同步辐射高分辨X射线荧光谱仪及其应用进展

    1 引言

    同步辐射最初是高能物理实验的一个副产品，但当它的优点被人们发现以后，就成为众多学科领域中的基础研究和应用研究的一种先进的手段。它的研究领域包括凝聚态物理、化学、结构生物学、材料科学、地球和生命科学等^[1]。同步辐射的光谱是连续谱，从远红外到硬 X 射线波段，同时还具有偏振性、亮度高、准直性好等特点。基于同步辐射光源的X射线荧光分析在许多领域都得到了广泛的应用，但是，常规的 X 射线荧光分析主要用于元素成份分析，对于元素的化学结构分析很少应用。随着研究工作的深入，人们在研究材料性能的时候，除了要了解它的元素组成外，有时对它的化学价态更感兴趣。为此，高分辨 X 射线荧光谱仪得以逐步发展并投入应用。

    2 高分辨 X 射线荧光谱仪的基本结构和工作原理

    高分辨X射线荧光谱仪可由多个分光晶体或晶体阵列、探测器、样品架等几个部分组成。以Bergmann^[1]等的谱仪为例（图 1）作一简介。该谱仪由八块球面硅单晶作为分光晶体（每一块的直径2r = 89 mm）,硅单晶同弯曲的玻璃衬底（曲率半径R = 860 mm）粘在一起。晶体尺寸和曲率半径的大小影响着收集荧光的立体角的大小。每一块晶体、探测器和样品都满足同一个罗兰圆条件，即每一块晶体、探测器和样品都位于一个罗兰圆上，晶体的曲率半径等于罗兰圆直径的大小^[1]。

    同步辐射光以 45°角入射到样品上，样品发出的荧光以 4π 立体角发射，一部分荧光被分光晶体收集，根据布拉格反射定律（2d sin θ=nλ ）,使入射荧光在布拉格角θ 接近 90°的地方入射，选出某个波长的能量，如 Mn 的 K_β，用 NaI 探测器收集信号，通过移动放有分光晶体的光学平台不断改变布拉格角θ ，获得所需的能谱^[1]。为了满足罗兰圆的几何条件，光学平台移动Δ Z，同时移动探测器2ΔZ。

    谱仪的分辨率与布拉格角θ 有如下关系： E/E= θcotθ。可以看出，布拉格角θ近 90°的时候，谱仪的分辨率最高。

    上面描述的只是谱仪的基本部分，当然还要考虑其它因素。例如：如何降低由于空气吸收所引起的强度减少、减少不必要的背景散射、探测器的效率等^[1]。有些高分辨 X 射线荧光谱仪采用在光路中放置充满流动氦气的气袋，减少空气吸收，而且气袋可以随扫描平台一起移动。另外，在探测器外面包上铅皮，减少背景散射，并在探测器前面加上一个狭缝^[1]。