| 单词 | 粒子激发X荧光分析 |
| 释义 | 【粒子激发X荧光分析】 拼译：particle induced X－ray emission(PIXE) 利用带电粒子(通常指质子，也包括α粒子和氘核甚至重离了)激发元素所发射的特征X射线来进行元素分析的一种手段，记为PIXE。它具有高灵敏度、非破坏性、多元素定量分析等特点，在生物医学、地矿学、环境保护和考古学等许多研究领域有重要应用。 特征X射线的发现和研究是利用X荧光光谱来作元素成分分析的基础。用X光管激发的X荧光分析早已成为实验室和工矿企业的常规分析手段。随着激发源和X射线探测技术的研究进展，激发源已从原有的X光管、放射性核素源发展到用粒子加速器加速得到的带电粒子束；近年来又发展了从同步辐射装置或正负电子对撞机得到的同步辐射源。X射线探测器也已从晶体和正比计数管等发展到半导体Si(Li)探测器。1970年，瑞典物理学家约翰逊等人(Johansson et al．)实验发现，由质子激发的X射线和Si(Li)探测器相配合，能成为一种高灵敏度、多元素定量分析的有力手段。随即发现，α粒子、氘核甚至一些重离子也可用于同一目的。同电子激发相比，粒子激发的最大好处是粒子的韧致辐射强度比电子的降低了6～7个数量级，分析灵敏度可提高到102到103倍。常用的带电粒子能量范围为几百千电子伏到几兆电子伏。它们能同时激发样品中的多种元素的特征X射线，最适于做多元素分析。带电粒子束还能聚焦成细束，组成微探针装置，对样品作微区分析。用重离子作为激发源时，激发效率高，有确定的激发阈，可用作选择性激发。但重离子在样品表面产生的溅射和在样品内部引起的辐照损伤都比较大，由它激发产生的X射线谱也比较复杂。目前用得最多的激发源还是质子。探测X射线的基本方法有两种：一是记录X射线波长的波长色散法，二是记录X射线能量的能量色散法。波长色散探测系统的分辨率高，但探测效率低。除了在早期用于元素分析外，目前主要用于X射线谱精细结构研究，例如原子化学环境引起的X射线能量位移(化学位移)，重离子激发的X射线多重线测量等。能量色散探测系统由X射线探测器和电子学仪器两部分组成。它的探测效率高，能量测量范围广，已广泛应用于多元素的定性和定量分析中。常用的X射线探测器有密封式正比计数管、流气式正比计数管、薄NaI(Tl)和CsI(Tl)闪烁计数器、Si(Li)半导体探测器。密封式正比计数管用铍或云母作为X射线的入射窗，用Xe和Kr作为工作气体，适用于测量短波区X射线。流气式正比计数管用薄塑料(例如3～6μm厚的Mylar膜)作为入射窗，用Ar和甲烷混合气体作为工作气体，适用于测量长波区X射线。对于超长波区X射线的X射线，应使用更薄(1μm)的聚丙烯窗。闪烁计数器的晶体厚度为2～5mm，用薄的铍箔(1μm)兼作晶体包装和X射线入射窗。Si(Li)探测器要在液氮温度(77K)下工作，探头封闭真空中，要用很薄的铍窗使其与大气隔开。目前市场出售的Si(Li)探测器，它对5．9KeV的X射线的能量分辨率为160eV左右。由Si(Li)探测器配上电子学仪器组成的Si(Li)谱仪在实验室中使用普遍。它的计数率特性很重要，因为在高计数率下它的能量分辨率会变差，能谱的峰位会发生移动。因此电子学测量系统中必须采用“抗堆积电路”和“极另”补偿网络。近年来出现一种“按需激发方式”可以大大提高系统的计数率特性。对于一定的信息量来说，用了“按需激发方式”后，样品受到的辐照损伤最小，所以它特别适用于易损伤样品的分析。由粒子激发X荧光分析得到的X射线能谱比较复杂，存在多重性、相互重叠和本底干扰等特点。实验样品以粒子在样品中的能量损失能否忽略而有薄靶与厚靶之分。薄靶的测量常使用内标或标样，处理相对简单；厚靶因为要考虑粒子的能量损失以及增强效应等，能谱的分析和计算要复杂得多。无论是薄靶还是厚靶，只有藉助于计算机程序，才能实现既快速又准确的分析。粒子激发X荧光分析一般在真空靶室中进行。为了测量较大的样品，还发展了外束PIXE技术，即把真空管道中的粒子束通过出射窗(例如Kapton膜)引入大气或N、He等气体气氛中，再对样品进行分析。复旦大学等单位曾用外束PIXE技术分析了在1965年出土的越王勾践剑。此剑长64．1cm、宽5cm，已在地下埋藏了近2500年，仍光采夺目，堪称国宝。人发中的微量元素能反映人体内某些元素在新陈代谢过程中的变化情况。粒了激发x荧光分析曾被用于分析GaAs半导体材料车间工人的头发，以监察工人的As中毒情况；曾被用于对比低能儿与正常儿童、孕妇生育前后头发中的微量元素分布；也曾被用于探讨我国一些地方病(例如大骨节病)发病地区的病人与正常人头发中的微量元素分布有何区别。粒子激发X荧光分析的另外一些例子有人体或动物的血清样品分析，环境保护领域中的大气气溶胶(即飘尘)的监测分析，工农业生产领域中的各种材料(例如钢材或矿物)和农作物的成分分析等。把带电粒子束聚焦成直径为微米级的细束，可以对样品作微区分析。除了粒子激发X荧光分析技术以外，微束技术还能与背散射或核反应等技术相结合，成为离子束分析的有效手段。这样的核微探针装置全世界已有100台左右。聚焦质子束的电流密度可达200微微安／微米2，能用以扫描分析几十到几百平方微米区域内的许多种元素的分布。例如，曾用扫描质子微探针探测癌变细胞在发生形貌变化以前，细胞内部微量元素分布的变化情况，为癌症早期诊断和治疗提供依据。扫描质子微探针还被用来分析矿样(例如金矿样)中的某些元素在微区布内的相关性，用以研究元素的共生现象在宏观和微观尺度上有何变化，有助于分析矿物的成因。用微米级的α粒子与背散射技术相结合，在大规模集成电路分析中正在发挥重要作用。【参考文献】：1 Johansson T B，Akselsson R，Johansson S A E．Nucl，Instr and Meth，1970，84∶1412 赵国庆，任炽刚．核分析技术．北京：原子能出版社，19893 Zeng Xianzhou , Li Xiaomei. Nucl, Instr and Meth, 1987: B22:994 Chen Jianxin,Li Hongkou,Ren Chigang,et al. Nucl, Instr and Meth. ,1980,168:4375 Chou Jianxin,Gu Yuanzhuang, Li Hongkou,et al. Nucl Instr and Meth,1981,181,2696 Zhou Shijuan,Ren Chigang,Huang Fayang,et al. Nucl Instr and Meth, 1991,B58:109(复旦大学博士生导师汤家镛撰) |
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