cd/As污染浓度检出限:2-10 ppm(重金属)
电子制造焊料Sn-Ag-Cu合金比例厚度分析精度±0.1 μm
考古鉴定青铜器Cu-Sn-Pb三元组分非破坏检测,支持μ-XRF微区分析
珠宝检测贵金属纯度(Au750/Au916)表层镀层识别能力达10 nm

技术优势与局限

核心优势

技术局限


标准化操作要点

  1. 样品制备

    • 金属块体:碳化钨砂纸打磨至Ra<0.8 μm

    • 粉末样品:硼酸镶边压片(压力>20吨)

    • 液体样品:6 μm聚酯膜密封防挥发

  2. 仪器校准

    • 每日开机执行能量校准(Cu-Kα=8.04 keV)

    • 每周验证检出限(NIST SRM 610标样)

    • 每季度检查重复性(RSD<1.5%)

  3. 辐射安全

    • 铅屏蔽体(≥2 mm铅当量)

    • 实时剂量监控(工作区<2.5 μSv/h)

    • 操作员佩戴TLD个人剂量计

 


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