用于 XRD 分析的 XRF-FP 软件包
2017 年 10 月 5 日
用于定量元素 XRD 分析的全功能软件包。
此软件包是用于定量 XRD 分析的软件包。基本参数 X 射线分析 (FP) 将峰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，以产生 (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。
特点使用基本参数法有或没有参考材料的分析液体和薄膜的分析同时分析多达 40 种元素与所有 Amptek 探测器 (Si-PIN、SDD、CdTe)、X 射线管和电子设备兼容连续或定期分析的自动模式调整 CdTe 出发峰无损检测
应用X 射线荧光分析薄膜分析RoHS / WEEE 分析培训与研究艺术与考古管理工艺流程X 射线管
XR100CR 和 mini-X 用于 XRD 分析。
介绍及工作原理
此软件包是用于定量 XRD 分析的软件包。基本参数 X 射线分析 (FP) 将峰的元素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，以产生 (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 XRD 分析仪的数据流。
一旦系统安装完毕、校准完毕，并获得光谱，X射线分析就开始了：
- 解码探测器响应以恢复明视的外观。此步骤用于出发峰、总峰、背景峰等。在此步骤的输出中，会出现处理后的光谱。它仅准确显示明视。
- 解码明视点以确定探测器中 X 射线辐射相互作用的强度。此步骤的结果是每个分析的明视点的强度表。
- 计算衰减和基质效应，确定样品中元素的浓度。此步骤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的输出峰值、总峰值、背景峰值、康普顿、背散射和其他影响。它还可校正铍窗口和非敏感探测器层的衰减以及探测器效率。峰值可通过理论模型或通过测量探测器响应来近似，并且可使用线性和非线性光谱扫描来执行。多种处理选项可让您将软件调整到特定探测器/光谱仪和特定应用。
定量分析是根据相应峰的强度计算元素浓度或膜厚的步骤，可以使用或不使用参考样品来校准分析参数。在没有参考样品的分析中，所有参数都是根据理论方程、基本参数数据库和测量几何的精确建模来设置的。当膜厚未知时，可以对简单结构或单层薄膜样品进行无参考样品测量。当使用标准样品进行分析时，主要参数是根据对每种元素的测得的响应获得的。使用在测量中应用材料相似性的标准时，可以获得最准确的分析结果。“散射系数”测量可用于估算样品中由无法通过 X 射线衍射分析测量的低 Z 材料组成的比例。
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。程序主窗口。显示具有不同参数和浓度的表格元素。
表 1. 使用软件包对两种钢合金进行 X 射线衍射分析获得的结果。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 安装板获得的。
软件包的功能
- 最多可同时分析40种元素，可对从H到Fm的所有元素进行分析，采用K、L、M线分析，能量范围为0.1keV至60keV。
- 支持单层成分、总成分及厚度、或最多4层成分的测量。
- 包括对空气衰减损失、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滤波器的全面校正。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。
- 光谱处理参数包括确定背景、分层峰和总峰的参数。
- 它包括厚层和薄层二次荧光膜的吸收校正，即所有基质效应、放大和吸收。考虑了所有可能的谱线——无论是激发谱线还是荧光谱线。
- 光峰强度可以通过积分峰下面积或使用测量的光峰响应建模为高斯函数。
- 线性或非线性部署。在非线性扫描中，重心和峰值分辨率是根据最佳形状选择的。
- 可以使用基本参数、具有散射系数的基本参数（对于包含大量 Z 值较小的材料的样品）或简单的最小二乘法来实现定量分析。
- 使用基本参数的分析可以基于一个标准源、几个标准样品或不使用标准样品。无参考材料分析需要明确定义 X 射线管、探测器、环境和几何测量参数。
- 基本参数计算基于谢尔曼方程。
- 管道光谱可由用户提供，或通过内置模型计算得出（Ebel、Pella 等）。这些管道光谱可与实验传递函数合并，以获得管道通过光纤（如多毛细管束）时的预期光谱。
- 启用交互式“专家模式”和“普通模式”。在专家模式下，用户可以看到执行分析和设置参数的每个步骤。在普通模式下，在设置和校准光谱仪后，只需按下一个按钮即可接收数据、处理光谱、分析强度并将结果保存在报告中。
示例定义
元素/组件
您最多可以分析 40 种元素作为单个元素和/或化合物。未分析的元素可以根据与所分析元素的关系（例如氧化物和碳酸盐）进行化学计量测定。可以在一次分析中分析一种或多种化合物中的元素。可以以不同的方式分析单个化合物（或元素）。可以“提交”任意数量的连接（或元素）。例如，可以通过这种方式分析溶液、粘合剂和/或水合晶体。
薄膜材料的综合分析与分析
可以使用标准样品和基本参数法分析任何体积和单层（无支撑）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，您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，这些方程将 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、窗户和空气中的衰减、散射光谱的变化等的校正。其次，您可以选择具有多种指标的 OP。当样品含有大量低 Z 材料（例如塑料）时，建议使用此功能。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，对样品的未分析部分进行评估。第三，您可以选择简单的最小二乘法。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相关。
当使用多种激励时，必须校准每种条件下的至少一种元素。校准可以使用任何标准样品（例如纯元素）进行。可以使用一种或多种标准样品进行校准。如果某些元素已校准而某些元素未校准，则可对后者使用从第一组获得的校准系数。
可以测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。可以采用多种路径测量厚度和密度。可以理论计算密度，也可以在线性厚度计算的情况下确定密度。样品的成分可以高达百分之百万分之一。
校准方法
使用基本参数法，无需参考样品即可进行校准。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。使用标准样品进行分析更容易，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，您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，这将产生更准确的结果。可以使用单个正常参考样品，即可以使用包含所有稍后要分析的元素的单个材料。例如，可以使用“标准参考材料”不锈钢，然后可以观察到对其他合金钢的非常准确的分析。您可以使用每个元素的不同参考样品进行校准。
有几种分析没有参考样品就无法进行，即需要标准样品校准。例如，最小二乘分析不能有标准样品。如果计算样品密度（即mg/cm2），没有标准样品就无法进行分析。
性唤起的来源
可以使用 X 射线管或同位素源。对于 X 射线管，此软件包可以使用 Pell 或 Ebel 模型模拟 X 射线的反射和透射，或者使用提供的光谱源完全模拟多色源。可以定义阳极、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出发角。能量可以从 3 到 60 kV 不等。提供的软件包括文件传输效率，例如，多毛细管光学器件放置在源和样品之间。可以使用描述线相对比率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管子，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线相对比率的源文件来使用。对于目标的二次激发，假设为单色激发。
探测器
可以完全模拟各种传感器（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 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
可以指定系统的完整几何形状，包括采样率和起飞角、源光学和/或源到样品的距离、样品到探测器的距离以及环境因素。Amptek 提供其 MP1 安装面板的所有参数，以便与 Mini-X 和 XR100/X-123 配合使用。
图 5. 如果您使用 MP1 板安装，请参考此图和下表。样品板边缘的距离必须为 0.375 英寸 (1 厘米)，才能位于探测器和 X 射线管的交叉点。所有尺寸均以厘米 (cm) 为单位。
RFA-FP 参数 - 含义
入射角-67,5°
起飞角度-67,5°
阿尔法角 - 0 °
散射角度-135°
管道至样品 - 33.9 毫米
示例到探测器 - 15.9 毫米
表 2. 如果您使用 MP1 板安装和 RFA-FP 软件，请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 / 通道) 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 RFA-FP 软件或 ADMCA 软件中指定校准。RFA-FP 可以自动导入 ADMCA 校准。
去除背景和减去空值
背景去除模块使用迭代过滤来突出峰值，留下平滑不同的光谱背景。在此背景下，它从原始光谱中被去除，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材料引起的，而是由光谱仪引起的，例如空气中的 Ar 或 Al 过滤器中的 Ar 或用户保护中的 Pb。该模块从“白色”参考材料（即没有要分析的元素的材料）中减去获取的光谱。
图 6. 删除之前的原始背景光谱。
图 7. 处理后的光谱和背景。蓝色曲线是去除背景。
移除“逃离冲刺”和“峰值总和”
根据用户的选择，删除逃逸探测器和峰值总和（累积）。Moudle Escape Peak 使用内部函数来估计将产生可能从探测器正面或背面射出的 K X 射线的 X 射线事件（在 K 边缘上）的比例。包括 Si 和 CdTe 的参数。
图 8. 图表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。灰线显示原始光谱。绿线表示原始光谱中事件的输出。它们从原始光谱中减去，然后计算出正确的能量（通过添加运行的能量）。红线显示固定逃逸事件，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，事件按正确顺序排列。
抗锯齿
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
该模块处理已处理的光谱，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）简单地在感兴趣的固定区域内对峰值进行积分，（2）使用已知的线比和峰值能量等数据库将高斯拟合到顶点，以及（3）参考反卷积，使用存储的每个元素的配置文件来匹配峰值。其次，可以使用线性或非线性方法进行一系列拟合。如何使用最小二乘法。在线性蒙太奇中，峰值比率、能量和宽度是固定的。这种方法通常非常快。在非线性近似中，这些参数可以在某些约束下变化。这种方法的计算量要大得多。
所有所需的强度和线长都是根据指定的分析物线自动计算的。高斯峰的设置可以用线性或非线性最小二乘法来完成。后者允许您限制峰位置的变化，在系列中限制峰线与峰宽与其标称起点的比率。
除了计算基本强度之外，该程序还自动计算估计的不确定性和背景值，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（转换）以供分析。如果相应的库项目上传到 ADMCA，软件将链接明显的项目峰值。相应的元素可以自动导入到 RFA-FP 表元素中。
使用带有 Spectrum-X 的 XRD-FP 接口，程序会分析光谱并分配最可能的元素和线（每个元素和线由峰值决定），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 模块还显示收到或处理的光谱。您可以比较最多 8 个光谱。KLM 标记可用于识别峰值，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 显示屏显示项目标记。
扩展描述
无论有没有主参数 (FP) 方法，RFA 都只有两个步骤。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系数和给定样本定义（即层数以及哪些元素位于哪些层）的 FP 算法，准备对给定材料的样本进行分析。
该程序将支持多达 40 种元素的单层或成分质量和厚度分析，这些元素按元素和/或化合物计算。分析中允许最多 4 个或更多“条件”激发。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的组合，例如 kV、阳极管、过滤器、探测器过滤器、环境保护（空气、真空、氦气）和时间采集。这允许分析师用一种条件评估某些元素，用完全不同的方式评估其他元素，例如可以针对特定元素或元素组优化每个分析。此外，可以自由定义光谱的处理步骤，并且可以设置状态代码设置的所有部分。
FP 分析软件将支持一个或多个标准校准方案，或者如果已知管、探测器、环境和几何参数，则支持完全无自定义的分析。必须一次传输一个校准标准，并在内部处理标准校准信息的合并。在每个校准步骤之后，将返回一组校准系数和每个定义元素的相关信息，如果仅应用一个标准，则可以立即使用这些信息。如果使用多个校准标准，则所有系数将合并为一个集合，然后可以使用最后一组进行后续定量分析。
应为非标准具分析设定层厚度。结果可以归一化为任意值，并且应为非参考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学确定。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，则可以将后者转换为厚度（微米、微英寸、纳米等）。可以引入密度或额外理论计算密度。
所有相关的 FP 计算都是在校准过程中产生的，并使用基于 Sherman 方程的计算进行量化。直接荧光计算所需的管道光谱可以由用户提供，也可以从嵌入式模型（Ebel、Pella 等）计算得出。这些管道光谱可以用实验传递函数折叠起来，以获得通过光纤（例如多毛细管束）的管道的预期光谱。空气路径的存在也将根据源和路径检测器的几何输入参数进行计算。单元件过滤器也可以插入在管道和样品之间或样品和检测器之间，并且可以同时放置软件。
探测器参数（窗口、厚度、面积等）还将用于计算 X 射线穿过窗口并存储在探测器材料中时的各种吸收效应和效率。这只有在进行无标度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系数，总是以这种方式进行计算。如果理论是完美的，那么所有校准系数都会具有相同的值。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系数相比。通常在校准所有使用相同线系列（如 K）的元素时，变异系数很小（<30%），但在从混合线（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（如输出荧光）的绝对计算。
无需收集纯元素来分析 AF 光谱，因为不需要直接计算元素强度。计算方式使得非基准分析更容易进行。当然，如果需要，可以使用纯元素标准，这样就可以进行完整的 FP 校准，而无需使用任何“类型”标准。如果分析师没有可用的标准类型，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。它在具有至少 256 MB RAM 的标准 PC（Windows XP 及更高版本）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
- X-123 光谱仪
- 带 USB 控制的 Mini-X 探测器
- XRD分析软件
- MP1 安装板
