基于高分辨TES光谱仪的元素组成XRF分析——ChinesePhysicsB仪器与测量专栏

　　 元素组成的准确分析对功能材料的研究起着至关重要的作用。X射线荧光（X-ray Fluorescence, XRF）分析是常用的元素成分分析方法。但是，基于半导体探测器的传统 XRF 方法的检测精度受到探测器能量分辨率的限制，无法精确测定荧光光子的实际能量。因此，亟需一种新的高分辨率X射线光谱仪来解决这个问题。

　　内容概要

　　 我们采用了一种基于超导转变边探测器（Transition-edge Sensor, TES）的新型高分辨率 X 射线光谱仪来测量材料的 XRF 光谱。该新型光谱仪的特点包括：高能量分辨率、高探测效率、线性能量响应曲线和宽能量响应范围，在 XRF 分析中具有显著优势。通过使用基于 TES 的能谱仪测得的 XRF 谱线，与基于商业硅漂移探测器的能谱仪相比，能量分辨率获得了两个数量级的提升。这样的提升使得可以清晰地区分与背景重叠或相互干扰的光谱线，进而更准确地进行成分分析和定量测量。相较于采用光栅的能谱仪，使用基于 TES 的能谱仪可以将探测效率提升一个数量级，并且实现更宽能量范围内的线性能量响应。此外，通过采用不同的 TES 器件，还能够在从软X射线到硬X射线的全能段范围内进行测量。在本文中，我们研究了三种相邻稀土元素（铽、镝和钬）氧化物的 L 边 XRF 谱线。利用所测 XRF 光谱结果，我们构建了谱峰强度相关系数的数据库。依靠这种新型光谱仪和系数数据库，可以精确分析未知样品中特定元素的组成比例。

　　内容导览

　　 图1 (a) TES-X 射线探测器的示意图，作为光谱仪的核心器件，TES 可将能量信号转换为电学信号，从而进行标定分析和统计处理，以获得光谱；(b) TES 阵列位于绝热去磁制冷机（Adiabatic Demagnetization Refrigerator, ADR）的 0.05 K级，位于低温探头的最前端，与窗口平行；(c) 整个光谱仪系统集成在 ADR 中，ADR 包含不同温度下的真空级，采用真空窗口和一系列超薄铝膜来阻挡红外和可见光辐射。

　　 图2 不同能量下TES的电流脉冲形状特征相似，其中脉冲的幅度可指示沉积的能量。按照惯例，具有电流减小的每个脉冲信号被反向绘制为电流的正相对变化。不同 X 射线光子能量的吸收导致超导 TES 器件温度和电阻的急剧上升，伴随着偏置电流的迅速下降，随后在几毫秒内恢复到初始超导状态。

　　 图3 对于能量为 0 keV–10 keV 的 X 射线光子的总探测效率可由每个过程光子吸收效率的乘积计算得到。厚度为 2.4 μm 的铋（Bi）吸收体可以将 X 射线光子的能量转换为热能，在 5.9 keV 时吸收效率为 70%。在 5 keV–10 keV 的能量范围内，随着能量的增加，透射过程表现得更强，而X射线光子的吸收过程变得更弱。总探测效率曲线可用于进一步计算测量样品的化学成分。

　　 图4 TES 的 XRF 光谱标定曲线可由从 Ti Kα1（4511 eV）到 Cu Kβ1（8905 eV）的各种 3d 过渡金属标准样品的 K 边发射谱线的二次函数拟合结果获得。

　　 图5 稀土氧化物混合样品的 L 边 X 射线荧光光谱及谱峰拟合分析。由 TES 光谱仪获得的光谱（紫色）与 SDD 探测器在类似条件下获得的光谱（蓝色）的能量分辨率进行比较。由此，可以分别对每个标定后的能谱峰进行拟合处理分析。

　　研究意义

　　 该论文采用了一种新型的高分辨率 X 射线光谱仪，解决了传统 XRF 方法的检测精度受能量分辨率限制的问题，具有较高的能量分辨率、检测效率和精确的线性特性，可带来在元素组成分析方面的显著优势。此外，该论文提供了一种新的方法来建立光谱线强度系数的数据库，这对于未来的元素组成分析研究具有重要的参考价值。

　　该成果发表在 Chinese Physics B 上的“仪器与测量”专栏，题为“Elemental composition x-ray fluorescence analysis with a TES-based high-resolution x-ray spectrometer”，第一作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所吴秉骏博士研究生和上海科技大学大科学中心夏经铠助理研究员，通讯作者为上海科技大学大科学中心张硕副研究员和刘志教授。详细信息请阅读：https://doi.org/10.1088/1674-1056/acd926