X射线荧光（XRF）：理解特征X射线

什么是XRF？

       X射线荧光定义：由高能X射线或伽马射线轰击激发材料所发出次级（或荧光）X射线。这种现象广泛应用于元素分析。

XRF如何工作？

       当高能光子（X射线或伽马射线）被原子吸收，内层电子被激发出来，变成“光电子”，形成空穴，原子处于激发态。外层电子向内层跃迁，发射出能量等于两级能量差的光子。由于每个元素都有一组独特的能级，所以每个元素都会发出一组元素特有的X射线，称为“特征X射线”。X射线强度随相应元素的浓度增加而增加。

理解特征X射线

       当元素的电子在原子能级之间发生跃迁时，就会发出特征X射线。如果一个电子从能量Ei能级跃迁到Ej能级，发出的X射线能量Ex=Ei-Ej。因为每个元素都有一组独特的原子能级，所以发射出的X射线就是这个元素的特征X射线。

上图是一个原子的草图，显示了不同的原子层级，分别是K，L，M，N……这些特征X射线就是在层级之间跃迁产生的。图中显示这些线的命名方式：当从外层跃迁到K层，则是K线特征X射线，以此类推。

上图显示Pb的特征X射线。K层电子结合能是88.04keV。Kβ线相当于从M跃迁，能量85和87keV。Kα从L线跃迁，能量72和75keV，L线是跃迁到L层，能量10到15keV。M线是跃迁到M层，能量大概是2.5keV。

上图是类似的谱图，使用Ag测量谱图。Ag的原子序数较低，K层能量只有25.5keV。使用低得多得能量激发。下图显示相同数据，但范围扩大了。注意Pb的Kα1和Kα2很明显，但Ag不同。这些峰主要原子亚壳层分裂，即自旋轨道耦合，这对较重的原子更为重要。

下图对比了三个纯元素谱图和一个黄铜样品谱图。黄铜是铜锌合金，通常含有少量的Pb和其他元素。Cu和Zn的峰比较明显，Pb峰较弱。这些峰表示样品中存在这些元素。

下图显示同样的样品谱图，但是黄铜使用对数刻度显示。上图中线性显示清晰的显示了主元素。对数图谱显示了一些很小的峰和在线性谱图中没有显示出来的其他特征峰。

XRF定量分析

       特征X射线的强度与样品中元素的浓度有关，但这种关系并不简单。单个激发线的测量强度，比如说Cu的Kα峰，取决于能量谱图，入射X射线强度，X射线探测器效率，以及激发源和样品之间的几何结构。同样也取决于样品中其他元素分布。黄铜中一些Zn的Kα X射线会与Cu原子相互作用，增强Cu线，降低Zn线。这就是基体效应。

       定量分析软件，比如AMPTEK的XRS-FP2软件可以解决这些效应。分析频谱主要有三个主要步骤。第一，必须确定每个峰的强度，也就是总计数，也称每个峰的净面积。这需要扣除背景，校正逃逸峰和其他损失的峰，分离重叠峰。第二，必须校正探测器及其窗口的灵敏度、几何效应和激发光谱。第三，必须校正基体效应。

       简单的分析可能不需要完整的分析软件。比如只需关心黄铜中Pb的含量，而黄铜中Cu和Zn的含量几乎是固定的，Pb的浓度没有太多的变化，那么可以使用几个校准样品，得到Pb峰净面积强度与浓度之间的经验关系。但是对于不太理想的测量条件，需要进行更复杂的分析。