X射线荧光光谱分析技术系列讲座 | 散射线的意义与作用
发布日期:2024-04-28 14:32:49

以下文章来源于布鲁克X射线部门




在X射线荧光光谱分析技术中,了解X射线散射现象的机理,可以帮助理解X射线光谱图。同时,可以通过优化测量参数来减小散射线对测量结果的影响;还可以利用散射线信号来校正基体效应。
从X射线光管射出的原级X射线射到样品上,与样品发生相互作用,原级X射线会被样品吸收和散射:
  • 吸收。部分被吸收的X射线激发了样品中原子的内层电子,从而释放出X射线荧光,即某个元素的特征谱线。
  • 散射包括2种:
  • 弹性散射,或称瑞利散射(Rayleigh Scattering)

  • 非弹性散射,或称康普顿散射(Compton Scattering)



利散射
  • 根据经典电动力学理论,在入射X射线的交变电磁场作用下,原子中的电子受迫振动,会辐射出次级辐射。这种次级辐射产生的X射线与入射X射线的能量(波长)相同,即不变质散射(弹性散射)。重元素的核外电子多,容易产生瑞利散射。因此,一个重元素为主的样品,瑞利散射线比较明显。
  • 瑞利散射是X射线衍射的物理基础。


康普顿散射
  • 入射的X射线光子与原子的外层电子发生碰撞,光子将一部分能量传递给电子,使之获得一定的能量,成为散射电子。而入射的X射线碰撞后,能量减小并改变方向,即变质散射(非弹性散射)。轻元素的外层电子结合能小,容易产生康普顿散射。因此一个轻元素为主的样品,康普顿散射线比较明显。


↑ Compton (康普顿)



石墨样品的X射线光谱图:






位于光管上方的滤光片可以减小散射线的影响。

  • 200µm或300µm厚的Cu滤光片可以吸收Rh靶特征谱线,消除Rh的特征谱线散射线对Rh附近元素(Ru、Rh、Pd、Ag、Cd)的干扰。
  • 不同厚度的Al滤光片可以吸收光管轫致辐射(连续谱),减小散射线的信号,降低背景,改善微量元素的检出限。



于X射线荧光光谱分析,散射线不全是负面影响。散射线信号的强弱与样品的基体(元素组成)相关,利用散射线的这个特性,散射线(尤其是康普顿散射线)可应用于:
  • 在测量轻基体中的痕量重元素时,可以将Rh Kα的康普顿散射线作为内标线,来校正基体效应。地质矿产行业标准“DZ/T 0279.1-2016 区域地球化学样品分析方法 第1部分:三氧化二铝等24个成分量测定 粉末压片-X射线荧光光谱法”,建议用Rh靶康普顿散射线校正多个元素的元素间的基体效应。
  • 无标样定量分析方法
  • 分析结果的可靠性判据

  • 拟合轻基体的化合物分子式




  • 顿比率(Compton Ratio),通过样品中各元素的浓度计算出理论康普顿线强度,将这个理论强度与实测的强度进行比较。


  • 可以通过计算康普顿比率来判断无标样定量分析结果的可靠性。康普顿比率接近1,说明本次无标样分析结果较可靠。一般来说,当比率在0.7~1.4之间,可以认为该比率比较接近1。
  • 如果理论强度与实测强度相差较大,比率大于1,说明样品的平均原子序数偏小,即这次分析的基体偏轻;比率小于1,说明样品的平均原子序数偏大,即基体偏重。


康普顿散射线对轻元素敏感
  • 轻基体中C、H、O、N的含量不同,康普顿散射线的强度有明显变化。




元素分析是X射线荧光光谱分析技术的弱项。
  • XRF不能分析H、He、Li。
  • 超轻元素Be、B、C、N、O,由于荧光产额低,特征谱线的能量小,受样品表面状态的影响大,不容易测量准确。

采用无标样定量分析方法分析有机样品时,如果不知道该有机物的分子式,可以通过拟合有机物的分子式,或样品中C、H、O、N等轻元素的含量,以使康普顿比率接近1:

  • 可以获得相对准确的有机物分子式,提高基体效应校正的准确性。

  • 可以拟合有机物中O的含量。