XRF分析软件包XRF-FP
用于定量元素 XRF 分析的全功能软件包。
此软件包是用于定量 XRF 分析的软件包。基本参数 (FP) XRF 分析将峰值强度转换为相应元素的浓度或膜厚度。它处理用 Amptek 探测器和脉冲处理器测量的原始 X 射线光谱,以获得 (1) 元素峰值强度(对应于每个元素的峰值强度)和 (2) 元素浓度或膜厚度。
特殊之处
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使用基本参数方法
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有或没有参考标准的分析
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液体和薄膜分析
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同时分析多达 40 种元素
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兼容所有 Amptek 探测器(Si-PIN、SDD、CdTe)、X 射线管和电子设备
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连续或定期分析的自动模式
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CdTe 峰值调整
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无损分析
应用
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X射线荧光分析
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薄膜分析
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RoHS/WEEE分析
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教育与研究
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艺术与考古
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工艺流程管理
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X射线管
XR100CR 和 mini-X 用于 XRF 分析。
介绍及工作原理
此软件包是用于定量 XRF 分析的软件包。基本参数 (FP) XRF 分析将元素峰强度转换为元素浓度或膜厚度。它处理用 Amptek 探测器和脉冲处理器测量的原始 X 射线光谱,以获得 (1) 元素峰强度(对应于每个元素的峰强度)和 (2) 元素浓度或膜厚度。
图 2. 该草图说明了进入 XRF 分析仪的数据流。
一旦系统安装完毕、校准并获得光谱,XRF 分析就开始了:
- 解码检测器响应以恢复光峰的外观。此步骤适用于出发峰、总峰、背景峰等。此步骤的输出是经过处理的光谱,仅准确显示光峰。
- 解码光峰以确定探测器中 X 射线辐射相互作用的强度。此阶段的结果是每个分析的光峰的强度表。
- 计算衰减和基质效应,确定样品中元素的浓度。此阶段的结果是一个浓度表,即分析的最终结果。
光谱处理可校正光谱中的产出峰、总峰、背景峰、康普顿、背散射和其他影响。它还可校正铍窗口和探测器不敏感层中的衰减以及探测器效率。峰值是使用理论模型或通过测量探测器响应来近似的,并且可以使用线性或非线性光谱扫描来执行。各种处理选项允许软件针对特定的探测器/光谱仪和应用进行定制。
定量分析是根据相应峰的强度计算元素浓度或膜厚度的步骤,可以使用或不使用标准来校准分析参数。在无标准分析中,所有参数均基于理论方程、基本参数数据库和精确的测量几何建模来指定。当膜厚度未知时,可以对简单结构或单层薄膜样品进行无标准测量。在基于标准的分析中,基本参数是从每个元素的测量响应中得出的。使用与被测材料相似的标准时,可以获得最准确的分析结果。“散射系数”测量可用于估计样品中由无法通过 XRF 分析测量的低 Z 材料组成的分数。
该软件包含大量变量,用户可以根据实验条件进行调整并优化处理。
图 3. 主程序窗口。显示具有各种参数和浓度的表格元素。
表 1. 使用 XRF 分析软件包对两种钢合金进行分析的结果。数据是使用 Amptek XR100-SDD 探测器、PX5 脉冲处理器、带 X 射线管的 Amptek mini-X 探测器和 Amptek MP1 安装板收集的。
软件包的功能
- 可同时分析多达40种元素,可对从H到Fm的所有元素进行分析,采用K、L和M线分析,能量范围从0.1keV到60keV。
- 支持总成分、单层成分及厚度或最多4层成分的测量。
- 包括对空气衰减、探测器窗口、探测器死层、探测器有效体积以及插入管与样品之间或样品与探测器之间的过滤器造成的损失进行全面校正。它们是根据用户输入的参数计算得出的,这些参数定义了激发源、探测器和测量几何形状。
- 光谱处理参数包括背景检测、重叠峰和总峰的参数。
- 包括对二次荧光厚膜和薄膜的吸收校正,即所有基质效应、增强和吸收。考虑所有可能的谱线 - 包括激发和荧光。
- 光峰强度可以建模为高斯函数,通过积分峰下的面积,或通过使用测量的光峰响应。
- 线性或非线性展开。在非线性展开中,重心和峰值分辨率的选择要考虑最佳形状。
- 定量分析可以利用基本参数、带散射系数的基本参数(针对含有大量低Z材料的样品)或简单的最小二乘法来实现。
- 使用基本参数的分析可以基于一个标准源、多个标准样品或两者都不采用。无标准样品的分析需要明确定义X射线管、探测器、环境的参数以及测量的几何参数。
- 参数的基本计算都是基于谢尔曼方程。
- 管光谱可由用户提供,或通过内置模型计算得出(Ebel、Pella 等)。这些管光谱可与实验传递函数卷积,以获得通过光学器件(如多毛细管束)的管的预期光谱。
- 包括交互式“专家模式”和“普通模式”。在专家模式下,用户可以看到分析和参数设置的每个步骤。在普通模式下,光谱仪设置和校准后,只需按一个按钮即可获取数据、处理光谱、分析强度并将结果保存在报告中。
定义示例
元素/组件
最多可将 40 种元素作为单个元素和/或化合物进行分析。未分析的元素可根据与所分析元素的键合(例如氧化物和碳酸盐)进行化学计量测定。可在一次分析中分析一种或多种化合物中的元素。一种化合物(或元素)可以用不同的方式进行分析。可以“固定”任意数量的化合物(或元素)。例如,可以以这种方式分析溶液、粘合剂和/或水合晶体。
常规和薄膜分析
可以使用标准样品和基本参数法分析任何体积和单层(不支持)薄膜样品。可以使用附加软件同时使用基本参数法处理多层样品(最多 6 层)和薄膜材料(有关更多详细信息,请联系 Technoanalitpribor 专家)。
定量分析
分析方法
该模块包括变异分析。首先,可以选择基本参数法进行定量分析。该模块求解一组非线性方程,将 X 射线峰的强度与样品中元素的浓度联系起来。这些方程包括对样品中的衰减和吸收、样品中二次 X 射线的发生、窗口和空气中的衰减、散射光谱管等的校正。其次,可以选择具有指数分布的 FP。当样品含有大量低 Z 材料(例如塑料)时,建议使用此选项。通过将分析物的已知元素与测量的 C/R 比进行比较并为剩余元素分配平均原子序数,可以对样品的未分析部分进行估计。第三,可以选择简单最小二乘法。这是一种经验方法,不使用有关光谱的所有信息。相反,它依赖于简单的校准系数,并假设特定线的强度与浓度呈线性关系。
当使用多种激励时,必须校准每种条件下的至少一种元素。可以使用任何标准样品(例如纯元素)进行校准。可以使用一种或多种标准样品进行校准。如果某些元素经过校准而另一些元素未校准,则对于后者,可以使用从第一组获得的校准因子。
可以确定或计算样品的厚度。在计算的情况下,没有标准样品就无法进行分析。有几种方法可以测量厚度和密度。密度可以通过理论计算或在线性厚度计算的情况下确定。样品的成分可以高达百分之百万分之一。
校准方法
基本参数法允许不使用标准样品进行校准。描述X射线管光谱、过滤、空气中的衰减、探测器铍窗和死层中的衰减、样品中的衰减和放大等的所有参数都是根据用户在程序中输入的数据建立的物理模型计算得出的。它比使用标准样品进行分析更容易使用,但其参数是近似的。这是由于物理模型和用户输入的数据中固有的近似值。
使用基本参数法,还可以选择是否使用一个或多个标准样品校准其参数。强烈建议进行校准,这将带来更准确的结果。可以使用单个通用标准样品,即可以使用一块包含所有稍后要分析的元素的材料。例如,可以使用不锈钢“标准参考材料”,然后可以观察到对其他合金钢的非常准确的分析。可以使用每个元素的不同标准样品进行校准。
有几种分析没有参考标准就无法进行,也就是说,需要根据参考标准进行校准。例如,最小二乘分析没有参考标准就无法进行。如果计算样品的密度(即 mg/cm2),则分析没有参考标准就无法进行。
兴奋之源
可以使用 X 射线管或同位素源。对于 X 射线管,软件包可以使用 Pell 或 Ebel 模型对 X 射线反射和透射进行建模,或者使用源提供的光谱进行全多色源模拟。可以指定阳极、窗口和过滤器。管窗口可以是任何成分(例如 BeO 或玻璃)。可以为阳极选择任何元素以及发射角。能量可以从 3 到 60 kV 不等。提供支持包括文件传输效率,例如使用放置在源和样品之间的多毛细管光学器件。可以使用描述相对线比的源文件来使用放射性同位素。对于目标的二次激发,假设单色激发。
Amptek 提供其 mini-X X 射线管和滤光片套件的所有参数。如果使用其他供应商的射线管,客户必须自行查找其参数。
放射性同位素可以通过使用描述相对线比的源文件来使用。对于目标的二次激发,假设为单色激发。
探测器
可以完全模拟各种探测器(Si-PIN、SDD、CdTe、Si(Li)和 Ge)和窗口。该程序允许用户输入与这些探测器及其窗口相关的所有必要参数(例如厚度、弧度、死层等)。CdTe 的光谱处理包括处理过程中的一些重大变化。有关 CdTe 探测器分析的更多信息,请参阅此页面。
Amptek 提供其 XR100 系列探测器的所有参数,包括 XR100-SDD、用于 SiPIN 的 XR100CR 和 XR100-CdTe。如果使用其他供应商的探测器,客户必须找到关键参数。
几何学
可以指定完整的系统几何形状,包括采样率和出射角、源到光学和/或源到样品的距离、样品到检测器的距离以及环境因素。Amptek 在其 MP1 安装板中提供所有参数,可与 mini-X 和 XR100/X-123 一起使用。
图 4. 角度几何的定义。
图 5. 使用 MP1 板安装时,请参考此图和下表。距离样品板边缘的距离应为 0.375 英寸 (1 厘米),以便位于探测器和 X 射线管的交点。所有尺寸均以厘米 (cm) 为单位。
XRF-FP 参数
意义
入射角
67.5°
起飞角
67.5°
阿尔法角
0°
散射角
135°
管道取样
33.9 毫米
探测器示例
15.9 毫米
表 2. 当将 MP1 安装板与 XRF-FP 软件一起使用时,在几何设置对话框中输入这些值。
元素、线和元素间校正
包括完全吸收校正和厚膜和薄膜二次荧光。考虑激发和荧光的所有可能方向。可以使用能量范围从 0.1 keV 到 60 keV 的 K、L 和 M 线对从 H 到 Fm 的所有元素进行分析。
光谱处理
校准光谱
该软件使用光谱中已知的峰值来计算光谱仪的有效增益 (ev/channel) 和偏移 (零点偏移)。这些因素在进行其他光谱处理之前应用于后续光谱。可以在 XRF-FP 软件或 ADMCA 软件中指定校准。XRF-FP 可以自动导入 ADMCA 校准。
背景消除和空值减除
背景去除模块使用迭代过滤来隔离峰值,留下平滑不同的光谱背景。此背景从原始光谱中去除,留下峰值。
空减法模块用于去除由于环境干扰或污染而产生的峰值。这些峰值不是由样品中的物质引起的,而是由光谱仪引起的,例如空气中的 Ar 或 Al 过滤器中的 Ar 或用户保护罩中的 Pb。该模块会减去从“白色”参考材料(即没有要分析的元素的材料)获取的光谱。
图 6.去除之前的原始背景光谱。
图 7. 处理后的光谱和背景。蓝色曲线表示去除背景。
逃逸峰和峰值和去除
根据用户的选择,移除探测器逃逸峰和总和(簇)峰。Moudle 逃逸峰使用内部函数来估计将生成可从探测器正面或背面逃逸的 K x 射线的 x 射线事件的比例(高于 K 边缘)。包括 Si 和 CdTe 选项。
图 8. 该图显示了经过处理以消除逃逸事件后从 CdTe 探测器获取的钨 (W) X 射线管输出光谱。灰色轨迹显示原始光谱。绿色轨迹说明原始光谱中的逃逸事件。它们从原始光谱中减去,然后计算正确的能量(通过添加逃逸的能量)。红线显示校正后的逃逸事件,然后将其与灰色轨迹相加。深黑色轨迹显示处理的最终结果,其中事件位于正确的通道中。
平滑
可以将指定量的 1:02:01 高斯平滑应用于光谱。
反卷积:采矿强度
该模块对处理后的光谱进行操作,以提取所选元素的净峰强度。 它包括几个选项。 首先,使用以下三种方法之一计算峰面积:(1)在固定的感兴趣区域上进行简单的峰积分,(2)使用已知的线比和峰能量等数据库对峰值进行高斯拟合,以及(3)链接反卷积,使用存储的每个元素的配置文件来拟合峰值。 其次,光谱拟合可以使用线性或非线性方法完成。 两者都使用最小二乘法。 在线性拟合中,峰比、能量和宽度是固定的。 这种方法通常非常快。 在非线性拟合中,这些参数可以在某些约束范围内变化。 这种方法的计算量要大得多。
所有必要的线强度和分辨率都是根据指定的分析物线自动计算的。高斯峰拟合可以用线性或非线性最小二乘法完成。后者允许峰位置、系列内线比率和峰宽从其标称起点进行有限的变化。
除了计算元素强度之外,该程序还自动计算不确定性估计值和背景值,这允许在 FP 分析期间执行不确定性和最低检测限 (MDL) 计算。
自动峰/元素识别
有两个选项:
使用 Amptek ADMCA 应用程序,用户可以自动标记峰值(变换)以供分析。如果将相应的库元素加载到 ADMCA 软件中,则标记的峰值将与元素相关联。相应的元素可以自动导入 XRF-FP 元素表中。
该程序使用带有 Spectra-X 的 RFA-FP 接口来分析光谱并分配最可能的元素和线,为每个元素和线定义一个峰值,并收集光谱中可能元素的完整列表。
多元线性规划问卷
使用基本参数方法的校准是使用几条标准路径和各种附加回归模型来细化 FP 校准系数的。
频谱窗口
除了 ADMCA,Spectra-X 模块还显示已获取或已处理的光谱。最多可比较 8 个光谱。KLM 标记可用于峰值识别,并且还有各种其他工具可用于在屏幕上添加文本和线条。
图 11.Spectra-X 显示屏显示元素标记。
扩展描述
XRF 非主要参数 (FP) 方法只有两个步骤。第一步是从一个或多个标准校准每个元素的响应函数(所谓的“校准”步骤)。第二步是使用先前存储的校准因子和给定样本定义(即层数以及哪些元素位于哪些层)的 FP 算法从给定材料中准备分析样本。
该程序将支持最多 40 种元素的单层或复合质量和厚度分析,这些元素可作为元素和/或化合物进行计算。一次分析最多允许 4 个或更多激发“条件”。每个条件描述一个单独的分析,并且可以自由定义任何实验条件组合,例如 kV、阳极管、过滤器、检测器过滤器、环境(空气、真空、氦气)和采集时间。这允许分析师使用一种条件评估某些元素,而使用完全不同的条件评估其他元素,这样每次分析都可以针对特定元素或元素组进行优化。此外,可以自由定义光谱处理步骤,以及设置代码状态的所有部分。
FP 分析软件将支持单个或多个标准校准方案,或者在已知管、检测器、环境和几何参数的情况下完全无标准分析。校准标准必须一次传输一个,标准校准信息的合并在内部处理。在每个校准步骤之后,将返回一组校准因子和每个定义元素的相关信息,如果只应用一个标准,则可以立即使用这些信息。当使用多个校准标准时,所有因子将合并为一个集合,然后可以使用该最终集合进行后续定量分析。
必须为无标分析确定层厚度。结果可以归一化为任何值,并且必须为无标分析或计算层厚度时归一化。元素(或化合物)可以计算、固定或通过差异确定。元素可以通过化合物公式的化学计量来确定。成分结果可以以 W% 或每分钟为单位计算,对于薄膜,质量厚度使用 ug/cm2 和 mg/cm2 等单位。如果密度已知,可以将后者转换为厚度(微米、微英寸、纳米等)。可以输入密度或另外理论计算密度。
所有相关的 FP 计算都是在校准过程中和定量计算中执行的,这些计算基于 Sherman 方程。直接荧光计算所需的管光谱可以由用户提供,也可以从内置模型(Ebel、Pella 等)计算得出。这些管光谱可以与实验传递函数卷积,以获得通过光学器件(例如多毛细管束)的管的预期光谱。还将根据源和检测器路径的输入几何参数计算出空气路径的存在。单元件过滤器也可以插入管和样品之间或样品和检测器之间,并且软件可以同时容纳这两者。
探测器参数(窗口、厚度、面积等)还将用于计算X射线穿过窗口并沉积在探测器材料中时的各种吸收效应和效率。这只有在进行无标准分析时才是严格必要的,但为了保持一致性,并便于比较元素之间的校准因子,总是以这种方式进行计算。如果理论是完美的,那么所有校准因子都将具有相同的值。在实践中,差异应该相对较小,特别是与不能完全补偿探测器效率的因子相比时。通常在校准所有使用相同线系列(例如 K)的元素时,变异系数很小(<30%),但在从混合线(例如 K 和 L)校准时通常会更大,因为很难进行包含线系列信息(例如荧光产量)的绝对计算。
无需收集纯元素进行 FP 光谱分析,因为元素强度不需要直接比值。以这种方式进行计算是为了更容易进行无标准分析。当然,如果需要,可以使用纯元素标准,并且可以以这种方式进行完整的 FP 校准,而无需使用任何“类型”标准。如果分析师没有可用的类型标准,这将非常有用。
FP 计算考虑了直接和二次荧光效应。FP 数据库中包含计算或调用吸收系数、荧光产额、跳跃因子、Coster-Kronig 跃迁、能量线、线比、跃迁概率等所需的所有参数。
该程序由一个为主程序窗口组成,为用户提供界面。它可在具有至少 256 MB RAM 内存的标准 PC(Windows XP 及以上版本)上运行。RFA-FP 软件与 Amptek ADMCA 显示和采集软件完全兼容并集成。它还可以直接控制所有 Amptek 电子设备以提供自动/重复/连续操作。
完整系统包括 XRF
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X-123 光谱仪
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带 USB 控制的 Mini-X 探测器
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XRF 分析软件
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安装板 MP1