17年XRF技术专家：谈x射线荧光光谱与技术发展历程

常用的元素分析方法包括原子吸收光谱、原子发射光谱、X射线荧光光谱、能谱分析、等离子体发射光谱、电感耦合等离子体质谱、有机元素分析等。其中，X射线荧光光谱技术（XRF），因其非破坏性、快速和廉价分析等特点，工程、品质管理等领域得到广泛的应用。那么XRF广泛应用性背后的原理如何？经历了哪些技术发展历程？又有哪些新技术出现？接下来，拥有17年 X射线荧光技术工作经验的日立分析仪器公司镀层分析产品的产品经理Matt Kreiner为我们做了解答。

X射线荧光光谱仪（XRF）技术原理？

何为X射线？类似可见光线，X射线也是电磁波的一种，不同的是它的波长较之可见光为短，在100埃米到0.1埃米之间。同时，与一般的电磁波相比，X射线能够比较容易穿透物质，且物质原子序数越高，穿透能力越强。下图为X射线荧光产生的示意图。由于X射线荧光是元素所固有的能量，依据Moslay法则可对荧光X射线的能量做定性分析，同时，利用X射线荧光强度（光子数）则可做定量分析。

X射线荧光产生示意图

（运作流程：主X射线对准样品；X射线与原子碰撞时，电子从其轨道中弹出；来自高能轨道的电子填充这些空隙，释放出元素和特定跃迁所特有的X射线；X射线由探测器收集和处理。）

波长分散型和能量分散型

（检出器收集的数据用于识别哪些元素存在，以及每个元素在测量部分中有多少）

通常，X射线荧光分析装置大致分为两大类，即波散型（Wave Length-dispersive X-ray Spectroscopy; WDX）和能散型（Energy-dispersive X-ray Spectroscopy; EDX）。

相对其他“元素分析”技术手段，XRF主要技术优势？

XRF是一种对多种材料中的一系列元素进行非破坏性、快速和廉价分析的重要技术。尤其台式和手持式XRF分析仪操作简单，通常不需要任何特殊工具或消耗品。

这使得在生产线附近操作XRF分析仪成为可能，并提高了效率。常见应用如无机元素的元素分析，分析范围通常在Na（11）和U（92）之间；汽车零部件领域应用，经过优化的XRF，可分析常见镀层中的元素，分析范围通常在Al（13）和U（92）之间。

XRF光谱谱图示例

XRF能“快速”检测的原因？

XRF检测快速的一个原因是测量是用X射线进行的，而X射线是以光速进行传播的。被测试的样品被与样品相互作用的初级X射线“激发”，并产生次级X射线，由精密的探测器进行信号转换，整个流程花费的时间很短暂的。

然而 “快速”检测与 “精准”两个方面往往是此消彼长的矛盾关系，所以保证XRF“精准”性也是很重要的。一般可以通过一些优化技术、软件控制、减少操作中时间、减少间隙停机时间等技术手段来实现。例如，日立分析仪器公司FT160的创新多毛细管体系结构技术，这是一个聚焦光学元件，由一组弯曲为锥形的细小玻璃管组成，X射线通过反射引导穿过管道，类似于光纤技术中的光引导方式。毛细聚焦管光学元件与微束X射线管匹配将比传统系统更多的信号引导到样品，收集更多的X射线管输出。其焦斑小区域上的X射线强度比传统机械准直系统高出几个数量级。从而实现“快速”与“精准”的优化。

X射线荧光镀层厚度测量仪 FT160系列

而传统传统XRF为测量较小尺寸样品（如镀层样品），使用机械准直装置将X射线管的光束尺寸减小到几分之一毫米，达到减小光束尺寸的目的。但这一过程通过在X射线管前方放置一块钻有小孔的金属块实现，仅允许与孔对准的X射线穿过并到达样品。绝大多数X射线输出因被准直器块阻挡而不能用于分析，削弱了检测效率。

XRF主要应用领域有哪些？

以镀层厚度测量为例，当涉及到镀层及相关测试需求时，一般都会用到XRF，而汽车行业就是应用最密集的行业之一。由于XRF允许快速和现场测试，因此它适合制造生产线。原始的设备制造商都需要依赖XRF，因为每辆汽车平均有约15000个部件，上面涂有各种金属和其他镀层，以确保导电性或绝缘性。然而，汽车组装是需要快速流水线进行的，这些部件需要在现场进行测试，XRF便发挥了重要作用。总之，XRF允许在不干扰生产制造过程的情况下进行质量控制，这成为其广泛被应用的重要原因之一。

XRF产品技术发展历程？

以日立分析仪器公司产品为例。镀层分析方面，日立分析仪器公司提供一系列用于镀层分析的台式XRF测试解决方案，是该领域的先驱。日立在1978年便推出了SFT155/156，这是第一台使用X射线管的台式XRF镀层分析仪。2011年推出FT110，随后2012年推出X-Strata920，2015年推出FT150。

X射线荧光镀层厚度测量仪系列

X射线荧光分析仪系列

目前日立分析仪器公司的产品范围包括具有半导体检测器的X-Strata920、具有用于大容量测试的高级功能的FT110A和新推出的FT160等。如上所述，FT160将SSD检测器与多毛细管光学器件结合使用，以精确测量纳米级镀层的更小特征。多毛细管光学器件与微点X射线管匹配，以收集更多的管输出。这将其聚焦在通量比机械准直系统大几个数量级的较小区域上。这意味着可以更快，更高精度地测量更小和更薄的特征，从而更容易符合规格。

集透视CT、显微成像、XRF技术于一身的EA8000

除了常规XRF产品，日立分析仪器公司还有一款比较特殊的产品EA8000，其集合透视CT、显微成像、XRF技术于一身。EA8000A的推出是为了满足电动汽车用电池日益增长的质量控制需求。它能快速检测锂离子电池内的金属颗粒污染物，有助于防止这些颗粒存在时发生的灾难性故障。

锂离子电池·燃料电池用X射线异物分析仪 EA8000

EA8000是一体式设计，从而实现更高的效率。将X射线成像单元、荧光X射线分析仪和光学显微镜被集成到一个系统中并链接以自动提供结果。与传统仪器相比，检测速度和金属污染物识别的时间要短得多。操作员可以简单地放置样品并进行测量，从而实现高效的工作和生产力。

三项技术的结合，使EA8000可以定位和识别电池内的破坏性金属颗粒，提供对大小、分布和颗粒类型的全面分析，这在控制电池质量时是非常关键的，快速分析、易用性和自动化支持大批量生产等性能帮助电池企业顺利实现交付目标。

这些技术的结合不仅提供了锂离子电池关键区域内金属颗粒的大小、分布和类型的独特综合图像，而且极大地缩短了成像时间。检测时间可缩短至3至10分钟，比常规时间缩短100多倍。这一点非常重要，电极材料、燃料电池隔板和锂离子充电电池中的金属颗粒污染会产生热量，降低电池容量和寿命；一些情况下，杂质还会导致火灾。因此，电池制造商需要对直径约20µm的金属颗粒进行快速检测和元素识别。而EA8000A设置测量参数后，可自动捕获X射线图像，检测和识别金属颗粒，提高故障分析和测试的效率。

Matt Kreiner简介

马特·克林纳 （Matt Kreiner）是日立分析仪器公司镀层分析产品的产品经理。他有17年的X射线荧光技术工作经验，职业生涯始于应用工程师。Matt居住在芝加哥，拥有美国西北大学（Northwestern University）化学工程学士学位。