一种新方式推动了X射线荧光光谱仪的发展

　　关于X射线的发展历史，最早可以追溯到1895年，德国物理学家威廉·康拉德·伦琴于这一年11月发现并识别出了X射线，因此，X射线在许多国家也被称之为伦琴射线。

　　伦琴随后在1909年，英国物理学家查尔斯·格洛弗·巴克拉发现了从样本中辐射出来的X射线与样品原子量之间的联系；四年之后，也即在1913年，同样来自英国的物理学家亨利·莫斯莱发现了一系列元素的标识谱线(特征谱线)与该元素的原子序数存在一定的关系。这些发现都为人们后期根据原子序数而不是根据原子量大小提炼元素周期表奠定了基础，同样也为人们建立起第一个X射线荧光光谱仪(XRF)打下了坚实的理论基础。然而，直到1948年，HerbertFriedman和LaverneStanfieldBirks才建立起一台X射线荧光光谱仪，这为后续光谱仪的商业化使用开辟了道路。

　　通常把X射线照射在物质上而产生的次级X射线叫做X射线荧光(X-RayFluorescence)，而把用来照射的X射线称为原级X射线，所以X射线荧光仍然属于X射线范畴。一台典型的X射线荧光光谱仪主要由激发源(X射线管)和探测系统构成。X射线管主要负责产生入射X射线(一次X射线)，随后该射线对被测样品进行激发，受激发的样品中的每一种元素在被激发后会放射出二次X射线，但样品中元素种类的不同以及它们吸收外部X射线能量的多少都会影响到它们发射出的二次X射线的辐射能量大小(类似于可见光的颜色)，不同类型的元素都会发出不同的能量或者颜色，因此不同的元素所放射出的二次X射线都具有特定的能量特性或波长特性。探测系统测量这些放射出来的二次X射线的能量及数量信息，随后仪器软件将该探测系统所收集到的信息转换成样品中各种元素的种类及含量等信息。

　　值得一提的是，X射线荧光分析技术是一种非侵入式、能够对不同材料中的化学组成实现快速分析的无损检测技术。这些特性使得该分析技术在许多方面都更加实用且更具优势。其主要应用范围包括：金属合金材料的可靠性鉴别(PMI)、危险品检测、材料验证以及司法科学等方面。

　　近年来，X射线荧光光谱分析技术的进步主要体现在仪器成本的降低和体积尺寸的减小，这些进步均有效的扩大了XRF的使用范围。商业化手持式X射线荧光光谱仪(HHXRF)大约诞生于20年前，这是该技术发展历的一个重要转折点，因为HHXRF的出现实现了从固定的台式光谱仪到移动化便捷设备的转变。

　　68年后，一种新型的X射线荧光技术诞生

　　第一个受益于这种新型X射线荧光技术的无疑是制造业、机械加工、金属加工、废品回收以及钢铁回收等行业中的质量管理部门，对于这几个行业，几乎所有人都会非常关心他们产品的质量问题。此外，一些先前因为成本高昂而从未考虑过使用X射线光谱分析技术的领域也能受益于此并开始使用XRF，包括航空航天、汽车和医疗仪器等行业。

　　本文主要对传统的X射线荧光光谱仪进行了简单的阐述，并对一种新型XRF技术中的摩擦电效应进行了介绍。同时本文还探索了人们是如何受益于这种新型X射线荧光光谱分析技术。

　　传统X射线荧光分析技术解析

　　1：X射线荧光光谱仪组成示意图；图片来源：Tribogenics

　　目前有很多方法可以实现X射线荧光光谱分析，因此，为了避免混淆，我们以能量色散X射线荧光光谱分析技术(EDXRF)为例，专注于XRF的细节部分。X射线荧光光谱仪主要包括组成一条信号链的四大子系统：

　　1、X射线管；

　　2、X射线探测器；

　　3、多通道分析器；

　　4、计算机。

　　如上所述，X射线管也即是产生用于激发检测样品的X射线的地方。X射线管具有两种不同类型的X射线源：放射型和高压型。

　　放射型X射线源通常较为简便、体积较小，成本较低；但是，这种放射源不能被关闭，并且会对环境、使用者等造成一定的危害，因此，对于这种类型的X射线源的使用需要进行注册登记，同时对其运输和处理都具有一定的限制，此外，人们还需要对这种放射源进行定期测试。

　　另一方面，因为高压X射线源不含有放射性污染，并且能够被“关闭”，因此对于这类X射线源的使用则没有那么多的限制。但是，高压X射线源需要用到高压电源以产生并释放出所需的X射线。

　　X射线管

　　2：X射线管；图片来源：Tribogenics

　　X射线管是工作在高电压下的真空二极管，其包含有两个电极：一个是用于发射电子的灯丝，作为阴极；另一个是用于接受电子轰击的靶材，作为阳极。两级均被密封在高真空的玻璃或陶瓷外壳内。施加到该灯丝上的电流使其加热至1000摄氏度，因此它能发射出电子。一旦灯丝发射出电子，在灯丝和阳极之间施加高电压以加速电子在灯丝与阳极之间的移动。加速电子与阳极之间的相互作用即可以引起X射线的产生。阳极材料中的元素类型决定了发射出来X射线的能量大小。

　　X射线探测器

　　X射线探测器主要是用于测量目标样品发出的X射线荧光，目前市场上已经有多种不同类型的X射线荧光分析探测器可用。能量色散X射线荧光光谱分析技术通常使用的为固态探测器，例如SI-PIN探测器或者硅漂移探测器(SSD)等。每种类型的探测器在不同的应用方面都具有不同的优劣势，因此并不存在最好与最差之分，只需根据具体需求进行选择即可。分辨率和灵敏度是X射线探测器两个最重要的性能参数。一般情况下，分辨率越高意味着探测器可以检测更多能量水平之间的差异；灵敏度越高意味着探测器能够检测到更多的辐射量子。

　　计算机处理

　　计算机主要起到管理用户界面和通讯的作用，此外还具有存储、检索和显示数据等功能。X射线荧光光谱仪能够发展为移动的手持式设备，在某种程度是因为计算机功能能够驻留在较小的嵌入式应用处理器上，处理器变小使得整体体积也因此变小。

　　由摩擦效应产生X射线的新型XRF技术

　　摩擦发光是一种通过机械作用(如拉动、撕裂、刮擦、压碎或者不同材料间的摩擦等)而产生光的现象。例如，当敲碎蔗糖晶体时或者剥离胶带时就能观察到这种现象；这种现象从很久之前的古文明时期就被人们所发现。20世纪80年代，人们发现在X射线能量范围内，真空管内的机械作用能够产生光；2008年，一批来自美国加州大学洛杉矶分校的物理学家受到美国国防部高级研究计划局资助，对这一发现进行了进一步的扩大和研究，并证明了他们能够以一种有效且可重复的方式通过摩擦发光现象产生X射线。

　　研究结果表明，利用摩擦发光产生X射线对于降低X射线产生的复杂性和成本具有非常深远的影响。人们能够通过机械性的将材料挤压到一起再将其拆分以达到摩擦起电效应，进而在目标阳极释放掉足够多的电子以产生必要数量的X射线进行X射线荧光分析操作。简言之就是利用一套机械性体系取代高压电源来产生X射线。这项创新能够降低整个X射线荧光光谱仪的成本达50%左右，并且有助于提升手持式X射线荧光光谱仪的使用范围。下面列出了这项新科技的详细信息。

　　X射线荧光分析技术的新突破解析

　　3：将不再需要用于连接高压电源和X射线源之间的电缆或者其他连接；

　　利用摩擦效应，将不再需要传统X射线荧光分析中的高压电源和支撑配件。一个电动马达、电池、开关、微控制器以及一个低压连接器即可代替传统高压电源体系中所需要用到的逆变器、变压器和控制系统等。由于不再需要对灯丝进行加热，因此并不存在热循环过程。同样，也不再需要用于连接高压电源和X射线源之间的电缆或者其他连接；除此之外的一些子系统都保持不变。

　　4：带有彩色触摸屏的智能手机体系；图片来源：Tribogenics

　　新突破的另一方面体现在现在能够使用基于安卓系统的智能手机提供计算功能，例如使用Nexus5智能手机；新的智能科技加上令人熟悉的用户界面使得它成为了一种更为强大的数据分析工具，同时能为用户提供更为详细的细节信息。彩色触摸屏能够使用户根据需要显示相关的信息；另一个重要因素在于智能手机能够通过WIFI与外界环境进行交流沟通，甚至是根据需求搜寻之前的数据等。

　　新型智能手机技术的使用也有利于创建一个更为成熟的通讯环境，使得用户能够更加安全、可靠的通过云存储技术存储和检索成千上万的检测结果。

　　总结

　　X射线荧光光谱分析技术属于一种能够实现快速分析的无损检测技术，新型、成本更低的X射线光谱仪更容易在被检测材料或者组件的整个生命周期内进行多元测量和验证。利用摩擦效应产生X射线的低成本、移动型X射线荧光光谱仪将会和原位检测或者实验室检测实现互补。

　　对于质量管理部门、冶金实验室、机械工厂、金属加工厂、电焊工以及所有关注金属产品质量的部门或者人员而言，结合了摩擦电效应的X射线荧光分析技术为他们提供了一套成本低廉且结果准确、可靠的“保险”体系。对于航空航天、医疗、汽车以及制造业等领域，利用摩擦电效应的X射线荧光分析技术将会是他们未来长期的选择。