多层分析器用于轻元素的X射线荧光分析

摘要：本文对多层分析器是否比常规仪器具有更高分析性能进行了探讨，简要总结了影响该仪器性能的主要因素，并以硼分析器为例介绍了该领域的一些新进展。此外，还提出了针对多层分析器一个常见问题的解决方案。

Multilayer Analyzers for XRF Analysis of Light Elements 

Kazuaki Shimizu, Masatsugu Kuraoka, Yasujiro Yamada, Takashi Yamada, Troy D. Casteel, and Yuriy Platonov

Abstract：Multilayer analyzers that offer higher performance than conventional instruments are discussed in this article. The authors briefly review the main factors influencing the instuments’performance and introduce some recently achieved developments in the field, using a boron analyzer as an example. In addition, a solution to a common problem found with multilayer analyzers is proposed.

        波长色散X- 射线荧光光谱（WD-XRF）是用于宽范围元素分析最有效的方法之一，甚至可以非破坏性地、高灵敏性地、选择性地分析轻元素[1]。波长色散分析器是该方法的关键部件之一，根据待分析元素原子数目的不同，通常使用几类经过完全优化的天然晶体。因为从铍到氮的极轻元素的荧光X- 射线波长大于几个纳米，所以使用了一种称之为多层分析器的人工合成的周期有序性结构。然而，结构的光学性质及其缺陷都大大影响了该类分析器的色散效果，因此有必要仔细选择材料组分以达到更好的色散效果。

        本文对多层分析器是否比常规仪器具有更高分析性能进行了探讨[2]，简要总结了影响多层分析器性能的主要因素，并以硼分析器为例介绍了该领域的一些新进展。此外，还提出了针对多层分析器一个常见问题的解决方案。

用于X-射线荧光分析的多层结构的优化

        影响多层分析器色散性能的主要因素可以分为两类：材料组分的光学特性和结构的缺陷。优化的关键点是结构中X - 射线的吸收尽可能小，而且连续、光滑、厚约1 nm 的薄层在周期性堆积时应该有尽可能小的界面粗糙度。在硼元素分析时，Mo/B4C 多层分析器被广泛用作标准仪器。然而从上述观点来看，其材料组成并不一定是最佳选择。在主要考虑B-Kα系的光学常数的基础上，作者研究了更合适的材料，发现La/B 结构似乎是更合适的组合。

        为了考察多层分析器潜在的优点，作者制备了一个结构模型并将其用于硼磷硅酸盐玻璃（BPSG）薄膜中硼的定量分析。图1 所示是用该分析器与用常规Mo/B4C 分析器得到的校正曲线。由图1 可以看出，所制备的分析器的灵敏度提高了大约2 倍，显示了优良的分析性能；而且分析时间大大缩短（约为传统分析时的一半）。也就是说需要的高通量分析和生产过程中的质量控制都有望得以实现。

多层分析器注意事项

        如图1 示，尽管B - Kα强度得以大大提高，同时背景强度也提高了近乎同样的倍数。为了分析该现象，作者对磷硅酸盐玻璃（PSG）膜进行了定性测试，结果见图2。该膜虽不含硼元素，但定性谱图中仍出现了一个小峰，其对应于B-Kα系的Bragg 反射角。出现这个峰的原因可能是硼元素是分析器的材料组分之一，由该结构自身产生的B-Kα荧光可在定性分析检测时作为一个峰显示出来[3]。

        在定量分析中，分析值主要取决于测量强度的相对变化，一个表观峰只能认为是背景强度的一个组分。所以，分析结果并不因为该峰的存在而受到较大的影响。但在定性分析时，样品中元素的存在与否取决于能否在相应的Bragg 角检测到峰，假峰会导致错误的分析结果。

        解决该问题的一个方法是用不含待分析元素的其他分析器来进行分析。例如在硼元素分析时，碳分析器如RX61 型（Rigaku Industrial Corp.,Osaka, Japan）应该就是一个较好的选择。图3 是纯石英（SiO2）样品中硼元素定性分析谱图。与预计相符，RX61 型分析器没有显示任何表观峰，表明其对硼元素的分析是有效的。但需要指出的是，从碳分析器得到的B-Kα的反射强度要比从硼分析器得到的反射强度小一半。因此，应该根据不同的分析需要（是定性还是定量）来选择使用多层分析器。

参考文献

1. Handbook of X-ray Spectrometry, 2nd ed.; Van Grieken, R.E., Markowicz, A.A., Eds.; Marcel Dekker, Inc.: New York, 2002; pp 95 - 198.

2. Platonov, Y.; Gomez, L.; Broadway, D. Status of small d-spacing X-ray multilayer development at Osmic. Proc. SPIE 2002, 4782, 152 - 9.

3. Kobayashi, H.; Toda, K.; Kohno, H.; Arai, T.;Wilson, R. The study of some peculiar phenomena in ultra-soft X-ray measurements using synthetic multilayer crystals. Adv. X-ray Anal.1995, 38, 307 - 12.