X射线荧光光谱在地质测试中的应用

赵翔

摘要：X射线荧光光谱技术在地质测试中能有效提高对地质样品多种元素的测试效果，检测精准度和检出限较高，符合国家关于地质样品检测的要求，操作便捷不会对测试样品造成破坏，因此得到广泛应用。本文对X射线荧光光谱技术的工作原理进行分析，探讨了优化其应用于地质测试中的对策和方法，通过具有针对性的实践建议，旨在促进地质找矿工作取得更好成果，为国家资源发展建设作出更大贡献。

关键词：X射线;荧光光谱;地质测试;应用

地质勘察技术寻找矿藏时，地质测试技术是通过测试数据来为准确找到矿藏提供最直接的技术支撑。常用地质找矿中的检测方法和仪器较多，常见的是容量法、重量发和比色法等。在现代仪器仪表快速发展背景下，X射线荧光光谱仪成为现代地质找矿中较先进的高科技仪器设备，具有的独特优势成为地质测试方法非常可靠的技术补充和支撑。本文对X射线荧光光谱作为分析技术的工作原理进行分析，探讨了优化其应用于地质测试中的对策和方法。

1 X射线荧光光谱概述

1.1 X射线荧光光谱技术工作原理

X射线荧光光谱技术是利用X射线对地质样品进行照射，从而激发样品中元素内部的电子，并进行驱逐电子引发电子跃迁，从而释放出体现该样品元素特征的X射线。这种X射线也被称之为荧光。X射线荧光的产生，是因为X射线在和样品元素原子发生碰撞，逐出原子后就会在原子位置上形成空穴，此时高能级的电子会进入这些空穴进行填补，在这过程中高能级电子会释放以核能为形式的能量，这些能量就形成了X射线荧光。X射线荧光的能量差别来自高能级电子和低能级电子层之间的差距，这种能量差别就是元素所特有的指标。目前，X射线荧光光谱技术采用定量和定性两种分析方法。定性分方法的原理是测量不同能量的混合X射线，之后依据能量的不同来区别元素种类。定量分析法式利用X射线荧光的强度和元素的匹配程度来确定元素的种类。

1.2 X射线荧光光谱技术工作优势

一是 X射线荧光光谱技术的检查过程比较简单，只需要对样品进行射线照射，不会对样品造成完整性损伤。二是 X射线荧光光谱技术的分析效率很高，检测限通常在10-6区间时能达到百分之百，并能利用富集预处理让检测限达到10-8。三是 X射线荧光光谱技术的检查精度高，不会受到外界干扰而降低精度。四是 X射线荧光光谱仪器比较小巧，通常是手提式，使用成本低，非常便于野外测绘工作者使用。以上的工作优势受到野外勘探测试工作的欢迎，在工作中得到了比较广泛的应用。

2 X射线荧光光谱技术的发展及仪器分析

2.1 X射线荧光光谱技术的发展

X射线荧光光谱技术诞生于X射线被发现后的50年后，德国、法国和美国的学者先后于上个世纪的50-60年代，研制出了商业用的X射线荧光光谱仪器。在微电子技术和计算机技术的快速发展下，X射线荧光光谱仪器在进入新世纪以来，已经朝着自动智能、专业集成和小型轻便的方向发展，应用范围越来越广泛。

2.2 X射线荧光光谱仪器的组成

X射线荧光光谱仪器是由 X射线的发生系统、冷却系统、样品传输系统和分光监测系统、真空系统、探测系统、控制和数据处理系统等多部分组成。主要的元件是：第一，X射线发生器和光管。该元件是X射线荧光光谱仪的核心元件，直接影响仪器的整体性能，高压发生器和光管的稳定性、灵敏度决定了X射线荧光光谱仪器的应用范围。X射线高压发生器的作用是转换外部输入的交流电源为直流电源，为X射线管发生光电效应提供电能。上世纪末期，中频、高频和超高频高压发生器的研制成功，替代了早期的整流发生器和恒电位发生器，让X射线高压发生器的工作性能更加稳定高效。第二，准直器。该元件是由具有紧密间距的平滑金属片组成，金属片之间的距离，决定了准直器的型号，一般有100-150-450等类型可供选用。现代准直器已经发展为组合型，以适应不同用户对分辨率和灵敏度的需要。其中比较有特点的是超粗、超细型准直器，能实现对轻元素的高精度测量，提高了对痕量元素的分辨效果。第三，测角仪。采用机械齿轮传动原理的测角仪和准直器共同组成分光和测量系统。现代测角仪已经采用光学定位传感器和摩尔系统光学编码来实现测量，测量精度相比传统机械原理的测角仪有了一个数量级精度的提高，传动速度是原来机械式测角仪的数倍。第四，分光晶体。作为X射线荧光光谱仪的主要色散元件，功能是利用布拉格衍射定理对样品中的元素进行探测。选用的晶体如果衍射强度大，就会分辨率比较好，但信噪比会增加，在温度、湿度变化下不会有高级衍射干扰产生，具有较为合适的探测波长范围。第五，探测器。是用来改变探测能量形式或大小的装置，可以把检测中的光子信号转化成为用来计量测定的电脉冲信号。常见的探测器有流气式、封闭式、闪烁式等正比计数器类型。X射线计数效率和分辨率是评价探测器性能的主要指标。

3 X射线荧光光谱技术在地质测试中的应用建议

3.1在区域地质勘察中应用

利用 X射线荧光光谱仪器对地质勘察中采集的样品粉末进行多元素测定非常便捷，能快准确、高精度地得到检测结果。对于不同区域的地质勘察样品，能利用专业计算机软件进行数据处理，提高了分析准确性和效率。通常区域化测试中需要测定39种不同的元素，而X射线荧光光谱仪就能对其中的26种进行准确测定。目前X射线荧光光谱仪进行测定工作流程比较完整，在结合其他化学探样品分析方法后，多元素测定的效果很好，具有良好的经济效益和社会价值。

3.2在岩石矿物主微量元素测定中应用

在岩石矿物的主微量元素的化学分析工作中，X射线荧光光谱仪结合化学分析方法能有效降低传统检测工作量大、时间长、任务重的难题，简化了分析过程，保证了测定精度。在上世纪70年代以后，学术界先后攻克了主微量元素测定中的机体效应数学校正、硼酸盐融制和计算机应用等关键技术，为X射线荧光光谱仪的广泛应用奠定了技术基础。目前国内岩石矿物主微量元素测定主要是采用熔融法进行，能准确测定出硅酸盐岩石中的30种主微量元素情况。

3.3在矿石矿物分析中的应用

X射线荧光光谱技术应用于稀土矿石中一些微量元素的定量定性分析已经取得了很好的效果，比如能对闪锌矿、黄铜矿、辉钼矿等有色金属、黑色精神、稀有金属和非金属矿进行分析应用，测定速度快而精度有保证。利用X射线荧光光谱技术对岩石、土壤和水系沉积物等一些粉末状物质的均匀性检测，也显示具有良好的精度和可靠性。

3.4在野外测绘现场的应用

X射线荧光光谱技术在野外测绘现场的应用分析优势比较显著。上世纪国内研制出的便携式X射线荧光光谱仪器XRF在野外试验成功后，进行多次改型，已经获得了良好的社会效益和经济效益。国内目前主要是研发和应用微信计算机为核心的便携式X射线荧光光谱仪，以满足野外测绘现场工作条件较差，对操作要求比较高的需求。

X射线荧光光谱技术在地质测试中的应用将适应当今仪器仪表小型专业化、多功能智能化的发展方向，围绕提高精度、灵敏度，拓宽应用范围进行不断的创新实践。

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