張凌，皮春明，張愛武，孔祥權(quán)，程濤，李海龍

（1.吉林省維爾特隧道裝備有限公司，吉林吉林市132011；2.吉林省盾構(gòu)與掘進(jìn)刀具技術(shù)重點實驗室，吉林吉林市132011；3.中交（廣州）建設(shè)有限公司，廣東廣州市511458）

0 前言

手持式合金分析儀是一種基于XRF(X-Ray Fluorescence，X 射線熒光)光譜分析技術(shù)的光譜分析儀器，主要由X 光管、探測器、CPU 以及存儲器組成。其優(yōu)點是分析靈敏度高、分析元素多（一般從4~92 號）、不破壞試樣，無損分析、高效、準(zhǔn)確，可以在質(zhì)量控制、材料分類、合金鑒別、事故調(diào)查等現(xiàn)場應(yīng)用。

1 分析原理

X 光管產(chǎn)生的X 射線打到被測樣品時，一次X 射線的能量將物質(zhì)中原子的K、L 層電子逐出，原子變成激發(fā)態(tài)，K 層或L 層上產(chǎn)生的空位被外層電子填補(bǔ)后，原子便從激發(fā)態(tài)恢復(fù)到穩(wěn)定態(tài)，同時輻射出X 射線。X 射線探測器將樣品元素的X 射線的特征譜線的光信號轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號來得到待測元素的特征信息。

利用X 射線熒光進(jìn)行元素定性、定量分析工作，需要以下三方面的理論基礎(chǔ)知識：莫塞萊定律、布拉格定律和朗伯-比爾定律。1913年H.G.J 莫塞萊從鋁到金的38 種元素X 射線特征光譜K 和L 線，得出譜線頻率的平方根與元素在周期表中排列的序號成線性關(guān)系。莫塞萊認(rèn)識到這些X 射線特征光譜是由于內(nèi)層電子的躍遷產(chǎn)生的，表明X 射線的特征光譜與原子序數(shù)是一一對應(yīng)的。使X 熒光分析技術(shù)成為定性分析方法中最可靠的方法之一。

不同的元素具有不同的特征X 射線，根據(jù)特征譜線的波長，可以判斷元素的存在，根據(jù)譜線的強(qiáng)度，可以進(jìn)行定量分析。

布拉格定律是反映晶體衍射基本關(guān)系的理論推導(dǎo)定律，波長色散型X 熒光光譜儀的分光原理便運用了此定律，使不同元素不同波長的特征X 熒光完全分開，使譜線處理工作變得非常簡單，降低了儀器檢出限。

朗伯-比爾定律是反應(yīng)樣品吸收狀況的定律，涉及到理論X 射線熒光相對強(qiáng)度的計算問題。用X 射線照射試樣時，試樣可以被激發(fā)出各種波長的熒光X 射線，需要把混合的X 射線按波長（或能量）分開，分別測量不同波長（或能量）的X 射線強(qiáng)度，以進(jìn)行定性和定量分析。這是X射線熒光光譜儀的分析原理。

2 分析過程

分析樣品前，先在主菜單中選擇 “樣品類型”，選擇“金屬”，再選擇“常見金屬”，將被測樣品置于測試窗口前，扣住觸發(fā)扳機(jī)即開始測試，松開扳機(jī)測試結(jié)束。儀器將顯示測試結(jié)果，每次測試結(jié)果儀器都會自動保存，測試結(jié)果顯示見圖1。

圖1

儀器會自動將測試數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)序號保存。保存的測試數(shù)據(jù)一般包含以下信息：測試時間、合金牌號、匹配度、元素名稱、含量以及測試誤差。測試時間：扣住扳機(jī)開始測試到松開扳機(jī)結(jié)束測試的時間。合金牌號：儀器將自動根據(jù)測量結(jié)果中各元素含量范圍判斷被測樣品所屬的合金牌號，如果儀器標(biāo)準(zhǔn)牌號庫中無相應(yīng)牌號，儀器將顯示為“No Match”。匹配度：表明被測樣品符合標(biāo)準(zhǔn)牌號的匹配程度。該值越小匹配越好。一般而言：0-2 表示完全匹配，2-4 表示匹配良好，大于4 表示不匹配。

3 結(jié)果的誤差分析

3.1 直讀光譜儀與手持X 射線合金分析儀測試結(jié)果對比

以分析標(biāo)準(zhǔn)樣品YSB S 11474C-2014 成份為例，用布魯克Q2 型臺式直讀光譜儀測定其元素含量見表1，用尼通XL 100G型手持式X射線合金分析儀測定其元素含量見表2。

表1 臺式直讀光譜儀測試結(jié)果

表2 手持式X射線合金分析儀測試結(jié)果

由表1、表2 測試結(jié)果可見：手持X 射線合金分析儀與臺式直讀光譜儀對比，其測試結(jié)果的相對偏差略大，表明測試結(jié)果的分散性較大，但其誤差符合手持式X射線熒光分析儀的允差。

3.2 手持式X射線合金分析儀隨機(jī)誤差的修正

測量誤差是由系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩部分組成，系統(tǒng)誤差是固定不變的，可以通過儀器校準(zhǔn)來修正。隨機(jī)誤差也稱測量不確定度。是指在相同的條件下對同一樣品重復(fù)測量，在測量結(jié)果上每次都不相同。尼通XRF 系列儀器的所有測量結(jié)果都帶有2 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差（2σ）的誤差范圍，測量結(jié)果置信度為95%，隨著測量時間的延長，測量標(biāo)準(zhǔn)偏差也逐漸減小，當(dāng)延長4 倍的測量時間時，測量標(biāo)準(zhǔn)偏差將降低1 倍以上,見表3。

表3 手持式X射線合金分析儀測試標(biāo)準(zhǔn)偏差

4 結(jié)語

尼通XL 100G型手持式X射線合金分析儀，可用于車間現(xiàn)場刀圈、刀體等大工件及合金塊等成份的檢測，因操作簡便、分析速度快（典型分析時間在3-6 秒）、對樣品表面無損傷而得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)所分析合金的元素含量較低時，為保證分析的準(zhǔn)確性，可適當(dāng)延長測量時間，即可得到準(zhǔn)確可靠的分析結(jié)果。