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能量色散X射線熒光光譜儀由X射線光管、樣品室、準直器、探測器及技術電路和計算機組成。此外，亦可在樣品前加一單色器，達到降低背景的目的，以改善色散X射線熒光光譜儀的檢出限。它與波長色散X射線熒光光譜儀的顯著不同是分光晶體，而是直接用能量探測器來分辨特征譜線，達到定性和定量分析的目的。
如圖：
能量色散X射線熒光光譜儀
當樣品中待測元素的特征射線進入能量探測器時，既會產生電子孔穴對，其數量正比于入射光子的能量，經過前置放大器，產生典雅脈沖。由于前方產生的信號幅度小，信噪比低，需要慢脈沖成型放大器將其放大，并采用濾波器壓制極低和極高的高頻信號，改善信噪比，提高分辨率。
在能量探測過程中，多道分析器起著模數轉換的重要作用。多道分析器的作用是測量每一放大器的脈沖輸出高度，按積分方式對脈高分類計數，完成模擬信號向數字信號的轉換，形成脈沖高度光譜。在多道分析器中，首先利用模數轉換器甄別脈沖信號的高度（能量），并按其能量分類以一定能量間隔作為X軸（道），統計在該能量間隔內的脈沖數，得到相應能量的技術，并作為Y軸。從而獲得我們熟知的每道能量間隔的光子計數。
由于放大器和多道分析器均需要一定的時間進行信息的處理和系統的重置與恢復，在此期間無法接受新的脈沖信號，故會產生系統死時間。當計數率高的時候，兩個X射線光子在放大器輸出脈沖寬度內同時達到探測器的機率很高，這時會出現脈沖堆積，兩個脈沖不能被分辨，脈沖發生畸變。故在多道分析器中，通常都會配置死時間校正和抗脈沖堆積電路來克服這兩個問題。
此外，在能量色散XRF光譜儀中采用充He氣條件時，應小心，因為He可能穿透過較薄的探測器Be窗，損害探測器的低溫真空系統。
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