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X射線熒光光譜儀在貴金屬檢測上的發展

時間:2019-06-04 10:07作者:曼切
本文導讀:這是一篇關于X射線熒光光譜儀在貴金屬檢測上的發展的文章,隨著人們生活水平的不斷提高, 各種貴金屬產品 (例如, 首飾, 珠寶, 黃金) 的消費需求也逐年增長, 貴金屬買賣也成為投資的重要渠道。人們對貴金屬產品的質量會越來越關注。

  摘    要: 貴金屬因其價值高, 對測量精度要求較高, X射線熒光光譜技術作為一種無損檢測技術, 檢出限在μg/g量級范圍內, 特別適合用來檢測樣品中貴金屬元素的組成和含量, 已經成為貴金屬分析領域中的主要檢測手段。文章旨在對適用于貴金屬檢測的XRF專利申請進行分析;理清其技術發展脈絡, 合理預期其未來發展趨勢, 供相關研究人員和企業參考。

  關鍵詞: X射線熒光光譜; 貴金屬; 無損檢測; 專利技術;

  Abstract: Precious metals require high measurement accuracy because of their high value. as a nondestructive testing technique, X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) is especially suitable for the determination of the composition and content of precious metal elements in samples because of its detection limit in the range of μg/g. It has become the main detection method in the field of precious metal analysis. The purpose of this paper is to analyze the XRF patent application suitable for precious metal detection, clarify its technical development context, and reasonably expect its future development trend for the reference of relevant researchers and enterprises.

  Keyword: X-ray fluorescence spectroscopy; precious metals; nondestructive testing; patented technology;

  1、 概述

  X射線熒光光譜分析作為一種較為成熟的元素分析技術, 具有簡單快速, 準確度高, 精密度好, 多元素同時測定等特點, 且X射線熒光光譜儀的發展經歷了幾十年, 從第一臺波長色散型X射線熒光光譜儀的產生, 到ED-XRF和WD-XRF合為一體的儀器的問世, 其在結構和功能上都有了很大改進, 使得XRF在地質、礦石、冶金、考古、貴金屬檢測等領域得到了廣泛應用[1,2]。在貴金屬檢測方面, 由于X射線熒光光譜法測定貴金屬操作快捷、自動化程度高, 已經成為貴金屬分析領域中主要的檢測手段。而為了適應各種不同形態、不同性質的貴金屬的檢測, X熒光光譜儀也經歷了結構從簡單到復雜, 分析速度從慢到快, 分析精度從低到高的發展。縱觀X射線熒光光譜儀在貴金屬檢測方面的一系列發展, 其主要改進點在于如何改進激發方式和激發源以適應貴金屬檢測的特殊需求, 進而提高貴金屬檢測的精度。

X射線熒光光譜儀在貴金屬檢測上的發展

  2、 專利技術發展路線

  X熒光光譜儀自1946年7月19日Herbert.Friendman申請的第一篇專利 (US684908) 獲得授權之后 (授權專利號US2449066, 授權日1948年9月14日) , 開始進入公眾的視野, 該篇專利中系統的介紹了掃描型波長色散X射線熒光光譜儀的原理和結構。RESEARCH公司于1954年8月4日提出了能量色散型X射線熒光光譜儀 (US2928944) 。雖然能量色散型XRF彌補了掃描型波長色散XRF的部分缺點, 但是, 能量色散XRF需要具有能量分辨能力的能量探測器, 對當時的技術來說, 并沒有高分辨力的能量探測器, 因此, 這又帶來了探測精度的問題。為了利用波長色散X射線熒光光譜儀的分辨率優勢, 又能簡化裝置結構, BIRKS JR LA VERNE S于1955年2月23日提出了多道波長色散型XRF光譜儀 (US2842670) , 該儀器在分光系統分光后使用多通道探測器同時獲得多個波長的信息, 可同時獲得多元素信息, 不需要掃描結構, 快速簡便。

  在X射線熒光光譜儀出現后, 其迅速在各種科研和工業領域得到了廣泛的應用。在其發展前期, 主要還是應用基本的波長色散型XRF和能量色散型XRF。在貴金屬檢測領域, 使用最多的也是能量色散X射線熒光光譜儀, 例如, 使用EDXRF測量金涂層厚度 (US3984679, CN101625330A, CN1044745C, CN100409002C, CN201497712U, CN203824940U) ;測量多層薄膜厚度 (US4162528) ;測量噴鍍過程中的金濃度 (US4317035) ;測量貴金屬元素含量 (JP29905488A, AT90109244T) 。

  隨著科技的發展, 在一些精度要求較高的領域, 例如半導體行業襯底表面的超薄貴金屬鍍層的檢測, 痕量貴金屬元素的檢測等, 傳統的X射線熒光光譜儀已不能滿足人們的需求。為了解決這一問題, 20世紀70年代出現了針對痕量貴金屬檢測的偏振XRF (US3944822) 和全反射式XRF (DE2727505 A1) 。使用偏振XRF分析樣品可顯著降低康普頓和相干散射信號。全反射XRF可以大大降低本來對痕量分析不利的X射線背景。DE2727505 A1中公開的全反射XRF能夠檢測硅襯底上的超薄金屬鍍層。

  20世紀90年代, 隨著人們生活水平的不斷提高, 各種貴金屬產品 (例如, 首飾, 珠寶, 黃金) 的消費需求也逐年增長, 與此同時, 人們對貴金屬產品的質量也越來越關注。此時, 市面上已經出現了一批X射線熒光光譜儀 (如日本理學3080E型, 美國Baird公司的EX-6500型) , 但是上述市場上出售的X射線熒光光譜儀要求被分析的樣品應具有平坦而均勻的被照射面積, 才能獲得可靠而精確的結果。這些光譜儀的照射面積比較大 (一般直徑20毫米以上) , 然而, 很多貴金屬產品, 例如金銀項鏈, 鉑金鉆戒等都比較精致, 形狀結構復雜, 有的還鑲嵌珠寶或其他合金, 因此, 使用這類X射線熒光光譜儀難以對首飾等貴金屬產品進行可靠的分析[3]。

  此時, 一種檢測貴金屬產品的微區X射線熒光光譜儀應運而生 (US5062127, CN1110405A) , 其中US5062127中公開的micro-XRF使用機械裝置選擇準直器上的不同大小的孔, 使其位于X光線光軸上, 以得到相應大小的光束。X射線管發出的X射線通過準直器變為微束, 照射到樣品上的光斑可被限制在0.1-5mm。使用此裝置, 盡管貴金屬產品的形狀結構復雜, 但在這個小區域內它近于是個平面, 經過X射線熒光光譜分析, 可以精確地測定被照射的小區域內貴金屬的含金量。

  雖然使用小孔光闌或準直器可以獲得微束實現微區檢測 (該技術也被美國KeveX公司生產的Omicro微區XRF分析儀采用) 。但是, 小孔光闌或準直器在縮小光束光斑大小的同時也降低了光束的能量, 導致為了得到較高的光束能量, 所使用的X射線管需要具有大功率, 增加了驅動難度和散熱問題。同時, 由于降低了光束能量, 對于包金層、鍍金層過厚的貴金屬制品無法檢測。

  為了解決上述問題, 1991年, Kumakhov等人將X光透鏡引入X射線熒光光譜儀中實現微區檢測 (WO9208325) 。X光透鏡于20世紀80年代中期由蘇聯科學家Kumakhov發明, 因此也叫Kumakhov透鏡或毛細管透鏡, X光透鏡利用X光在玻璃導管內壁產生多次全反射而獲得高強度的微束X光, 與采用小孔光闌方式獲得的微束X射線相比, 在光斑大小相同的條件下, 毛細管透鏡產生的光子通量要高3個量級。X射線熒光光譜儀中使用Kumakhov透鏡調整光束, 可以在不損失光束能量的同時獲得小的照射光斑, 照射到樣品上的光束具有高強度。同時, 該專利中還介紹了使用Kumakhov透鏡組成共聚焦XRF原位微區分析裝置, 該裝置以共聚焦模式為基礎, 在X射線激發光路和探測光路中分布安裝Kumakhov透鏡, 將激發位置和探測位置調至共聚焦點, 探測器只接收共聚焦點位置元素的特征X射線, 減少來自測試點周圍物質的散射本底, 降低了元素檢出限, 可獲得樣品中元素分布的三維信息。Kumakhov透鏡在XRF光譜儀上的應用是微區XRF分析的一大突破, 使得大角度范圍內對寬頻帶連續譜X射線束的調控得以實現。

  從20世紀90年代以來, 隨著導管X射線學和X射線聚束系統的發展和成熟, 微束XRF進入實用階段。也陸續出現了一些專利, 介紹毛細管透鏡在產生微束X上的應用, 例如:專利US5633908A, US5937026A, JP2003-329621A, US5175755A, US5192869A, US5497008A, US5570408, US5604353, US6285506, JP2003337110A等。

  其中, 為進一步提高檢測精度, 專利JP2003337110A通過使用毛細管透鏡配合小孔光闌進一步縮小了光束直徑, 用于高精度檢測金膜, 鈷膜, 鎢絲等。

  X光透鏡能夠在不減小照射能量的情況下獲得小的照射光斑, 逐漸成為貴金屬檢測用XRF中產生微束的主要手段。但是, 由于X光透鏡是通過利用透鏡中的X射線的反射、散射、吸收或諸如此類使X射線聚焦的裝置, 在高能量X射線的情況下 (高能量X射線是檢測貴金屬所必須的) , 反射、散射或吸收的效率低, 且因偏離聚焦光程而導致的照射樣本上除焦點以外的一部分的概率變大。換言之, 在使用X光透鏡的方法中, 高能量X射線的聚焦效率低, 且微弱照射焦點外圍以及因此離焦的光暈分量增加 (在樣本表面處擴展的分布) 。結果, 在受激的高能量X射線是必需的情況下, 不可能忽視由于同時激發波及焦點外圍的區域而造成的影響并且損失了關于X射線分析中那一部分正被測量的準確度, 使得測量精度成為問題。

  為了解決上述問題, JP2008-58014A提出了一種X射線分析設備, 這種X射線分析設備中, 在照射高能量X射線的情況下, 通過抑制焦點外圍的光暈的影響可使最佳聚焦的X射線照射來進行顯微區域的樣本中的測量是可能的。

  微區檢測是貴金屬檢測的發展趨勢, 因此, 如何實現高精度的微區檢測也是近幾十年一直在探討的問題, 由此誕生了上述多項專利。除此之外, 改進激發源也是實現高精度檢測貴金屬的一種方式, 但是激發源的改進具有一定難度和較少的改進空間, 所以成果并不顯著。2002年2月4日申請的美國專利US20020067683A (優先權日:20010208) 公開了一種X射線熒光光譜分析儀, 使用單個輻射源, 例如Am241, 測定貴金屬的組成。相比于現有技術中只使用Am241發射的59.5keV的γ射線, 該專利中利用Am241發射的全譜射線, 其效率與Fe55, Cd109, Am241組成的三光源相比有很大提高。該專利同時克服了多光源帶來的成本問題。之后, 又有專利, US2012/0321038A1, 申請日為2012.06.15提出了一種針對貴金屬檢測X射線管, 該X射線管使用重陽極材料 (例如鎢) 和輕衰減材料 (例如鈹) 以及第一濾波片衰減陽極材料的輕輻射, 使用第二濾波片減小散射輻射的接收。該X射線管能夠高效率的產生高能激發輻射, 適用于貴金屬檢測。

  3、 結束語

  隨著人們生活水平的不斷提高, 各種貴金屬產品 (例如, 首飾, 珠寶, 黃金) 的消費需求也逐年增長, 貴金屬買賣也成為投資的重要渠道。人們對貴金屬產品的質量會越來越關注。X熒光光譜儀作為檢測貴金屬的重要儀器必將迎來需求的不斷增長。國內申請人, 尤其是江蘇天瑞儀器股份有限公司在X熒光光譜儀方面具有較強的科研實力和技術儲備, 但是在海外專利布局尤顯薄弱。同期, 美日歐的龍頭企業 (如Niton, Oxford, Olympus, 日本精工, 日本理學等) 則已基本完成全球專利布局。

  國內申請人在積累技術儲備的同時, 一方面應注重專利布局, 充分了解已經公開的專利技術, 對于目前未攻克的關鍵技術擴大研發投入, 盡早完成攻守布置, 填補布局空白點。另一方面, 國內申請人, 尤其是龍頭企業, 應盡量爭取政策支持, 通過校企合作或其他方式加強專利成果轉化, 提高自身的創新能力和競爭實力。

  參考文獻

  [1] 羅立強, 詹秀春, 李國會.X射線熒光光譜分析 (第二版) [M].化學工業出版社, 2015.
  [2]章連香.X射線熒光光譜分析技術的發展[J].中國無機分析化學, 2013, 3 (3) :1-7.
  [3]王高娟.X射線熒光光譜法檢測貴金屬飾品的研究[J].黃金, 2015, 36 (11) :76-80.

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