授課題目:X-Ray分析技術簡介
業界講師:林瑋翔博士
任職單位:先馳精密儀器股份有限公司經理
上課時間:101.5.8( 9 :20-12:10)
講座主持人:廖炳傑教授
記錄者:吳政龍
XRF原理
(XRF)儀器由激發源(X射線管)和探測系統構成。X射線管產生入射X 射線(一次射線),激勵被測樣品。樣品中的每一種元素會放射出的二次X射線,並且不同的元素所放出的二次射線具有特定的能量特性。探測系統測量這些放射出來的二次射線的能量及數量。然後,儀器軟體將控測系統所收集的資訊轉換成樣品中的各種元素的種類及含量。利用X射線螢光原理,理論上可以測量元素週期表中的每一種元素。在實際應用中,有效的元素測量範圍為11號元素(鈉Na)到92號元素(鈾U)。
(XRF)儀器由激發源(X射線管)和探測系統構成。X射線管產生入射X 射線(一次射線),激勵被測樣品。樣品中的每一種元素會放射出的二次X射線,並且不同的元素所放出的二次射線具有特定的能量特性。探測系統測量這些放射出來的二次射線的能量及數量。然後,儀器軟體將控測系統所收集的資訊轉換成樣品中的各種元素的種類及含量。利用X射線螢光原理,理論上可以測量元素週期表中的每一種元素。在實際應用中,有效的元素測量範圍為11號元素(鈉Na)到92號元素(鈾U)。
X-ray原理
X-ray肉眼是看不到的,它對物體的穿透力很強,人體構造中密度較高的部分,如骨骼,能吸收較多的X光,所以會在感光底片上留下陰影,也就是說,人體組織密度的不同,會在感光底片上留下深淺不一的陰影。 用加速後的電子撞擊金屬靶。撞擊過程中,電子突然減速,其損失的動能會以光子形式放出,形成X光光譜的連續部分,稱之為制動輻射。通過加大加速電壓,電子攜帶的能量增大,則有可能將金屬原子的內層電子撞出。於是內層形成電洞,外層電子躍遷回內層填補電洞,當原子外層電子移向內層電子空軌道時,放出的能量是移動兩個能階的能量差,這個能量差所形成射線,就是X-射線。
利用XRF(ED-XRF)原理在廢鋼回收市場創造更大利潤目前在回收資源的分類上,在國內主要依靠“人力”以“經驗”來作為分類辨識工作,但在先進國家已利用“自動化設備”更替人力,輔以 “非破壞性測試工具”取代經驗,進行大規模快速且精準分類,提升回收的經濟利益。以歐美地區的煉鋼廠及資源回收廠為例,運用高科技先進的QXR-M X-ray自動化金屬篩選分類設備,將回收的廢五金依其金屬特性、成分比例、……等分類,再依其分類後的價值作最有效率的應用,創造額外的利潤。在這競爭激烈的世代,透過QXR-M X-ray自動化金屬篩選分類設備提高效率,讓最具競爭力的企業邁向國際競爭的舞台。QXR-M自動化金屬篩選分類設備介紹QXR-M自動化金屬篩選分類設備,主要包括了兩大系統,一為高靈敏度PLC自動化輸送分類系統,另一為高精度XRF(Energy Dispersive X-ray Fluorescence, EDXRF)金屬檢測系統;利用XRF screening快速的能力,其自動化輸送分類速度,可達每分鐘300~400英呎;XRF金屬檢測系統,也只需100毫秒(ms)就可以完成檢測,且篩選精度可高達95%;依此高速、高效能的表現,每套QXR-M設備每小時可篩選廢鋼量高達15公噸(Tons)。相當適用於大量金屬篩選分類工作!
土壤和底泥中元素濃度快速篩選方法-攜帶式X-射線螢光光譜儀分析法
一、方法概要
本方法係使用攜帶式X - 射線螢光光譜儀(Field portable X - ray fluorescence,以下簡稱 FPXRF)來分析並推估土壤和底泥中元素濃度。其檢測原理是利用放射源照射樣品後所放射出之螢光,經過偵測器的端視窗並轉換成電子訊號傳輸至偵測器,再經由多頻道分析器(MCA)所收集到之各元素脈衝振幅,以分析及半定量樣品中元素濃度初估值。
二、適用範圍
(一)本方法僅提供在現場快速篩選土壤及底泥中元素種類及濃度初估值,有關土壤和底泥中重金屬之相關檢測方法,可參考「重金屬檢測總則(NIEA M103)」、「土壤中重金屬檢測方法 - 王水消化法(NIEA S321)」、「土壤、固體或半固體廢棄物中總汞檢測方法-冷蒸氣原子吸收光譜法 (NIEA M317)」及「土壤中砷檢測方法-砷化氫原子吸收光譜法(NIEA S310)」。
(二)FPXRF其操作方式有兩種,一種是現場(In situ)直接檢測,另一種則是樣品採集後再放置在樣品承裝器中檢測(Intrusive)。若FPXRF操作條件設定在現場直接檢測位置時,則探針(Probe)視窗需直接接觸到土壤表面進行檢測;若操作條件是設定在樣品採集後再行檢測之位置時,則樣品需先置放在樣品承裝器中,以塑膠膜遮賓嶆A行分析。
(三)表一所列為本方法檢測土壤和底泥中 26 種金屬元素之偵測限值。有些常見的元素沒有被列在表一中,因為它們是屬於”輕(Light)”的元素,無法使用 FPXRF 來分析,這些元素包括鋰、鈹、鈉、鎂、鋁、矽和磷。一般原子序在 16 以上的元素皆可使用 FPXRF 儀器來檢測和定量。但表一所列之元素中有少數元素因受樣品基質內元素之干擾效應,而影響到待測物的定量結果。
(四)本方法的方法偵測限值、靈敏度(Sensitivity)與適當的分析濃度範圍,會隨樣品的基質和 FPXRF 的機型(如廠牌、儀器特性、偵測器電子放大的訊號等)而改變。表一提供無基質干擾時各元素之偵測限值的參考。偵測限值必須依據樣品基質的型態、前處理及測定方法之不同而作實際量測。
(五)本方法因涉及複雜基質樣品之檢測工作,故在使用本方法時,分析人員必須充分瞭解光譜量測技術,並有能力解決不同形式之化學及物理干擾問題。
(六)檢測人員在檢測前應接受適當的儀器安全操作和完整的輻射防護訓練,有關放射線安全性操作步驟應在儀器的操作使用手冊內仔細說明清楚。使用人員應了解輻射並符合我國輻射相關法規規定,並取得由政府核發之特定放射儀器之操作執照。
三、干擾
FPXRF 分析時之整體方法誤差來源包括儀器精密度和與使用者有關所產生的誤差。其中儀器精密度的誤差來源影響較小,而與使用者有關所產生之誤差影響較大,且此種誤差會隨著每個場址及所使用之方法而改變。有些干擾因子可由分析人員來控制並降到最小,有些干擾因子則無法由分析人員來控制。以下將列出各種可能之干擾因子供分析人員參考使用:
(一)物理性的基質干擾:此類誤差為樣品物理特性的變化所引起的,這些變化參數包括粒徑大小、樣品均勻性、一致性及表面狀態。降低此類干擾方式為磨碎、過篩及充分混合所有土壤樣品。
(二)水份含量:當水份含量於 5 % 至 20 % 之間時,水份含量所造成之誤差影響較小。當土壤和底泥樣品表面含有飽和含水量時,水份含量將會是一個主要誤差來源,降低此類誤差來源為烘乾樣品,樣品的乾燥方式可使用對流式(Convection)或傳統式的烘箱,但微波乾燥方式(Microwave drying)在此不被建議使用,因為樣品中的金屬碎片會產生電弧(Arcing)而增加分析時的變數。
(三)樣品檢測位置:樣品置放在探針端視窗前的位置不一致也會產生誤差,降低此類誤差的方式係將每個樣品放置在與探針端視窗距離相同之處,最好方式是將探針端視窗直接接觸到樣品,但此時樣品表面必需是平坦且平滑以提供良好接觸面。
(四)化學性基質的干擾:此類誤差為干擾元素間濃度的差異所引起的,這些干擾因子包括光譜干擾(波峰重疊)或 X - 射線吸收(Absorption)和加強(Enhancement)現象等。如鐵會吸收銅的 X - 射線,因而降低了銅被偵測的強度,而鉻則會加強鐵被偵測的強度,因為鉻的激發能量稍微低於鐵放射螢光所需能量。此類干擾因子可藉由使用基本參數 (Fundamental parameter,FP) 之數學方式來校正,或使用現場場址特性校正標準品(Site specific calibration standard,SSCS)來校正之,以降低化學基質干擾因子。
(五)光譜重疊干擾:當樣品中不同元素之 X - 射線其能量非常接近時,會造成嚴重光譜重疊干擾。降低此類干擾方式將視儀器偵測器對這兩個不同波峰之能量解析程度而定,假定這兩個不同波峰之能量差小於偵測器解析度,則偵測器將無法完全解析這兩個波峰。
(六)K / L、K / M 和 L / M 射線重疊:這類重疊現象如砷的 Kα 和鉛的 Lα、硫的 Kα 和鉛的 Mα。在砷和鉛的例子中,鉛可由測量Lβ射線,砷可由測量 Kα 射線或 Kβ 射線的方式來修正干擾情形,或使用儀器內軟體扣除干擾之數學式子來修正。然而,因為以數式子來修正的方式有限,在鉛 / 砷比率是 10:1 或更高時,則本方法不適用。
(七)環境溫度:環境溫度的改變會影響到放大器(Amplifiers)的增益(Gain)而產生儀器訊號漂移(Drift),因此若 FPXRF 儀器有內建自動增益控制閥之弁遄A則操作者將不需要調整儀器的增益,除非有錯誤訊息出現。若儀器沒有內建自動增益控制閥之弁遄A則溫度變化差異在超過 10 到 20 ℉(5.5 ℃ 到 11 ℃)時建議應執行增益查核步驟。取自:科邁斯集團
土壤和底泥中元素濃度快速篩選方法-攜帶式X-射線螢光光譜儀分析法
一、方法概要
本方法係使用攜帶式X - 射線螢光光譜儀(Field portable X - ray fluorescence,以下簡稱 FPXRF)來分析並推估土壤和底泥中元素濃度。其檢測原理是利用放射源照射樣品後所放射出之螢光,經過偵測器的端視窗並轉換成電子訊號傳輸至偵測器,再經由多頻道分析器(MCA)所收集到之各元素脈衝振幅,以分析及半定量樣品中元素濃度初估值。
二、適用範圍
(一)本方法僅提供在現場快速篩選土壤及底泥中元素種類及濃度初估值,有關土壤和底泥中重金屬之相關檢測方法,可參考「重金屬檢測總則(NIEA M103)」、「土壤中重金屬檢測方法 - 王水消化法(NIEA S321)」、「土壤、固體或半固體廢棄物中總汞檢測方法-冷蒸氣原子吸收光譜法 (NIEA M317)」及「土壤中砷檢測方法-砷化氫原子吸收光譜法(NIEA S310)」。
(二)FPXRF其操作方式有兩種,一種是現場(In situ)直接檢測,另一種則是樣品採集後再放置在樣品承裝器中檢測(Intrusive)。若FPXRF操作條件設定在現場直接檢測位置時,則探針(Probe)視窗需直接接觸到土壤表面進行檢測;若操作條件是設定在樣品採集後再行檢測之位置時,則樣品需先置放在樣品承裝器中,以塑膠膜遮賓嶆A行分析。
(三)表一所列為本方法檢測土壤和底泥中 26 種金屬元素之偵測限值。有些常見的元素沒有被列在表一中,因為它們是屬於”輕(Light)”的元素,無法使用 FPXRF 來分析,這些元素包括鋰、鈹、鈉、鎂、鋁、矽和磷。一般原子序在 16 以上的元素皆可使用 FPXRF 儀器來檢測和定量。但表一所列之元素中有少數元素因受樣品基質內元素之干擾效應,而影響到待測物的定量結果。
(四)本方法的方法偵測限值、靈敏度(Sensitivity)與適當的分析濃度範圍,會隨樣品的基質和 FPXRF 的機型(如廠牌、儀器特性、偵測器電子放大的訊號等)而改變。表一提供無基質干擾時各元素之偵測限值的參考。偵測限值必須依據樣品基質的型態、前處理及測定方法之不同而作實際量測。
(五)本方法因涉及複雜基質樣品之檢測工作,故在使用本方法時,分析人員必須充分瞭解光譜量測技術,並有能力解決不同形式之化學及物理干擾問題。
(六)檢測人員在檢測前應接受適當的儀器安全操作和完整的輻射防護訓練,有關放射線安全性操作步驟應在儀器的操作使用手冊內仔細說明清楚。使用人員應了解輻射並符合我國輻射相關法規規定,並取得由政府核發之特定放射儀器之操作執照。
三、干擾
FPXRF 分析時之整體方法誤差來源包括儀器精密度和與使用者有關所產生的誤差。其中儀器精密度的誤差來源影響較小,而與使用者有關所產生之誤差影響較大,且此種誤差會隨著每個場址及所使用之方法而改變。有些干擾因子可由分析人員來控制並降到最小,有些干擾因子則無法由分析人員來控制。以下將列出各種可能之干擾因子供分析人員參考使用:
(一)物理性的基質干擾:此類誤差為樣品物理特性的變化所引起的,這些變化參數包括粒徑大小、樣品均勻性、一致性及表面狀態。降低此類干擾方式為磨碎、過篩及充分混合所有土壤樣品。
(二)水份含量:當水份含量於 5 % 至 20 % 之間時,水份含量所造成之誤差影響較小。當土壤和底泥樣品表面含有飽和含水量時,水份含量將會是一個主要誤差來源,降低此類誤差來源為烘乾樣品,樣品的乾燥方式可使用對流式(Convection)或傳統式的烘箱,但微波乾燥方式(Microwave drying)在此不被建議使用,因為樣品中的金屬碎片會產生電弧(Arcing)而增加分析時的變數。
(三)樣品檢測位置:樣品置放在探針端視窗前的位置不一致也會產生誤差,降低此類誤差的方式係將每個樣品放置在與探針端視窗距離相同之處,最好方式是將探針端視窗直接接觸到樣品,但此時樣品表面必需是平坦且平滑以提供良好接觸面。
(四)化學性基質的干擾:此類誤差為干擾元素間濃度的差異所引起的,這些干擾因子包括光譜干擾(波峰重疊)或 X - 射線吸收(Absorption)和加強(Enhancement)現象等。如鐵會吸收銅的 X - 射線,因而降低了銅被偵測的強度,而鉻則會加強鐵被偵測的強度,因為鉻的激發能量稍微低於鐵放射螢光所需能量。此類干擾因子可藉由使用基本參數 (Fundamental parameter,FP) 之數學方式來校正,或使用現場場址特性校正標準品(Site specific calibration standard,SSCS)來校正之,以降低化學基質干擾因子。
(五)光譜重疊干擾:當樣品中不同元素之 X - 射線其能量非常接近時,會造成嚴重光譜重疊干擾。降低此類干擾方式將視儀器偵測器對這兩個不同波峰之能量解析程度而定,假定這兩個不同波峰之能量差小於偵測器解析度,則偵測器將無法完全解析這兩個波峰。
(六)K / L、K / M 和 L / M 射線重疊:這類重疊現象如砷的 Kα 和鉛的 Lα、硫的 Kα 和鉛的 Mα。在砷和鉛的例子中,鉛可由測量Lβ射線,砷可由測量 Kα 射線或 Kβ 射線的方式來修正干擾情形,或使用儀器內軟體扣除干擾之數學式子來修正。然而,因為以數式子來修正的方式有限,在鉛 / 砷比率是 10:1 或更高時,則本方法不適用。
(七)環境溫度:環境溫度的改變會影響到放大器(Amplifiers)的增益(Gain)而產生儀器訊號漂移(Drift),因此若 FPXRF 儀器有內建自動增益控制閥之弁遄A則操作者將不需要調整儀器的增益,除非有錯誤訊息出現。若儀器沒有內建自動增益控制閥之弁遄A則溫度變化差異在超過 10 到 20 ℉(5.5 ℃ 到 11 ℃)時建議應執行增益查核步驟。取自:科邁斯集團