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一種新方式推動了X射線熒光光譜儀的發(fā)展
發(fā)布時間：2018.05.22 閱讀量：2363
關(guān)于X射線的發(fā)展歷史，最早可以追溯到1895年，德國物理學(xué)家威廉·康拉德·倫琴于這一年11月發(fā)現(xiàn)并識別出了X射線，因此，X射線在許多國家也被稱之為倫琴射線。
隨后在1909年，英國物理學(xué)家查爾斯·格洛弗·巴克拉發(fā)現(xiàn)了從樣本中輻射出來的X射線與樣品原子量之間的聯(lián)系；四年之后，也即在1913年，同樣來自英國的物理學(xué)家亨利·莫斯萊發(fā)現(xiàn)了一系列元素的標識譜線（特征譜線）與該元素的原子序數(shù)存在一定的關(guān)系。這些發(fā)現(xiàn)都為人們后期根據(jù)原子序數(shù)而不是根據(jù)原子量大小提煉元素周期表奠定了基礎(chǔ)，同樣也為人們建立起第一個X射線熒光光譜儀（XRF）打下了堅實的理論基礎(chǔ)。然而，直到1948年，Herbert Friedman 和Laverne Stanfield Birks才建立起世界上第一臺X射線熒光光譜儀，這為后續(xù)光譜儀的商業(yè)化使用開辟了道路。
通常把X射線照射在物質(zhì)上而產(chǎn)生的次級X射線叫做X射線熒光(X-Ray Fluorescence)，而把用來照射的X射線稱為原級X射線，所以X射線熒光仍然屬于X射線范疇。一臺典型的X射線熒光光譜儀主要由激發(fā)源(X射線管)和探測系統(tǒng)構(gòu)成。X射線管主要負責(zé)產(chǎn)生入射X射線(一次X射線)，隨后該射線對被測樣品進行激發(fā)，受激發(fā)的樣品中的每一種元素在被激發(fā)后會放射出二次X射線，但樣品中元素種類的不同以及它們吸收外部X射線能量的多少都會影響到它們發(fā)射出的二次X射線的輻射能量大?。愃朴诳梢姽獾念伾煌愋偷脑囟紩l(fā)出不同的能量或者顏色，因此不同的元素所放射出的二次X射線都具有特定的能量特性或波長特性。探測系統(tǒng)測量這些放射出來的二次X射線的能量及數(shù)量信息，隨后儀器軟件將該探測系統(tǒng)所收集到的信息轉(zhuǎn)換成樣品中各種元素的種類及含量等信息。
值得一提的是，X射線熒光分析技術(shù)是一種非侵入式、能夠?qū)Σ煌牧现械幕瘜W(xué)組成實現(xiàn)快速分析的無損檢測技術(shù)。這些特性使得該分析技術(shù)在許多方面都更加實用且更具優(yōu)勢。其主要應(yīng)用范圍包括：金屬合金材料的可靠性鑒別（PMI）、危險品檢測、材料驗證以及司法科學(xué)等方面。
近年來，X射線熒光光譜分析技術(shù)的進步主要體現(xiàn)在儀器成本的降低和體積尺寸的減小，這些進步均有效的擴大了XRF的使用范圍。首例商業(yè)化手持式X射線熒光光譜儀（HHXRF）大約誕生于20年前，這是該技術(shù)發(fā)展歷史上的一個重要轉(zhuǎn)折點，因為HHXRF的出現(xiàn)實現(xiàn)了從固定的臺式光譜儀到移動化便捷設(shè)備的轉(zhuǎn)變。
68年后，一種新型的X射線熒光技術(shù)誕生
目前有很多方法可以實現(xiàn)X射線熒光光譜分析，因此，為了避免混淆，我們以能量色散X射線熒光光譜分析技術(shù)（EDXRF）為例，專注于XRF的細節(jié)部分。X射線熒光光譜儀主要包括組成一條信號鏈的四大子系統(tǒng)：
1、X射線管；
2、X射線探測器；
3、多通道分析器；
4、計算機。
如上所述，X射線管也即是產(chǎn)生用于激發(fā)檢測樣品的X射線的地方。X射線管具有兩種不同類型的X射線源：放射型和高壓型。
放射型X射線源通常較為簡便、體積較小，成本較低；但是，這種放射源不能被關(guān)閉，并且會對環(huán)境、使用者等造成一定的危害，因此，對于這種類型的X射線源的使用需要進行注冊登記，同時對其運輸和處理都具有一定的限制，此外，人們還需要對這種放射源進行定期測試。
另一方面，因為高壓X射線源不含有放射性污染，并且能夠被“關(guān)閉”，因此對于這類X射線源的使用則沒有那么多的限制。但是，高壓X射線源需要用到高壓電源以產(chǎn)生并釋放出所需的X射線。
X射線管
X 射線管是工作在高電壓下的真空二極管，其包含有兩個電極：一個是用于發(fā)射電子的燈絲，作為陰極；另一個是用于接受電子轟擊的靶材，作為陽極。兩級均被密封在高真空的玻璃或陶瓷外殼內(nèi)。施加到該燈絲上的電流使其加熱至1000攝氏度，因此它能發(fā)射出電子。一旦燈絲發(fā)射出電子，在燈絲和陽極之間施加高電壓以加速電子在燈絲與陽極之間的移動。加速電子與陽極之間的相互作用即可以引起X射線的產(chǎn)生。陽極材料中的元素類型決定了發(fā)射出來X射線的能量大小。
X射線探測器
X射線探測器主要是用于測量目標樣品發(fā)出的X射線熒光，目前市場上已經(jīng)有多種不同類型的X射線熒光分析探測器可用。能量色散X射線熒光光譜分析技術(shù)通常使用的為固態(tài)探測器，例如SI-PIN探測器或者硅漂移探測器（SSD）等。每種類型的探測器在不同的應(yīng)用方面都具有不同的優(yōu)劣勢，因此并不存在最好與最差之分，只需根據(jù)具體需求進行選擇即可。分辨率和靈敏度是X射線探測器兩個最重要的性能參數(shù)。一般情況下，分辨率越高意味著探測器可以檢測更多能量水平之間的差異；靈敏度越高意味著探測器能夠檢測到更多的輻射量子。
計算機處理
計算機主要起到管理用戶界面和通訊的作用，此外還具有存儲、檢索和顯示數(shù)據(jù)等功能。X射線熒光光譜儀能夠發(fā)展為移動的手持式設(shè)備，在某種程度是因為計算機功能能夠駐留在較小的嵌入式應(yīng)用處理器上，處理器變小使得整體體積也因此變小。
由摩擦效應(yīng)產(chǎn)生X射線的新型XRF技術(shù)
摩擦發(fā)光是一種通過機械作用（如拉動、撕裂、刮擦、壓碎或者不同材料間的摩擦等）而產(chǎn)生光的現(xiàn)象。例如，當敲碎蔗糖晶體時或者剝離膠帶時就能觀察到這種現(xiàn)象；這種現(xiàn)象從很久之前的古文明時期就被人們所發(fā)現(xiàn)。20世紀80年代，人們發(fā)現(xiàn)在X射線能量范圍內(nèi)，真空管內(nèi)的機械作用能夠產(chǎn)生光；2008年，一批來自美國加州大學(xué)洛杉磯分校的物理學(xué)家受到美國國防部高級研究計劃局資助，對這一發(fā)現(xiàn)進行了進一步的擴大和研究，并證明了他們能夠以一種有效且可重復(fù)的方式通過摩擦發(fā)光現(xiàn)象產(chǎn)生X射線。
研究結(jié)果表明，利用摩擦發(fā)光產(chǎn)生X射線對于降低X射線產(chǎn)生的復(fù)雜性和成本具有非常深遠的影響。人們能夠通過機械性的將材料擠壓到一起再將其拆分以達到摩擦起電效應(yīng)，進而在目標陽極釋放掉足夠多的電子以產(chǎn)生必要數(shù)量的X射線進行X射線熒光分析操作。簡言之就是利用一套機械性體系取代高壓電源來產(chǎn)生X射線。這項創(chuàng)新能夠降低整個X射線熒光光譜儀的成本達50%左右，并且有助于提升手持式X射線熒光光譜儀的使用范圍。下面列出了這項新科技的詳細信息。
利用摩擦效應(yīng)，將不再需要傳統(tǒng)X射線熒光分析中的高壓電源和支撐配件。一個電動馬達、電池、開關(guān)、微控制器以及一個低壓連接器即可代替?zhèn)鹘y(tǒng)高壓電源體系中所需要用到的逆變器、變壓器和控制系統(tǒng)等。由于不再需要對燈絲進行加熱，因此并不存在熱循環(huán)過程。同樣，也不再需要用于連接高壓電源和X射線源之間的電纜或者其他連接；除此之外的一些子系統(tǒng)都保持不變。
新突破的另一方面體現(xiàn)在現(xiàn)在能夠使用基于安卓系統(tǒng)的智能手機提供計算功能，例如使用Nexus 5智能手機；新的智能科技加上令人熟悉的用戶界面使得它成為了一種更為強大的數(shù)據(jù)分析工具，同時能為用戶提供更為詳細的細節(jié)信息。彩色觸摸屏能夠使用戶根據(jù)需要顯示相關(guān)的信息；另一個重要因素在于智能手機能夠通過WIFI與外界環(huán)境進行交流溝通，甚至是根據(jù)需求搜尋之前的數(shù)據(jù)等。
新型智能手機技術(shù)的使用也有利于創(chuàng)建一個更為成熟的通訊環(huán)境，使得用戶能夠更加安全、可靠的通過云存儲技術(shù)存儲和檢索成千上萬的檢測結(jié)果。
總結(jié)
X射線熒光光譜分析技術(shù)屬于一種能夠?qū)崿F(xiàn)快速分析的無損檢測技術(shù)，新型、成本更低的X射線光譜儀更容易在被檢測材料或者組件的整個生命周期內(nèi)進行多元測量和驗證。利用摩擦效應(yīng)產(chǎn)生X射線的低成本、移動型X射線熒光光譜儀將會和原位檢測或者實驗室檢測實現(xiàn)互補。
對于質(zhì)量管理部門 、冶金實驗室、機械工廠、金屬加工廠、電焊工以及所有關(guān)注金屬產(chǎn)品質(zhì)量的部門或者人員而言，結(jié)合了摩擦電效應(yīng)的X射線熒光分析技術(shù)為他們提供了一套成本低廉且結(jié)果準確、可靠的“保險”體系。對于航空航天、醫(yī)療、汽車以及制造業(yè)等領(lǐng)域，利用摩擦電效應(yīng)的X射線熒光分析技術(shù)將會是他們未來長期的選擇。
倫琴
隨后在1909年，英國物理學(xué)家查爾斯·格洛弗·巴克拉發(fā)現(xiàn)了從樣本中輻射出來的X射線與樣品原子量之間的聯(lián)系；四年之后，也即在1913年，同樣來自英國的物理學(xué)家亨利·莫斯萊發(fā)現(xiàn)了一系列元素的標識譜線（特征譜線）與該元素的原子序數(shù)存在一定的關(guān)系。這些發(fā)現(xiàn)都為人們后期根據(jù)原子序數(shù)而不是根據(jù)原子量大小提煉元素周期表奠定了基礎(chǔ)，同樣也為人們建立起第一個X射線熒光光譜儀（XRF）打下了堅實的理論基礎(chǔ)。然而，直到1948年，Herbert Friedman 和Laverne Stanfield Birks才建立起世界上第一臺X射線熒光光譜儀，這為后續(xù)光譜儀的商業(yè)化使用開辟了道路。
通常把X射線照射在物質(zhì)上而產(chǎn)生的次級X射線叫做X射線熒光(X-Ray Fluorescence)，而把用來照射的X射線稱為原級X射線，所以X射線熒光仍然屬于X射線范疇。一臺典型的X射線熒光光譜儀主要由激發(fā)源(X射線管)和探測系統(tǒng)構(gòu)成。X射線管主要負責(zé)產(chǎn)生入射X射線(一次X射線)，隨后該射線對被測樣品進行激發(fā)，受激發(fā)的樣品中的每一種元素在被激發(fā)后會放射出二次X射線，但樣品中元素種類的不同以及它們吸收外部X射線能量的多少都會影響到它們發(fā)射出的二次X射線的輻射能量大?。愃朴诳梢姽獾念伾煌愋偷脑囟紩l(fā)出不同的能量或者顏色，因此不同的元素所放射出的二次X射線都具有特定的能量特性或波長特性。探測系統(tǒng)測量這些放射出來的二次X射線的能量及數(shù)量信息，隨后儀器軟件將該探測系統(tǒng)所收集到的信息轉(zhuǎn)換成樣品中各種元素的種類及含量等信息。
值得一提的是，X射線熒光分析技術(shù)是一種非侵入式、能夠?qū)Σ煌牧现械幕瘜W(xué)組成實現(xiàn)快速分析的無損檢測技術(shù)。這些特性使得該分析技術(shù)在許多方面都更加實用且更具優(yōu)勢。其主要應(yīng)用范圍包括：金屬合金材料的可靠性鑒別（PMI）、危險品檢測、材料驗證以及司法科學(xué)等方面。
近年來，X射線熒光光譜分析技術(shù)的進步主要體現(xiàn)在儀器成本的降低和體積尺寸的減小，這些進步均有效的擴大了XRF的使用范圍。首例商業(yè)化手持式X射線熒光光譜儀（HHXRF）大約誕生于20年前，這是該技術(shù)發(fā)展歷史上的一個重要轉(zhuǎn)折點，因為HHXRF的出現(xiàn)實現(xiàn)了從固定的臺式光譜儀到移動化便捷設(shè)備的轉(zhuǎn)變。
68年后，一種新型的X射線熒光技術(shù)誕生
第一個受益于這種新型X射線熒光技術(shù)的無疑是制造業(yè)、機械加工、金屬加工、廢品回收以及鋼鐵回收等行業(yè)中的質(zhì)量管理部門，對于這幾個行業(yè)，幾乎所有人都會非常關(guān)心他們產(chǎn)品的質(zhì)量問題。此外，一些先前因為成本高昂而從未考慮過使用X射線光譜分析技術(shù)的領(lǐng)域也能受益于此并開始使用XRF，包括航空航天、汽車和醫(yī)療儀器等行業(yè)。
X射線熒光光譜儀組成示意圖
目前有很多方法可以實現(xiàn)X射線熒光光譜分析，因此，為了避免混淆，我們以能量色散X射線熒光光譜分析技術(shù)（EDXRF）為例，專注于XRF的細節(jié)部分。X射線熒光光譜儀主要包括組成一條信號鏈的四大子系統(tǒng)：
1、X射線管；
2、X射線探測器；
3、多通道分析器；
4、計算機。
如上所述，X射線管也即是產(chǎn)生用于激發(fā)檢測樣品的X射線的地方。X射線管具有兩種不同類型的X射線源：放射型和高壓型。
放射型X射線源通常較為簡便、體積較小，成本較低；但是，這種放射源不能被關(guān)閉，并且會對環(huán)境、使用者等造成一定的危害，因此，對于這種類型的X射線源的使用需要進行注冊登記，同時對其運輸和處理都具有一定的限制，此外，人們還需要對這種放射源進行定期測試。
另一方面，因為高壓X射線源不含有放射性污染，并且能夠被“關(guān)閉”，因此對于這類X射線源的使用則沒有那么多的限制。但是，高壓X射線源需要用到高壓電源以產(chǎn)生并釋放出所需的X射線。
X射線管
X射線管
X 射線管是工作在高電壓下的真空二極管，其包含有兩個電極：一個是用于發(fā)射電子的燈絲，作為陰極；另一個是用于接受電子轟擊的靶材，作為陽極。兩級均被密封在高真空的玻璃或陶瓷外殼內(nèi)。施加到該燈絲上的電流使其加熱至1000攝氏度，因此它能發(fā)射出電子。一旦燈絲發(fā)射出電子，在燈絲和陽極之間施加高電壓以加速電子在燈絲與陽極之間的移動。加速電子與陽極之間的相互作用即可以引起X射線的產(chǎn)生。陽極材料中的元素類型決定了發(fā)射出來X射線的能量大小。
X射線探測器
X射線探測器主要是用于測量目標樣品發(fā)出的X射線熒光，目前市場上已經(jīng)有多種不同類型的X射線熒光分析探測器可用。能量色散X射線熒光光譜分析技術(shù)通常使用的為固態(tài)探測器，例如SI-PIN探測器或者硅漂移探測器（SSD）等。每種類型的探測器在不同的應(yīng)用方面都具有不同的優(yōu)劣勢，因此并不存在最好與最差之分，只需根據(jù)具體需求進行選擇即可。分辨率和靈敏度是X射線探測器兩個最重要的性能參數(shù)。一般情況下，分辨率越高意味著探測器可以檢測更多能量水平之間的差異；靈敏度越高意味著探測器能夠檢測到更多的輻射量子。
計算機處理
計算機主要起到管理用戶界面和通訊的作用，此外還具有存儲、檢索和顯示數(shù)據(jù)等功能。X射線熒光光譜儀能夠發(fā)展為移動的手持式設(shè)備，在某種程度是因為計算機功能能夠駐留在較小的嵌入式應(yīng)用處理器上，處理器變小使得整體體積也因此變小。
由摩擦效應(yīng)產(chǎn)生X射線的新型XRF技術(shù)
摩擦發(fā)光是一種通過機械作用（如拉動、撕裂、刮擦、壓碎或者不同材料間的摩擦等）而產(chǎn)生光的現(xiàn)象。例如，當敲碎蔗糖晶體時或者剝離膠帶時就能觀察到這種現(xiàn)象；這種現(xiàn)象從很久之前的古文明時期就被人們所發(fā)現(xiàn)。20世紀80年代，人們發(fā)現(xiàn)在X射線能量范圍內(nèi)，真空管內(nèi)的機械作用能夠產(chǎn)生光；2008年，一批來自美國加州大學(xué)洛杉磯分校的物理學(xué)家受到美國國防部高級研究計劃局資助，對這一發(fā)現(xiàn)進行了進一步的擴大和研究，并證明了他們能夠以一種有效且可重復(fù)的方式通過摩擦發(fā)光現(xiàn)象產(chǎn)生X射線。
研究結(jié)果表明，利用摩擦發(fā)光產(chǎn)生X射線對于降低X射線產(chǎn)生的復(fù)雜性和成本具有非常深遠的影響。人們能夠通過機械性的將材料擠壓到一起再將其拆分以達到摩擦起電效應(yīng)，進而在目標陽極釋放掉足夠多的電子以產(chǎn)生必要數(shù)量的X射線進行X射線熒光分析操作。簡言之就是利用一套機械性體系取代高壓電源來產(chǎn)生X射線。這項創(chuàng)新能夠降低整個X射線熒光光譜儀的成本達50%左右，并且有助于提升手持式X射線熒光光譜儀的使用范圍。下面列出了這項新科技的詳細信息。
X射線熒光分析技術(shù)的新突破解析
將不再需要用于連接高壓電源和X射線源之間的電纜或者其他連接；
利用摩擦效應(yīng)，將不再需要傳統(tǒng)X射線熒光分析中的高壓電源和支撐配件。一個電動馬達、電池、開關(guān)、微控制器以及一個低壓連接器即可代替?zhèn)鹘y(tǒng)高壓電源體系中所需要用到的逆變器、變壓器和控制系統(tǒng)等。由于不再需要對燈絲進行加熱，因此并不存在熱循環(huán)過程。同樣，也不再需要用于連接高壓電源和X射線源之間的電纜或者其他連接；除此之外的一些子系統(tǒng)都保持不變。
帶有彩色觸摸屏的智能手機體系
新突破的另一方面體現(xiàn)在現(xiàn)在能夠使用基于安卓系統(tǒng)的智能手機提供計算功能，例如使用Nexus 5智能手機；新的智能科技加上令人熟悉的用戶界面使得它成為了一種更為強大的數(shù)據(jù)分析工具，同時能為用戶提供更為詳細的細節(jié)信息。彩色觸摸屏能夠使用戶根據(jù)需要顯示相關(guān)的信息；另一個重要因素在于智能手機能夠通過WIFI與外界環(huán)境進行交流溝通，甚至是根據(jù)需求搜尋之前的數(shù)據(jù)等。
新型智能手機技術(shù)的使用也有利于創(chuàng)建一個更為成熟的通訊環(huán)境，使得用戶能夠更加安全、可靠的通過云存儲技術(shù)存儲和檢索成千上萬的檢測結(jié)果。
總結(jié)
X射線熒光光譜分析技術(shù)屬于一種能夠?qū)崿F(xiàn)快速分析的無損檢測技術(shù)，新型、成本更低的X射線光譜儀更容易在被檢測材料或者組件的整個生命周期內(nèi)進行多元測量和驗證。利用摩擦效應(yīng)產(chǎn)生X射線的低成本、移動型X射線熒光光譜儀將會和原位檢測或者實驗室檢測實現(xiàn)互補。
對于質(zhì)量管理部門 、冶金實驗室、機械工廠、金屬加工廠、電焊工以及所有關(guān)注金屬產(chǎn)品質(zhì)量的部門或者人員而言，結(jié)合了摩擦電效應(yīng)的X射線熒光分析技術(shù)為他們提供了一套成本低廉且結(jié)果準確、可靠的“保險”體系。對于航空航天、醫(yī)療、汽車以及制造業(yè)等領(lǐng)域，利用摩擦電效應(yīng)的X射線熒光分析技術(shù)將會是他們未來長期的選擇。
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