X射線熒光光譜技術在地質分析中的應用研究

楊 蓉，宋 晉，盧 智

（西昌地礦檢測中心，四川 西昌 615000）

當待檢測物質被X射線照射的時候，其中的原子會產生次級X射線，相關人員通過對其中的物質成分和化學物態進行綜合性的分析，可以進一步達到待檢測物質當中所含元素的種類。現在我國的現代信息技術以及相關軟件的發展已經十分成熟，進而推動了X射線熒光光譜技術的發展[1]。

1 X射線熒光光譜分析法基本原理

利用X射線熒光光譜分析法進行地質分析，主要是通過將X射線照射到待檢測的樣品上，通過激發樣品當中元素原子的內層電子，進而逐出原子，進一步引發電子躍遷，并且釋放出該樣品元素的特征性X射線。該射線即為熒光。高能X射線與元素的原子發生碰撞的時候，被逐出的原子會離開，進而導致空穴的形成，為了填補這一空位，高能級電子層當中的電子會跑到這一空穴當中，該過程發生時會釋放出能量，被釋放出的能量會以核能的形式散發出去，進而形成了X射線熒光，高能級的電子層和低能級的電子層之間的能量差形成的X射線熒光的能量，這種能量對于元素來說，是特有的性質[2]。而X射線熒光光譜分析法主要有兩種分析方式，分別是定性分析方式和定量分析方式。定性分析方式主要利用的是測量按照能量不同所分開的混合X射線，再根據不同的能量區分元素的種類。而定量的分析方法利用的則是熒光X射線強度與元素的一一對應關系來確定元素的種類。下圖1為X射線測量示意圖。

2 X射線熒光光譜技術在地質分析當中的應用

（1）X射線熒光光譜技術在巖石礦物中主、次量元素測定方面的應用。當巖石礦物進行主、次量元素進行化學分析的時候，樣品的受污染程度會隨著前處理流程以及步驟的增加而增加，同時前流程處理以及步驟的增加還會導致測定程序更加復雜。巖石礦物中主、微量元素化學成分的分析是一項工作量龐大、耗時較長，同時操作繁瑣的工作，但是采用X射線熒光光譜法，再結合化學分析的方法，可以進一步使得對精密度要求較高的巖石全分析工作大大簡化，同時提升了檢測效果[3，4]。X射線熒光光譜分析技術在巖石和礦物主、次量元素分析當中的應用還依賴于硼酸鹽熔融制樣、基體效應的數學校正以及計算機應用的三項關鍵性技術方法的發展。現在，用X射線熒光光譜技術進行巖石所含元素的全分析已經在我國的地礦、冶金、建材、化工等部門得到了廣泛的應用，經過有關部門驗證證明，該方法的精密度和準確度良好，且對于有關部門質量管理規范的要求進行了有效地實施。為了進一步檢測巖石礦物當中主、次量元素，有關技術專家正在著手制定X射線熒光光譜測定硅酸鹽巖石類物質化學成分的標準方法。

圖1 X射線測量示意圖

（2）化學預富集以及X射線熒光光譜技術測定痕量元素。近幾年，全反射X射線熒光光譜技術在痕量以及超痕量元素的測定當中已經取得了較好的效果，但是進行痕量以及超痕量元素的測定時使用一般波長色散型或者能量色散型X射線熒光光譜儀，還需要將待測的痕量以及超痕量元素分離富集到特定的載體上進行測量。現階段，我國X射線熒光光譜技術分析涉及的化學預富集手段主要包括：共沉淀、活性炭吸附、活性炭紙吸附以及纖維素脂萃取薄膜等等。其中使用最成功的屬于我國試制的離子交換樹脂填充紙和纖維素脂微孔萃取膜手段，并且已經在X射線熒光光譜分析中的預富集中得到了良好的應用。用X射線熒光光譜技術進行化學預富集以及痕量元素的測定當中，有效地降低了檢出限。

（3）區域化探以及地球化學研究。現在我國許多巖礦測試中心等實驗室已經開始應用X射線熒光光譜技術，再結合粉末樣品壓片制樣的方法，進行多元素的測定。這種測定方法比起傳統的測定方法來說，具有更高的經濟效益、同時測定的速度更加準確，精密度也更高。現在我國已經不單單是利用X射線熒光光譜技術進行區域化探樣品的多元素測定，并且還為區域化探的數據處理開發了針對性的軟件。利用X射線熒光光譜技術進行測定，可以將區域化探要求測定的三十九種元素當中，測定數量達到二十四到二十六種以上，測定率高達百分之六十，每臺檢測儀器每年可以完成近萬件地質樣品的測定。更重要的是地球化學樣品的X射線熒光光譜法多元素測定的工作已經發展得較為成熟，這種測定方式主要較為完整，以測定多元素為主，再結合其它的測定方法的化探樣品分析方法，在我國得到了廣泛的應用，使得許多巖礦測定中心等實驗室取得了更高的經濟效益和社會效益。

（4）X射線熒光光譜技術在野外現場當中的應用。現在我國許多野外工作都用到了X射線熒光光譜技術，并且具有很明顯的優勢。我國已經研發了專業的、便攜式的X射線熒光光譜儀，并且一直被使用到野外現場的試驗研究當中。經過許多科學家不斷地研究和改進，現在我國的便攜式X射線熒光光譜儀的應用已經較為廣泛，獲得了較大的經濟效益和社會效益。在進行具體的測定工作的時候，首先要對元素以及元素組合的種類進行確定和分析。在進行工作區測網布置的時候，要按照一定的網度進行[5]。相對于其他的測定方法來說，X射線熒光光譜技術在進行野外測定的時候，現場的布置較快，同時成本較低、X射線的穿透深度以及作用的范圍較小，所以需要對測網采取相應的加密措施，而具體的加密程度，還需要根據不同的地址地礦、不同地區以及不同的勘探階段進行針對性的設計。同時在進行測定的時候，為了保證測量數據的可靠性，需要保證所選擇的測點具有一定的可信程度，避免由于地質的原因影響到最終測定結果的準確程度。

3 X射線熒光光譜新技術的發展以及應用

（1）偏振X射線激發光譜分析技術。偏振X射線激發光譜分析技術最開始是從二十世紀發展起來的多元素的主、次、痕量元素的分析技術，通常采用的是X射線管源和半導體探測器。在進行探測的時候，X射線管產生的射線經過偏振靶的作用之后，作為激光發源照射到樣品上。偏振X射線激發光譜分析技術的儀器主要是由三條軸線構成的，分別是X射線管和偏振靶、樣品和探測器、偏振靶和樣品，同時采用了特殊的結構。該儀器采用的幾何構成形式可以大大降低彈性和非彈性散射X光子造成的探測本底，進而提高信比和背比，同時還可以降低檢出限。更重要的是，偏振激發源同時還具有一定的選擇激發效應，在用于分析主、次、痕量多種元素時速度較快，甚至可以分析納到鈾的所有元素。

（2）痕量和超痕量元素的測定。現在我國已經開發研制出一般波長色散型或者能量色散型X射線熒光光譜儀，可以用于痕量和超痕量元素的測定。痕量元素主要指的是在巖石或者礦物中的含量在百分之一或者百分之零點一以下的元素，其含量的單位通常用10exp-6或10exp-9進行表示。一般情況下，進行痕量和超痕量元素測定的時候需要將待測的元素分離富集到某種適當的載體上，主要用到的儀器是全反射熒光光譜儀。全反射熒光光譜儀主要是由X射線發生器、切割過濾器、樣品支座、探測器以及數據處理系統組成的，近幾年以來該儀器最大的改進在于在X射線第二準直器與樣品支座之間增加了一個高能切割過濾器。在改造之前，樣品和支座所散射的韌致輻射會增加背景。X射線管所發射的多色輻射往往不適宜直接用于激發樣品，進而需要增加一個切割過濾器，從而割去高能韌致輻射。下圖為高能切割結構，其中a是高能切割的物理幾何原理，b是技術改造，而c則表示了光譜與能量的關系。使用全反射熒光光譜儀進行痕量以及超痕量元素的測量，進一步降低了檢出限，提高了選擇性，同時擴大了分析的范圍。

4 結語

X射線熒光光譜技術是我國分析地質樣品當中較為先進的方法，并且其操作方式更加簡便，成本更低，在我國地質分析當中得到了廣泛的應用。現在我國的信息技術以及軟件技術不斷發展，X射線熒光光譜分析技術也得到了相應的提升，其不僅僅提高了地質樣品檢測的準確程度，同時還提升了相關實驗室的經濟效益和社會效益。