1-25-2pin是什么元器件

PIN二极管的原理和结构

一般的二极管是由N型杂质掺杂的半导体材料和P型杂质掺杂的半导体材料直接构成形成PN结。而PIN二极管是在P型半导体材料和N型半导体材料之间加一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层。

PIN二极管的结构图如图1所示，因为本征半导体近似于介质，这就相当于增大了P-N结结电容两个电极之间的距离，使结电容变得很小。其次，P型半导体和N型半导体中耗尽层的宽度是随反向电压增加而加宽的，随着反偏压的增大，结电容也要变得很小。由于I层的存在，而P区一般做得很薄，入射光子只能在I层内被吸收，而反向偏压主要集中在I区，形成高电场区，I区的光生载流子在强电场作用下加速运动，所以载流子渡越时间常量减小，从而改善了光电二极管的频率响应。同时I层的引入加大了耗尽区，展宽了光电转换的有效工作区域，从而使灵敏度得以提高。

图1 PIN二极管的结构示意图

PIN二极管的基本结构有两种，即平面的结构和台面的结构，如图2所示。对于Si-pin133结二极管，其中I层的载流子浓度很低（约为10cm数量级）电阻率很高、（约为k-cm数量级），厚度W一般较厚（在10～200m之间）；I层两边的p型和n型半导体的掺杂浓度通常很高。

平面结构和台面结构的I层都可以采用外延技术来制作，高掺杂的p+层可以采用热扩散或者离子注入技术来获得。平面结构二极管可以方便地采用常规的平面工艺来制作。而台面结构二极管还需要进行台面制作（通过腐蚀或者挖槽来实现）。台面结构的优点是：

①去掉了平面结的弯曲部分，改善了表面击穿电压；

②减小了边缘电容和电感，有利于提高工作频率。

图2 PIN二极管的两种结构

二、PIN二极管在不同偏置下的工作状态

1、正偏下

PIN二极管加正向电压时，P区和N区的多子会注入到I区，并在I区复合。当注入载流子和复合载流子相等时，电流I达到平衡状态。而本征层由于积累了大量的载流子而电阻变低，所以当PIN二极管正向偏置时，呈低阻特性。正向偏压越大，注入I层的电流就越大，I层载流子越多，使得其电阻越小。图3是正偏下的等效电路图，可以看出其等效为一个很小的电阻，阻值在0.1Ω和10Ω之间。

图3 正向偏压下PIN二极管的等效电路图和正向偏压电流与正向阻抗特性曲线图

2、零偏下

当PIN二极管两端不加电压时，由于实际的I层含有少量的P型杂质，所以在IN交界面处，I区的空穴向N区扩散，N区的电子向I区扩散，然后形成空间电荷区。由于I区杂质浓度相比N区很低，多以耗尽区几乎全部在I区内。在PI交界面，由于存在浓度差（P区空穴浓度远远大于I区），也会发生扩散运动，但是其影响相对于IN交界面小的多，可以忽略不计。所以当零偏时，I区由于存在耗尽区而使得PIN二极管呈现高阻状态。

3、反偏下

反偏情况跟零偏时很类似，所不同的是内建电场会得到加强，其效果是使IN结的空间电荷区变宽，且主要是向I区扩展。此时的PIN二极管可以等效为电阻加电容，其电阻是剩下的本征区电阻，而电容是耗尽区的势垒电容。图4是反偏下PIN二极管的等效电路图，可以看出电阻范围在1Ω到100Ω之间，电容范围在0.1pF到10pF之间。当反向偏压过大，使得耗尽区充满整个I区，此时会发生I区穿通，此时PIN管不能正常工作了。

图4 反向偏压下PIN二极管的等效电路图和反向偏压电流与反向电容特性曲线

三、PIN二极管作为射频开关

3.1 工作原理

因为 PIN二极管的射频电阻与直流偏置电流有关，所以它可以用作为射频开关和衰减器。串联射频开关电路：当二极管正偏时，即接通（短路）；当二极管零偏或者反偏时，即可把带宽:不仅开关的最高工作频率会受到限制，最低工作频率也会受到限制，如PI N 管就不能控制直流或低频信号的通断。受管子截止频率的影响,开关还有一个上限工作频率。要求开关的频带尽量宽，因为信号源的频带越来越宽。

3.2 性能参数

插入损耗和隔离度：插入衰减定义为信号源产生的最大资用功率P 与开关导通时负载获得的实际功率P 之比，即P / P 。若开关在关断时负载上的实际功率为P ，则表示隔离度，写成分贝的形式：

根据网络散射参量的定义，有：

理想开关，在断开时衰减无限大，导通时衰减为零，一般只能要求两者比值尽量大。由于PI N 管的阻抗不能减小到零，也不能增大至无限大，所以实际的开关在断开时衰减不是无限大，导通时也不是零，一般只能要求两者的比值应尽量大，开关的导通衰减称插入损耗，断开时的衰减称为隔离度，插入损耗和隔离度是衡量开关质量优劣的基本指标。目标是设计低插入损耗和高隔离的开关。

功率容量：所谓开关的功率容量是指它能承受的最大微波功率。PIN二极管的功率容量主要受到以下两方面的限制，管子导通时所允许的最大功耗；管子截止时所能承受的最大反向电压，也就是反向击穿电压。如果开关工作的时候超过了这些限制，前者会导致管内温升过高而烧毁；后者会导致I区雪崩击穿。它由开关开、关状态下允许的微波信号功率的较小者决定。大功率下的非线性效应(IIP3 )也是开关的承受功率的一个主要因素，特别是在移动通信基站中。

驱动器的要求：PI N 管开关和FET 开关的驱动电路是不同的，前者需要提供电流偏置，后者则要求有偏压，驱动器好坏是影响开关速度的主要因素之一。

开关速度：指开关开通和关断的快慢，在快速器件中是一个很重要的指标。可以列出I区中的电流方程如下：

开关速度提高到ns量级，通常采用I层很薄的PIN管，因为薄I层中贮存的载流子数量很少，开关时间大大缩短，这种情况下开关时间基本取决于载流子渡越I层的时间，而与载流子寿命无关。提高开关速度也可选用载流子寿命短的管子，增大控制电流的脉冲幅度，但后者受到PIN管最大功率和反向击穿电压的限制。

电压驻波比(VSWR)：任何在高频信号通道上的元器件不仅会产生插入损耗，也会导致信号传输线上的驻波的增加。驻波是由传送电磁波与反射波干涉而形成的，这种干涉经常是系统中不同部分的阻抗不匹配或者是系统中连接点的阻抗不匹配造成的。

开关比：一个PIN管，在不考虑封装寄生参量时，其正向状态可用正向电阻R1表示，反向状态可以用反向串联电阻R2和I层容抗jXc，串联表示。由于 >>R2，，故反向状态可近似以jXc表示，我们称正反两种状态下阻抗的比值Xc／R1为开关比，用以衡量PIN开关的优劣。如要使开关比增大，则C和R2必须比较小，可以看出，当频率提高时，开关性能降低。

四、总结

本文介绍了PIN二极管的结构和工作原理，同时分析了其在各种偏压下的工作状态以及等效电路，最后对PIN二极管作为射频开关进行了系统的介绍。PIN二极管相比于普通二极管增加了一层本征层（I层），使得其用途及其广泛，尤其是在射频领域和光电探测方面。因此，深入研究PIN二极管的原理和特性是很有意义的。

什么是 PIN diode

一个硅面结型二极管，在p型半导体层和n型半导体层之间有一层轻渗杂的本征半导体层。其稠密的P和N掺杂区域被相对厚的高电阻率的本征层(I)所分隔，这是在P区和N区之间夹一层本征半导体（或低浓度杂质的半导体）构造的晶体二极管。

PIN中的I是"本征"意义的英文略语。当其工作频率超过100MHz时，由于少数载流子的存贮效应和"本征"层中的渡越时间效应，其二极管失去整流作用而变成阻抗元件，并且，其阻抗值随偏置电压而改变。在零偏置或直流反向偏置时，"本征"区的阻抗很高；在直流正向偏置时，由于载流子注入"本征"区，而使"本征"区呈现出低阻抗状态。因此，可以把PIN二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关（即微波开关）、移相、调制、限幅等电路中。它可以开关微波传输线辣且作为微波限制器在系统峰包功率小于100 kW时取代TR(发射和接收)管；它还可以用作可变微波衰减器，和在微波相阵控系统中作为电子控制的快速反应的移相器。

PIN二极管的特性:

加负电压（或零偏压）时，PIN管等效为电容+电阻；加正电压时，PIN管等效为小电阻。用改变结构尺寸及选择PIN二极管参数的方法，使短路的阶梯脊波导的反射相位（基准相位）与加正电压的PIN管控制的短路波导的反射相位相同。还要求加负电压（或0偏置）的PIN管控制的短路波导的反射相位与标准相位相反（-164°～+164°之间即可）。

图1给出了PIN二极管在正向导通时的电荷分布情况．为简化起见，我们假设I区域中电子与空穴分布对称且分布密度相同．设x＝－d处的空穴分布密度为p1，在［－d,0］区域中的剩余空穴电荷为q2，且位于x＝－d／2处，这样此区域的平均空穴密度为：p2＝q2／qAd．这里A为结面积，q为单位电荷．

图1PIN二极管的电荷分布

由于P＋区域的空穴密度远大于电子密度，这样在x＝－d处的电子电流可以忽略(所引起的误差将在下文讨论)．二极管的电流密度可以表示为

其中Da为扩散常数；Jh为空穴电流密度。

二极管的电流为

电荷q2与电流的关系式为

其中τa为寿命时间．

式(2)及式(3)描述了二极管的模型，通过定义qE＝2q1，qM＝2q2及T＝d2／2Da，两式可简化为

图2表示了在感性负载时二极管的关断过程．此过程可分为两个阶段：从t＝T0到t＝T1，二极管处于低阻抗状态，其电压近似为0，在t＝T1时刻，二极管中I区域边缘的剩余电荷变为0，二极管开始呈现高阻抗状态．在式(4)、(5)中令qE＝0可得t＝T1时刻后二极管的电流为

其中τrr由式(7)给出，Irr为反向恢复电流峰值．

图2反向恢复电流波形

一般情况下，trr、Irr及测试条件di／dt、IFM均在器件的产品手册上列出．根据式(6)及测试条件，τrr可由下式获得

其中a＝－di／dt．

根据图2所示的反向电流波形，qM在t≤T1阶段的表达式为

当t＝T1时，i（T1）＝－Irr＝－qM（T1）／T，代入上式得式(10)，τa可由此式解出

然后参数T可由τa、T及τrr的关系式(7)算出．

从以上的讨论可以看出，该模型的参数可以方便地从产品手册中得到：首先由式(8)计算τrr，再从式(10)解得τa，最后由式(7)决定参数T。

设计PIN二极管时需主要考虑几个参数

1. 插入损耗：开关在导通时衰减不为零，称为插入损耗

2. 隔离度：开关在断开时其衰减也非无穷大，称为隔离度

3. 开关时间： 由于电荷的存储效应，PIN管的通断和断通都需要一个过程，这个过程所需时间

4. 承受功率： 在给定的工作条件下，微波开关能够承受的最大输入功率

5. 电压驻波系数： 仅反映端口输入，输出匹配情况

6. 视频泄漏

7. 谐波： PIN二极管也具有非线性，因而会产生谐波，PIN开关在宽带应用场合，谐波可能落在使用频带内引起干扰. 开关分类：反射式和吸收式， 吸收式开关的性能较反射式开关优良

控制方式：采用TTL信号控制。'1'通'0'断

PIN二极管型号的选择主要是根据所做光功率计的测量范围来确定的。常用的PIN二极管(如FU-15PD)都是小信号工作器件,光敏面不合适,能接收的光功率范围很有限,所以一般不用它做光功率计的探测器。

PIN二极管还可以调节到高频范围。为改善隔离特性，我们可以将两个或多个二极管串联起来，但同时会引起介入损耗的增大。PIN二极管本质上还属于电流控制的电阻器。为减少介入损耗，它们需要采用大量的直流电源以降低I（本征）区内的电阻率。这显然会影响电池寿命。这种特点，再加上PIN二极管方案需要大量器件，使得这种技术很难应用于便携手持式产品。

多道γ能谱仪，也可以利用上述组成四道γ能谱仪的方法，将许多相邻道址的单道脉冲幅度分析器组合在一起，构成多道分析器。如果道数很多，不仅构造复杂，而且很难保证性能稳定。为此多道脉冲幅度分析器采用了和单道脉冲幅度分析器完全不同的原理和电路。

多道脉冲幅度分析器是多道γ能谱仪的核心部分。现代的多道脉冲幅度分析器，主要由模数转换器（ADC）、地址编码器和存储器构成。探测器将不同能量的γ射线换成与能量成正比的不同幅度的脉冲信号，输入到ADC（Analog Digital converter）；经过内部变换，将输出的脉冲幅度按幅度大小转换成用数字表示；并对每个数字编码变换成标记性的地址码（称标码）接入一组编有地址的存储器，被分析的不同幅度的脉冲按标码选址进入相应的相邻的存储器中，实现按脉冲幅度分类记录。每个地址存储器为一道，设有一个计数器，每存一次使该道读数加一。多道分析器有2n个地址存储器，并将输入脉冲幅度分成2n个数字编码，即构成2n道脉冲幅度分析器。如图4-5-5所示。如取n=8即为256道；取n=12，即为4096道。

图4-5-5 多道脉冲幅度分样器原理图

一台完整的多道γ能谱仪，还需要有探测器、线性放大器，以及数据记录处理器、控制和显示系统等。

（一）便携式微机多道γ能谱仪

目前这类仪器品种很多，基本结构也大同小异。主要由探测器，线性放大器、ADC模数转换器、变换控制器和单片（或笔记本）微机系统组成。如图4-5-6所示。探测器可以是NaI（Tl）闪烁探测器，也可以是高能量分辨率的半导体探测器。放大器一般使用低功耗（CMOS）高速线性运算放大器，ADC多数使用高分辨能力的线性放电工作的16位模数转换器，通过接口/控制使微机系统能够顺利读取ADC输出数据，并处理显示其结果。

一台性能优良的轻便多道γ能谱仪，还要增加一些辅助设备。首先在放大器之后要接入甄别器消除噪声信号（图4-5-6）。其次是探测器采集脉冲信号时，为了不漏计，还要对脉冲尖峰适当展宽，又增加了脉冲峰值保持电路。第三，ADC给出的道宽并不均匀，引起非线性误差较大，因此增设了滑尺电路，保持道宽均匀。

类似以上原理近年制造的轻便多道γ能谱仪，列于表4-5-3供参考。

图4-5-6 轻便多道γ能谱仪结构原理图

表4-5-3 几种轻便多道γ能谱仪（20世纪90年以后产品）

（二）轻便多道X射线荧光仪

原子核外电子跃迁产生的X射线，能量均小于140 keV。其探测原理与γ射线基本相似。由于能量较低，一般采用薄窗户的薄片状（1～5 mm厚）NaI（Tl）或CsI（Tl）闪烁体，正比计数器以及锂漂移硅探测器和高纯锗半导体探测器。近年研制成功，推出应用的电致冷高能量分辨率的半导体探测器有：Si-PIN和镉锌碲（CZT）。其主要性能指标列于表4-5-4。

表4-5-4 半导体X射线探测器性能

Si-PIN结半导体探测器和镉锌碲（CZT）半导体探测器，都是常温下保存，电致冷（-30℃）工作。它具有体积小能量分辨高，适合于现场测量的便携式仪器使用的特点。Si-PIN适合于低能量X射线能谱测量，CZT适合于高能量X射线测量。

X射线是放射源激发产生的。因此，X射线探测器附带有激发源。便携式X射线荧光光仪使用的激发源主要是专用的放射性同位素源，如241Am（镅）和238Pu（环）等。

使用的多道X射线能谱仪，其结构原理与γ射线能谱仪基本一致，这里不再赘述。

世界第一次提出使用放射性同位源激发产生X射线荧光的是法国学者（1956年）。我国1974年研制出第一台携带式放射性同位素X射线荧光仪。几十年来不断更新，近10年来主要使用的多道X射线能谱仪，有重庆地质仪器厂生产的HYX-6微机X射线荧光仪（2000年）；2002年成都理工大学研制出使用Si-PIN半导体探测器的多道轻便X射线荧光仪，提高了探测灵敏度，一次探测多元素成为现实，拓宽了应用领域。

多道γ能谱仪,也可以利用上述四道γ能谱仪的方法,将许多相邻的单道脉冲幅度分析器组合在一起,构成多道分析器。如果仪器道数很多,不仅构造复杂,而且很难保证性能稳定。为此多道脉冲幅度分析器采用了单道脉冲幅度分析器完全不同的原理和电路。

图4-15 多道脉冲幅度分析器原理图

如图4-15所示,多道脉冲幅度分析器是多道γ能谱仪的核心部分。现代的多道脉冲幅度分析器主要由模数转换器(ADC)、地址编码器和存储器构成。探测器将不同能量的γ射线转换成与能量成正比的不同幅度的脉冲信号,输入到ADC(Analog Digital Converter)；经内部变换,将输出的脉冲按幅度大小转换成数字表示；并对每个数字编码变换成标记性的地址码(称标码)接入一组编有地址的存储器,被分析的不同幅度的脉冲按标码选址进入相应的相邻的存储器中,实现按脉冲幅度分类记录。每个地址存储器为一道,设有一个计数器,每存一次使该道读数加一。多道分析器有2n个地址存储器,并将输入脉冲幅度分成2n个数字编码,即构成2n道脉冲幅度分析器。如取n=8即为256道；n=12,即为4096道。

一台完整的多道γ能谱仪,还需要有探测器、线性放大器,以及数据记录处理器、控制和显示系统等。

(一)便携式微机多道γ能谱仪

1.便携式多道γ能谱仪的一般特征

目前这类仪器品种很多,基本结构大同小异。主要由探测器、线性放大器、ADC模数转换器、变换控制器和单片微机(或笔记本)系统组成。如图4-16所示。

图4-16 轻便多道γ能谱仪结构原理图

探测器可以是NaI(Tl)闪烁探测器,也可以是高能量分辨率的半导体探测器。放大器一般使用低功耗CMOS高速线性运算放大器,ADC多数使用高分辨能力的线性放电工作的16位模数转换器。通过接口/控制使微机系统能够读取ADC输出的数据,并处理、显示其结果。

一台性能优良的轻便多道γ能谱仪,还要增加一些辅助设备。首先在放大器之后要接入甄别器消除噪音信号(图4-16)。其次是探测器采集脉冲信号是为了不漏计,还要对脉冲尖峰适当展宽,又增加了脉冲峰值保持电路。第三,ADC给出的道宽并不均匀,引起非线性误差较大,因此增设了滑尺电路,保持道宽均匀。

类似以上原理近年制造的轻便多道γ能谱仪,列于表4-2。

表4-2 几种轻便多道γ能谱仪(20世纪90年代以后产品)

2.ARD型便携式多道γ射线能谱仪特点和使用

现以ARD型便携式多道γ射线能谱仪为例介绍这类仪器的性能和用法。

本仪器是近年来刚刚推出的多道γ能谱仪。仪器由手持式 *** 作台和圆柱形探测器两部分组成(图4-17)。仪器总质量4kg,用 *** 作台采集数据时最高能达到1024道,用计算机采集数据时最高能达到4096道,可以提高微分测谱的精度,既适用于一般铀矿普查的地质生产,也适用于与铀有关的科研需要。

*** 作台外观尺寸37mm×105mm×185mm, *** 作台有USB接口,可与计算机相连,能将自动记录的数据导入计算机,在专用软件的支持下能绘制每一测点的能谱曲线图,并自动计算U、Th、K的含量； *** 作台还有内置GPS定位系统,可以方便定位,并将定位坐标自动存储,便于室内成图。 *** 作台亦可悬挂于腰间,使 *** 作者爬山更容易。 *** 作台上有4英寸(in)320×240点的液晶显示屏,通过液晶显示屏很容易实现“人机交互”功能, *** 作十分方便。

图4-17 ARD型多道γ能谱仪外观

探测器φ107mm×400mm,质量3.5kg。NaI(Tl)晶体尺寸φ75mm×75mm,能量非线性误差＜5%。探测器与 *** 作台之间由专用电缆连接。 *** 作台与电脑之间和探测器与电脑之间也有专用电缆,这三条电缆不能互换,但电缆接口都具有“防反插豁口”,一般不易插错。仪器配有充电电池,在工作之前首先要给仪器充电。

仪器基本 *** 作步骤：①连接仪器。在关机条件下连接 *** 作台和探测器。②参数设置。打开 *** 作台上的[开/关]键,此时仪器通电,但探测器需要15min左右的预热(主要是高压电源的升压过程),此时仪器不能正常工作。可利用这段时间设置参数。参数设置通过 *** 作台实现,主要是测点测线设置、测量参数设置(选择测量道数)、稳谱状态设置、标定系数设置、能量刻度设置、电源管理、保存参数等。③测量。又分测量状态显示、测量状态键盘 *** 作、保存测量数据、单点多次测量、连续测量等工作状态和步骤。④数据 *** 作。主要是将 *** 作台数据导入电脑,实现数据查询、剖面图制作、数据输出等功能。⑤仪器标定。这项工作在仪器出厂前已经做好, *** 作者只需使用即可。但仪器使用若干年以后或修理以后,标定工作不可少。详细 *** 作可参阅有关说明书。

3.FD-3022-Ⅰ型便携式多道γ射线能谱仪特点和使用

仪器的外观如图4-18所示。该仪器探头和主机连在一起,形成一体机,质量为2.9kg；探测器为φ2in×2.4inBGO晶体；使用可充电的锂离子电池；并有存储器、USB和网络端口,便于数据自动记录和导出；能量分辨率≤12%；含量测试范围U和Th为1～1000Uγ,K为0.2%～100%,总道一般以Uγ的形式表示总的辐射强度。仪器也采用菜单式 *** 作,便于实现“人机交互”。

仪器开机后,伴随一声“滴”的鸣响,液晶屏显示“SH申核”字样,随即进入搜寻界面,界面右上角出现“!”,表示仪器进入自动稳谱阶段,当“!”消失,出现“《·》”时表示系统已经稳谱,右下角会出现“已稳谱”字样,这一阶段大约持续4s。之后仪器进入主菜单,主菜单有8项功能：①测量设置：设置测量时间、重复次数和测量模式选择；②报警设置：这是置信系数和报警阈的设置功能；③查看数据：查看保存的历史数据；④本底更新：保存最新的本底数据；⑤系统设置：设置系统参数；⑥原厂设置：使用者只可查看,不得更改(仪器标定参数)；⑦仪器检定：这是标定仪器时才使用的功能；⑧退出：表示退出该界面。

图4-18 FD-3022-Ⅰ型多道γ能谱仪外观

在测量设置中,一般将测量时间设置为2min,重复测量设置为2(如遇高异常时设置为5),“启动飞行测量”置于“否”,“飞行测量时间”设置1min。报警设置时,置信度系数不要太小(一般是44.7),否则容易出现误报警；报警阈值也要适当(根据异常情况设置),一般设置300(相当于0.03%eU)。系统设置时,喇叭设置为“开”,背光设置为“手动”,其余“系统时间”和“系统日期”等设置以当前时间为准。每一种设置都需要按“保存”,否则仪器自动恢复为原设置。所有设置都通过“手柄按钮”实现,手柄按钮上的“●”表示“确定”；“▲”表示“移动光标”选中某项 *** 作。若选中的是某位数字,则每按一次,数据增加1,直到 *** 作者要求的数据为止。

仪器在“搜寻”状态时,画面左下方有“测量”和“菜单”两个选项；参数设置好以后,选择“测量”,仪器进入自动测量状态,画面中出现坐标轴,纵坐标表示量程,单位是cps,横坐标表示时间,测量时间一到,仪器自动出现“测量报告”,并进入自动重测阶段,若自动重测次数到了以后,仪器显示最后一次“测量报告”, *** 作者可抄录数据(数据可自动保存)。

注意：该仪器只有在“稳谱”的条件下测量数据才是有效数据,在未稳谱时测量数据不能使用。

(二)轻便多道X射线荧光仪

原子核受到γ射线或X射线照射后会吸收其能量,使其处于激发态。这种状态是一种不稳定状态,可自发地跃迁而回到基态,并且把多余的能量以X射线的形式释放出来。能量的高低取决于原子核内的能级差,不同的原子核,其能级差不同。故每种元素受到照射时释放不同能量的X射线,称为特征X射线。因此利用放射源对被测介质进行照射,根据介质释放能量的高低就可判别该射线是由哪种原子核释放的,即判别被测元素；又可根据释放X射线的照射量率判别该元素的大致含量。这就是X射线荧光仪的基本原理。

原子核外电子跃迁产生的X射线,能量都小于140keV。其探测原理与γ射线基本相似。由于能量低,一般采用薄窗户的薄片状(1～5mm厚)NaI(Tl)或CsI(Tl)闪烁体、正比计数器以及锂漂移型硅半导体探测器或高纯锗半导体探测器。近年来还研制成功,并推出电制冷高能量分辨率的半导体探测器,即Si-PIN节半导体探测器和镉锌碲(CZT)半导体探测器。这两种探测器适合于现场的便携式仪器使用,对小能量的分辨率高。相对而言,Si-PIN型适合低能量X射线能谱测量,CZT型适合于高能量X射线测量。

X射线是放射源激发产生的。因此,X射线探测器附带有激发源。便携式X射线荧光仪使用的激发源主要是专用的放射性同位素源,如241Am(镅)和238Pu(钚)等。此两种元素都是通过238U核反应堆制造的元素,自然界尚未发现这两种元素。图4-19是近年来使用较多的X射线荧光仪——矿石分析仪,这一款仪器使用电子激发,因而没有放射性同位素源。

图4-19 NitonXL2型手持式矿石分析仪外观

目前市场上销售的X射线荧光仪有“手q式”和“抽屉式”两种形态。抽屉式仪器大部分做室内分析用,手q式可以在野外岩石上做现场分析。这类仪器能分析Fe、Ni、Cr、Ca、K、Na、Al、Cu、Pb、Zn、W、Sn、Mo、Pt族、LE(稀有金属)等常见金属元素和Si、O、S、As、Te、Se等非金属元素。分析数据用百分含量表示,目前这类仪器对常量元素(克拉克值＞1%的元素)分析精度较高,基本能达到“定量分析”的程度(如Si、Al、Fe、Ca、Na、K等),对微量元素(特别是稀有元素和贵金属)只能达到“半定量”分析的程度。

X射线荧光仪对Cu、Pb、Zn、Au、Ag等元素的分析数据还不能作为储量计算的依据。而γ辐射仪、测井仪等仪器测量的数据经铀镭平衡系数、射气系数的修正,就可以用来进行储量计算。X射线荧光仪对一些介于常量元素和微量元素之间的几个特定元素有较高的分析精度,如它对As元素的分析精度较高,而微细浸染型金矿与As之间的关系非常密切,可以通过分析As元素来达到间接找金的目的。甘肃礼县中川地区的崖湾、马泉、金山、李坝等金矿都与As关系密切,Au与As之间的相关系数能达到0.55～0.90(姜启明等,2001、2005、2012年),几乎可以说有As的地方就有Au,完全适合使用X射线荧光仪来找金。

X射线荧光仪的使用,是放射性物探仪器向非放射性矿产找矿领域扩展的重要里程碑。这种仪器可以在现场分析十多种元素的含量,可以大大提高工作效率。但这种仪器最大的缺陷是价格昂贵,目前市场价格约35万元/台。这就大大限制了该仪器大规模的使用。如NitonXL2型手持式矿石分析仪可以分析土壤和岩石,但在野外直接碰到“矿体”的概率很低,所以这类仪器目前只在一些岩石的人工或天然露头上测量。如在非放射性金属勘查的探槽、坑道壁上测量,能有效地引导刻槽取样的位置,节约大量的工作量。

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