X射線探測器響應(yīng)機制及應(yīng)用建模技術(shù)

X射線探測器響應(yīng)機制及應(yīng)用建模技術(shù)X射線的探測和應(yīng)用在物質(zhì)成分分析、結(jié)構(gòu)分析等研究中發(fā)揮著越來越重要的作用，其中能量色散X射線熒光（EnergyDispersiveX-rayFluorescence,EDXRF）技術(shù)是X射線探測領(lǐng)域的一個重要分支，如何進一步提高分析準確度和自動化程度是EDXRF技術(shù)發(fā)展中所面臨的主要問題，其中，解譜技術(shù)和含量計算方法研究是兩個關(guān)鍵突破點。首先，準確的解譜技術(shù)是保證EDXRF分析計算得到準確含量的重要前提。通過建立探測器響應(yīng)函數(shù)（DetectorResponseFuntion,DRF）實現(xiàn)能譜分析，可有效提高譜數(shù)據(jù)處理的自動化程度和計算精度。DRF可以對測量X熒光能譜進行數(shù)學特征和物理特征分析，其函數(shù)形式主要與射線類型、射線能量、探測器類型有關(guān)，因此，建立一種通用性較強的優(yōu)化DRF模型顯得尤為重要。其次，定量分析技術(shù)研究是關(guān)系EDXRF技術(shù)水平的核心內(nèi)容。傳統(tǒng)的EDXRF定量分析方法，要么在很大程度上依賴于標樣的準確度和標樣與待測樣品的相似性，要么需進行非常復(fù)雜的參數(shù)計算和大量數(shù)學運算，影響了EDXRF的分析速度。因此在研究EDXRF技術(shù)定量分析方法時，特別需要考慮該技術(shù)輕便、機動、快捷的特點，即在允許范圍內(nèi)，可以采用簡單、快速的方法取得定量或近似定量的分析數(shù)據(jù)。針對以上兩項關(guān)鍵問題，本文在深入研究前人工作的基礎(chǔ)上，圍繞EDXRF中X射線探測器響應(yīng)機制及應(yīng)用建模技術(shù)研究核心，建立了EDXRF技術(shù)中X射線全能峰標準差(E)計算方法和通用性強的探測器響應(yīng)函數(shù)模型，并首次提出了全譜定量分析方法，通過多種實際應(yīng)用，初步驗證了本文所建立方法的有效性。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：（1）對(E)的計算建立了一種離散化統(tǒng)計計算方法。該方法運用了離散隨機過程中的分布律和標準差，計算過程簡單、有效，在測量條件變化的允許范圍內(nèi)，(E)值可長期使用。研究中通過對系列測量能譜進行計算，得到了SDD和Si-PIN探測器在4.5keV-26keV能量范圍內(nèi)的(E)-E關(guān)系曲線和擬合函數(shù)，分析了與法諾因子F和電離能之間的內(nèi)在關(guān)系，并與他人研究結(jié)果進行了對比。計算得到的標準差(E)是探測器響應(yīng)函數(shù)模型中的重要參數(shù)，已經(jīng)較好的用于了后續(xù)的DRF模型和全能峰擬合過程。（2）對SDD和Si-PIN兩種EDXRF分析系統(tǒng)建立了一套通用性探測器響應(yīng)函數(shù)模型。在學習總結(jié)國外研究成果基礎(chǔ)上，通過對X射線的探測物理過程進行分析，自行建立了一套SDD和Si-PIN探測器通用DRF模型。該模型包括四部分：全能峰低能側(cè)的連續(xù)平臺，S(E,Ek)；全能峰的高斯型主成分，G(E,Ek)；高斯型的Si逃逸峰,ES(E,Ek-1.74)；全能峰低能側(cè)的指數(shù)拖尾,T(E,Ek)。模型形式簡單，各部分物理意義明確，各參數(shù)用自行編制的基于加權(quán)最小二乘法（WeightedLeast-Squares,WLS）程序擬合得到。研究中對19種元素的特征X射線譜進行了擬合，計算得到了相應(yīng)的擬合優(yōu)度因子2r，結(jié)果表明該模型可以很好的表征X射線譜峰峰形。將DRF模型用于基本參數(shù)定量分析方法，對9種銅合金樣品的Fe、Ni、Cu、Zn、Pb、Sn六種元素分析，對含量較高的Cu（參考含量:56%-65%）、Zn（參考含量：30-42%）元素分析相對誤差都在0.04%-7%范圍內(nèi)，對含量相對較低的Fe、Ni、Sn、Pb元素相對誤差則偏大，但此結(jié)果與其它方法分析結(jié)果相近或更優(yōu)，且滿足實際工業(yè)使用要求，因此，此應(yīng)用初步說明了本文所建立DRF模型的有效性和可應(yīng)用性。（3）面向EDXRF技術(shù)建立了一種全譜定量分析方法。該方法參考了權(quán)重最小二乘法和譜庫最小二乘法分析原理，應(yīng)用前期所建立的DRF模型和單元素的全譜信息，達到對元素含量快速分析的目的。該方法認為待測樣品的能譜是樣品中各單元素特征X射線標準能譜的線性組合，X射線的強度正比于樣品復(fù)雜譜中它的單能譜中的總計數(shù)。計算含量時要求能譜中各點的計數(shù)率達到一定的吻合度，計算過程包括了元素初始含量估計、定量分析模型、迭代算法等部分，克服了傳統(tǒng)方法計算工作量大、需要大量標樣且標樣難于制備等不足，是一種更為快捷、實用、合理的新型定量分析算法。利用全譜定量分析方法對9種銅合金樣品中的Fe、Ni、Cu、Zn、Pb、Sn六種元素進行分析，對含量相對較高的Cu、Zn元素分析相對誤差在0.1%-5%范圍內(nèi)，對含量相對較低的Fe、Ni、Sn、Pb元素相對誤差偏大。這一分析結(jié)果與基本參數(shù)法相類似，這也初步表明了該方法的穩(wěn)定性和可用性。與傳統(tǒng)方法相比，該方法使用了全譜信息，且具有計算參數(shù)少、計算速度快、靈活性和實用性等特點。最后，進行了DRF模型建模理論在重帶電粒子能譜分析（α譜分析）中的應(yīng)用、DRF模型在蒙特卡羅模擬注量展寬中的應(yīng)用、全譜定量分析方法在SuperfastSDD測量Si、Ca輕元素含量分析中的應(yīng)用研究。建立了金硅面壘探測器(Au-SiSurfaceBarrier,SSB)測量α粒子的響應(yīng)函數(shù)模型，實現(xiàn)了對239+240Pu源復(fù)雜α能譜的分解，對系列不同相對壓強下測得的α能譜進擬合，擬合所得的能量標準差、峰位等變化趨勢與理論預(yù)測相一致。在應(yīng)用DRF模型對蒙特卡羅模擬注量展寬時，建立了一種模擬注量展寬算法，利用DRF轉(zhuǎn)換得到脈沖高度譜(PulseHeightSpectrum,PHS)，使模擬譜更加趨近于實驗譜。對銅合金（編號：RC102）樣品進行了模擬和展寬應(yīng)用，表現(xiàn)出了較好的結(jié)果。將全譜定量分析方法應(yīng)用于SuperfastSDD探測器測量Si、Ca兩種輕元素的分析，分析結(jié)果初步表明了全譜定量分析方法的可用性。本文的創(chuàng)新點主要有以下四項：（1）對X射線全能峰標準差(E)的計算，首次提出并建立了一種基于離散統(tǒng)計過程的(E)計算方法；（2）對基于SDD和Si-PIN探測器的EDXRF分析系統(tǒng)，在改進原有探測器響應(yīng)函數(shù)模型基礎(chǔ)上，建立了一套通用的探測器響應(yīng)函數(shù)模型；（3）針對EDXRF技術(shù)特點，首次提出并建立了一種快捷、實用的全譜定量分析方法；（4）針對SDD和Si-PIN探測器，利用自行建立的DRF模型，首次提出并建立了一種MonteCarlo模擬注量展寬算法。綜上，本文在大量實驗和全面總結(jié)