GGB-1型X射线荧光光谱分析高频感应熔样机的性能与应用_邓赛文.pdf

2009年4月 April 2009 于， ‘ 矿测 试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vc,l. 28 . No. 2 169 172 文章编号0254 - 5357 2009 02 - 0169 - 05 GGB -1 型 X 射线荧光光谱分析高频感应熔样机的 性能与应用 邓赛文，梁国立，刘以建，马天芳 （国家地质实验测试巾心，北京 100037） 摘要介绍自行研制的CGB-1型X射线荧光光谱分析高频感应熔样机的特点及性能。采用高频感应加 热技术和全自动微机控制技术，设计了温度锁相环控制 系统，通过控制高频功率发生器输出振荡电流的大 小来控制加热速度和温度，使熔样过程智能化、自动化。研究设计的混匀装置 ，可同时摇摆与自旋，熔融体 形成涡流，使熔融体更均匀。根据X射线 荧光光谱分析制样的特点，设计了预氧化过程，更适合于矿石类 样品的熔融制样。产品的性能测试结果表明，该熔样机的最高温度为1300c{C ，温控精度为 2℃ ，各元素 制样精密度优于0.3（RSD，凡11）。 关键词熔样机；X射线 荧光光谱分析；高频感应；性能 中图分类号TH744. 15；06 - 339 文献标识码B The Perance and Application of GGB-1 Bead Maker with High Frequency Induction Heating in X-ray Fluorescence Analysis DENG Sai-wen, LIANG Guo-Ii, LIU Yi-jian, MA Tian fang National Research Center for Geoanalysis, Beijing 100037, China Abstract GGB-1 bead maker wilh high frequency induction heating for sample preparation in X-ray fluorescence analysis has been developed. High frequency incluction heating and automatic micro-computer control technology were usecl and the cemperature phase-locked loop system was devised. The heating speed and temperature could be controlled by the oscillaLion current output From high frequency generalor, which provided the intelligent and automatic fusing procedure. The molten sample homogenizer was devised, which could swing and spin synchronously and eleclric eddy in flux to attain homogenous bead. Based on sample preparation characleristic of XRF analysis, pre-oxidation process was designed for ore sample analysis. The results from equipment perance testing showed that the highest fusion temperature of bead maker was 1 300 C with temperature fluctuation of 2C ancl Lhe prec}ision of sample preparation was better than 0.3 RSDn 11. Key words bead maker; X-ray fluorescence spectrometry; high frequency induction; perance X射线荧光光谱 XRF分析具有 臼动化程度 高、分析精度好、成本低、制样简单、速度快等优点， 已广泛城用于地质、冶金、有色金属、化工、矿山、环 保、煤炭、石油、新材料、商检、考古、公安刑侦、建 收稿日期2008 -07 3l ；修订日期2008-10-27 基金项目国家 “ 十五 ” 科技攻关重大项目了 ． 课题项日资助 2001BA210A06 作者简介邓赛文（1964 - ），男，湖南冷水江市人，研究员，从事X射线荧光光谱分析、科学分析仪器的研制 与应用 等 工作 c] E-mail {iengsaiwen cags. net. cn。 ChaoXing 第2期 岩矿测 试 hLlp∥www. Ykc-s. ac.【11 材、海洋等领域。自20世纪80年代中期开始，波 长色散X射线荧 光光谱分析技术已相当成熟； 20世纪90 年代，理论仅系数、基本参数法已J “ 泛 应用于在线分析和产品质量控制中；近年来开发的 4 kW高功率 、超薄窗30 yum的X光管，管电流可 高达125150 mA ，元素分析的灵敏度大幅度提 高 i15 ，凶此对许多常量元素而 言，测试时问可大 大缩短，轻元素测定可扩展到铍。然而样品的矿物 效应、颗粒度及化学态等对分析结果的影响，仍需 通过制样予以解决。从某种意义上说，样品制备依 然足约束X射线荧光光谱分析技术进一步发展的 主要难题之一。玻璃熔融法制成的试样能消除试 样的粒度、矿物、偏析等不均匀效应，同时也叮降低 试样元素问的吸收和增强效应 6I ，明显提高分析 的精密度和准确度，是粉术压片等传统制样力 ‘法无 法实现的。 日前高精度X射线荧光光谱分析普遍采用熔 融制样技术，即将样品与一定 量的熔剂在高温 1000 N1300 ℃下熔融 ，制备成均匀的玻璃体，此 过程需使用专门的熔样 没备。文献[7] 介绍了电 热型熔样机的研制与性能。本文主要介绍高频感 应加热技术的基本原理，I J时对 自行研制的CCB-1 型X射线荧光光谱分析高频感应熔样机的研制、 技术特点、 一阵能指标进行简述 。 1 X射线荧光光谱分析制样技术 在LI前分析仪器性能稳定、并采用J，高性能数 据处理系统的情况下，分析误差多数是由于样品本 身 的物理特性及样．Il 『1处理方法和过程所造 成 的 。 8-9] ，X射线荧光光谱分析也不例外。随着样晶 的组成、存在状态和制备力 ‘法不 同，X射线荧光光 谱分析所带米的误差一般可分为3类①巾1 二样 品组成的不 一致 ，吸收 一 增强效应的差异带来的误 差；②由于样品的物理状态 （ 如粒度、密度和表面 光洁度等） 不一致以及样品的组分分布小均匀所 造成的误差；③待测元素的化学结合状态／ fi同的 矿物效应所造成的误差。 X射线荧光光谱分析的常用制样方法可分为 直接样品分析法、粉未压片法 、熔融法等。熔融法 足将氧化物粉末样品与熔剂以一定比例混合放入 坩埚内（ 一股要用铂一 金合会坩埚），于1000l 300℃的某一同定温度下熔融 ，冷却熔融体即制得 玻璃状试样的方法。若试样混有会属粉末和霞会 - 170 - 属、硫化物等物料，应预先进行高温灼烧使其氧化， 或熔融时充氧气，转化成氧化物；否则会与铂 一 金 合金坩埚形成合金，不仅不能制成玻璃样片，还会 损坏铂 一 金合金坩埚。熔融法制样的适用范围为 铁合会、铁矿石、炉渣 、水泥、熟料、陶瓷、各种岩石 ‘ j矿物、土壤、水系沉积物等各种分析物料。 粉末样品不同制样方法的优缺点见表l。 表1 粉水样出小旧制样方法的比较 ‘rarae IComparisor ‘flifferent sztmI}Je prPparation s ┏━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━┓ ┃ 制样方法 ┃ 优点 ┃ 缺点 ┃ ┣━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ ┃ ┃ 存在样品的不均匀效应、 ┃ ┃ 粉术 ┃ 方法简单，制样容易 ┃ 粒度效应和矿物效应以 ┃ ┃ 』 K片法 ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ 及化学态效应等 ┃ ┣━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ ┃ ①I俐吲 羊品的吸收一增强效应； ┃ ┃ ┃ ┃ ②自效地消除r样品的小均匀 ┃ rn于样I}A 的高稀释和散 ┃ ┃ 熔融法 ┃ 效应、粒度效应和矿物效应，以 ┃ 射本底的增加，使痕量元 ┃ ┃ ┃ 及待测元素的化学态效成； ┃ 素分析线强度和灵敏度 ┃ ┃ ┃ ┃ 有所降低 ┃ ┃ ┃ ③熔融物便于长期保存 ┃ ┃ ┗━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━┛ 2 高频感应熔样机的研制 高频感应加热法足利用钔 一 金合金坩埚的高 频涡流产牛热量进彳 『加热的一种热效率高的加热 力 ‘法 （ 见lcl l） 。 特水冷装簧） 图1 高频加热示意刚 Fig.1 liagram{high f I\J ClUciWy intluclionhf-atirig 铜 一金合金坩埚的发热 请Q 和高频振荡线 圈电流，之问存在卜 列关系 Q oc Hz 。 ． 巾刁 ’ c H, 。cKIZ。cl21 式1中，Ⅳ。为最大磁化强度；p为坩埚的比电阻； 肛为坩埚的导磁率∥为振荡线圈频率；K为由振荡 线罔匝数、形状决定的常数。这甲p 、肛f{I坩埚决 ChaoXing 第2期 邓赛义等C （ B 一1 捌X射线荧光光谱分析 定，如果坩埚尺寸和材料确定便足固定的常数，且 厂 、K也是常数j由此口， 见，坩埚的温度可由振荡lU 流来控制，如能自动控制振荡电流便能实现对熔融 温度的控制二这是高频感应温度控制技术的螭本 原珥一 2002 年由国家科技部莎项，国家地质实验测 试中心组织进行科技攻关，对高频感J以熔样机的测 温、控温技术、国内高频感应加热技术、熔融样品的 预氧化技术、混匀和摇摆技术进行』 ，研究和探汁 采用V 际流行的MSFEl大功率品体管高频感膻 加热技术和伞自动微机控制技术，结合高频加热装 置的特。一ij没计r温度锁相环控捌系统（ 见图2）， 罔2温度锁lIL4\控制系统 Vi. 2 rPllwraILiw【 一licl- ’J svH 通过控制I岛频功率发生器输_Ln振荡电流的大小 来控制加热速度和温度，成功研制了G;B-l型X射 线荧光光谱分析用高频感心熔样机 ，该熔样机一叮 对升温速度、样品预氧化温度和时问、熔融温度和时 问等参数进行设置，针对不同的样品 IJJ-预设定多达 12种类型的熔融制样参数。 图3足（ⅪB 一1 型高频 感应熔样机外形图，图4是高频感应_作头 固 图3 （■ B 一1 高频感应熔样机外肜 l“ig.3 A plmcoJj;Bl XI{}1 lwacl nlakvr 3 熔样机的丰要技术性能与特点 研制的CCB-1『 ’j频 感成熔样机jI有如下技术 同4 I啊频感应I作头 Fig.4 Hi曲 f ir cluP儿ry iII{lut-rcl w“rking heac 特点①采用高频感心加热技术，丌温伙、效率高； ②最高温度jJ ‘达 I 300℃ ，控温精度≤ 2℃ ；③可 分别没定预氧化温度和时间、熔融温度和时I刈以及 丌温和降温速度，LIJ ‘适 应不同类型样品熔融制样的 j苦求；④采用低f乜压加热，实时控温，更加安全可 靠；⑤令自动微机控制，门动成彤，自动剥离，操作 简便；⑥IjJ ‘ 同HJ摇动L_j自旋，熔融体形成涡流，制样 更均匀；⑦lIJ ’ 设定、存储多种不类型样品的熔融 制样力 ‘式 （最多可达12种）；⑧高效{IJ ． 能，比电子管 C频省电2/3；⑨具有水流、水版、过lU流保扣 、IJ 能， 操作安伞 J ‘靠 ；⑩具有排烟功能，保 护上 作环境。、 4 设备性能测试和制样精密度试验 对GCB-1型X射线荧光光谱分析高频感应熔 样机的摇摆白旋混匀机构、温度控制技术、熔融参 数设酋和自动控制技术、熔样温度等指标进行了测 试，最高温度 J ‘ 达1 300℃，控温精度≤ 2℃ ；采用 700℃预氧化 ，1150 ℃卜 ． 霞复熔融制备11份试样 （CBW 07105 ，稀释比 1 8 ），样片均匀清透，用X 射线荧光光谱仪（同本理 ’了 3080E X射线荧光光 谱仪）进行测量，荫 ‘ 先取其中一个样片测定 11次 ， 统汁计算各元素的仪器计数标准偏差（盯仪if），然 后对11份试样分别测定 ，统计计算各元素总的标 准偏差（盯。），根据各元素制样的标准偏差（盯； I Ⅲ） 分别计算各元素的制样精密度（RSD ∽ ，结果见 表2 。 RSD 圳的计算公式为 iUI7r.il 盯别 2 √盯，∞ 一 RSD 删 crilil] 100 式巾， “ ， 为各元素测定结果的平均值i 171 - ChaoXing 第2期 岩矿测试 http∥www. VkCs. ac. cri 农2 GGB-1 高频感应熔样机熔融制样精密度 Table 2 Precision of samplepreparation of CGB-I high frequenCy bead maker ┏━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┓ ┃ 组分 ┃ 埘I ／ ┃ RSDdjU/ ┃ 组分 ┃ 而B/ ┃ RSD制／ ┃ ┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━┫ ┃ Na，0 ┃ 3 35 ┃ 0 20 ┃ K，0 ┃ 2. 30 ┃ 0. 26 ┃ ┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━┫ ┃ Mg0 ┃ 7 78 ┃ 0 20 ┃ Ca0 ┃ 8. 80 ┃ 0. IO ┃ ┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━┫ ┃ Al203 ┃ 13. 80 ┃ 0 25 ┃ ri0． ┃ 2 37 ┃ 0 IO ┃ ┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━┫ ┃ Si0， ┃ 44. 62 ┃ 0. 08 ┃ Mn0 ┃ 0 17 ┃ 0 10 ┃ ┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━┫ ┃ P205 ┃ 0. 945 ┃ 0. 24 ┃ Fe203 ┃ 13. 38 ┃ 0．I2 ┃ ┗━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┛ 5 结语 研制的GGB-1高频感应熔样机制备的样品平 整、均匀、透明、无气泡，达到了X射线荧光光谱分 析制样的要求。整机性能指标达到或超过同外同 类J就品水平，性能价格比具有明显优势。本工作是 “ 十五 ” 国家科技攻关重大项曰 科学仪器研制 ‘ j 开发的内容之一，2003年】2月通过国土资源部 组织的技术鉴定，2004年2月通过科技部专家验 收。 GGB-1 高频感应熔样机现已推广应用了 地质 、 钢铁、商检、玻璃、石化、考古等行业的近30个分析 实验室中，得到用户好评。 6 参考文献 [1] 欧阳伦熬 ．X射线荧光光潜法测定多种铁矿和硅酸盐 中主次量组分[J] ．岩矿测试，2005 ，244303 -306. 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