波長色散X射線熒光光譜儀在地質實驗測試中的應用技巧分析

摘要：隨著科技的進步和發展，大型儀器設備在實驗測試中的應用也越來越廣泛。在地質實驗測試中，波長色散X射線熒光光譜儀、電感耦合等離子體發射光譜儀、質譜儀等的廣泛應用，也大大節約了經濟成本、減少人工，并提高了檢測效率。其中，X射線熒光光譜儀在地質實驗測試中，針對半定量檢測、硅酸鹽分析、碳酸鹽分析、區域地球化學樣品檢測分析所展現的優勢也是尤為突出。探討X射線熒光光譜儀在地質實驗測試中的應用技巧及日常維護和常見故障分析，希望可以為地質、實驗測試同行提供借鑒，促進行業共同發展。

關鍵詞：波長色散X射線熒光光譜地質實驗測試硅酸鹽分析儀器條件

中圖分類號：P575.5文獻標志碼：A

AnalysisofApplicationTechniquesofWavelengthDispersiveX-RayFluorescenceSpectrometerinGeologicalExperimentTesting

CHENDeqiangTheFifthGeologicalBrigadeofGuangdongGeologicalBureau，Zhaoqing，GuangdongProvince，526000China

Abstract：Withthedevelopmentofscienceandtechnology，theapplicationoflarge-scaleinstrumentandequipmentinexperimenttestingismore andmoreextensive.Ingeologicalexperiments，thewideapplicationofwavelengthdispersiveX-rayfluorescencespectrometer，inductivelycoupledplasmaemissionspectrometerandmassspectrometerhasalsogreatlysavedtheeconomiccost，reducedlabor，andimproveddetectionefficiency.Amongthem，X-rayfluorescencespectrometeringeologicalexperimenttestingareparticularlyprominentforsemi-quantitativedetection，silicateanalysis，carbonateanalysis，andregionalgeochemicalsampledetectionandanalysis.Thispapermainlydiscussestheapplicationskills，dailymaintenanceandcommonfaultanalysisofX-rayfluorescencespectrometeringeologicalexperimenttesting，hopingtoprovidereferenceforcolleaguesingeologyandexperimentaltesting，andpromotethecommondevelopmentofindustries.

KeyWords：WavelengthdispersiveX-rayfluorescencespectroscopy;Geologicalexperimenttesting;Silicateanalysis;Instrumentconditions

自1895年德國物理學家倫琴發現X射線到20世紀40年代末第一臺波長色散X射線熒光光譜儀問世至今，經過100多年的發展，X射線光譜儀已經規模壯大，常見的X射線熒光光譜儀有波長色散X射線熒光光譜、能量色散X射線熒光光譜、質子X射線熒光光譜、同步輻射X射線熒光光譜、全反射X射線熒光光譜等[1]。其中，波長色散X射線熒光光譜因其成熟穩定的技術得到了廣泛的應用。20世紀70年代，X射線熒光光譜就廣泛應用到硅酸鹽巖石的檢測分析中了，我國在90年代也制定了相關的標準，邁入21世紀，X射線熒光光譜儀也在地質實驗測試行業當中得到了廣泛應用。本文以荷蘭帕納科的AxiosmAX波長色散X射線熒光光譜儀為基礎，闡述儀器基本構造與性能，并對其在硅酸鹽巖石分析測試中的應用以及日常故障分析排查進行探討。

1X射線熒光光譜儀的基本儀器條件

1.1AxiosmAX光譜儀的構造與工作原理

AxiosmAX波長色散X射線熒光光譜儀主要由激發源、濾光片、樣品室、準直器、分光晶體、探測器、信號放大器、脈沖分析器、計算機組成（如圖1所示）。激發源為端窗型銠靶X射線光管，最大功率為4000W，最大電壓為60kV，最大電流為160mA；配置LiF200、Ge111、PE002、PX1、LiF220分光晶體，最多可同時配置8塊晶體；探測器為流氣正比計數器和閃爍計數器。主要工作原理是樣品室中樣品由光管發射的原級X射線激發，產生的二次熒光通過準直器，再由分光晶體根據布拉格定律進行衍射，進入不同的探測器中計數，將光信號轉化成電信號經由放大器放大，放大后的脈沖信號由脈沖處理器處理，最后由計算機計算得出樣品成分及含量。

1.2AxiosmAX光譜儀的運行條件

X射線熒光光譜儀具有檢測速度快、結果準確且重現性好、樣品無破壞性等特點，但對儀器本身的條件設定也是相當嚴格。儀器環境應保證24小時恒溫恒濕，溫度控制在（25±2）℃之間，濕度控制在（45±3）%之間，儀器內部溫度應控制在（30±0.1）℃之間，溫度對分光晶體的使用和壽命都有影響，特別是PE晶體。為延長發射光管使用壽命，光管應常開少關，在不使用的時候應保持低功率運行，先逐級降低電流至10mA，再逐級降低電壓至20kV，儀器應配備穩壓電源，防止突然斷電。經由空氣壓縮機進入儀器內部的空氣應經過多重干燥除去水分。儀器使用的循環水電導率應在0～50μS/m之間，并控制一定流速，一般一年跟換一次外循環水及添加內循環水，建議2年更換一次濾芯。儀器內部真空度應控制在0～100Pa，良好的真空度應在5Pa以內，關機之前必須先關閉光管再卸真空，以免損壞光管，真空泵應6個月排一次空氣，根據樣品量及泵油渾濁度，定期更換泵油。

1.3P10氣體的使用與PHD校正

P10氣體又稱氬甲烷混合氣，是90%的氬氣和10%的甲烷的混合氣，純度為99.999%，搭配流氣探測器用以檢測輕元素，為保證探測器內氣體濃度不變，不影響測定結果，氣閥應常開，使氣體一直保持流動狀態。氣瓶應安裝二級減壓閥，輸出壓力控制在0.7～0.8bar之間，氣流速度控制在0.5～3.0L/h之間，一般調節流速為1.0L/h，當鋼瓶壓力低于10bar時，應更換氣體，一般每半年更換一次。每次更換氣體都不應滾動或拖動氣瓶，也不應放倒氣瓶，宜用推車將氣瓶轉移安裝，確保不漏氣，安裝完后應緩慢打開氣閥并穩定2h，重新校正PHD。PHD即脈沖波高分布曲線，PHD校正是非常關鍵且不可忽視的步驟，通過PHD校正，可以得到更加可靠、準確的實驗數據，也可以從校正過程中檢查探測器、晶體是否異常，光管強度是否衰弱等。通過不同時間段的同等條件下的PHD檢測，可以清楚觀察脈沖高度分布圖狀態、光管等的變化，實時了解儀器狀態（如圖2、圖3所示）。

2&F1HZF+WlrOblPJ/0Ro7u0ifQkY3Z+t4R64XjLqd3YMs=nbsp;X射線熒光光譜儀測定硅酸鹽的應用探討

2.1X射線熒光光譜法的優點

硅酸鹽作為自然界中最常見廣泛的礦物，是多數巖石和土壤的主要組成部分，其在建筑、陶瓷、玻璃、電子材料、生物、醫學領域均得到廣泛應用。近年來隨著非金屬礦的需求增多，對其檢測需求也不斷增長。相比較于傳統的光度法、重量法、容量法等檢測方法，分解樣品次數多，一個元素一個執行標準，檢測周期長，系統分析誤差大，X射線熒光光譜法是將樣品與熔劑四硼酸鋰按照1∶8質量比混勻，加入氧化劑、助熔劑、脫模劑，在熔樣機上以1150℃熔融制成玻璃片，通過一次熔片制樣，便可一次完成硅、鋁、鐵、鈦、鉀、鈉、鈣、鎂、錳、磷等16個主次成分量的分析檢測[2]，具有人工少、耗時更短、結果更準確等特點。

2.2X射線熒光光譜儀檢測的局限性

X射線熒光光譜法測定硅酸鹽，主要以巖石、土壤、水系沉積物這幾類標準物質為基體建立檢測程序，要準確分析樣品成分，其對基體的匹配要求也是比較高的，針對常規的樣品，檢測準確可靠。但在非金屬礦中，螢石礦、鋁土礦、石灰巖、白云巖、石英等，由于其主次量占比比較特殊，基體不匹配，不能用此程序測定，應用合適的同類型含量低、中、高的標準物質，單獨建立程序進行測定，才能得到正確可靠的分析結果；同一類礦物，如矽卡巖，在成礦過程中由于環境條件不同，其夾雜的礦物成分也截然不同，這類礦物也是不適合建立可靠的分析程序的。所以，在進行定量分析前，對于不熟悉成分的樣品我們應該先利用光譜儀進行半定量分析，再確定正確的檢測分析方法。

由于大部分硅酸鹽礦物均以氧化物形式存在，X射線熒光光譜法在進行結果歸一化計算處理時，需要加入樣品的灼燒減量結果，通過實際測定的灼燒減量，以總量100%計算得出硅、鋁等元素的含量。在實際工作中，不正確的灼減量引入，往往會導致結果不可靠。例如：亞鐵含量高的樣品，其實際測得的灼減量會因亞鐵被氧化而使結果偏高，最終參與計算，會導致主量硅、鋁等結果明顯偏低。所以，對于硫、氟、亞鐵等影響灼減量結果的樣品，應給予校正來保證數據準確。

X射線熒光光譜法無法按元素價態進行定量，如鐵元素的測定只能得到全鐵的結果，亞鐵、三氧化二鐵，仍須結合經典方法進行測定。

粉末壓片法存在礦物效應、粒度效應、偏析等誤差，相較于熔片法，準確度不足，應根據實際需求，選定合適的方法。

3X射線熒光光譜儀的常見故障分析與排查

3.1光管異常關閉排查

光管異常關閉一般是儀器設定的保護機制，當外部條件達不到要求時，儀器會自動關閉光管，如遇這種情況，可以從真空度、循環水、儀器其他內部元件幾部分進行分析排查。首先，檢查儀器真空度，當真空度不達標時，查看外部空氣壓縮機是否故障，檢查空壓機壓力是否正常、皮帶是否斷裂、油位是否達標、連接空壓機的空氣干燥機是否因故障引起跳閘，如一切正常真空度仍不達標，則應打開儀器內部，查看進樣室密封圈是否老化；其次，檢查冷卻水溫度是否正常，水冷機水位是否正常，銅管接口處是否有漏水、滲水現象，如因冷卻水位過低，導致水溫升高，無法達到光管的降溫要求，光管就會自動關閉；最后，排查儀器內部，查看內循環水水位、流量是否正常，查看高壓發生器是否正常工作，光管鈹窗是否因異物掉落導致破裂等，再根據實際情況聯系儀器工程師[3-4]。

3.2探測器故障排查

波長色散X射線熒光光譜儀常用的探測器有3種，分別是流氣式正比計數器、閃爍計數器和封閉式正比計數器。本文主要討論前兩種。探測器的作用是將X射線的能量轉化成電信號，通過放大器放大，由脈沖分析器處理，以計數率表示。根據元素不同的能量范圍，可以選定對應的探測器檢測。通常來說，流氣探測器測定硅、鋁、鉀、鈉、鈣、鎂等輕元素，閃爍探測器一般測定鐵、銅、鋅等重元素。對于一般探測器故障可以根據所測元素計數率異常變化先判定是哪個探測器故障。假如在測試過程中，儀器沒有故障報警的情況下，測得的標準樣品中少部分數據異常如鈉、鎂的結果異常，應該首先排查流氣探測器，查看其窗口膜是否漏氣，導致計數率下降。如果出現數據時好時壞的情況，應該考慮高壓模塊異常。在實際工作中，就曾經出現過因長時間工作，高壓模塊加不上電壓，導致計數率異常，重新做PHD，又能使用的情況，這個時候就應該及時更換高壓模塊。如果出現多數據異常，排除掉前面的因素，那就很可能是前置放大器故障。

3.3其他常見的故障

轉盤連接超時：在儀器關閉狀態下，打開儀器面板與前蓋，打開真空室銅蓋，將轉盤小心傾斜取出，用酒精清潔齒輪和軸承，晾干裝回，這種情況一般在長時間測定粉末壓片樣品時出現；儀器連接超時：關閉光管，關閉電源，重新啟動儀器設備，待真空泵啟動后，重新打開SuperQ軟件連接；活塞超時：查看是否電磁閥故障或潤滑度不夠；水流量、熱交換流量過低：應更換流量控制器；裝盤卡死：更換驅動馬達等[5-6]。

4結語

本文通過對Axios波長色散X射線熒光光譜儀在實際工作中的應用展開分析，探討其在硅酸鹽檢測中的應用技巧，剖析其優勢與局限性，并從一個實驗測試工作者的角度出發，列舉了儀器在日常使用中的常見故障，提出了解決方案。綜上所述，X射線熒光光譜儀在未來仍將得到更加廣泛的應用，對其研究然有很多工作要做，特別是在地質行業中，應在特殊硅酸鹽類、金屬礦、海洋地質樣品等方面建立標準方法，才能更好地滿足不同的檢測需求。

參考文獻

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