EDXRF分析儀中“源—樣—探”幾何位置的蒙特卡羅模擬

李娜

摘 要

能量色散X射線熒光分析能夠快速分析物質(zhì)內(nèi)部元素組分，是一種非化學(xué)手段處理元素的分析方法。本文建立了通過蒙特卡羅方法的模擬程序，并且研究了 “X射線源-樣品-探測(cè)器”的相對(duì)幾何位置的改變對(duì)測(cè)量精度的影響。模擬結(jié)果表明，通過對(duì)峰背比的計(jì)算和測(cè)量確定了最佳的探測(cè)角度為45°，樣品與探測(cè)器的距離為10mm，從而提高了系統(tǒng)的探測(cè)精度。

【關(guān)鍵詞】EDXRF 蒙特卡羅方法 精度

1 引言

能量色散X熒光（EDXRF）分析技術(shù)因?yàn)榫哂袑?duì)樣品無損害、可以實(shí)現(xiàn)多元素測(cè)量而且測(cè)試速度比較快等優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用在地質(zhì)勘探、石油化工、食品安全、刑事偵查、考古鑒定以及生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域。近年來，能量色散X射線熒光分析逐漸向著便攜式的方向發(fā)展，體積小、重量輕、易于攜帶的分析儀器，備受在線分析檢測(cè)技術(shù)人員的青睞。本文建立了蒙特卡洛模擬程序，并且研究了 “X射線源-樣品-探測(cè)器”的相對(duì)幾何位置的改變對(duì)測(cè)量精度的影響。通過優(yōu)化相對(duì)位置，提高儀器的分辨率及探測(cè)效率，增強(qiáng)特征X射線的全能峰的峰背比，改善儀器的工作性能。

2 蒙特卡羅方法在離子輸運(yùn)領(lǐng)域內(nèi)的運(yùn)用

蒙特卡羅（Monte Carlo）方法，又稱統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法，或者稱為計(jì)算機(jī)隨機(jī)模擬方法。將在具體事件中具體概率特征的事件轉(zhuǎn)化為與概率相關(guān)的問題模型通過模擬這個(gè)概率過程來求得近似解。本研究使用Geant4工具包進(jìn)行模擬分析，Geant4是基于蒙特卡羅方法計(jì)算粒子輸運(yùn)的工具包。本模擬使用Geant4建立了EDXRF的幾何結(jié)構(gòu)，研究了探測(cè)器位置的擺放對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，本程序使用Livermore物理過程模板進(jìn)行對(duì)激發(fā)-退激模型的模擬工作，可以得到相應(yīng)的熒光信息。其中物理建模條件如下：X射線源位置固定在樣品正上方與法線夾角為零度，探測(cè)器位置安置于距離激發(fā)源距離分別為10mm，20mm，30mm，40mm，50mm，60mm。的弧上，探測(cè)器器與樣品法線的夾角分別設(shè)置為15°，30°，45°，60°，75°探測(cè)器大小為1mm*1mm*1mm正方體，樣品選用純銀，入射X線能量30kV的單能光子，單次模擬的總粒子事件為500000。

3 模擬結(jié)果與討論

根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的模擬條件，分別調(diào)整探測(cè)器的射出角度為15°，30°，45°，60°以及75°，探測(cè)器與樣品之間的距離為10mm，20mm，30mm，40mm，50mm，60mm，獲得光譜的峰背比以及熒光峰值的強(qiáng)度。

根據(jù)模擬的條件選取熒光計(jì)數(shù)率以及有效峰與總計(jì)數(shù)探測(cè)器之比為研究的參數(shù)，在定量分析中熒光計(jì)數(shù)率關(guān)系到探測(cè)器的信號(hào)強(qiáng)度，有效峰與總計(jì)數(shù)探測(cè)器之比影響著測(cè)量的精確度。

圖1為熒光計(jì)數(shù)率隨著出射角以及與樣本距離的變化與熒光計(jì)數(shù)的函數(shù)曲線。

根據(jù)圖1可以看出隨著探測(cè)器與樣品距離的增加會(huì)導(dǎo)致熒光計(jì)數(shù)率會(huì)出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，這是因?yàn)槠椒椒幢榷桑诓煌慕嵌让骐S著角度增加在40度附近可以取得最大的探測(cè)效率。

由模擬結(jié)果可知，探測(cè)器-樣品距離對(duì)有效峰與總計(jì)數(shù)率之比的相關(guān)程度較低，通過上圖發(fā)現(xiàn)在40度附近探測(cè)器-樣品距離變化基本并不影響探測(cè)器與總計(jì)數(shù)比。

以由上圖可以看出在射出角度為40度附近時(shí)，探測(cè)器距離樣品的距離為50mm時(shí)候可以獲得最大的有效峰與總計(jì)數(shù)率之比，在其模擬條件下可以獲得更好的準(zhǔn)確度。

4 結(jié)論

用蒙特卡羅方法模擬計(jì)算得到的結(jié)論為：

（1）通過對(duì)峰背比的計(jì)算和測(cè)量確定了最佳的探測(cè)角度為45°，樣品與探測(cè)器的距離為10mm，這樣可以獲得較好的有效峰與總探測(cè)計(jì)數(shù)之比以及熒光計(jì)數(shù)率。

（2）熒光計(jì)數(shù)率在45度左右可以獲得極大值，隨著探測(cè)器-樣品距離的增加熒光計(jì)數(shù)率下降。

（3）有效峰與計(jì)數(shù)率之比與探測(cè)器-樣品距離的相關(guān)度不大，在40度附近基本不發(fā)生變化。

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作者單位

長(zhǎng)春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系 吉林省長(zhǎng)春市 130022