17年XRF技術專家:談x射線螢光光譜與技術發展歷程

常用的元素分析方法包括原子吸收光譜、原子發射光譜、X射線螢光光譜、能譜分析、等離子體發射光譜、電感耦合等離子體質譜、有機元素分析等。其中，X射線螢光光譜技術（XRF），因其非破壞性、快速和廉價分析等特點，工程、品質管理等領域得到廣泛的應用。那麼XRF廣泛應用性背後的原理如何？經歷了哪些技術發展歷程？又有哪些新技術出現？接下來，擁有17年 X射線螢光技術工作經驗的日立分析儀器公司鍍層分析產品的產品經理Matt Kreiner為我們做了解答。

X射線螢光光譜儀（XRF）技術原理？

何為X射線？類似可見光線，X射線也是電磁波的一種，不同的是它的波長較之可見光為短，在100埃米到0.1埃米之間。同時，與一般的電磁波相比，X射線能夠比較容易穿透物質，且物質原子序數越高，穿透能力越強。下圖為X射線螢光產生的示意圖。由於X射線螢光是元素所固有的能量，依據Moslay法則可對螢光X射線的能量做定性分析，同時，利用X射線螢光強度（光子數）則可做定量分析。

X射線螢光產生示意圖

（運作流程：主X射線對準樣品；X射線與原子碰撞時，電子從其軌道中彈出；來自高能軌道的電子填充這些空隙，釋放出元素和特定躍遷所特有的X射線；X射線由探測器收集和處理。）

波長分散型和能量分散型

（檢出器收集的數據用於識別哪些元素存在，以及每個元素在測量部分中有多少）

通常，X射線螢光分析裝置大致分為兩大類，即波散型（Wave Length-dispersive X-ray Spectroscopy; WDX）和能散型（Energy-dispersive X-ray Spectroscopy; EDX）。

相對其他「元素分析」技術手段，XRF主要技術優勢？

XRF是一種對多種材料中的一系列元素進行非破壞性、快速和廉價分析的重要技術。尤其臺式和手持式XRF分析儀操作簡單，通常不需要任何特殊工具或消耗品。

這使得在生產線附近操作XRF分析儀成為可能，並提高了效率。常見應用如無機元素的元素分析，分析範圍通常在Na（11）和U（92）之間；汽車零部件領域應用，經過優化的XRF，可分析常見鍍層中的元素，分析範圍通常在Al（13）和U（92）之間。

XRF光譜譜圖示例

XRF能「快速」檢測的原因？

XRF檢測快速的一個原因是測量是用X射線進行的，而X射線是以光速進行傳播的。被測試的樣品被與樣品相互作用的初級X射線「激發」，並產生次級X射線，由精密的探測器進行信號轉換，整個流程花費的時間很短暫的。

然而 「快速」檢測與 「精準」兩個方面往往是此消彼長的矛盾關係，所以保證XRF「精準」性也是很重要的。一般可以通過一些優化技術、軟體控制、減少操作中時間、減少間隙停機時間等技術手段來實現。例如，日立分析儀器公司FT160的創新多毛細管體系結構技術，這是一個聚焦光學元件，由一組彎曲為錐形的細小玻璃管組成，X射線通過反射引導穿過管道，類似於光纖技術中的光引導方式。毛細聚焦管光學元件與微束X射線管匹配將比傳統系統更多的信號引導到樣品，收集更多的X射線管輸出。其焦斑小區域上的X射線強度比傳統機械準直系統高出幾個數量級。從而實現「快速」與「精準」的優化。

X射線螢光鍍層厚度測量儀 FT160系列

而傳統傳統XRF為測量較小尺寸樣品（如鍍層樣品），使用機械準直裝置將X射線管的光束尺寸減小到幾分之一毫米，達到減小光束尺寸的目的。但這一過程通過在X射線管前方放置一塊鑽有小孔的金屬塊實現，僅允許與孔對準的X射線穿過併到達樣品。絕大多數X射線輸出因被準直器塊阻擋而不能用於分析，削弱了檢測效率。

XRF主要應用領域有哪些？

以鍍層厚度測量為例，當涉及到鍍層及相關測試需求時，一般都會用到XRF，而汽車行業就是應用最密集的行業之一。由於XRF允許快速和現場測試，因此它適合製造生產線。原始的設備製造商都需要依賴XRF，因為每輛汽車平均有約15000個部件，上面塗有各種金屬和其他鍍層，以確保導電性或絕緣性。然而，汽車組裝是需要快速流水線進行的，這些部件需要在現場進行測試，XRF便發揮了重要作用。總之，XRF允許在不幹擾生產製造過程的情況下進行質量控制，這成為其廣泛被應用的重要原因之一。

XRF產品技術發展歷程？

以日立分析儀器公司產品為例。鍍層分析方面，日立分析儀器公司提供一系列用於鍍層分析的臺式XRF測試解決方案，是該領域的先驅。日立在1978年便推出了SFT155/156，這是第一臺使用X射線管的臺式XRF鍍層分析儀。2011年推出FT110，隨後2012年推出X-Strata920，2015年推出FT150。

X射線螢光鍍層厚度測量儀系列

X射線螢光分析儀系列

目前日立分析儀器公司的產品範圍包括具有半導體檢測器的X-Strata920、具有用於大容量測試的高級功能的FT110A和新推出的FT160等。如上所述，FT160將SSD檢測器與多毛細管光學器件結合使用，以精確測量納米級鍍層的更小特徵。多毛細管光學器件與微點X射線管匹配，以收集更多的管輸出。這將其聚焦在通量比機械準直系統大幾個數量級的較小區域上。這意味著可以更快，更高精度地測量更小和更薄的特徵，從而更容易符合規格。

集透視CT、顯微成像、XRF技術於一身的EA8000

除了常規XRF產品，日立分析儀器公司還有一款比較特殊的產品EA8000，其集合透視CT、顯微成像、XRF技術於一身。EA8000A的推出是為了滿足電動汽車用電池日益增長的質量控制需求。它能快速檢測鋰離子電池內的金屬顆粒汙染物，有助於防止這些顆粒存在時發生的災難性故障。

鋰離子電池·燃料電池用X射線異物分析儀 EA8000

EA8000是一體式設計，從而實現更高的效率。將X射線成像單元、螢光X射線分析儀和光學顯微鏡被集成到一個系統中並連結以自動提供結果。與傳統儀器相比，檢測速度和金屬汙染物識別的時間要短得多。操作員可以簡單地放置樣品並進行測量，從而實現高效的工作和生產力。

三項技術的結合，使EA8000可以定位和識別電池內的破壞性金屬顆粒，提供對大小、分布和顆粒類型的全面分析，這在控制電池質量時是非常關鍵的，快速分析、易用性和自動化支持大批量生產等性能幫助電池企業順利實現交付目標。

這些技術的結合不僅提供了鋰離子電池關鍵區域內金屬顆粒的大小、分布和類型的獨特綜合圖像，而且極大地縮短了成像時間。檢測時間可縮短至3至10分鐘，比常規時間縮短100多倍。這一點非常重要，電極材料、燃料電池隔板和鋰離子充電電池中的金屬顆粒汙染會產生熱量，降低電池容量和壽命；一些情況下，雜質還會導致火災。因此，電池製造商需要對直徑約20µm的金屬顆粒進行快速檢測和元素識別。而EA8000A設置測量參數後，可自動捕獲X射線圖像，檢測和識別金屬顆粒，提高故障分析和測試的效率。

Matt Kreiner簡介

馬特·克林納 （Matt Kreiner）是日立分析儀器公司鍍層分析產品的產品經理。他有17年的X射線螢光技術工作經驗，職業生涯始於應用工程師。Matt居住在芝加哥，擁有美國西北大學（Northwestern University）化學工程學士學位。