波长色散X射线荧光光谱仪在地质实验测试中的应用技巧分析

摘要：随着科技的进步和发展，大型仪器设备在实验测试中的应用也越来越广泛。在地质实验测试中，波长色散X射线荧光光谱仪、电感耦合等离子体发射光谱仪、质谱仪等的广泛应用，也大大节约了经济成本、减少人工，并提高了检测效率。其中，X射线荧光光谱仪在地质实验测试中，针对半定量检测、硅酸盐分析、碳酸盐分析、区域地球化学样品检测分析所展现的优势也是尤为突出。探讨X射线荧光光谱仪在地质实验测试中的应用技巧及日常维护和常见故障分析，希望可以为地质、实验测试同行提供借鉴，促进行业共同发展。

关键词：波长色散X射线荧光光谱地质实验测试硅酸盐分析仪器条件

中图分类号：P575.5文献标志码：A

AnalysisofApplicationTechniquesofWavelengthDispersiveX-RayFluorescenceSpectrometerinGeologicalExperimentTesting

CHENDeqiangTheFifthGeologicalBrigadeofGuangdongGeologicalBureau，Zhaoqing，GuangdongProvince，526000China

Abstract：Withthedevelopmentofscienceandtechnology，theapplicationoflarge-scaleinstrumentandequipmentinexperimenttestingismore andmoreextensive.Ingeologicalexperiments，thewideapplicationofwavelengthdispersiveX-rayfluorescencespectrometer，inductivelycoupledplasmaemissionspectrometerandmassspectrometerhasalsogreatlysavedtheeconomiccost，reducedlabor，andimproveddetectionefficiency.Amongthem，X-rayfluorescencespectrometeringeologicalexperimenttestingareparticularlyprominentforsemi-quantitativedetection，silicateanalysis，carbonateanalysis，andregionalgeochemicalsampledetectionandanalysis.Thispapermainlydiscussestheapplicationskills，dailymaintenanceandcommonfaultanalysisofX-rayfluorescencespectrometeringeologicalexperimenttesting，hopingtoprovidereferenceforcolleaguesingeologyandexperimentaltesting，andpromotethecommondevelopmentofindustries.

KeyWords：WavelengthdispersiveX-rayfluorescencespectroscopy;Geologicalexperimenttesting;Silicateanalysis;Instrumentconditions

自1895年德国物理学家伦琴发现X射线到20世纪40年代末第一台波长色散X射线荧光光谱仪问世至今，经过100多年的发展，X射线光谱仪已经规模壮大，常见的X射线荧光光谱仪有波长色散X射线荧光光谱、能量色散X射线荧光光谱、质子X射线荧光光谱、同步辐射X射线荧光光谱、全反射X射线荧光光谱等[1]。其中，波长色散X射线荧光光谱因其成熟稳定的技术得到了广泛的应用。20世纪70年代，X射线荧光光谱就广泛应用到硅酸盐岩石的检测分析中了，我国在90年代也制定了相关的标准，迈入21世纪，X射线荧光光谱仪也在地质实验测试行业当中得到了广泛应用。本文以荷兰帕纳科的AxiosmAX波长色散X射线荧光光谱仪为基础，阐述仪器基本构造与性能，并对其在硅酸盐岩石分析测试中的应用以及日常故障分析排查进行探讨。

1X射线荧光光谱仪的基本仪器条件

1.1AxiosmAX光谱仪的构造与工作原理

AxiosmAX波长色散X射线荧光光谱仪主要由激发源、滤光片、样品室、准直器、分光晶体、探测器、信号放大器、脉冲分析器、计算机组成（如图1所示）。激发源为端窗型铑靶X射线光管，最大功率为4000W，最大电压为60kV，最大电流为160mA；配置LiF200、Ge111、PE002、PX1、LiF220分光晶体，最多可同时配置8块晶体；探测器为流气正比计数器和闪烁计数器。主要工作原理是样品室中样品由光管发射的原级X射线激发，产生的二次荧光通过准直器，再由分光晶体根据布拉格定律进行衍射，进入不同的探测器中计数，将光信号转化成电信号经由放大器放大，放大后的脉冲信号由脉冲处理器处理，最后由计算机计算得出样品成分及含量。

1.2AxiosmAX光谱仪的运行条件

X射线荧光光谱仪具有检测速度快、结果准确且重现性好、样品无破坏性等特点，但对仪器本身的条件设定也是相当严格。仪器环境应保证24小时恒温恒湿，温度控制在（25±2）℃之间，湿度控制在（45±3）%之间，仪器内部温度应控制在（30±0.1）℃之间，温度对分光晶体的使用和寿命都有影响，特别是PE晶体。为延长发射光管使用寿命，光管应常开少关，在不使用的时候应保持低功率运行，先逐级降低电流至10mA，再逐级降低电压至20kV，仪器应配备稳压电源，防止突然断电。经由空气压缩机进入仪器内部的空气应经过多重干燥除去水分。仪器使用的循环水电导率应在0～50μS/m之间，并控制一定流速，一般一年跟换一次外循环水及添加内循环水，建议2年更换一次滤芯。仪器内部真空度应控制在0～100Pa，良好的真空度应在5Pa以内，关机之前必须先关闭光管再卸真空，以免损坏光管，真空泵应6个月排一次空气，根据样品量及泵油浑浊度，定期更换泵油。

1.3P10气体的使用与PHD校正

P10气体又称氩甲烷混合气，是90%的氩气和10%的甲烷的混合气，纯度为99.999%，搭配流气探测器用以检测轻元素，为保证探测器内气体浓度不变，不影响测定结果，气阀应常开，使气体一直保持流动状态。气瓶应安装二级减压阀，输出压力控制在0.7～0.8bar之间，气流速度控制在0.5～3.0L/h之间，一般调节流速为1.0L/h，当钢瓶压力低于10bar时，应更换气体，一般每半年更换一次。每次更换气体都不应滚动或拖动气瓶，也不应放倒气瓶，宜用推车将气瓶转移安装，确保不漏气，安装完后应缓慢打开气阀并稳定2h，重新校正PHD。PHD即脉冲波高分布曲线，PHD校正是非常关键且不可忽视的步骤，通过PHD校正，可以得到更加可靠、准确的实验数据，也可以从校正过程中检查探测器、晶体是否异常，光管强度是否衰弱等。通过不同时间段的同等条件下的PHD检测，可以清楚观察脉冲高度分布图状态、光管等的变化，实时了解仪器状态（如图2、图3所示）。

2&F1HZF+WlrOblPJ/0Ro7u0ifQkY3Z+t4R64XjLqd3YMs=nbsp;X射线荧光光谱仪测定硅酸盐的应用探讨

2.1X射线荧光光谱法的优点

硅酸盐作为自然界中最常见广泛的矿物，是多数岩石和土壤的主要组成部分，其在建筑、陶瓷、玻璃、电子材料、生物、医学领域均得到广泛应用。近年来随着非金属矿的需求增多，对其检测需求也不断增长。相比较于传统的光度法、重量法、容量法等检测方法，分解样品次数多，一个元素一个执行标准，检测周期长，系统分析误差大，X射线荧光光谱法是将样品与熔剂四硼酸锂按照1∶8质量比混匀，加入氧化剂、助熔剂、脱模剂，在熔样机上以1150℃熔融制成玻璃片，通过一次熔片制样，便可一次完成硅、铝、铁、钛、钾、钠、钙、镁、锰、磷等16个主次成分量的分析检测[2]，具有人工少、耗时更短、结果更准确等特点。

2.2X射线荧光光谱仪检测的局限性

X射线荧光光谱法测定硅酸盐，主要以岩石、土壤、水系沉积物这几类标准物质为基体建立检测程序，要准确分析样品成分，其对基体的匹配要求也是比较高的，针对常规的样品，检测准确可靠。但在非金属矿中，萤石矿、铝土矿、石灰岩、白云岩、石英等，由于其主次量占比比较特殊，基体不匹配，不能用此程序测定，应用合适的同类型含量低、中、高的标准物质，单独建立程序进行测定，才能得到正确可靠的分析结果；同一类矿物，如矽卡岩，在成矿过程中由于环境条件不同，其夹杂的矿物成分也截然不同，这类矿物也是不适合建立可靠的分析程序的。所以，在进行定量分析前，对于不熟悉成分的样品我们应该先利用光谱仪进行半定量分析，再确定正确的检测分析方法。

由于大部分硅酸盐矿物均以氧化物形式存在，X射线荧光光谱法在进行结果归一化计算处理时，需要加入样品的灼烧减量结果，通过实际测定的灼烧减量，以总量100%计算得出硅、铝等元素的含量。在实际工作中，不正确的灼减量引入，往往会导致结果不可靠。例如：亚铁含量高的样品，其实际测得的灼减量会因亚铁被氧化而使结果偏高，最终参与计算，会导致主量硅、铝等结果明显偏低。所以，对于硫、氟、亚铁等影响灼减量结果的样品，应给予校正来保证数据准确。

X射线荧光光谱法无法按元素价态进行定量，如铁元素的测定只能得到全铁的结果，亚铁、三氧化二铁，仍须结合经典方法进行测定。

粉末压片法存在矿物效应、粒度效应、偏析等误差，相较于熔片法，准确度不足，应根据实际需求，选定合适的方法。

3X射线荧光光谱仪的常见故障分析与排查

3.1光管异常关闭排查

光管异常关闭一般是仪器设定的保护机制，当外部条件达不到要求时，仪器会自动关闭光管，如遇这种情况，可以从真空度、循环水、仪器其他内部元件几部分进行分析排查。首先，检查仪器真空度，当真空度不达标时，查看外部空气压缩机是否故障，检查空压机压力是否正常、皮带是否断裂、油位是否达标、连接空压机的空气干燥机是否因故障引起跳闸，如一切正常真空度仍不达标，则应打开仪器内部，查看进样室密封圈是否老化；其次，检查冷却水温度是否正常，水冷机水位是否正常，铜管接口处是否有漏水、渗水现象，如因冷却水位过低，导致水温升高，无法达到光管的降温要求，光管就会自动关闭；最后，排查仪器内部，查看内循环水水位、流量是否正常，查看高压发生器是否正常工作，光管铍窗是否因异物掉落导致破裂等，再根据实际情况联系仪器工程师[3-4]。

3.2探测器故障排查

波长色散X射线荧光光谱仪常用的探测器有3种，分别是流气式正比计数器、闪烁计数器和封闭式正比计数器。本文主要讨论前两种。探测器的作用是将X射线的能量转化成电信号，通过放大器放大，由脉冲分析器处理，以计数率表示。根据元素不同的能量范围，可以选定对应的探测器检测。通常来说，流气探测器测定硅、铝、钾、钠、钙、镁等轻元素，闪烁探测器一般测定铁、铜、锌等重元素。对于一般探测器故障可以根据所测元素计数率异常变化先判定是哪个探测器故障。假如在测试过程中，仪器没有故障报警的情况下，测得的标准样品中少部分数据异常如钠、镁的结果异常，应该首先排查流气探测器，查看其窗口膜是否漏气，导致计数率下降。如果出现数据时好时坏的情况，应该考虑高压模块异常。在实际工作中，就曾经出现过因长时间工作，高压模块加不上电压，导致计数率异常，重新做PHD，又能使用的情况，这个时候就应该及时更换高压模块。如果出现多数据异常，排除掉前面的因素，那就很可能是前置放大器故障。

3.3其他常见的故障

转盘连接超时：在仪器关闭状态下，打开仪器面板与前盖，打开真空室铜盖，将转盘小心倾斜取出，用酒精清洁齿轮和轴承，晾干装回，这种情况一般在长时间测定粉末压片样品时出现；仪器连接超时：关闭光管，关闭电源，重新启动仪器设备，待真空泵启动后，重新打开SuperQ软件连接；活塞超时：查看是否电磁阀故障或润滑度不够；水流量、热交换流量过低：应更换流量控制器；装盘卡死：更换驱动马达等[5-6]。

4结语

本文通过对Axios波长色散X射线荧光光谱仪在实际工作中的应用展开分析，探讨其在硅酸盐检测中的应用技巧，剖析其优势与局限性，并从一个实验测试工作者的角度出发，列举了仪器在日常使用中的常见故障，提出了解决方案。综上所述，X射线荧光光谱仪在未来仍将得到更加广泛的应用，对其研究然有很多工作要做，特别是在地质行业中，应在特殊硅酸盐类、金属矿、海洋地质样品等方面建立标准方法，才能更好地满足不同的检测需求。

参考文献

[1]吉昂，陶光仪，卓尚军，等.X射线荧光光谱分析[M].北京：科学出版社，2003：1-2.

[2]国家地质实验测试中心.硅酸盐岩石化学分析方法第28部分：16个主次成分量测定：GB/T14506.28-2010[S].北京：中国标准出版社，2010.

[3]吴雪萍.X射线荧光光谱法测定高硅硅酸盐岩石中的主次成分[J].化学工程与装备，2023（11）：195-197.

[4]姜莹，张雨，刘金东，等.X射线荧光光谱法测量饰品中银含量的计算方法探究[J].中国检验检测，2023，31（6）：41-44.

[5]刘志英，李明茂，刘奇，等.酸消解-能量色散X射线荧光光谱法测定铜及铜合金中铜[J].冶金分析，2023，43（11）：39-44.

[6]李小莉，王毅民，高新华，等.1960—2020年中国X射线荧光光谱分析评述文献评介[J].理化检验-化学分册，2023，59（10）：1231-1240.