CN107748172A - 一种x荧光分析仪最优分析时间确定方法 - Google Patents
一种x荧光分析仪最优分析时间确定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种X荧光分析仪最优分析时间确定方法,首先,依据X荧光分析仪激发以及标样的特性,选择合适的激发电压U和激发电流I。依据选择的激发条件,计算X荧光理论强度值。其次,以理论计算值为基础,在满足预设置的不确定度的条件下,计算理论最优分析时间。再次,进行实验分析,对激发条件进行反馈调整。最后结合在线分析结果与理论计算的最优分析时间,确定X荧光分析仪的最优分析时间。本发明的有益效果是可以规范测定时间,提高分析结果的准确性,减小分析结果的不确定度。
Description
技术领域
本发明属于能量色散X荧光分析,涉及一种X荧光分析仪最优分析时间确定方法。
背景技术
能量色散X荧光(Energy Dispersive X-Ray Fluorescence,EDXRF)分析技术是用于元素定性和定量分析的一门综合性很强的技术,是电子计算机技术和核探测技术等学科相互交叉后的产物。EDXRF分析技术由于具有无损、无污染以及多元素快速准确分析等特点,已广泛应用于材料、医疗、考古、冶金、太空等很多领域。在能量色散X荧光的分析中,分析方法是数据分析结果质量的重要保障之一。针对不同的试样,不同的分析方法的分析质量存在着差异,每一中分析方法的适用范围也是有限的。分析方法选择的原则有:满足用户的要求;符合相应的法规、标准和规范;分析成本、周期和效率等。在制定能量色散X荧光分析方法时,需要考虑多种因素。若使用基本参数对分析结果进行校正,则不能考虑到试样与标样之间的物理化学形态差异。若使用经验影响系数法进行校正,一方面需要相对多的相似标样,同时需要计算更多的无物理意义的数学参数。
在现在的能量色散X荧光(EDXRF)分析技术中,对提高分析的数据的准确性及不确定度提出了许多改进的算法。分析方法中分析条件的设置,也依据不同的标样及其所处的不同的化学物理状态、X射线管的激发源等进行不同的设定,以达到最优的计算结果。不过在分析条件的设定中,分析时间的设置,并没有统一的标准,常用的是在标样测试过程中,在谱线形成相对稳定后,依据谱线的实际情况,来设置标样的测量时间。这样导致分析分析结果的不准确,分析结果的确定度不够。
发明内容
本发明的目的在于提供一种X荧光分析仪最优分析时间确定方法,解决了目前在的能量色散X荧光分析技术中分析时间的设置,并没有统一的标准的问题。
本发明所采用的技术方案是包括以下步骤:
步骤1:选择合适的激发源,依据X荧光分析仪的激发源与标样的特性,选择合适的激发电压U和激发电流I;
步骤2:对X射线原级谱线的理论强度进行计算;
步骤3:对X荧光理论强度进行计算;
步骤4:计算理论最优时间;
步骤5:校正激发电流I;
步骤6:确定最优时间。
进一步,步骤2中对X射线原级谱线的理论强度进行计算方法如下:
计算X射线原级谱短波限λ0,当阴极灯丝加载管电流I时,灯丝发热并释放出电子,这些电子经电场加速后到达X射线管阳极,高速电子在撞击靶材料后减速,丢失的能量以X射线的形式释放;若减速后释放的能量为ΔE,可以计算出所释放的X射线波长,其中存在短波限λ0,如下式2-1所示:
计算X射线原级谱线理论强度:
式中Iλ为连续谱在波长λ处的强度,Z为靶材料原子序数,λ0为连续谱的短波限,Wab为Be窗吸收校正项,f为一个经验系数。
进一步,步骤3中对X荧光理论强度进行计算方法如下:
计算一次X荧光理论强度,依据X荧光的产生原理,以单色光入射为基础,通过下式3-1计算其产生的一次X荧光强度:
式中,Gi为常数,与X射线管等仪器因素有关,为常数;Ci为标样中元素的浓度值;Iλ为入射X射线强度值;μi,λ为标样中成分i对波长为λ的入射光的质量吸收系数;为与质量吸收系数相关参数;
对于多色光激发时,即在有效波长范围内对单色光进行积分,如下式3-2所示:
计算二次X荧光理论强度,因为标样中所含成分的X荧光射线的波长小于标样中某一成分的激发波长,从而产生二次荧光辐射,其计算公式如下3-3所示:
式中,eij,λ为与标样相关的质量吸收系数,通过理论计算获得;Cj为标样中某一成分的浓度;λmin为可以激发二次荧光的最小波长;
计算X荧光理论强度,将一次X荧光理论强度与二次X荧光理论强度求和得到X荧光理论强度Rp;
计算X荧光背景强度,依据探测的峰背比P/B,通过X荧光理论强度值,计算得到理论背景强度Rb。
进一步,步骤4中计算理论最优时间步骤如下:
X射线光子的计数存在一定的不确定度,这与计数的时间紧密相关,以u(N)表示X荧光的标准不确定度,可以表示为4-1:
式中,T为测量时间,R为X荧光光子计算总量。以最佳定时法进行时间分配,即对背景测量时间Tb与峰位测量时间Tp进行合理分配使得净计数的不确定度最小,Tb与Tp之间的关系如下4-2:
Rp为峰位的计数率;Rb为背景的计数率,则测量时间T:
T=Tp+Tb (4-3)
不确定度u(N):
预设定不确定度u(N)s后,结合上文所述的理论计算的X荧光强度Rp、Rb,带入式4-3计算出在满足指定不确定度的条件下,能量色散X荧光分析的最优时间Ts,如下式4-5;
进一步,步骤5中校正激发电流I方法如下:
在线检测探测器得到的实验X荧光强度,得到实验X荧光强度Ps,与理论强度Pi对比,计算其偏差,通过预先设置调整参数m,以最小偏差为标准对X荧光的激发电流I进行校正。
进一步,步骤6中确定最优时间方法如下:
通过实验动态分析X荧光强度总计数值C’,以时间增量ΔT为间隔,对实验X荧光强度Ps进行积分:
式中N为实验X荧光强度积分次数N,Ts为理论求得的最优时间,C’为X荧光实验强度总计数值;校正X荧光强度积分次数N,保证实验的总计数值C’大于理论计数值C时,即满足指定不确定度要求:
C’≥C
若不满足,则实验X荧光强度积分次数N=N+1,重复步骤6,直至满足要求。
本发明的有益效果是可以规范测定时间,提高分析结果的准确性,减小分析结果的不确定度。
附图说明
图1是X荧光分析仪最优分析时间确定方法流程图;
图2是实验X荧光强度。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明方法步骤如图1所示,按照以下步骤进行:
步骤1:选择合适的激发源,依据X荧光分析仪的激发源与标样的特性,选择合适的激发电压U和激发电流I;
步骤2:对X射线原级谱线的理论强度进行计算,其具体步骤如下:
步骤2.1:计算X射线原级谱短波限λ0,当阴极灯丝加载管电流I时,灯丝发热并释放出电子,这些电子经电场加速后(即管电压U),到达X射线管阳极,高速电子在撞击靶材料后减速,丢失的能量以X射线的形式释放;若减速后释放的能量为ΔE,可以计算出所释放的X射线波长,其中存在短波限λ0,如下式2-1所示:
步骤2.2:计算X射线原级谱线理论强度,采用Pella所提出的带校正的经验公式2-2:
式中Iλ为连续谱在波长λ处的强度,Z为靶材料原子序数,λ0为连续谱的短波限,Wab为Be窗吸收校正项,f为一个经验系数;
步骤3:对X荧光理论强度进行计算,其具体步骤如下:
步骤3.1:计算一次X荧光理论强度,依据X荧光的产生原理,以单色光入射为基础,通过下式3-1可以计算其产生的一次X荧光强度:
式中,Gi为常数,与X射线管等仪器因素有关,为常数;Ci为标样中元素的浓度值;Iλ为入射X射线强度值;μi,λ为标样中成分i对波长为λ的入射光的质量吸收系数;为与质量吸收系数相关参数;
对于多色光激发时,即在有效波长范围内对单色光进行积分,如下式3-2所示:
步骤3.2:计算二次X荧光理论强度,因为标样中所含成分的X荧光射线的波长小于标样中某一成分的激发波长,从而产生二次荧光辐射,其计算公式如下3-3所示:
式中,eij,λ为与标样相关的质量吸收系数,通过理论计算获得;Cj为标样中某一成分的浓度;λmin为可以激发二次荧光的最小波长;
步骤3.3:计算X荧光理论强度,将一次X荧光理论强度与二次X荧光理论强度求和得到X荧光理论强度Rp;
步骤3.4:计算X荧光背景强度,依据探测的峰背比P/B,通过X荧光理论强度值,计算得到理论背景强度Rb;
步骤4:计算理论最优时间:
X射线光子的计数存在一定的不确定度,这与计数的时间紧密相关,以u(N)表示X荧光的标准不确定度,可以表示为4-1:
式中,T为测量时间,R为X荧光光子计算总量。以最佳定时法进行时间分配,即对背景测量时间Tb与峰位测量时间Tp进行合理分配使得净计数的不确定度最小,Tb与Tp之间的关系如下4-2:
Rp为峰位的计数率;Rb为背景的计数率,则测量时间T:
T=Tp+Tb (4-3)
不确定度u(N):
预设定不确定度u(N)s后,结合上文所述的理论计算的X荧光强度Rp、Rb,带入式4-3计算出在满足指定不确定度的条件下,能量色散X荧光分析的最优时间Ts,如下式4-5;
步骤5:校正激发电流I:
在实验中,在线检测探测器得到的实验X荧光强度,得到实验X荧光强度Ps,与理论强度Pi对比,计算其偏差。通过预先设置调整参数m(1%-3%),以最小偏差为标准对X荧光的激发电流I进行校正,如下式5-1所示:
I=±I(1+m) (5-1)
步骤6:确定最优时间,其具体步骤如下:
步骤6.1:计算理论X荧光强度总计数值,在满足指定不确定度的条件下,计算的最优时间是以强度值恒定为基础的,理论总计数值C为X荧光理论强度RC与理论最优时间Ts的乘积,如下式6-1所示:
C=RC×TS (6-1)
步骤6.2:设置采样时间ΔT,计算实验X荧光强度积分次数N,如下式6-2所示:
步骤6.3:通过实验动态分析X荧光强度总计数值C’,由于在实际的实验分析中,X射线管和探测器性能和效率等因素,并存在老化漂移等问题,不能保障X荧光强度恒定,而是随时间的变化而变化,如下图2所示。
对实验结果进行动态分析,以时间增量ΔT为间隔,对实验X荧光强度Ps进行积分,如下式6-3所示:
式中N为实验X荧光强度积分次数N,Ts为理论求得的最优时间,C’为X荧光实验强度总计数值;
步骤6.4:校正X荧光强度积分次数N,在实验分析中,对分析结果中的峰值强度进行积分,求得实验分析中X荧光实验强度总计数值C’,当满足式6-4时,即保证实验的总计数值C’大于理论计数值C时,即满足指定不确定度要求。
C’≥C (6-4)若不满足,则实验X荧光强度积分次数N=N+1,重复步骤6.3,直至满足要求;
步骤6.5:确定X荧光分析仪最优分析时间T,T=N×ΔT
本发明依据不确定度要求,选择合适的激发条件之后,通过X荧光参数计算,得到X荧光的理论强度。以满足不确定度为前提,计算理论的最优时间。以理论计算的分析时间为实际分析时间进行标样实验。使用分析程序,测量实验荧光强度与背景强度,与理论强度对比,对激发源管流在一定范围内进行调整,同时在测量过程中对实验荧光强度进行积分,通过与理论计算能量强度和理论最优时间的乘积比较,确定X荧光分析仪的最优分析时间。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改,等同变化与修饰,均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种X荧光分析仪最优分析时间确定方法,其特征在于具体包括以下步骤:
步骤1:选择合适的激发源,依据X荧光分析仪的激发源与标样的特性,选择合适的激发电压U和激发电流I;
步骤2:对X射线原级谱线的理论强度进行计算;
步骤3:对X荧光理论强度进行计算;
步骤4:计算理论最优时间;
步骤5:校正激发电流I;
步骤6:确定最优时间。
2.基于权利要求1所述一种X荧光分析仪最优分析时间确定方法,其特征在于,所述步骤2中对X射线原级谱线的理论强度进行计算方法如下:
计算X射线原级谱短波限λ0,当阴极灯丝加载管电流I时,灯丝发热并释放出电子,这些电子经电场加速后到达X射线管阳极,高速电子在撞击靶材料后减速,丢失的能量以X射线的形式释放;若减速后释放的能量为ΔE,可以计算出所释放的X射线波长,其中存在短波限λ0,如下式2-1所示:
<mrow>
<mtable>
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<mo>=</mo>
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计算X射线原级谱线理论强度:
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<mn>2</mn>
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<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中Iλ为连续谱在波长λ处的强度,Z为靶材料原子序数,λ0为连续谱的短波限,Wab为Be窗吸收校正项,f为一个经验系数。
3.基于权利要求1所述一种X荧光分析仪最优分析时间确定方法,其特征在于:所述步骤3中对X荧光理论强度进行计算方法如下:
计算一次X荧光理论强度,依据X荧光的产生原理,以单色光入射为基础,通过下式3-1计算其产生的一次X荧光强度:
<mrow>
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<mi>R</mi>
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<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
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<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中,Gi为常数,与X射线管等仪器因素有关,为常数;Ci为标样中元素的浓度值;Iλ为入射X射线强度值;μi,λ为标样中成分i对波长为λ的入射光的质量吸收系数;为与质量吸收系数相关参数;
对于多色光激发时,即在有效波长范围内对单色光进行积分,如下式3-2所示:
<mrow>
<msub>
<mi>R</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
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<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
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<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
计算二次X荧光理论强度,因为标样中所含成分的X荧光射线的波长小于标样中某一成分的激发波长,从而产生二次荧光辐射,其计算公式如下3-3所示:
<mrow>
<msub>
<mi>S</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>,</mo>
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</mrow>
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<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>-</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中,eij,λ为与标样相关的质量吸收系数,通过理论计算获得;Cj为标样中某一成分的浓度;λmin为可以激发二次荧光的最小波长;
计算X荧光理论强度,将一次X荧光理论强度与二次X荧光理论强度求和得到X荧光理论强度Rp;
计算X荧光背景强度,依据探测的峰背比P/B,通过X荧光理论强度值,计算得到理论背景强度Rb。
4.基于权利要求1所述一种X荧光分析仪最优分析时间确定方法,其特征在于,所述步骤4中计算理论最优时间步骤如下:
X射线光子的计数存在一定的不确定度,这与计数的时间紧密相关,以u(N)表示X荧光的标准不确定度,可以表示为4-1:
<mrow>
<mi>u</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>N</mi>
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<mo>(</mo>
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<mo>-</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中,T为测量时间,R为X荧光光子计算总量。以最佳定时法进行时间分配,即对背景测量时间Tb与峰位测量时间Tp进行合理分配使得净计数的不确定度最小,Tb与Tp之间的关系如下4-2:
<mrow>
<mfrac>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>P</mi>
</msub>
<msub>
<mi>T</mi>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>-</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
Rp为峰位的计数率;Rb为背景的计数率,则测量时间T:
T=Tp+Tb (4-3)
不确定度u(N):
<mrow>
<mi>u</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>N</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<msqrt>
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<mo>(</mo>
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<mo>-</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
预设定不确定度u(N)s后,计算的X荧光强度Rp、Rb,带入式4-3计算出在满足指定不确定度的条件下,能量色散X荧光分析的最优时间Ts,如下式4-5;
<mrow>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msqrt>
<msub>
<mi>R</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
</msqrt>
<mo>+</mo>
<msqrt>
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<mi>R</mi>
<mi>b</mi>
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<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
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<mrow>
<mi>u</mi>
<msubsup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>N</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>s</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
</mfrac>
<mo>.</mo>
</mrow>
5.基于权利要求1所述一种X荧光分析仪最优分析时间确定方法,其特征在于:所述步骤5中校正激发电流I方法如下:
在线检测探测器得到的实验X荧光强度,得到实验X荧光强度Ps,与理论强度Pi对比,计算其偏差,通过预先设置调整参数m,以最小偏差为标准对X荧光的激发电流I进行校正。
6.基于权利要求1所述一种X荧光分析仪最优分析时间确定方法,其特征在于:所述步骤6中确定最优时间方法如下:
通过实验动态分析X荧光强度总计数值C’,以时间增量ΔT为间隔,对实验X荧光强度Ps进行积分:
<mrow>
<msup>
<mi>C</mi>
<mo>,</mo>
</msup>
<mo>=</mo>
<munder>
<mo>&Sigma;</mo>
<mi>N</mi>
</munder>
<mi>P</mi>
<mi>s</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>T</mi>
</mrow>
式中N为实验X荧光强度积分次数N,Ts为理论求得的最优时间,C’为X荧光实验强度总计数值;校正X荧光强度积分次数N,保证实验的总计数值C’大于理论计数值C时,即满足指定不确定度要求:
C’≥C
若不满足,则实验X荧光强度积分次数N=N+1,重复步骤6,直至满足要求。
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