1 西南林业大学园林园艺学院, 云南 昆明 650233
2 北京市园林绿化科学研究院, 北京 100102
儿童沙坑是学龄前儿童重要的户外游乐场所, 同时具有较好的雨水下渗性能, 导致伴随周边地表径流而来的污染物容易在其中富集。 因此儿童在沙坑内玩耍时, 面临重金属类污染物进入体内的健康风险。 研究利用X射线荧光光谱法（XRF）快速、 无损的检测特点, 对北京市儿童沙坑重金属污染特征进行调查。 结果表明: （1）XRF对自制标准试样中Pb, Cu, As和Cd的测量值与理论值的准确度为-1.3%～7.5%, 精确度在1.1%～5.3%范围内, 均符合相关环境质量检测技术规范中规定的仪器检测准确度和精密度要求（均小于10%）; （2）4种重金属测量值与理论值之间均呈现极显著正相关关系（p<0.001）, 其决定系数（R2）分别为0.999, 0.999, 0.996和0.998, 基于结果建立了测量值和理论值的拟合方程; （3）应用XRF对北京市17家公园和13个居民小区内儿童沙坑重金属含量进行测定, 两组样点中Pb和As含量差异显著, 而Cu和Cd含量无显著差异。 4种重金属标准差的变异系数范围在0.24～0.43, 其中除Cd的变异系数小于0.3外, 其余重金属均大于0.3, 表明空间变异明显; （4）与北京市土壤元素背景值相比, 样点儿童沙坑4种重金属平均含量除As外, Pb, Cu和Cd明显高于背景值, 分别是背景值的1.87和1.53, 1.79和2.23, 12.02和11.68倍。 由此可见, 采样点儿童沙坑内Pb, Cu和Cd都有不同程度的富集, 其健康风险不容忽视。 XRF可以为儿童活动场所管理和维护提供准确、 快速的数据支撑。
便携式X射线荧光光谱仪 重金属 儿童沙坑 快速测定 Portable X-ray fluorescence spectrometer Heavy metals Children’s sandpits Rapid determination 光谱学与光谱分析
2022, 42(12): 3879
1 射线束技术教育部重点实验室, 北京师范大学核科学与技术学院, 北京 100875
2 北京师范大学物理系, 北京 100875
红绿彩瓷器是我国陶瓷史上一种重要的釉上彩瓷器, 分析其彩料的化学组成和物相结构对其烧制工艺的研究有很重要的意义。 但由于瓷器表面的不平整和彩料分布的不均匀性, 导致其不满足传统的1 mm×10 mm线光源的X射线衍射仪对样品的测试要求。 而毛细管聚焦的X射线衍射仪采用点光源的方式照射样品, 毛细管X光透镜对Cu-Kα的能量有高达3个数量级的放大倍数, 同时具有低的发散度, 能实现样品直径100 μm的微区和直径3 mm的常规X射线衍射分析, 非常适合古陶瓷类样品矿物结构的无损分析的研究。 因此, 应用毛细管聚焦的微束X射线荧光谱仪和毛细管聚焦的X射线衍射谱仪对江西景德镇出土的清代红绿彩瓷的白釉和釉上彩料的化学成分和物相结构进行分析, 并对红绿彩瓷彩料中2 mm×2 mm感兴趣区域内多元素分布和矿物相的分布进行了二维扫描分析。 结果表明, Cu为绿彩的主要着色元素, 在绿彩中的含量为0.02%, 部分以Pb8Cu(Si2O7)3(PDF 31-0464)晶相形式存在; Fe为红彩的主要着色元素, Fe含量为1.63%, 部分Fe元素以Fe2O3(PDF 47-1409)的晶相形式存在; 其中Pb在绿彩和红彩中的含量分别为41.49%和6.29%, 其主要作用是使彩料的熔点降低, 部分Pb在700~800 ℃的烧制过程中与Cu元素和Si元素相结合以Pb8Cu(Si2O7)3(PDF 31-0464)晶相形式存在。 从扫描区域内的元素分布图和晶相分布图可以看出, 彩料原料中着色元素Cu和Fe的矿物晶相与Cu和Fe的元素分布不一致, 表明原料中原有的Cu和Fe的矿物晶相在烧制过程中基本上都消失了, 仅剩余或生成部分Fe2O3晶相; 白釉中存在莫来石晶相, 说明白釉是在高温下烧制而成; 其中Pb8Cu(Si2O7)3晶相的形成温度在750 ℃左右, 因此可以进一步说明清代红绿彩的绿彩料是在低温下烧制而成。 以上结果说明, 毛细管聚焦的微束X射线荧光和毛细管聚焦的微束X射线衍射谱仪在文物的科技研究中有着重要的应用前景。
红绿彩瓷 毛细管X光透镜 X射线衍射分析 微束X射线荧光分析 釉上彩瓷器 Red and green colored porcelain Ploycapillary X-ray optics Micro X-ray fluorescence spectrometer Micro X-ray diffractometer Overglaze colored porcelain 
北京师范大学核科学与技术学院射线束技术教育部重点实验室, 北京 100875
共聚焦X射线荧光技术是一种无损的三维光谱分析技术, 在材料, 生物, 矿物样品分析, 考古, 证物溯源等领域具有广泛应用。 共聚焦X射线荧光谱仪的核心部件为两个多毛细管X光透镜。 一个为多毛细管X光会聚透镜(PFXRL), 其存在一后焦点, 作用是把X光管所发出的发散X射线会聚成几十微米大小的高增益焦斑。 另一透镜为多毛细管X光平行束透镜(PPXRL), 其存在一几十微米大小前焦点, 置于X射线能量探测器前端, 其作用是接收特定区域的X射线荧光信号。 在共聚焦X射线荧光谱仪中, PFXRL的后焦点与PPXRL的前焦点重合, 所形成的区域称作探测微元。 只有置于探测微元区域的样品能够被谱仪检测到, 使样品与探测微元相对移动, 逐点扫描, 便能够对样品进行三维无损的X射线分析。 探测微元的尺寸决定共聚焦X射线荧光谱仪的空间分辨率, 因此精确测量谱仪的探测微元的尺寸是非常重要的。 如图1所示, 谱仪探测微元可以近似为椭球体, 其尺寸可以用水平方向分辨率X, Y, 和深度分辨率Z表示。 目前, 常采用金属细丝或金属薄膜通过刀口扫描的方法测量谱仪探测微元尺寸。 为了精确的从三个维度测量探测微元尺寸, 金属细丝直径要小于探测微元尺寸。 金属细丝和探测微元都是数十微米级别的尺寸大小, 很难把金属靠近探测微元。 为了得到探测微元在不同X射线能量下尺寸变化曲线, 要采用多种金属细丝测量。 采用单个金属细丝依次测量比较耗费时间。 采用金属薄膜可以很方便地测量探测微元的深度分辨率Z, 但是当测量水平分辨率X, Y时, 难以准确测量。 为了解决以上谱仪探测微元测量中存在的问题, 本文提出采用多种金属丝平行粘贴在硬纸片上作为样品用于快速测量探测微元尺寸。 附有金属细丝的硬纸片靠近谱仪探测微元, 可以将探测微元置于硬纸片所在平面。 由于硬纸片与金属细丝在同一水平面, 在谱仪摄像头的协助下, 可以把金属细丝迅速的靠近探测微元。 靠近探测微元后, 在全自动三维样品台的协助下, 金属细丝沿两个方向对探测微元分别进行一次二维扫描。 通过对二维扫描数据的处理便可以获得探测微元尺寸随入射X射线能量变化曲线。 采用此方法对实验室所搭建的共聚焦X射线荧光谱仪的探测微元进行了测量。
共聚焦X射线荧光谱仪 多毛细管X光透镜 探测微元尺寸 Confocal X-ray fluorescence spectrometer Polycapillary X-ray lens Probe volume size 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3493
1 中国人民公安大学侦查学院, 北京 100038
2 北京市公安局丰台分局, 北京 100071
3 北京华仪宏盛技术有限公司, 北京 100123
建立一种对橡胶鞋底的分类研究方法。利用X射线荧光光谱仪,在电压为45 kV,电流为40 μA,功率为1.8 kW,检测时间为60 s的条件下,对40个不同种类、不同品牌的橡胶鞋底样本进行检验。以鞋的种类作为被解释变量,建立多元线性回归模型,计算得分评级。同时,依据标准化偏相关系数筛选出特征元素。所设计模型可依据元素含量对橡胶鞋底进行分类,为侦查工作提供线索和方向。
光谱学 橡胶鞋底 X射线荧光光谱法 多元线性回归 得分评级 特征元素 分类 激光与光电子学进展
2021, 58(14): 1430002
1 安徽工业大学建筑工程学院, 安徽 马鞍山 243032
2 冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室(安徽工业大学), 安徽 马鞍山 243002
活性炭具有发达多孔结构与丰富比表面积是一种高效的去除室内空气中甲醛的吸附性物质, 但是其存在生产成本较高、 不利于生态环境的可持续发展、 使用寿命短和失效后容易造成室内环境二次污染的问题。 钢渣是冶金工业中产生的主要固体废弃物, 其产量约为每年粗钢产量的15%~20%。 由于技术的局限, 导致我国钢渣利用率较低, 仅为年钢渣产量的10%, 同时加之管理制度的不健全, 导致钢渣大量露天堆放, 对土地资源、 地下水源, 以及空气质量的严重影响。 针对上述问题, 利用钢渣改性活性炭开发一种价格低廉且性能优异的改性活性炭, 既是冶金固体废弃物的高附加值利用与资源可持续发展的重要途径之一, 同时也大幅降低改性活性炭生产成本并提高经济效益。 以热闷渣超细粉作为研究对象, 利用X射线荧光光谱仪(XRF)与X射线衍射仪(XRD)对热闷渣的化学成分和热闷渣的矿物组成进行测试与分析, 针对热闷渣中主要的化学成分与主要的矿物组成, 制备热闷渣化学成分改性活性炭与热闷渣矿物组成改性活性炭, 依据《室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量》(GB 18580—2017)对热闷渣化学成分改性活性炭与热闷渣矿物组成改性活性炭的性能进行测试, 以研究热闷渣中主要的化学成分与主要的矿物组成对改性活性炭降解甲醛性能的影响, 以揭示热闷渣改性活性炭降解甲醛的作用机理。 结果表明: 热闷渣中主要化学成分为CaO, Fe2O3, SiO2, P2O5, MgO, MnO和Al2O3, 其中Fe2O3与MnO对活性炭进行改性可以提高降解甲醛性能。 热闷渣中主要矿物组成为Fe3O4, 3CaO·SiO2, 2CaO·SiO2和RO相, 其中Fe3O4与MnO对活性炭进行改性可以提高降解甲醛性能。 热闷渣中Fe元素为Fe2O3与Fe3O4, 是RO相的矿物组成形式, 热闷渣中Mn元素以MnO的化学成分与RO相的矿物组成形式存在, Fe元素与Mn元素协同作用提高热闷渣改性活性炭的降解甲醛性能。 热闷渣改性活性炭不仅实现了冶金固体废弃物的高附加值的利用, 而且创新出“以废治危”的新室内空气甲醛治理技术。
热闷渣 活性炭 甲醛 X射线荧光光谱 化学成分 X射线衍射 矿物组成 Hot braised slag Activated carbon Formaldehyde X-ray fluorescence spectrometer Chemical composition X-ray diffractometer Mineral composition 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1447
1 成都理工大学, 四川 成都 610059
2 成都师范学院, 四川 成都 611130
在使用能量色散X射线荧光光谱仪定量分析钼铜矿中低含量Cu和Mo元素过程中, X光管的原级谱对测量结果影响非常大。 为了降低这一影响, 采用蒙特卡洛软件模拟了用Ag, Cu和Mo, Ti三种材质的滤片, 在不同厚度情况下对原级谱的影响。 模拟结果显示, 1 mm Ti滤片测铜钼元素效果优于0.2 mm Ag滤片、 0.02 mm Cu和0.1 mm Mo滤片。 根据模拟结果, 在实验室用三种滤片对样品进行了实测, 谱线图对比显示, 用Cu+Mo作滤片测钼元素时, 本底计数大于200, 用Ag和Ti作滤片测钼元素, 几乎没有本底影响。 但相同的样品, 用Ti作滤片测得钼最高计数为800左右, 而用Ag作滤片时测得钼最高计数为300左右。 由此可见, 用Ti作滤片测钼元素时, X光管原级谱对被测量元素的干扰影响小, 其本底低于用银滤片和铜钼滤片。 Ti滤片在降低本底影响的同时, 钼的计数率最高, 说明射线强度损失最少。 用Cu+Mo作滤片测铜元素时, 铜最高计数为300, 用Ag作滤片时铜最高计数为180左右, 而用Ti作滤片铜最高计数为500左右。 由此可见, 在铜元素含量较低时, 用Ti作滤片测铜元素, 铜的计数率最高, 射线强度损失最少。 通过公式计算显示: 用1 mm Ti滤片测钼铜矿中铜的检出限为5.63 mg·kg-1, 钼的检出限为1.39 mg·kg-1, 检出限明显降低。 采用不同含量的标准样品进行测量与化学分析拟合, 通过工作曲线可见, 高、 低含量的样品均具有良好的线性关系, 误差水平符合正常化学分析误差标准, R2为0.99及以上, 说明1 mm Ti滤片测量精密度高。 同一个样品进行多次重复测量, 其Cu元素的RSD(%)=0.59, Mo元素的RSD(%)=0.3, 均小于1, 表明仪器测量稳定性好, 样品测试结果具有重现性。 研究结果为使用能量色散X射线荧光光谱仪测定钼铜矿中的钼和铜滤光片的选择及其厚度的确定提供了可信的依据, 推荐选用1 mm Ti滤片。 经过实际现场的检验。 该方法稳定可靠, 具有重要的实际应用价值。
能量色散X射线荧光光谱仪 原级谱 铜钼元素 滤光片 检出限 Energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer Primary spectrum Copper-molybdenum element Filter Detection limit 光谱学与光谱分析
2020, 40(6): 1934
1 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室, 东南大学能源与环境学院, 江苏 南京 210096
2 中冶华天工程技术有限公司, 安徽 马鞍山 243005
以焦炉上升管内壁结焦炭层块为研究对象, 采用X射线荧光光谱仪(XRF)、 X射线衍射仪(XRD)、 傅里叶红外光谱仪(FTIR)和激光共聚焦拉曼光谱仪(Raman)对结焦炭层的元素组成, 以及各结焦炭层的矿物组成、 组成结构和分子结构进行测试。 分析从结焦炭层块外表面向内表面过渡的各结焦炭层的差异性, 揭示焦炉上升管内壁结焦机理。 结果表明焦炉上升管内粉尘中Fe, S和Cr极易催化荒煤气中蒽、 萘等稠环芳烃化合物成炭, 在焦炉上升管内壁形成炭颗粒沉积, 为焦油凝结挂壁提供载体, 在荒煤气温度降至结焦温度时易结焦积碳。 结焦炭层均含有芳香层结构, 随着结焦炭层从外表面向内表面过渡, 各结焦炭层的面层间距(d002)逐渐降低、 层片直径(La)先降低后增加、 层片堆砌高度(Lc)和芳香层数(N)先稳定后增加。 结焦炭层石墨化过程是由结焦炭层内表面向外表面进行, 主要包括其片层外缘的羧基和部分C—O结构的降解剥离, 从而形成高度规整的共轭结构。 结焦炭层块中C元素是以结晶碳与无定型碳的混合物形式存在。 以上研究为解决焦炉上升管内壁结焦及腐蚀问题, 提高换热器换热效率, 有效回收焦炉荒煤气显热, 降低焦化企业能耗提供实验基础和理论依据。
结焦机理 X射线荧光光谱 X射线衍射光谱 傅里叶变换红外光谱 激光共聚焦拉曼光谱 光谱学分析 Coking mechanism X-ray fluorescence spectrometer X-ray diffractometer Fourier transform infrared spectroscopy Laser confocal Raman spectrometer coke layer Spectroscopy analysis 光谱学与光谱分析
2019, 39(10): 3148
1 北京师范大学核科学与技术学院射线束技术教育部重点实验室, 北京 100875
2 北京市辐射中心, 北京 100875
基于毛细管X光透镜技术的便携式能量色散X射线荧光分析因其无损分析等优点成为分析文物样品的有利工具。 但由于文物样品的表面不平整或弧度以及毛细管X光透镜聚焦X射线的特点, 导致在测量过程中样品测量点与毛细管X光透镜出端之间的距离产生变化, 引起照射样品的X射线束斑大小发生改变, 从而影响测量结果的准确性和元素区域扫描的分辨率。 介绍了本实验室自行研发的一种新型便携式微束X射线荧光谱仪, 此谱仪主要是由SDD X射线探测器、 30 W低功率X射线管、 毛细管X光透镜、 CCD和一个新型闭环控制系统构成。 该闭环控制系统是在激光位移传感器能够精确控制样品测量点到毛细管X光透镜出端距离的基础上, 结合LabVIEW语言环境下开发的计算机控制程序以及步进电机、 样品台等器件组成。 基于此系统, 该实验室研发的便携式微束X射线荧光谱仪在测量过程中可以时刻保证照射样品的X射线光斑大小固定不变。 同时, 该谱仪还可以通过调整样品测量点到透镜出端的距离来选择不同尺寸的X射线照射光斑。 为了验证设备的可行性, 使用该便携式微束X射线荧光谱仪在激活激光位移传感器和关闭激光位移传感器两种情况下测量了一块表面不平整古陶瓷样品釉彩层中K, Ca, Zn和Fe等元素的含量及分布, 并将测量结果进行了对比。 结果显示, 在激活激光位移传感器的情况下测得的样品微区元素含量与真实值较接近, 扫描区域元素分布图的分辨率更好, 表明本谱仪基于激光位移传感器开发的自动调整样品测量点到透镜出口端距离的闭环控制系统能有效的减少由于样品表面不平整或弧度带来的测量误差, 弥补了现有微束X射线荧光谱仪在此方面的不足。 因此, 本便携式微束X射线荧光谱仪在无损分析检测文物方面具有潜在的应用前景。
毛细管X光透镜 X射线荧光 便携式X射线荧光谱仪 微束X射线荧光 激光位移传感器 古陶瓷 Polycapillary optics X-ray fluorescence Portable X-ray fluorescence spectrometer Micro-X-ray fluorescence Laser displacement sensor Ancient porcelain
1 北京师范大学核科学与技术学院射线束技术与材料改性教育部重点实验室, 北京 100875
2 北京市辐射中心, 北京 100875
微束能量色散X射线衍射(EDXRD)分析在测量小样品或样品微区的物相结构方面具有重要的应用前景。提出了一种采用自行研发的微束X射线荧光谱仪进行微束能量色散X射线衍射分析的研究方法。用便携式毛细管X光透镜聚焦的微束X射线荧光谱仪(焦斑直径为190.7 μm)对人民币5角硬币“角”部分长×宽为4 mm×4 mm的微区进行微束能量色散的X射线衍射扫描测量,并进行数据处理,得到该区域内Cu3Sn(0 8 3)和CuO(2 0 2)等晶相的分布;同时,用台式毛细管X光透镜聚焦的微束X射线荧光谱仪(焦斑直径为31 μm)对一颗直径约为1 mm的矿石颗粒进行微束能量色散的X射线衍射二维扫描分析,得到扫描区域内SiO2(3 2 9)和Fe2O3(1 1 6)等晶相的分布。结果表明,毛细管X光透镜聚焦的微束X射线荧光谱仪在开展小样品或样品微区的能量色散X射线衍射分析方面具有一定的应用前景。
光谱学 微区能量色散X射线衍射 毛细管X光透镜 微束X射线荧光谱仪 矿石 微区 小样品 光学学报
2018, 38(12): 1230002
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
针对上海光源X射线吸收精细结构光谱仪对灵敏度和分辨率的要求，研制了三晶体多轴同步辐射X射线荧光光谱仪。其采用一台双晶单色器提供实验X射线，用3块凹面晶体构成系统主体色散结构，并在竖直平面内组成相交的罗兰圆实现荧光分析，可实现10°范围内的布拉格角变化。光谱仪通过高精度控制驱动设备使位移平台实现了3块晶体的4轴联动和总台的2轴联动， 其中对位移平台的各轴精度达到了单步长移动25nm，可以实现高分辨率的三维扫描工作。编写了探测器的驱动软件，提高了驱动器的测试灵敏度和分辨率。最后，利用国际通用的实验物理控制系统——EPICS(Experiment Physics and Industrial Control System)完成了整个系统软件的设计，实现了系统各部分的精确控制、自动测量、数据分析和结果显示与存储等功能，构成了一套完整的基于同步辐射光源的高精度高分辨率X射线荧光光谱分析系统。采用钴元素作为测试样品进行了分析实验，结果显示: 该光谱仪单次测量时间小于1.5 s，测试精度达到 0.4 eV，分辨率为0.1 eV。光谱仪可以完成对样品荧光的采集和分析，操作时间、精度、分辨率和重复性等性能指标均优于现有国内、外设备，目前已成功应用于上海光源XAFS线站的各项科学实验中。
X射线荧光光谱仪 高分辨率荧光光谱仪 三晶体 多轴联动 EPICS系统 X-ray fluorescence spectrometer high resolution fluorescence spectrometer three crystals multi-axis linkage EPICS system 光学 精密工程
2017, 25(11): 2878
