X射線熒光光譜在地質(zhì)測(cè)試中的應(yīng)用

趙翔

摘要：X射線熒光光譜技術(shù)在地質(zhì)測(cè)試中能有效提高對(duì)地質(zhì)樣品多種元素的測(cè)試效果，檢測(cè)精準(zhǔn)度和檢出限較高，符合國(guó)家關(guān)于地質(zhì)樣品檢測(cè)的要求，操作便捷不會(huì)對(duì)測(cè)試樣品造成破壞，因此得到廣泛應(yīng)用。本文對(duì)X射線熒光光譜技術(shù)的工作原理進(jìn)行分析，探討了優(yōu)化其應(yīng)用于地質(zhì)測(cè)試中的對(duì)策和方法，通過(guò)具有針對(duì)性的實(shí)踐建議，旨在促進(jìn)地質(zhì)找礦工作取得更好成果，為國(guó)家資源發(fā)展建設(shè)作出更大貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：X射線;熒光光譜;地質(zhì)測(cè)試;應(yīng)用

地質(zhì)勘察技術(shù)尋找礦藏時(shí)，地質(zhì)測(cè)試技術(shù)是通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)為準(zhǔn)確找到礦藏提供最直接的技術(shù)支撐。常用地質(zhì)找礦中的檢測(cè)方法和儀器較多，常見的是容量法、重量發(fā)和比色法等。在現(xiàn)代儀器儀表快速發(fā)展背景下，X射線熒光光譜儀成為現(xiàn)代地質(zhì)找礦中較先進(jìn)的高科技儀器設(shè)備，具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為地質(zhì)測(cè)試方法非常可靠的技術(shù)補(bǔ)充和支撐。本文對(duì)X射線熒光光譜作為分析技術(shù)的工作原理進(jìn)行分析，探討了優(yōu)化其應(yīng)用于地質(zhì)測(cè)試中的對(duì)策和方法。

1 X射線熒光光譜概述

1.1 X射線熒光光譜技術(shù)工作原理

X射線熒光光譜技術(shù)是利用X射線對(duì)地質(zhì)樣品進(jìn)行照射，從而激發(fā)樣品中元素內(nèi)部的電子，并進(jìn)行驅(qū)逐電子引發(fā)電子躍遷，從而釋放出體現(xiàn)該樣品元素特征的X射線。這種X射線也被稱之為熒光。X射線熒光的產(chǎn)生，是因?yàn)閄射線在和樣品元素原子發(fā)生碰撞，逐出原子后就會(huì)在原子位置上形成空穴，此時(shí)高能級(jí)的電子會(huì)進(jìn)入這些空穴進(jìn)行填補(bǔ)，在這過(guò)程中高能級(jí)電子會(huì)釋放以核能為形式的能量，這些能量就形成了X射線熒光。X射線熒光的能量差別來(lái)自高能級(jí)電子和低能級(jí)電子層之間的差距，這種能量差別就是元素所特有的指標(biāo)。目前，X射線熒光光譜技術(shù)采用定量和定性兩種分析方法。定性分方法的原理是測(cè)量不同能量的混合X射線，之后依據(jù)能量的不同來(lái)區(qū)別元素種類。定量分析法式利用X射線熒光的強(qiáng)度和元素的匹配程度來(lái)確定元素的種類。

1.2 X射線熒光光譜技術(shù)工作優(yōu)勢(shì)

一是 X射線熒光光譜技術(shù)的檢查過(guò)程比較簡(jiǎn)單，只需要對(duì)樣品進(jìn)行射線照射，不會(huì)對(duì)樣品造成完整性損傷。二是 X射線熒光光譜技術(shù)的分析效率很高，檢測(cè)限通常在10-6區(qū)間時(shí)能達(dá)到百分之百，并能利用富集預(yù)處理讓檢測(cè)限達(dá)到10-8。三是 X射線熒光光譜技術(shù)的檢查精度高，不會(huì)受到外界干擾而降低精度。四是 X射線熒光光譜儀器比較小巧，通常是手提式，使用成本低，非常便于野外測(cè)繪工作者使用。以上的工作優(yōu)勢(shì)受到野外勘探測(cè)試工作的歡迎，在工作中得到了比較廣泛的應(yīng)用。

2 X射線熒光光譜技術(shù)的發(fā)展及儀器分析

2.1 X射線熒光光譜技術(shù)的發(fā)展

X射線熒光光譜技術(shù)誕生于X射線被發(fā)現(xiàn)后的50年后，德國(guó)、法國(guó)和美國(guó)的學(xué)者先后于上個(gè)世紀(jì)的50-60年代，研制出了商業(yè)用的X射線熒光光譜儀器。在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展下，X射線熒光光譜儀器在進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，已經(jīng)朝著自動(dòng)智能、專業(yè)集成和小型輕便的方向發(fā)展，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。

2.2 X射線熒光光譜儀器的組成

X射線熒光光譜儀器是由 X射線的發(fā)生系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、樣品傳輸系統(tǒng)和分光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)、控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等多部分組成。主要的元件是：第一，X射線發(fā)生器和光管。該元件是X射線熒光光譜儀的核心元件，直接影響儀器的整體性能，高壓發(fā)生器和光管的穩(wěn)定性、靈敏度決定了X射線熒光光譜儀器的應(yīng)用范圍。X射線高壓發(fā)生器的作用是轉(zhuǎn)換外部輸入的交流電源為直流電源，為X射線管發(fā)生光電效應(yīng)提供電能。上世紀(jì)末期，中頻、高頻和超高頻高壓發(fā)生器的研制成功，替代了早期的整流發(fā)生器和恒電位發(fā)生器，讓X射線高壓發(fā)生器的工作性能更加穩(wěn)定高效。第二，準(zhǔn)直器。該元件是由具有緊密間距的平滑金屬片組成，金屬片之間的距離，決定了準(zhǔn)直器的型號(hào)，一般有100-150-450等類型可供選用。現(xiàn)代準(zhǔn)直器已經(jīng)發(fā)展為組合型，以適應(yīng)不同用戶對(duì)分辨率和靈敏度的需要。其中比較有特點(diǎn)的是超粗、超細(xì)型準(zhǔn)直器，能實(shí)現(xiàn)對(duì)輕元素的高精度測(cè)量，提高了對(duì)痕量元素的分辨效果。第三，測(cè)角儀。采用機(jī)械齒輪傳動(dòng)原理的測(cè)角儀和準(zhǔn)直器共同組成分光和測(cè)量系統(tǒng)。現(xiàn)代測(cè)角儀已經(jīng)采用光學(xué)定位傳感器和摩爾系統(tǒng)光學(xué)編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，測(cè)量精度相比傳統(tǒng)機(jī)械原理的測(cè)角儀有了一個(gè)數(shù)量級(jí)精度的提高，傳動(dòng)速度是原來(lái)機(jī)械式測(cè)角儀的數(shù)倍。第四，分光晶體。作為X射線熒光光譜儀的主要色散元件，功能是利用布拉格衍射定理對(duì)樣品中的元素進(jìn)行探測(cè)。選用的晶體如果衍射強(qiáng)度大，就會(huì)分辨率比較好，但信噪比會(huì)增加，在溫度、濕度變化下不會(huì)有高級(jí)衍射干擾產(chǎn)生，具有較為合適的探測(cè)波長(zhǎng)范圍。第五，探測(cè)器。是用來(lái)改變探測(cè)能量形式或大小的裝置，可以把檢測(cè)中的光子信號(hào)轉(zhuǎn)化成為用來(lái)計(jì)量測(cè)定的電脈沖信號(hào)。常見的探測(cè)器有流氣式、封閉式、閃爍式等正比計(jì)數(shù)器類型。X射線計(jì)數(shù)效率和分辨率是評(píng)價(jià)探測(cè)器性能的主要指標(biāo)。

3 X射線熒光光譜技術(shù)在地質(zhì)測(cè)試中的應(yīng)用建議

3.1在區(qū)域地質(zhì)勘察中應(yīng)用

利用 X射線熒光光譜儀器對(duì)地質(zhì)勘察中采集的樣品粉末進(jìn)行多元素測(cè)定非常便捷，能快準(zhǔn)確、高精度地得到檢測(cè)結(jié)果。對(duì)于不同區(qū)域的地質(zhì)勘察樣品，能利用專業(yè)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提高了分析準(zhǔn)確性和效率。通常區(qū)域化測(cè)試中需要測(cè)定39種不同的元素，而X射線熒光光譜儀就能對(duì)其中的26種進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定。目前X射線熒光光譜儀進(jìn)行測(cè)定工作流程比較完整，在結(jié)合其他化學(xué)探樣品分析方法后，多元素測(cè)定的效果很好，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。

3.2在巖石礦物主微量元素測(cè)定中應(yīng)用

在巖石礦物的主微量元素的化學(xué)分析工作中，X射線熒光光譜儀結(jié)合化學(xué)分析方法能有效降低傳統(tǒng)檢測(cè)工作量大、時(shí)間長(zhǎng)、任務(wù)重的難題，簡(jiǎn)化了分析過(guò)程，保證了測(cè)定精度。在上世紀(jì)70年代以后，學(xué)術(shù)界先后攻克了主微量元素測(cè)定中的機(jī)體效應(yīng)數(shù)學(xué)校正、硼酸鹽融制和計(jì)算機(jī)應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，為X射線熒光光譜儀的廣泛應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)巖石礦物主微量元素測(cè)定主要是采用熔融法進(jìn)行，能準(zhǔn)確測(cè)定出硅酸鹽巖石中的30種主微量元素情況。

3.3在礦石礦物分析中的應(yīng)用

X射線熒光光譜技術(shù)應(yīng)用于稀土礦石中一些微量元素的定量定性分析已經(jīng)取得了很好的效果，比如能對(duì)閃鋅礦、黃銅礦、輝鉬礦等有色金屬、黑色精神、稀有金屬和非金屬礦進(jìn)行分析應(yīng)用，測(cè)定速度快而精度有保證。利用X射線熒光光譜技術(shù)對(duì)巖石、土壤和水系沉積物等一些粉末狀物質(zhì)的均勻性檢測(cè)，也顯示具有良好的精度和可靠性。

3.4在野外測(cè)繪現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用

X射線熒光光譜技術(shù)在野外測(cè)繪現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用分析優(yōu)勢(shì)比較顯著。上世紀(jì)國(guó)內(nèi)研制出的便攜式X射線熒光光譜儀器XRF在野外試驗(yàn)成功后，進(jìn)行多次改型，已經(jīng)獲得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)目前主要是研發(fā)和應(yīng)用微信計(jì)算機(jī)為核心的便攜式X射線熒光光譜儀，以滿足野外測(cè)繪現(xiàn)場(chǎng)工作條件較差，對(duì)操作要求比較高的需求。

X射線熒光光譜技術(shù)在地質(zhì)測(cè)試中的應(yīng)用將適應(yīng)當(dāng)今儀器儀表小型專業(yè)化、多功能智能化的發(fā)展方向，圍繞提高精度、靈敏度，拓寬應(yīng)用范圍進(jìn)行不斷的創(chuàng)新實(shí)踐。

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