L边界密度计

L边界密度计

（一）测量原理

X 射线荧光测量的原理是，当一束高能粒子与待测元素的原子发生相互作用时，若高能粒子的能量大于原子某壳层上电子的结合能，则该壳层电子将被逐出，形成空穴，该原子处于激发状态。在原子退激恢复到基态的过程中，外层电子向内层跃迁填补空穴，将多余的能量以特征X 射线的形式放出。除以特征X 射线的形式放出能量外，电子跃迁产生的多余能量也可能给壳层上的一个电子，使它获得能量成为自由电子，该电子称为俄歇电子。产生特征X 射线和俄歇电子的过程如图1-1 所示。

1-1特征X 射线和俄歇电子产生原理

特征X 射线的能量E 等于两个能级间的能量差，由莫塞莱定量可知

        （1-2）

其中，n1、n2 分别为壳层电子跃迁前后所处壳层的主量子数；R 为里德伯常数，R=1.097×107m-1；h 为普朗克常数，h=6.626×10-34J·s；c 为真空中光的速度，c=3.0×108m/s；an 为常数，与内壳层的电子数目有关；Z 为原子序数。由式（1-2）可以看出，特征X 射线的能量与Z2 成正比。因此，由特征X 射线的能量就可以确定元素，而通过测量特征X 射线的强度就可以确定元素的含量。根据量子理论，X 射线的能量可以表示为式（1-3），其中λ 表示波长。由式（1-2）和（1-3）可知，特征X 射线的波长与原子序数平方的倒数成正比，因此也可以通过测量特征X 射线的波长确定元素的种类。

        （1-3）

L 边界测量原理与K 边界测量原理类似。K 边界测量原理是某元素原子内层电子克服原子核的束缚所需要的最小能量称为该元素在该能级的吸收限，如U 的K 吸收限为115.6keV。入射光子与物质发生相互作用时，若入射光子的能量恰好等于该物质原子K 吸收限，则K 层电子更易获得能量脱离原子核的束缚，形成自由电子，此时发生光电效应的几率剧增，使得该物质的质量吸收系数μm 陡然增加。这种由于入射光子能量等于电子壳层束缚能引起的μm 陡然变化的现象称为K 边界吸收。L 边界吸收过程与K 边界吸收过程类似，不同的是入射光子能量等于该物质原子的L吸收限，逐出了L 层上的电子。由于吸收过程发生在原子的内层轨道上，因此L边界测量与元素的化学状态无关。不同元素的μm 在L 吸收限的变化量Δμm 也不同，Δμm 是元素的“指纹”。通过测量入射光子穿过样品后在待测元素L 吸收限两侧透射率的变化就可以计算出待测元素的浓度。强度为I0(E)射线穿过厚度为dx 的物质后，强度衰减了dI(E)。dI(E)与被穿过物质的厚度、线衰减系数有关，即

        （1-4）

线衰减系数μ 与质量吸收系数μm、样品密度ρ 之间的关系为μ=μmρ，则式（1-4）可表示为

        （1-5）

对于厚度为d 的样品，对上式积分得

        （1-6）

射线经过样品后的透射率T 为

        （1-7）

在一定能量范围内有μm=a·E-b，a、b 为常数，对上式取对数得

        （1-8）

（二）测量系统

测量系统主要由X射线测量系统、数字多道谱仪和上位机软件三部分组成。X射线测量系统主要包括X光管、样品池和探测器。X光管选用银靶，额定管压为50kV，额定管流为5mA；样品池开模铸塑，体积为2mL；探测器选用FAST-SDD探测器，能量分辨率为125eV@55Fe。

多道脉冲幅度分析器实现能谱测量，其结构如图2-1所示。探测器输出信号经前端电路初步放大后进入高速ADC转化为数字信号，然后进行数字脉冲成形，完成幅度甄别，形成多道能谱数据。同时，采用快成形、慢成形双通道并行处理技术，校正漏计数，提高测量精度。能谱数据通过微控制器（MCU）上传至上位机软件。

图2-1 数字多道谱仪框图

图2-2 L边密度计结构示意图

上位机软件采用C语言在Visual C++ 6.0平台上开发，包括串口通信、谱图显示、命令控制、能量刻度、数据库管理等功能。实测20g/L水相铀溶液实测吸收谱如图2-3所示。

图2-3 水相铀溶液参考谱和透射谱