掠出射X射线荧光分析技术与掠入射X射线荧光分析技术

　　1　引　言

　　作为全反射X射线荧光分析技术(Total Re-flection X-ray Fluorescence,TXRF)的一个分支,掠入射X射线荧光分析技术(Grazing IncidenceX-rayFluorescence,GI-XRF)自20世纪70年代初出现以来[1],经过近20几年的发展,已成为一门成熟的技 术。GI-XRF不但具有传统X射线荧光分析技术的快速、试样无损、同时进行多元素检测的特点,而且具有低探测限、完成一次实验所需的最小样品量少、更适 合于液体样品的检测[2]的特点。目前GI-XRF技术不但成功应用于半导体工业,其应用领域还在不断扩大[3]。尽管如此,在对Z <20的轻元素进行检测时,GI-XRF因自身的限制而优势被削弱[4]。

　　1983年,Becker等人[5]证明了在全反射条件下掠出射X射线荧光分析技术(Grazing EmissionX-ray Fluorescence,GEXRF)等效于GI-XRF技术,为轻元素的探测提供了一种新方法。GEXRF不但继承了全反射的特性,而且与波长色散 (Wave-length Dispersion,WD)探测系统的结合对轻元素(4< Z <20)具有很高的灵敏度[4]。GEXRF技术也因此受到人们的青睐并获得发展。现在GEXRF技术的应用领域正从早期的对被吸附物[7]和薄膜 断面[8]的检测向化学元素微量和痕量的检测及薄膜特性的分析等方向扩展[4,9,10]。长期以来GEXRF和GI-XRF被认为是等效的。但综合已发 表的实验数据,相对于GI-XRF,GEXRF也有其自身的优点和缺点。

　　2　GI-XRF和GEXRF的工作原理

　　如图1所示,假设一平面波以与界面夹角θ的方向入射到界面。按照菲涅尔定律n1cosθ=n2cos′θ,当n1> n2时,cosθ= n2/n1cos′θ。由此可得当cosθ=n2/n1,θ′=0,即发生全反射。因此当0<θ

　　当入射光是球面波时,情形有所不同。因为当辐射点源距界面很近(≤3 nm)时,球面波的傅里叶变换的结果中包括有振幅足够大的倏逝波[12]。这些倏逝波不像平面波那样,它们能够进入上述的空白区到达探测器;但距界面足够 远的点源所发射的球面波在界面处可看成一系列平面波的叠加[4],这些平面波在界面处将按菲涅耳定律被反射和折射,从而在介质2一侧形成一空白区,此即为 GEXRF技术的工作原理。图3为对McPhenson单色仪加以改造后的GEXRF实验装置示意图。一束未经准直和聚束的多色X射线以几乎垂直的角度直 接照射到待测样品上,待测样品放在一个可以倾斜的样品台上,样品台的倾斜范围为0~100 mrad,步长为0.04 mrad。在样品台后用一个双狭缝系统对出射的荧光进行准直,狭缝宽度为50μm,距离为125 mm,所以出射荧光的角分辨率为0.8 mrad。出射的X射线经过双狭缝准直后再经光栅衍射进入探测器。整个系统放在真空中以减少长波X射线的损失。由于θ取值于 0~θcrit(θcrit=arccos(n1/n2)),按照上述讨论的结果,GEXRF也将获得很低的探测限,其探测深度范围也仅限于样品表面附 近。同时与GI-XRF相似,GEXRF也可通过荧光强度随θ变化的曲线得到被测薄膜样品的组分、密度和厚度等信息[4]。