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手持式X射线荧光光谱仪(XRF)由激发源(X射线管)和探测系统构成。X射线管产生入射X射线(一次X射线)，激发被测样品。受激发的样品中的每一种元素会放射出二次X射线，并且不同的元素所放射出的二次X射线具有特定的能量特性或波长特性。探测系统测量这些放射出来的二次X射线的能量及数量。然后，仪器软件将探测系统所收集到的信息转换成样品中各种元素的种类及含量，达到定性定量分析的目的。
根据经典电磁理论，运动的带电粒子的运动速度发生改变时会向外辐射电磁波。实验室中常用的X射线源便是利用这一原理产生的：利用被高压加速的电子轰击金属靶，电子被金属靶所减速，便向外辐射X射线。X射线是一种波长较短的电磁辐射，通常是指能量范围在0.1~100 keV的光子。
由于X荧光具有一定波长，同时又有一定能量，因此，手持式X射线荧光光谱仪有两种基本类型：波长色散型和能量色散型。下图是这两类仪器的原理图：
能量色散荧光光谱仪是将X射线激发被测所有元素的荧光简单过滤后，全部进入到检测器中，利用仪器和软件来分出其中的光谱。如测的为元素周期表中相邻的两个元素，会因光谱重叠而产生测量误差。能量色散型仪器的优点是不破坏被测的材料或产品，也不需要专业人员操作。
波长色散荧光光谱仪是因其激发出的荧光足够强，进到仪器中用来分析的光谱是单一元素(“过滤”了不需测的元素)，不含其它元素的光谱，所以测量数据很准确。这种仪器的灵敏度比能量色散型高一个数量级，也就是说，所测的数据并不存在“灰色地域”，不存在测定后还需拿到检测机构复检。
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