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 北京师范大学物理系, 北京 100875
唐三彩是我国重要的文化遗产, 分析其胎体和釉料的化学成分和物相结构对研究其原料特点和烧制工艺具有重要意义。 利用微束X射线荧光谱仪和X射线衍射谱仪无损分析陕西醴泉坊窑、 河南黄冶窑和陕西省博物馆烧制的现代仿品等唐三彩样品。 研究结果表明, 醴泉坊窑唐三彩和黄冶窑唐三彩的原料来源于不同类别的黏土。 醴泉坊窑和黄冶窑烧制的唐三彩胎料中主要含有大量α-石英(SiO2, PDF 46-1045)和少量的方石英(SiO2, PDF 76-0932)等晶相, 但醴泉坊窑和黄冶窑烧制的唐三彩胎料中还分别存在少量α-Fe2O3 (Fe2O3, PDF 16-0653)和微量莫来石(3Al2O3·2SiO2, PDF 83-1881)等晶相。 这表明二者原料来源和烧制工艺的不同导致其烧成胎料中矿物结构的差异。 在唐三彩的釉彩中, 着色元素Fe, Cu和Co充分熔融在铅熔剂里, 且在黄釉和绿釉的交界处Fe与Cu相互交融。 釉彩的XRD谱图表明, 釉彩中主要存在非晶态的玻璃相和微量α-石英(SiO2, PDF 46-1045)晶相。 同时, 醴泉坊窑唐三彩绿釉中存在少量的Pb8Cu(Si2O7)3 (PDF 31-0464)晶相; 黄冶窑唐三彩黄釉中含有大量的钙长石(CaAl2Si2O8, PDF 89-1462)晶相; 现代唐三彩仿品黄釉中存在少量的α-Fe2O3 (Fe2O3, PDF 47-1409)晶相。 这表明釉彩原料组成和烧制工艺的差异导致唐三彩釉彩中存在不同的矿物晶体。 此外, 尽管现代唐三彩仿品的胎釉在主量元素含量与黄冶窑唐三彩接近, 但不论是从胎料还是釉彩的物相组成来看, 其与真品间存在显著差异。 以上结果表明, 微束X射线荧光与X射线衍射分析技术的结合, 在古陶瓷类文物的原料产地、 真伪识别和烧制工艺的研究方面具有广泛的应用前景。
微束X射线荧光 X射线衍射 毛细管X光透镜 唐三彩 Micro X-Ray fluorescence X-Ray diffraction Ploycapillary X-Ray optics Tang Sancai
1 自然资源实物地质资料中心, 北京 100083
2 中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室, 北京 100083
微区X射线荧光(Micro-XRF)分析技术是通过微小的X射线光束照射样品, 对样品进行原位成分观测的无损分析手段之一, 具有灵敏度高、 速度快和准确性高的特点。 采用微区X射线荧光光谱仪(M6 JETSTREAM)对安徽铜陵冬瓜山铜矿床四段岩心样品进行面扫描, 分析不同矿层共17种元素区域分布特征、 空间分布规律及组合关系等, 结果表明: (1)Cu和Fe两种成矿元素高值空间分布区域基本不重叠, S与Fe分布范围高度重叠, 关系密切, 微量元素Ni, Bi, Pb, Zn, Si, Na与Cu密切相关, 而Ti, Al, K与Fe具有弱相关性; (2)垂向上, Fe元素含量随深度增加逐步增大, 而Cu元素含量呈降低趋势, 其他元素也随深度呈下降趋势; (3)元素分布受石炭纪中期海底喷流沉积成矿作用和岩浆热液成矿作用叠加改造作用明显; (4)该钻孔矿石矿物以磁黄铁矿、 黄铜矿和黄铁矿为主, 垂向上组合规律明显, 脉石矿物以石英、 石榴子石和透辉石为主。 该技术通过分析元素空间分布规律、 相关性以及矿物组合和分配关系等可对元素富集和运移以及对矿床的成矿机制、 成因模式等地质环境和地质过程提供新认识和新证据。 结合矿床地球化学特征的分布模式, 微量元素可作为寻找主矿种的指示元素, 为深部找矿提供依据。 此外, 该技术能作为预分析技术快速筛选出感兴趣的信息和位置, 为后期各种更高精度的微区分析提供不同尺度、 不同层次的元素分布信息。
微区X射线荧光 岩心分析 元素分布 冬瓜山铜矿 Micro X-ray fluorescence Core analysis Element distribution Dongguashan Copper Mine 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2200
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
近年来, 随着X射线光源、 单色、 聚焦及探测系统的发展, 在实验室可借助低功率X射线光源开展X射线荧光(XRF)和X射线吸收谱(XAS)分析。 液体金属射流源等新型X射线光源系统、 闭合反馈系统、 电荷耦合元件和方孔微通道板等技术和计算方法的进步促进了聚焦扫描型、 全场型和XRF计算机断层扫描等实验室型XRF元素空间成像技术的发展。 超环面、 球面和柱状弯晶等单色聚焦系统的发展推动了实验室型XAS技术的发展。 探索新型的实验室X射线光源系统, 开发更高效的单色聚焦系统, 推动X射线动态电影拍摄技术等将是未来研究的重要发展方向。
X射线荧光 X射线吸收谱技术 全场型微区 X射线成像系统 原位微区X射线计算机断层扫描 X射线单色器 Full field-micro X-ray fluorescence Micro-XRF XRF XAS XRF-CT X-ray monochromator
生命起源、 全球气候变化等是关系到人类未来命运的重大科学问题, X射线光谱(XRS)可原位测定物质组成与元素形态, 在解决重大科学问题、 揭示自然规律中发挥了重要作用: (1)在生命起源探索中, 通过RNA结构和海洋热液自养体系元素形态分析, 揭示了RNA形成机制和生物地球化学规律; (2)在地球早期生命研究中, 通过沉积纹层、 细胞组构测定, 发现了远古生物保存机制与证据; (3)在全球碳循环研究中, 通过物相与元素形态分析, 揭示了铁源生物有效性与碳汇机制。 利用XRS从微纳米尺度原位测定元素三维空间分布与形态, 实现活体分析蛋白质信息传递与生物响应过程, 探索元素与有机质构效关系, 揭示生命起源与生物代谢机制及全球气候变化规律, 是XRS未来发展中的重要领域; 作为冶金、 材料、 地质、 文物、 工矿、 生态、 环境、 医学与生命科学等领域中的重要分析手段, XRS所特有的无损、 原位与活体分析特性, 已呈现了巨大应用价值, 在未来探索重大科学问题、 解决关键技术难点的研究中, X射线光谱分析技术必将发挥更大作用。
生命起源 地球早期生命 全球气候变化 X射线荧光光谱 X射线吸收精细结构 元素形态 Origin of life Early life on earth Global climate change Micro X-Ray fluorescence X-ray absorption spectra Elemental species
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, 北京市辐射中心, 北京 100875
2 中国人民大学历史学院, 北京 100872
清代官窑釉上彩瓷器彩料的化学成分和烧制工艺缺乏系统的科学研究。用自行研制的毛细管聚焦的微束X射线荧光研究了一只清代金釉碗的不同颜色彩料的化学成分和元素分布。分析结果表明，Cu、Fe、Mn、Au 等是彩料的主要着色元素，Pb 是彩料的主要熔剂；彩料中红釉是高温釉，而金色、浅黄色和绿色彩料是低温釉。微束X 射线荧光扫描分析表明，金鱼的眼睛是由Cu、Au、Fe、Pb 等混合彩料绘制，金鱼的整体图案是由Fe 和Pb 等混合颜料绘制，而金鱼的鱼鳞用Au 和Pb 的彩料绘制而成。此外，不同颜色彩料中的着色元素的纯度较高，能谱中没有其他微量元素杂质的干扰，这些特征可以作为辨别清代官窑彩料真伪的参考。
光谱学 毛细管X 光透镜 微束X 射线荧光 清代釉上彩 元素分布 激光与光电子学进展
2015, 52(4): 043401
孙天希 1,2,3,*刘鹤贺 1,2,3刘志国 1,2,3彭松 1,2,3[ ... ]丁训良 1,2,3
1 北京师范大学射线束技术与材料改性教育部重点实验室, 北京 100875
2 北京师范大学核科学与技术学院, 北京 100875
3 北京市辐射中心, 北京 100875
为了对胶囊类药品进行无损分析鉴别，利用两个多毛细管X光透镜搭建了共聚焦微束X射线荧光谱仪，两个处在共聚焦状态的透镜形成共聚焦微元，探测器只能探测到来自该共聚焦微元中的X射线信号，这有利于分别对胶囊壳和其内部药物进行原位无损元素分析，从而辨别它们的种类。分析了4种胶囊类药品对应的X射线荧光谱特征，从荧光谱图上可以看出不同胶囊类药品有不同的X射线荧光谱，对应不同的元素组成，所以可以利用胶囊内部药物对应的X射线荧光谱鉴别胶囊类药品的种类。实验证明，利用共聚焦微束X射线荧光技术可以在不破坏胶囊壳的情况下对胶囊类样品进行无损原位分析，该技术在胶囊类药品种类和真伪鉴别中具有潜在应用价值。
X射线光学 毛细管X光透镜 共聚焦微束X射线荧光 胶囊类药品 无损原位分析
北京师范大学射线束技术与材料改性教育部重点实验室, 核科学与技术学院, 北京市辐射中心, 北京100875
头发中的元素与人的饮食和健康状况有关, 对头发中元素的分析, 不仅可用于刑事物证鉴别, 还可为疾病的预防和治疗提供依据, 因此, 如何检测头发中元素分布等信息倍受人们关注。 本文利用基于毛细管X光透镜和实验室普通X射线光源的共聚焦微束X射线荧光技术对单根头进行了无损扫描分析, 分析了单根头发中元素的空间分布。 在该毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术中, 毛细管X光会聚透镜的出口焦斑和毛细管X光平行束透镜的入口焦斑处在共聚焦状态, 从而形成共聚焦微元, 探测器只能探测到来自该共聚焦微元中的X射线信号, 降低了背底信号对X射线荧光谱的影响, 从而有利于提高该共聚焦X射线荧光技术的分析精度。 该共聚焦技术中采用了具有高功率密度增益的毛细管X光会聚透镜, 降低了该共聚焦X射线荧光技术对X射线光源功率的要求, 从而保证了该共聚焦技术可以采用实验室普通X射线光源, 降低了实验成本。 实验表明, 毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术在单根头发元素分布检测中具有应用价值。
共聚焦微束X射线荧光 毛细管X光透镜 头发 元素分布 Confocal micro X-ray fluorescence Polycapillary X-ray lens Hair Element distribution 光谱学与光谱分析
2013, 33(11): 3147
1 成都理工大学核技术与自动化工程学院, 四川 成都610059
2 中国国土资源航空物探遥感中心, 北京100083
从新疆采集了13件岩矿石样品, 用于研究蚀变过程中矿物的元素含量变化特征。 成都理工大学研制的IED-6000型原位微区X射线荧光分析仪被应用于获得蚀变过程中矿物的化学和物理数据。 这种无损的微区X射线荧光分析仪主要是以低功耗X光管和电致冷Si-PIN半导体探测器为基础, 采用毛细管X射线透镜实现微区测量的功能, 并且能够集成到任何显微镜上进行测量, 焦斑长轴直径约110 μm。 通过微区X射线荧光测量, 将黝铜矿更正为黄铁矿, 提高了矿物鉴定的效率及准确性; 在蚀变剖面研究中, 矿化岩石样品的长石颗粒都富含Cu和Zn元素, 可以作为找矿直接指示元素。 Cr, Mn和Co等元素含量与矿化程度呈负相关。
矿物 微区X射线荧光 多毛细管X射线透镜 原位分析 Minerals Micro X-ray fluorescence Polycapillary In situ analysis 光谱学与光谱分析
2013, 33(11): 3137
