專利名稱：微區(qū)x射線熒光黃金首飾分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對黃金首飾的含金量的測量裝置。
隨著金銀珠寶工業(yè)以及黃金首飾市場的發(fā)展，人們越來越強烈地希望有一種方法和設(shè)備，能夠快速、方便、公正和精確可靠地鑒定首飾品中黃金和其它貴金屬的含量。鑒定含金量的老方法有試金石法、比重法、火焰試金法、原子吸收光譜法和感應(yīng)耦合等離子光譜(ICP)等?？上?，這些方法存在許多問題，使金銀珠寶工廠和商店不能在自己的工場或商店里對黃金首飾進行可靠而精確的鑒定。
古老的試金石法需要用一塊黑色硅石擦被分析的首飾，仔細(xì)觀察表面刻劃出的條痕色，并與一系列標(biāo)準(zhǔn)金牌的條痕色對比而確定黃金首飾的成色。這種方法雖然簡單，但是需要熟練的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗，分析精度較差，而且使首飾受到損壞;再則，這種方法不能用來分析硬度高的白金(金-鈀合金)和鉑合金，也不能用來分析非常軟的材料，例如含金量92%以上的合金。
比重法采用精密天平分別稱出黃金首飾在空氣和純水中的比重，根據(jù)阿基米德原理計算出首飾的平均比重，再由純金和雜質(zhì)金屬(銅、銀等)的比重差別，推算出首飾的含金量。這種方法必須事先知道雜質(zhì)金屬的種類和它們的比例，對于存在微小孔隙或表面有污垢的首飾，不能測準(zhǔn)他們在浮水中的重量，這種方法的誤差較大。再說比重法測量的是整個首飾的平均比重，因此不能用于鑲嵌寶石和其它合金的首飾。雖然比重法和試金石法需要的設(shè)備都比較簡單，分析成本比較低，但是由于它們的精度太差，它們的使用受到限制。
火焰試金法、原子吸收光譜法和ICP法都是分析精度比較高的方法，它們不僅能分析含金量，而且還能分析雜質(zhì)金屬的含量，已經(jīng)被用于黃金產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗。但是它們必須破壞和損耗部分樣品，因此，在黃金飾品檢驗中，這些方法沒有實用價值。
綜合上述各種常規(guī)方法的缺點，近年來提出了一種非破壞性的試金方法X射線熒光光譜法。這種方法是將一束初級射線照射到被分析的樣品，使樣品中所含的各種元素放射出標(biāo)志各自特征的X射線熒光，它們的強度反映了首飾中黃金和其它金屬元素的含量值。X射線熒光光譜法的優(yōu)點是快速分析，非破壞，多元素同時分析和精度高。然而，目前市場上出售的X射線熒光光譜儀(如日本理學(xué)3080E型，美國Baird公司EX-6500型等)要求被分析的樣品應(yīng)具有平坦而均勻的被照射面積，才能獲得可靠而精確的結(jié)果。這些光譜儀的照射面積比較大(一般直徑20毫米以上)，然而首飾往往比較精致，形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有的還鑲嵌珠寶或其它合金，因此，使用這類X射線熒光光譜儀難以對首飾進行可靠的分析。再說，常規(guī)的X射線熒光光譜儀的功能復(fù)雜，設(shè)備龐大，價格昂貴，購買這類大型設(shè)備不僅需要一筆很大的投資，而且需要有專門知識技能的人員來操作，因此它們的使用受到限制。近幾年，出現(xiàn)一種小型簡單的X射線熒光光譜儀，它使用放射性同位素Am-241作為初級射線源。由于它的照射面積更大，并且有大量的初級射線從被測首飾的空隙中泄漏出來，既產(chǎn)生很高的散射線本底，又造成周圍很高的放射性劑量。這種放射性同位素源的半衰期高達433年，對于首飾行業(yè)來說，以后處理這些放射性廢物是一個后顧之憂。
為了縮小照射區(qū)域，有人用電子探針來分析金首飾。電子探針的照射區(qū)域小至微米以下，對首飾表面來說，它會造成較嚴(yán)重的局域性誤差。電子束的穿透深度很淺，它只能分析極薄的表面層。再說高能電子會產(chǎn)生很強的軔致輻射本底，嚴(yán)重影響分析精度的提高。電子探針設(shè)備十分龐大，需要在真空中測量，使用極不方便，它是昂貴而又不可靠的一種黃金首飾分析方法。
本發(fā)明的目的是提供一種快速、簡便，適于對黃金首飾進行精確可靠、非破壞性的測量裝置。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下為了對精致細(xì)小的黃金首飾進行精確可靠的分析，本發(fā)明采用微區(qū)X射線熒光光譜法。它將初級X射線集中照射在被分析首飾表面的一個小區(qū)域內(nèi)，盡管首飾的形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在這個小區(qū)域內(nèi)它近于是個平面。針對不同形狀結(jié)構(gòu)的首飾，這個小區(qū)域的直徑在0.1毫米到數(shù)毫米之間。經(jīng)過X射線熒光光譜分析，可以精確地測定被照射的小區(qū)域內(nèi)黃金首飾中的含金量。由于初級射線只照射在被分析的樣品表面，沒有射線泄漏出來，散射本底非常低，訊號/本底比很高，這對熒光光譜分析儀器的要求比較寬容，使用比較簡單的分析儀器便能夠得到很高精確度的分析結(jié)果，大幅度降低了儀器的成本。
本發(fā)明系采用緊湊型微區(qū)X射線熒光分析結(jié)構(gòu)，包括X射線發(fā)生器、高壓電源、光闌孔、反射鏡、顯微裝置、X射線探測器、前置放大器、樣品臺、主放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、樣品臺控制器和微機。其中X射線發(fā)生器與高壓電源以電路相聯(lián)結(jié)，光闌孔置于X射線發(fā)生器的射出出口處，它們構(gòu)成微束X射線產(chǎn)生部件;顯微裝置可以是顯微鏡或顯微攝象機，其與反射鏡成光路聯(lián)結(jié)，反射鏡與通過光闌孔的微束X射線成45°方位設(shè)置，而顯微裝置則與微束X射線成90°方位置放，它們構(gòu)成光路對準(zhǔn)部件;樣品臺上置放受檢測的黃金首飾，接受通過顯微裝置瞄準(zhǔn)的微束X射線的照射，其與樣品臺控制器成機-電聯(lián)結(jié)，而該控制器則與微機成電路聯(lián)結(jié)，從而，由微機調(diào)控樣品臺作三維運動;X射線探測器檢測受測黃金首飾反射來的熒光，它與前置放大器、主放大器和A/D轉(zhuǎn)換器順次以電路相聯(lián)結(jié)，構(gòu)成X射線熒光探測部件，并由A/D轉(zhuǎn)換器與微機以電路聯(lián)結(jié)，實現(xiàn)對黃金含量的定量分析。
本發(fā)明的優(yōu)點如下1.非接觸、非破壞;
2.快速分析，測量時間只需1分鐘;
3.照射區(qū)域小，直徑0.1毫米到5毫米，可以選擇;
4.適用于精致細(xì)巧，形狀復(fù)雜，鑲嵌寶石的黃金、白金和其它K金首飾;
5.分析精密度0.1%，準(zhǔn)確度0.2%;
6.與標(biāo)準(zhǔn)金樣品(37.5%-99.99%金)的相關(guān)系數(shù)99.998%;
7.樣品臺能同時放置幾十個首飾，工作效率高;
8.儀器成本只有大型X射線熒光光譜儀的1/10以下;
9.儀器操作簡單，不需要專門的熟練人員也能使用;
10.不使用放射性同位素，無放射線泄漏，無放射性廢物的后顧之憂，絕對安全。
本發(fā)明的附圖簡述如下

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的X射線發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3和圖4分別為本發(fā)明的X射線對準(zhǔn)部件的兩種實施結(jié)構(gòu)示意圖。
下面我們根據(jù)圖1-圖3給出本發(fā)明一個較好實施例，并結(jié)合對該實施例的描述，進一步提供本發(fā)明的技術(shù)細(xì)節(jié)。
請參閱圖1，初級X射線由特制的X射線發(fā)生器1產(chǎn)生，緊靠X射線發(fā)生器1出口，有限制束斑直徑的光闌孔3，微束初級X射線穿過光闌孔3射到被分析的首飾6上，為了保證微束初級X射線能擊中首飾上需要分析的區(qū)域，顯微裝置5被用來觀察首飾表面，45°反射鏡4被用來使顯微裝置5能夠以與初級X射線同樣的角度對準(zhǔn)被分析的區(qū)域。該顯微裝置5內(nèi)有十字線標(biāo)尺，用三維移動平臺11使樣品沿Z軸上下移動，每次測量都使顯微裝置5看得最清楚，這就保證不論被分析首飾的大小和高低，被分析的微小區(qū)域始終保持在同樣的高度。樣品沿X軸和Y軸前后左右移動，使顯微裝置5中的十字線標(biāo)尺交點落在需要分析的首飾表面區(qū)域，這樣，初級X射線束也射中這個區(qū)域。為了不致使45°反射鏡4擋住微束初級X射線，在顯微鏡觀察后，需要將反射鏡4移開。為了保證定位量的準(zhǔn)確性，反射鏡4來回移動的位置重復(fù)性必須很好。另一個方法是在反射鏡4中間開一個讓X射線通過的小孔，反射鏡4不必來回移動，它既不影響顯微裝置5的觀察，又不擋住微束初級X射線射向被分析區(qū)域。三維移動平臺11沿三個方向的移動可以通過手動，也可以通過三維驅(qū)動設(shè)備12由微機13操縱。
由微束初級X射線激發(fā)黃金首飾樣品6，樣品6被激發(fā)出各種元素的X射線熒光，它們可以采用普通的X射線探測設(shè)備來測量。由于黃金首飾主要成分是金、銀、銅、鋅等金屬的合金，元素種類不多，成分并不復(fù)雜，使用能量色散型探測器已經(jīng)足夠?qū)⑦@些合金元素分辨，并且能分別測量這些元素在首飾中產(chǎn)生的相應(yīng)的特征X射線熒光。能量色散型探測器一般包括探測器7和前置放大器8，經(jīng)過主放大器9使被放大的脈沖訊號幅度與各種元素特征X射線的能量成正比，再經(jīng)過脈沖模數(shù)變換器10，將數(shù)字化的脈沖幅度值送微機13，它們構(gòu)成多道分析器。經(jīng)過多道分析器處理，產(chǎn)生以X射線熒光能量為橫座標(biāo)，以X射線熒光相對強度為縱座標(biāo)的能譜，在微機13的顯示屏上可以顯示出能譜動態(tài)測量累積的全部過程。由于X射線能量與放大器8，9輸出的脈沖幅度成正比，因而也與多道分析器的道數(shù)成正比，而各種不同的元素的特征X射線熒光有其各自特定的能量，所以，可以將能譜的橫座標(biāo)以各種元素來標(biāo)志，從而計算出各種元素的特征X射線熒光的強度。一般來說，熒光的相對強度隨該元素在首飾中的含量而增加，但是，各元素?zé)晒鈴姸鹊撵`敏因子各不相同，并且隨基體組成而變，需要采用定量分析程序才能通過各元素的熒光強度將它們在首飾中的含量定量地計算出來。
為了保障人身安全，每當(dāng)更換樣品或無意中將儀器罩殼打開，便有自動連鎖安全保護裝置2通過微機13，迅速地將初級X射線源切斷。換好樣品或重新合上罩殼，才能重新啟動初級X射線源，并且迅速準(zhǔn)確地回復(fù)到原來的X射線能量和強度。自動連鎖裝置2包括安置在儀器多個位置上的傳感器，每當(dāng)更換樣品或打開罩殼和觀察窗，這些傳感器便通知連鎖裝置，作出判斷，切斷或恢復(fù)初級X射線源。X射線能譜和定量分析的結(jié)果，不僅顯示在微機13的顯示屏上，而且能夠在打印機打印出來。
請參閱圖2，X射線發(fā)生器1的X射線由特制的X射線管100產(chǎn)生，它的陽極101的材料可以選用銅、鉬、銠、鎢等金屬，對于分析黃金首飾，比較合適的陽極材料是鎢，因為其它三種金屬發(fā)射的初級X射線中都有非常強的特征K-X射線熒光，它們在被分析首飾中的康普頓散射射線能量與黃金首飾中的金、銀和銅的特征X射線熒光接近，會引起比較強的干擾。陽極101是按照聚焦型的結(jié)構(gòu)設(shè)計的，它產(chǎn)生的X射線定向性比較好。X射線管100的額定功耗是250W，實際使用的功耗只有1/10額定功耗，它不僅保證X射線源的長期工作穩(wěn)定，而且改善X射線發(fā)射的聚焦性能。典型的X射線管100的陽極電壓是50KV，陽極電流是0.5mA。供給陽極高壓的高壓變壓器103和高壓倍壓整流濾波器104和X射線管100封裝在一個盒子110里面，盒110內(nèi)灌注高壓絕緣物質(zhì)-高壓絕緣環(huán)氧樹脂或高壓絕緣油。若采用高壓絕緣油，它不僅起到絕緣的作用，而且又起到散熱的作用，因此，整個體積可以做得比較緊湊。
供給高壓變壓器103的高頻訊號是由高頻訊號發(fā)生器107和高頻訊號功率輸出器105供給，采用取樣負(fù)反饋的方式使輸出的高頻訊號功率調(diào)整，保證高壓倍壓整流濾波器104輸出給X射線管陽極101的高壓穩(wěn)定。高頻訊號功率輸出器105輸出功率的調(diào)整由供電給它的直流低壓電源106的輸出電壓或高頻訊號發(fā)生器107的脈沖占寬比決定。取樣負(fù)反饋的訊號可以直接來自高壓倍壓整流濾波器104的分壓器輸出，也可以來自X射線管管流強度取樣器108，二路的反饋信號可以通過調(diào)整直流低壓電源106或高頻訊號發(fā)生器107中任意一個，也可以分別通過它們。
供給X射線管100燈絲102的電流是由恒流電源109供給，X射線管100的管流由燈絲電流強度和陽極電壓決定，但是主要由燈絲電流決定。恒流電源109的對地電平浮動，它的電平由管流強度取樣器108決定，并且反饋到恒流電源109通過調(diào)整燈絲電源來穩(wěn)定X射線管的管流強度。它也反饋控制高頻訊號功率輸出器105，通過調(diào)整輸出高頻功率的方法，使X射線管的陽極101高壓穩(wěn)定。
圖3，初級微束X射線光路對準(zhǔn)裝置(45°反射鏡移動式)。
初級X射線源安裝在高壓容器110內(nèi)，它包含X射線管100、高壓變壓器103和高壓倍壓整流濾波器104三個部件，容器110內(nèi)灌注高壓絕緣油或由高絕緣環(huán)氧樹脂固封。高壓容器110的下端有一個X射線輸出口。X射線管100放在高壓容器110的底部。緊靠X射線輸出孔道有一付燕尾滑板112，滑板座111固定在高壓容器110底部，滑板112可以沿X軸左右移動，它的移動是由固定在高壓容器110一側(cè)的旋轉(zhuǎn)電磁鐵113和連桿114拖動，旋轉(zhuǎn)電磁鐵113也可以用直拉電磁鐵或其它氣動裝置代替。在滑板112下面并排固定光闌孔3和45°反射鏡4。在滑板座111和滑板112上有X射線孔道，它們的位置對準(zhǔn)光闌孔3。測量樣品6時，滑板112將光闌孔3拖到測量位置，它對準(zhǔn)高壓容器110底部的輸出孔道，一束初級X射線便照射到被分析的首飾上。測量結(jié)束，滑板112將45°反射鏡拖到測量位置，初級X射線被擋住，從光學(xué)顯微鏡5，通過45°反射鏡便能看到被分析首飾的表面。用三維移動平臺11使樣品沿Z軸上下移動，使顯微鏡5看到首飾表面最清楚，這就保證每次測量時，被測的微小區(qū)域始終保持在同樣的高度。用三維移動平臺11，使首飾樣品沿X軸和Y軸前后左右移動，使顯微鏡中的十字線標(biāo)尺的交點落在需要分析的首飾表面，這樣，當(dāng)滑板112將光闌孔3拖到測量位置時，一束X射線便通過光闌孔3照射到該微小區(qū)域，進行分析。
為了保證顯微鏡中十字線標(biāo)尺的交點和光闌孔3在測量位置時重合，儀器的機械調(diào)整步驟是(1)用二根互相垂直的細(xì)銅絲組成一個十字線，放在三維移動平臺11上，通過沿Z軸移動，使顯微鏡清楚地看到細(xì)銅絲，并且通過沿X軸和Y軸移動，使顯微鏡中的十字線標(biāo)尺交點和細(xì)銅絲十字線交點重合。
(2)將光闌孔3移到測量位置，測量Cu X射線熒光強度，細(xì)微地使細(xì)銅絲十字線沿X軸和Y軸移動，將它停到Cu X射線熒光強度最強的位置上。
(3)再將45°反射鏡4移到測量位置，通過顯微鏡觀察細(xì)銅絲十字線，這時候二組十字線的交點不一定重合。將顯微鏡5的座子細(xì)微地移定，并且在能夠使顯微鏡的十字線標(biāo)尺的交點和細(xì)銅絲十字線交點重合的位置上固定下來。
圖4，初級微束X射線光路對準(zhǔn)裝置(45°反射鏡固定式)其中高壓容器110、顯微鏡5、三維移動平臺11和首飾樣品6的結(jié)構(gòu)和位置與圖3中的相同，請參照圖3。
在高壓容器110的底部有一個光閘裝置115，光閘座上的X射線孔道對準(zhǔn)高壓容器110底上的X射線輸出口。在光閘裝置115的下面，固定一個45°反射鏡4，它的中間垂直開有一個X射線光闌孔，并且對準(zhǔn)高壓容器110底部的X射線輸出口和光閘裝置115的射線孔道。在測量時，光閘(沒有畫在圖中)打開，初始X射線便從輸出口、孔道和光闌孔射出，照射到被分析的首飾6表面。停止測量時，光閘(沒有畫在圖中)將X射線孔道擋住，沒有放射線泄漏出來。無論是測量時，還是停止測量時，都能用顯微鏡5通過光闌孔的反射鏡，觀察首飾樣品6的表面。光路對準(zhǔn)的方法和步驟與圖3介紹的相同。
權(quán)利要求
1.一種微區(qū)X射線熒光黃金首飾分析裝置，包括被檢測樣品(6)、測量被激發(fā)元素的熒光的探測器(7)、后接該探測器(7)并依次成電路聯(lián)結(jié)的前置放大器(8)、主放大器(9)、脈沖模數(shù)變換器(10)和微機(13)、以及置放樣品(6)的三維可調(diào)平臺(11)，其特征在于還有初級X射線發(fā)生器(1)、位于緊靠該發(fā)生器(1)的出口處的光闌孔(3)、處于光闌孔(3)與樣品(6)之間并成光路聯(lián)結(jié)的45°反射鏡(4)、經(jīng)由該反射鏡(4)觀察樣品(6)的顯微裝置(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于三維可調(diào)平臺(11)為手動調(diào)節(jié)或經(jīng)由驅(qū)動設(shè)備(12)與微機(13)相聯(lián)結(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于初級X射線發(fā)生器(1)與微機(13)間設(shè)置一個自動連鎖安全保護裝置(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于初級X射線發(fā)生器(1)包括X射線管(100)、依次成電路聯(lián)結(jié)的直流低壓電源(106)、高頻訊號功率輸出器(105)、高壓變壓器(103)、高壓倍壓整流濾波器(104)、和依次成電路聯(lián)結(jié)的恒流電源(109)、管流強度取樣器(108)、高頻訊號發(fā)生器(107)、高頻訊號功率輸出器(105)，其中管流強度取樣器(108)饋出信號控制恒流電源(109)，高壓倍壓整流濾波器(104)饋出信號控制直流低壓電源(106)，高壓倍壓整流濾波器(104)和恒流電源(109)分別與X射線管(100)的陽極(101)和燈絲(102)相連接，以及高壓變壓器(103)，高壓倍壓整流濾波器(104)和X射線管(100)被封裝在灌注高壓絕緣物質(zhì)的盒子(110)內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于顯微裝置(5)是一臺顯微鏡或顯微攝像機。
全文摘要
一種微區(qū)X射線熒光黃金首飾分析裝置，包括檢測樣品熒光成分依次成電路聯(lián)結(jié)的探測器(7)、前置放大器(8)、主放大器(9)、脈沖模數(shù)變換器(10)和微機(13)、和依次以光路聯(lián)結(jié)的初射X射線發(fā)生器(1)、光闌孔(3)和45°反射鏡(4)，以及觀察樣品(6)的顯微裝置(5)、置放樣品(6)的顯微裝置(11)。本發(fā)明由于采用微束X射線去激發(fā)黃金首飾散射特征元素?zé)晒?，從而達到快速、簡便對黃金首飾進行精確可靠、非破壞性的測量目的。
文檔編號G01N23/223GK1110405SQ9411211
公開日1995年10月18日 申請日期1994年4月12日 優(yōu)先權(quán)日1994年4月12日
發(fā)明者朱節(jié)清, 樂安全, 谷英梅, 陸榮榮, 吳國棟 申請人:中國科學(xué)院上海原子核研究所