倫琴

　　隨后在1909年，英國物理學(xué)家查爾斯·格洛弗·巴克拉發(fā)現(xiàn)了從樣本中輻射出來的X射線與樣品原子量之間的聯(lián)系；四年之后，也即在1913年，同樣來自英國的物理學(xué)家亨利·莫斯萊發(fā)現(xiàn)了一系列元素的標(biāo)識(shí)譜線（特征譜線）與該元素的原子序數(shù)存在一定的關(guān)系。這些發(fā)現(xiàn)都為人們后期根據(jù)原子序數(shù)而不是根據(jù)原子量大小提煉元素周期表奠定了基礎(chǔ)，同樣也為人們建立起第一個(gè)X射線熒光光譜儀（XRF）打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。然而，直到1948年，HerbertFriedman和LaverneStanfieldBirks才建立起一臺(tái)X射線熒光光譜儀，這為后續(xù)光譜儀的商業(yè)化使用開辟了道路。

　　通常把X射線照射在物質(zhì)上而產(chǎn)生的次級(jí)X射線叫做X射線熒光(X-RayFluorescence)，而把用來照射的X射線稱為原級(jí)X射線，所以X射線熒光仍然屬于X射線范疇。一臺(tái)典型的X射線熒光光譜儀主要由激發(fā)源(X射線管)和探測系統(tǒng)構(gòu)成。X射線管主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生入射X射線(一次X射線)，隨后該射線對(duì)被測樣品進(jìn)行激發(fā)，受激發(fā)的樣品中的每一種元素在被激發(fā)后會(huì)放射出二次X射線，但樣品中元素種類的不同以及它們吸收外部X射線能量的多少都會(huì)影響到它們發(fā)射出的二次X射線的輻射能量大小（類似于可見光的顏色），不同類型的元素都會(huì)發(fā)出不同的能量或者顏色，因此不同的元素所放射出的二次X射線都具有特定的能量特性或波長特性。探測系統(tǒng)測量這些放射出來的二次X射線的能量及數(shù)量信息，隨后儀器軟件將該探測系統(tǒng)所收集到的信息轉(zhuǎn)換成樣品中各種元素的種類及含量等信息。

　　值得一提的是，X射線熒光分析技術(shù)是一種非侵入式、能夠?qū)Σ煌牧现械幕瘜W(xué)組成實(shí)現(xiàn)快速分析的無損檢測技術(shù)。這些特性使得該分析技術(shù)在許多方面都更加實(shí)用且更具優(yōu)勢。其主要應(yīng)用范圍包括：金屬合金材料的可靠性鑒別（PMI）、危險(xiǎn)品檢測、材料驗(yàn)證以及司法科學(xué)等方面。

　　近年來，X射線熒光光譜分析技術(shù)的進(jìn)步主要體現(xiàn)在儀器成本的降低和體積尺寸的減小，這些進(jìn)步均有效的擴(kuò)大了XRF的使用范圍。商業(yè)化手持式X射線熒光光譜儀（HHXRF）大約誕生于20年前，這是該技術(shù)發(fā)展歷的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因?yàn)镠HXRF的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了從固定的臺(tái)式光譜儀到移動(dòng)化便捷設(shè)備的轉(zhuǎn)變。

　　68年后，一種新型的X射線熒光技術(shù)誕生

　　第一個(gè)受益于這種新型X射線熒光技術(shù)的無疑是制造業(yè)、機(jī)械加工、金屬加工、廢品回收以及鋼鐵回收等行業(yè)中的質(zhì)量管理部門，對(duì)于這幾個(gè)行業(yè)，幾乎所有人都會(huì)非常關(guān)心他們產(chǎn)品的質(zhì)量問題。此外，一些先前因?yàn)槌杀靖甙憾鴱奈纯紤]過使用X射線光譜分析技術(shù)的領(lǐng)域也能受益于此并開始使用XRF，包括航空航天、汽車和醫(yī)療儀器等行業(yè)。

　　本文主要對(duì)傳統(tǒng)的X射線熒光光譜儀進(jìn)行了簡單的闡述，并對(duì)一種新型XRF技術(shù)中的摩擦電效應(yīng)進(jìn)行了介紹。同時(shí)本文還探索了人們是如何受益于這種新型X射線熒光光譜分析技術(shù)。

　　傳統(tǒng)X射線熒光分析技術(shù)解析

　　1：X射線熒光光譜儀組成

　　目前有很多方法可以實(shí)現(xiàn)X射線熒光光譜分析，因此，為了避免混淆，我們以能量色散X射線熒光光譜分析技術(shù)（EDXRF）為例，專注于XRF的細(xì)節(jié)部分。X射線熒光光譜儀主要包括組成一條信號(hào)鏈的四大子系統(tǒng)：

　　1、X射線管；

　　2、X射線探測器；

　　3、多通道分析器；

　　4、計(jì)算機(jī)。

　　如上所述，X射線管也即是產(chǎn)生用于激發(fā)檢測樣品的X射線的地方。X射線管具有兩種不同類型的X射線源：放射型和高壓型。

　　放射型X射線源通常較為簡便、體積較小，成本較低；但是，這種放射源不能被關(guān)閉，并且會(huì)對(duì)環(huán)境、使用者等造成一定的危害，因此，對(duì)于這種類型的X射線源的使用需要進(jìn)行注冊登記，同時(shí)對(duì)其運(yùn)輸和處理都具有一定的限制，此外，人們還需要對(duì)這種放射源進(jìn)行定期測試。

　　另一方面，因?yàn)楦邏篨射線源不含有放射性污染，并且能夠被“關(guān)閉”，因此對(duì)于這類X射線源的使用則沒有那么多的限制。但是，高壓X射線源需要用到高壓電源以產(chǎn)生并釋放出所需的X射線。

　　2：X射線管；

　　X射線管是工作在高電壓下的真空二極管，其包含有兩個(gè)電極：一個(gè)是用于發(fā)射電子的燈絲，作為陰極；另一個(gè)是用于接受電子轟擊的靶材，作為陽極。兩級(jí)均被密封在高真空的玻璃或陶瓷外殼內(nèi)。施加到該燈絲上的電流使其加熱至1000攝氏度，因此它能發(fā)射出電子。一旦燈絲發(fā)射出電子，在燈絲和陽極之間施加高電壓以加速電子在燈絲與陽極之間的移動(dòng)。加速電子與陽極之間的相互作用即可以引起X射線的產(chǎn)生。陽極材料中的元素類型決定了發(fā)射出來X射線的能量大小。

　　X射線探測器

　　X射線探測器主要是用于測量目標(biāo)樣品發(fā)出的X射線熒光，目前市場上已經(jīng)有多種不同類型的X射線熒光分析探測器可用。能量色散X射線熒光光譜分析技術(shù)通常使用的為固態(tài)探測器，例如SI-PIN探測器或者硅漂移探測器（SSD）等。每種類型的探測器在不同的應(yīng)用方面都具有不同的優(yōu)劣勢，因此并不存在最好與最差之分，只需根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇即可。分辨率和靈敏度是X射線探測器兩個(gè)最重要的性能參數(shù)。一般情況下，分辨率越高意味著探測器可以檢測更多能量水平之間的差異；靈敏度越高意味著探測器能夠檢測到更多的輻射量子。

　　計(jì)算機(jī)處理

　　計(jì)算機(jī)主要起到管理用戶界面和通訊的作用，此外還具有存儲(chǔ)、檢索和顯示數(shù)據(jù)等功能。X射線熒光光譜儀能夠發(fā)展為移動(dòng)的手持式設(shè)備，在某種程度是因?yàn)橛?jì)算機(jī)功能能夠駐留在較小的嵌入式應(yīng)用處理器上，處理器變小使得整體體積也因此變小。

　　由摩擦效應(yīng)產(chǎn)生X射線的新型XRF技術(shù)

　　摩擦發(fā)光是一種通過機(jī)械作用（如拉動(dòng)、撕裂、刮擦、壓碎或者不同材料間的摩擦等）而產(chǎn)生光的現(xiàn)象。例如，當(dāng)敲碎蔗糖晶體時(shí)或者剝離膠帶時(shí)就能觀察到這種現(xiàn)象；這種現(xiàn)象從很久之前的古文明時(shí)期就被人們所發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)80年代，人們發(fā)現(xiàn)在X射線能量范圍內(nèi)，真空管內(nèi)的機(jī)械作用能夠產(chǎn)生光；2008年，一批來自美國加州大學(xué)洛杉磯分校的物理學(xué)家受到美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局資助，對(duì)這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了進(jìn)一步的擴(kuò)大和研究，并證明了他們能夠以一種有效且可重復(fù)的方式通過摩擦發(fā)光現(xiàn)象產(chǎn)生X射線。

　　研究結(jié)果表明，利用摩擦發(fā)光產(chǎn)生X射線對(duì)于降低X射線產(chǎn)生的復(fù)雜性和成本具有非常深遠(yuǎn)的影響。人們能夠通過機(jī)械性的將材料擠壓到一起再將其拆分以達(dá)到摩擦起電效應(yīng)，進(jìn)而在目標(biāo)陽極釋放掉足夠多的電子以產(chǎn)生必要數(shù)量的X射線進(jìn)行X射線熒光分析操作。簡言之就是利用一套機(jī)械性體系取代高壓電源來產(chǎn)生X射線。這項(xiàng)創(chuàng)新能夠降低整個(gè)X射線熒光光譜儀的成本達(dá)50%左右，并且有助于提升手持式X射線熒光光譜儀的使用范圍。下面列出了這項(xiàng)新科技的詳細(xì)信息。

　　X射線熒光分析技術(shù)的新突破解析

　　3：將不再需要用于連接高壓電源和X射線源之間的電纜或者其他連接；

　　利用摩擦效應(yīng)，將不再需要傳統(tǒng)X射線熒光分析中的高壓電源和支撐配件。一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)、電池、開關(guān)、微控制器以及一個(gè)低壓連接器即可代替?zhèn)鹘y(tǒng)高壓電源體系中所需要用到的逆變器、變壓器和控制系統(tǒng)等。由于不再需要對(duì)燈絲進(jìn)行加熱，因此并不存在熱循環(huán)過程。同樣，也不再需要用于連接高壓電源和X射線源之間的電纜或者其他連接；除此之外的一些子系統(tǒng)都保持不變。

　　4：帶有彩色觸摸屏的智能手機(jī)體系；

　　新突破的另一方面體現(xiàn)在現(xiàn)在能夠使用基于安卓系統(tǒng)的智能手機(jī)提供計(jì)算功能，例如使用Nexus5智能手機(jī)；新的智能科技加上令人熟悉的用戶界面使得它成為了一種更為強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析工具，同時(shí)能為用戶提供更為詳細(xì)的細(xì)節(jié)信息。彩色觸摸屏能夠使用戶根據(jù)需要顯示相關(guān)的信息；另一個(gè)重要因素在于智能手機(jī)能夠通過WIFI與外界環(huán)境進(jìn)行交流溝通，甚至是根據(jù)需求搜尋之前的數(shù)據(jù)等。

　　新型智能手機(jī)技術(shù)的使用也有利于創(chuàng)建一個(gè)更為成熟的通訊環(huán)境，使得用戶能夠更加安全、可靠的通過云存儲(chǔ)技術(shù)存儲(chǔ)和檢索成千上萬的檢測結(jié)果。

　　總結(jié)

　　X射線熒光光譜分析技術(shù)屬于一種能夠?qū)崿F(xiàn)快速分析的無損檢測技術(shù)，新型、成本更低的X射線光譜儀更容易在被檢測材料或者組件的整個(gè)生命周期內(nèi)進(jìn)行多元測量和驗(yàn)證。利用摩擦效應(yīng)產(chǎn)生X射線的低成本、移動(dòng)型X射線熒光光譜儀將會(huì)和原位檢測或者實(shí)驗(yàn)室檢測實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。

　　對(duì)于質(zhì)量管理部門、冶金實(shí)驗(yàn)室、機(jī)械工廠、金屬加工廠、電焊工以及所有關(guān)注金屬產(chǎn)品質(zhì)量的部門或者人員而言，結(jié)合了摩擦電效應(yīng)的X射線熒光分析技術(shù)為他們提供了一套成本低廉且結(jié)果準(zhǔn)確、可靠的“保險(xiǎn)”體系。對(duì)于航空航天、醫(yī)療、汽車以及制造業(yè)等領(lǐng)域，利用摩擦電效應(yīng)的X射線熒光分析技術(shù)將會(huì)是他們未來長期的選擇。