波長色散型X射線光譜儀的分光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理-華普通用

分光系統(tǒng)是波長色散型X射線光譜儀的重要部件，它由分光晶體及傳動機(jī)構(gòu)、限高光欄、準(zhǔn)直鏡和衰減器等器件組成。其中最主要的器件是晶體分光器，它的作用是通過晶體衍射把不同波長的X射線分開。

一、分光晶體

分光晶體是晶體分光系統(tǒng)的核心部件，為了獲得最佳的分析效果，晶體的選擇是十分重要的。分光晶體相當(dāng)于光學(xué)光譜儀中棱鏡和光柵，X射線區(qū)域之所以不能使用棱鏡或光柵作為的分光單元，是因?yàn)閄射線的波長短、能量大、穿透力強(qiáng)、幾乎不發(fā)生折射。

晶體分光的原理是根據(jù)布拉格衍射定律2dsinθ=mλ，當(dāng)波長為λ的X射線以θ角射到晶體時，如果晶面間距為d，則在出射角為θ的方向可以觀測到波長為λ=2dsinθ的一級衍射及波長為λ/2、λ/3、… 高級次衍射。改變θ角，可以觀測到其他波長的X射線，從而使不同波長的X射線得以分開。

大部分分光晶體為無機(jī)或有機(jī)鹽類單晶，也可使用人造多晶膜晶體。不同的分光晶體的2d值及適用范圍也不同。分光晶體選用時應(yīng)考慮以下因素：

1）衍射強(qiáng)度高

分光晶體的低級次線的衍射強(qiáng)度一般大于高一次級次線，衍射強(qiáng)度也隨波長而變化。晶體表面的光潔度、晶體結(jié)構(gòu)的完整性、晶體的不同晶面都會影響衍射強(qiáng)度。

2）分辨率高，利于減少譜線干擾

分辨率是指分光晶體能分開或辨別兩條波長十分相近譜線的能力。同一晶體的不同晶面會有不同的分辨率，一般選用高分辨率的晶體和晶面。分辨率同時受角色散率和發(fā)散度的影響。

角色散率(dθ/dλ)是指兩條譜線的2θ角分開的程度。由布拉格方程微分得到：

dθ/dλ=m/(2dcosθ)=tano/λ

由上式可見，2d較小的晶體角色散率大，分辨率也高，當(dāng)m>1時，高級次的分辨率比一級線的高。

發(fā)散度是指譜峰寬度，可用譜線的半峰寬來度量。兩相鄰的譜線譜峰越寬越難分辨。

 3）波長色散型X射線光譜儀信噪比高

信噪比是指信號與噪聲的比值，一般選用信噪比高的晶體。

4）溫度效應(yīng)小

一般地，隨衍射角的增大，晶體的熱膨脹系數(shù)對譜峰位移的影響也將增大。所選晶體應(yīng)是受溫度、濕度影響小的。

 二、晶體分光系統(tǒng)

晶體分光系統(tǒng)可按晶體類型分為平面晶體分光系統(tǒng)和曲面晶體分光系統(tǒng)兩類。平面晶體色散法中，由樣品上每一點(diǎn)發(fā)射出來的各種波長的X射線入射到給定的晶體，由于樣品上同一點(diǎn)發(fā)射出來，并從其他方向入射到晶面上的同一波長譜線，不符合布拉格定律而不被衍射。曲面晶體的曲率允許側(cè)向發(fā)射的同一波長譜線以同樣的布拉格角入射到晶面，這樣就有更多的同一波長的譜線同時在晶體上受到衍射，且受衍射的譜線會聚到同一條線或一個點(diǎn)上起到“強(qiáng)聚焦”效果。

 1）平面晶體分光系統(tǒng)

平面晶體構(gòu)成的分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，晶體不需要特殊磨制，一般用于掃描型X射線熒光光譜儀。其系統(tǒng)主要由X射線管（激發(fā)源）、分光晶體、準(zhǔn)直器、檢測器組成。由于使用了準(zhǔn)直器，衰減了X熒光的強(qiáng)度，是有些元素如Na和Mg等幾乎不能用其獲得精確的分析結(jié)果。

2）曲面晶體分光系統(tǒng)

與平面晶體分光系統(tǒng)相比，曲面晶體分光系統(tǒng)具有強(qiáng)聚焦的能力。衍射強(qiáng)度和分辨率都比平面晶體分光系統(tǒng)好。其有兩種比較典型的曲率方案：全聚焦法和對數(shù)螺線法。

①全聚焦法光路設(shè)計較簡單，焦距效果好，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無需前后準(zhǔn)直器。但是晶體的磨制、彎曲和黏貼難度大，不能適用于所有晶體。

②對數(shù)螺線法的分光光路設(shè)計是使X射線聚焦在一個很小的區(qū)域，比平面晶體的強(qiáng)度遠(yuǎn)高很多。且對數(shù)螺線法的光路設(shè)計幾乎適用于所有的晶體，晶體及晶體架的加工簡單，但是數(shù)學(xué)模型較復(fù)雜。

 三、分光機(jī)構(gòu)

波長色散型X射線光譜儀分光晶體被安裝在精密控制的旋轉(zhuǎn)裝置上，由于試樣位置是固定的，為檢測到試樣發(fā)出的波長為λ的熒光X射線，分光晶體轉(zhuǎn)動θ角，檢測器必須轉(zhuǎn)動2θ角。