CN105510369B - 一种高精度水泥行业专用x射线荧光能谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及X射线荧光检测技术领域，具体公开了一种高精度水泥行业专用X射线荧光能谱仪，包括X光管、衍射晶体、样品台、探测器，所述衍射晶体为采用Ge(111)晶体制备的全聚焦双曲面弯晶；所述X光管采用的靶材为Ag靶材；衍射晶体将X光管原级谱中的Ag:La线单色化并聚焦于样品检测面，用于激发样品中难以激发的轻元素。同时X光管原级谱激发Ge的荧光射线，Ge：Ka和Ge：Kb，用于激发样品中易于激发的重元素。探测器的连续背景极低，使能够精确的对水泥生产过程中的各种原料进行精确的全元素分析。

Description

一种高精度水泥行业专用X射线荧光能谱仪
技术领域
本发明涉及X射线荧光检测技术领域，具体涉及一种高精度水泥行业专用X射线荧光能谱仪。
背景技术
水泥生产工业过程，是将石灰石、粘土、铁粉等原材料经配料控制系统按一定配比混合经过生料研磨得到的水泥生料，然后将水泥生料经过水泥窑煅烧得到水泥熟料，水泥熟料与混合材、缓凝剂等按一定配比混合经过水泥磨研磨得到成品水泥的过程。水泥生产工业过程中原材料、生料、熟料以及水泥都需要化学成分分析。首先要根据原材料的化学成分设定原材料配比，还必须根据出磨生料的化学成分反馈调节原材料配比才能保证生料成分的稳定，生料进入水泥窑之前要进行成分分析，根据入窑生料的成分及时调整烧成条件，配煤量、烧成温度等，才成保证熟料的质量。出窑熟料需要进行成分分析已确定熟料质量。根据出磨水泥的成分分析，调整混合材、缓凝剂的配比。可见水泥生产工艺的各个环节都需要对材料进行及时准确的成分分析，才能保证工艺的稳定，生产出高质量的水泥产品。其中出磨生料成分的分析是各个环节中最重要的一步，分析频次、分析精准度对配料和烧成具有关键的作用。
从原来的人工化学分析，到同位素源激发的X射线荧光分析仪(钙铁仪等)到能量色散X射线荧光光谱仪、到波长色散X射线荧光光谱仪的采用，成分分析技术的进步带来水泥工艺的不断进步，水泥产量和质量不断稳步提高。X射线荧光分析技术在水泥行业的应用，除过渡性的同位素源激发的X射线荧光分析仪(钙铁仪等)外，采用先进的半导体探测器的能量色散X射线荧光光谱仪(EDXRF)和波长色散X射线荧光光谱仪(WDXRF)扮演了重要的角色。由于水泥成分的稍许特殊性(即将论述)，使得EDXRF的准确度和精密度难以真正达到水泥化学分析标准的要求，因而波长色散X射线荧光光谱仪是公认的满足水泥化学分析标准的要求的分析仪器。
对于传统的能量色散X射线荧光光谱仪，在用于水泥生产过程中成分分析时，难于激发荧光的轻元素，不能精确的分析到低含量的Na2O和MgO，和相对低含量Al2O3和SiO2，而很容易激发的CaO又是生料熟料中含量最高的，造成的结果是X射线荧光能谱中Ca的荧光谱线强度很高，而Si的荧光强度较低。传统的X射线荧光能谱几乎无法避免这一问题。无论采用滤光片还是二次靶还是低管压方式都不能有效地改善这一问题。即使采用高通量的FastSDD探测器，高强度的Ca的荧光X射线的低能拖尾也会严重抬高Al、Si荧光的本底，使随机误差增大，虽然Al、Si的荧光强度得以提高，但仍然难以真正提高检测精密度。采用传统的Fast SDD探测器的X射线荧光能谱仪测水泥生料的能谱图，可见高强度的Ca:Ka线对低强度的Si:Ka线的影响。而对于波长色散X射线荧光光谱仪，无论采用多固定道方式，还是采用单道扫描方式，由于荧光是经过晶体衍射单色化后进入探测器的，因此不存在上述问题。但波长色散X射线荧光光谱仪存在设备极其复杂、昂贵，故障率高、维护成本高的缺点。买不起、买得起用不起、用得起修不起是企业用户常常感到的棘手问题。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种高精度水泥行业专用X射线荧光能谱仪，能够对水泥生成过程中的各种物料进行精确的成分分析。
为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种高精度水泥行业专用X射线荧光能谱仪，包括X光管、衍射晶体、样品台、探测器，所述衍射晶体为采用Ge(111)晶体制备的全聚焦双曲面弯晶；所述X光管采用的靶材为Ag靶材；所述X射线发射原级X光管经衍射晶体产生单色X射线，同时激发Ge(111)晶体发射X射线；所述单色X射线和Ge(111)晶体发射的X射线同时照射样品进行检测；所述全聚焦双曲面弯晶的罗兰圆半径为R50mm-R300mm。
所述X光管的功率为50～100W；焦斑尺寸为100μm-350μm。所述X光管采用薄铍窗、强制风冷。
所述探测器为半导体探测器SDD。
所述样品台上设置用于样品台自动旋转的自旋转结构。用于消除可能存在的样品的颗粒效应等不均匀性因素对检测结果的影响。
所述衍射晶体、样品台、探测器均置于密闭空间内，所述密闭空间为真空空间、充氦气空间或充氢气空间。
本发明高精度水泥行业专用X射线荧光能谱仪，衍射晶体采用Ge(111)晶体制备的全聚焦双曲面弯晶，将X光管原级谱中的Ag:La线单色化并聚焦于样品检测面，用于激发样品中难以激发的轻元素Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl。同时Ge晶体也作为二次靶材料，X光管原级谱激发Ge的荧光射线，Ge：Ka和Ge：Kb，经过光栏照射样品检测面，强度较低，用于激发样品中易于激发的重元素K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn。无论全聚焦双曲面Ge(111)弯晶衍射的高强度的Ag:La线，还是Ge二次靶出射的荧光X射线，连续背景很低，照射样品后，散射到探测器的连续背景极低，使能够精确的对水泥生产过程中的各种原料进行精确的成分分析。
附图说明
图1是采用本发明实施例1提供的X射线荧光能谱仪检测水泥生料的能谱图；
图2是本发明实施例提供的X射线荧光能谱仪的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种高精度水泥行业专用X射线荧光能谱仪，如图2所示，包括X光管1、衍射晶体6、样品台4、探测器5，所述衍射晶体6为采用Ge(111)晶体制备的全聚焦双曲面弯晶；所述全聚焦双曲面弯晶的罗兰圆半径为R300mm；所述X光管1为风冷薄铍窗50W的X光管，X光管的焦斑为100μm-350μm，X光管采用的靶材为Ag靶材；所述样品台4上设置有用于实现样品台4自动旋转的自旋机构3；所述衍射晶体、样品台、探测器均置于真空的密闭空间2内，以使整个光路在真空环境中传播。
本实施例X射线荧光能谱仪，光路均处于真空环境中，X光管发射原级X射线经衍射晶体产生高强度的Ag：La线，用于激发样品中难以激发的轻元素Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl；同时X光管发射的原级X射线激发Ge(111)晶体发射Ge：Ka和Ge：Kb，经过光栏照射样品检测面，强度较低，用于激发样品中易于激发的重元素K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn。
采用本实施例提供的高精度水泥行业专用X射线荧光能谱仪检测水泥生料，其能谱图如图1所示，由图1可以看出，能量为2.98KeV的高强度的Ag:La线(Ge(111)全聚焦双曲面弯晶的1级衍射)，用于激发样品中难以激发的轻元素Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl的荧光X射线。存在X光管二级衍射和三级衍射产生的较弱的能量为5.96KeV(2级衍射)X射线、很弱的8.94KeV的(3级衍射)X射线以及较强的Ge作为二次靶发射的荧光X射线，Ge:Ka和Ge:Kb，用于激发样品中易于激发的重元素K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn的荧光X射线。
从图1可以看出，样品的荧光X射线的强度分布。轻元素Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl的荧光X射线很强，而本来在传统X射线荧光能谱仪中强度应该高出很多倍的Ca和Fe的荧光X射线强度比较适中，并且能谱中基本不存在连续散射背景。
采用本实施例提供的高精度水泥行业专用X射线荧光能谱仪检测水泥生料的准确性计算如下表1所示：
表1
有上述图1和表1所示的结果可知，本实施例提供的X射线荧光能谱仪，检测精度高，实现对水泥生产过程中的各种原料进行全元素精确分析，促进水泥生产行业的发展和进步。
实施例2
本实施例高精度水泥行业专用X射线荧光能谱仪，与实施例1不同的地方在于，采用的全聚焦双曲面弯晶的罗兰圆半径为50nm。
该实施例中全聚焦双曲面弯晶的罗兰圆半径可以在50nm～300nm之间任意选择。

Claims (6)

1.一种高精度水泥行业专用X射线荧光能谱仪，包括X光管、衍射晶体、样品台、探测器，其特征在于，所述衍射晶体为采用Ge(111)晶体制备的全聚焦双曲面弯晶；所述X光管采用的靶材为Ag靶材；所述X光管发射的原级X射线经所述衍射晶体产生单色X射线，同时激发所述衍射晶体发射荧光X射线，所述单色X射线和所述荧光X射线同时照射样品，分别激发样品中难以激发的轻元素和易于激发的重元素；所述全聚焦双曲面弯晶的罗兰圆半径为R50mm-R300mm。
2.如权利要求1所述的高精度水泥行业专用X射线荧光能谱仪，其特征在于，所述全聚焦双曲面弯晶的罗兰圆半径为R300mm。
3.如权利要求1所述的高精度水泥行业专用X射线荧光能谱仪，其特征在于，所述X光管的功率为50～100W；焦斑尺寸为100μm-350μm。
4.如权利要求1所述的高精度水泥行业专用X射线荧光能谱仪，其特征在于，所述探测器为半导体探测器SDD。
5.如权利要求1所述的高精度水泥行业专用X射线荧光能谱仪，其特征在于，所述样品台上设置用于样品台自动旋转的自旋转结构。
6.如权利要求1所述的高精度水泥行业专用X射线荧光能谱仪，其特征在于，所述衍射晶体、样品台、探测器均置于密闭空间内，所述密闭空间为真空空间、充氦气空间或充氢气空间，所述轻元素包括Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl，所述重元素包括K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn。
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