XL 100G型手持式X射线合金分析仪在金属分析中的应用

张凌，皮春明，张爱武，孔祥权，程涛，李海龙

（1.吉林省维尔特隧道装备有限公司，吉林吉林市132011；2.吉林省盾构与掘进刀具技术重点实验室，吉林吉林市132011；3.中交（广州）建设有限公司，广东广州市511458）

0 前言

手持式合金分析仪是一种基于XRF(X-Ray Fluorescence，X 射线荧光)光谱分析技术的光谱分析仪器，主要由X 光管、探测器、CPU 以及存储器组成。其优点是分析灵敏度高、分析元素多（一般从4~92 号）、不破坏试样，无损分析、高效、准确，可以在质量控制、材料分类、合金鉴别、事故调查等现场应用。

1 分析原理

X 光管产生的X 射线打到被测样品时，一次X 射线的能量将物质中原子的K、L 层电子逐出，原子变成激发态，K 层或L 层上产生的空位被外层电子填补后，原子便从激发态恢复到稳定态，同时辐射出X 射线。X 射线探测器将样品元素的X 射线的特征谱线的光信号转换成易于测量的电信号来得到待测元素的特征信息。

利用X 射线荧光进行元素定性、定量分析工作，需要以下三方面的理论基础知识：莫塞莱定律、布拉格定律和朗伯-比尔定律。1913年H.G.J 莫塞莱从铝到金的38 种元素X 射线特征光谱K 和L 线，得出谱线频率的平方根与元素在周期表中排列的序号成线性关系。莫塞莱认识到这些X 射线特征光谱是由于内层电子的跃迁产生的，表明X 射线的特征光谱与原子序数是一一对应的。使X 荧光分析技术成为定性分析方法中最可靠的方法之一。

不同的元素具有不同的特征X 射线，根据特征谱线的波长，可以判断元素的存在，根据谱线的强度，可以进行定量分析。

布拉格定律是反映晶体衍射基本关系的理论推导定律，波长色散型X 荧光光谱仪的分光原理便运用了此定律，使不同元素不同波长的特征X 荧光完全分开，使谱线处理工作变得非常简单，降低了仪器检出限。

朗伯-比尔定律是反应样品吸收状况的定律，涉及到理论X 射线荧光相对强度的计算问题。用X 射线照射试样时，试样可以被激发出各种波长的荧光X 射线，需要把混合的X 射线按波长（或能量）分开，分别测量不同波长（或能量）的X 射线强度，以进行定性和定量分析。这是X射线荧光光谱仪的分析原理。

2 分析过程

分析样品前，先在主菜单中选择 “样品类型”，选择“金属”，再选择“常见金属”，将被测样品置于测试窗口前，扣住触发扳机即开始测试，松开扳机测试结束。仪器将显示测试结果，每次测试结果仪器都会自动保存，测试结果显示见图1。

图1

仪器会自动将测试数据按数据序号保存。保存的测试数据一般包含以下信息：测试时间、合金牌号、匹配度、元素名称、含量以及测试误差。测试时间：扣住扳机开始测试到松开扳机结束测试的时间。合金牌号：仪器将自动根据测量结果中各元素含量范围判断被测样品所属的合金牌号，如果仪器标准牌号库中无相应牌号，仪器将显示为“No Match”。匹配度：表明被测样品符合标准牌号的匹配程度。该值越小匹配越好。一般而言：0-2 表示完全匹配，2-4 表示匹配良好，大于4 表示不匹配。

3 结果的误差分析

3.1 直读光谱仪与手持X 射线合金分析仪测试结果对比

以分析标准样品YSB S 11474C-2014 成份为例，用布鲁克Q2 型台式直读光谱仪测定其元素含量见表1，用尼通XL 100G型手持式X射线合金分析仪测定其元素含量见表2。

表1 台式直读光谱仪测试结果

表2 手持式X射线合金分析仪测试结果

由表1、表2 测试结果可见：手持X 射线合金分析仪与台式直读光谱仪对比，其测试结果的相对偏差略大，表明测试结果的分散性较大，但其误差符合手持式X射线荧光分析仪的允差。

3.2 手持式X射线合金分析仪随机误差的修正

测量误差是由系统误差和随机误差两部分组成，系统误差是固定不变的，可以通过仪器校准来修正。随机误差也称测量不确定度。是指在相同的条件下对同一样品重复测量，在测量结果上每次都不相同。尼通XRF 系列仪器的所有测量结果都带有2 倍标准偏差（2σ）的误差范围，测量结果置信度为95%，随着测量时间的延长，测量标准偏差也逐渐减小，当延长4 倍的测量时间时，测量标准偏差将降低1 倍以上,见表3。

表3 手持式X射线合金分析仪测试标准偏差

4 结语

尼通XL 100G型手持式X射线合金分析仪，可用于车间现场刀圈、刀体等大工件及合金块等成份的检测，因操作简便、分析速度快（典型分析时间在3-6 秒）、对样品表面无损伤而得到广泛的应用。当所分析合金的元素含量较低时，为保证分析的准确性，可适当延长测量时间，即可得到准确可靠的分析结果。