EDXRF最小二乘法全谱拟合无标样算法

摘要

能量色散X荧光分析的主要目的是分析未知样品的元素含量，对X荧光仪进行准确的能量刻度后，未知样的目标元素含量根据该元素特征X射线特征峰面积确定。在获得元素的净峰面积后，通过相应荧光分析方法建立元素净峰面积和元素含量关系，进而得到未知样品元素的含量。由于现实样品由多种元素组成，存在基体效应，影响分析的准确度。另外，在X荧光分析前还需要对X荧光仪进行探测效率刻度，准确地效率刻度也是荧光测量的基础。在能量色散X荧光分析中，仪器的无源效率刻度和基体校正一直是该领域所面临的难题。目前“经验影响系数法”常用于X射线荧光样品分析中，首先针对特定类型的样品，该方法需要选用大批相应类型的标准样品建立元素含量和元素净峰面积的关系，得到元素含量与净峰面积的拟合曲线后再去测量未知样品，将获得的未知样的净峰面积代入拟合曲线就得到未知样品中目标元素的含量，因而该方法分析过程繁琐并且依赖大量标准样品。而标准样品与未知样品之间确实存在物理与化学组分的不吻合性，影响X荧光分析结果的准确性。基于以上能量色散X荧光中的问题，本文依托国家重点研发计划项目:高分辨率航空伽玛能谱测量及机载成像光谱测量技术(2017YFC0602100)、四川省科技支撑计划(2015GZ0272)、四川省教育厅(17ZA0033)，开展能量色散（EDXRF）最小二乘法全谱拟合无标样分析算法研究。论文的主要研究内容以及取得成果如下:
　　(1)能量色散最小二乘法无标样理论分析研究
　　对能量色散最小二乘法无标样理论分析进行研究，探讨最小二乘法应用于能量色散X荧光分析的可行性，以及应用该方法如何实现无标样分析，并且通过Java编程语言，应用Android Studio开发工具开发EDXRF最小二乘法全谱拟合无标样算法程序。
　　(2)获得X荧光分析无标样算法的基本参数
　　通过蒙特卡罗MCNP程序模拟Rh靶材的X射线原级谱线分布ψ(E)，共分为102道。并且通过调研相关文献用Java编程算法获得吸收跃迁因子、谱线分数，荧光产额、质量吸收系数等荧光分析的基本参数。
　　(3)制作K、Ca、Ti、Fe、Ni、Cu、Zn、Sr、Sn、Pb单元素标准样品确定样品基体
　　制作样品后，通过测量K、Ca、Ti、Fe、Ni、Cu、Zn、Sr、Sn、Pb单元素标准样品，得到Rh靶材原级谱中Rh特征Ka峰的相干散射峰与非相干散射峰强度比值R。因所配比的单元素标准样品含量已知，因此能够准确计算单元素标准样品的有效原子序数Zeff，并建立R与对应单元素标准样品有效原子序数Zeff的关系，得到Zeff-R的拟合曲线。求解未知样品基体时，测量未知样，得到其R，将未知样品的R代入Zeff-R拟合曲线得到未知样的有效原子序数，得到的有效原子序数是小数，因此把得到有效原子序数用于本文EDXRF最小二乘法全谱拟合无标样算法迭代时需要用内插法来更准确的计算样品对入射射线和样品对目标元素特征射线的质量吸收系数。
　　(4)通过算法获得仪器刻度Gi参数
　　测量K、Ca、Ti、Fe、Ni、Cu、Zn、Sr、Sn、Pb单元素标准样品，获得单元素的净峰面积后，由一次荧光公式获得仪器刻度参数Gi，再将Gi与元素的特征Ka射线能量进行曲线拟合，获得该参数随元素特征能量变化的拟合函数Gi-EKa，在后期迭代中拟合函数Gi-EKa应用于本文EDXRF最小二乘法全谱拟合无标样算法分析。
　　(5)获得理论谱线高斯展宽分布σi标准差参数
　　通过测量实验室中K、Ca、Ti、Fe、Ni、Cu、Zn、Sr、Sn、Pb单元素标准样品，对实际测量谱线中元素特征Ka峰用OriginPro9软件进行高斯拟合，得到元素特征峰进行高斯展宽的σi标准差参数。再将各个元素的特征Ka射线能量与标准差参数进行拟合，得到高斯分布σi标准差参数随元素特征能量变化的拟合函数σi-EKa，在计算其他元素的高斯展宽时，就可以根据拟合函数σi-EKa得到其他元素的σi标准差参数。
　　(6)理论谱线求解与实际未知样品分析
　　应用Java编程语言实现理论谱线求解，并且对13个国家标准土壤样品进行实际分析。结果表明EDXRF最小二乘法全谱拟合无标样算法含量解析的准确度主要受到样品中元素含量的影响，元素含量越大，通过仪器测量谱线获得的元素特征峰面积就越准确，通过本文算法拟合的含量就越准确，相对误差就越小;反之，当样品中元素含量偏低，通过仪器测量谱线获得的元素特征峰面积准确度就越低，本文算法解析含量误差就越大。Ti、Fe高含量元素的平均误差都小于15％，Cu元素平均误差为24.97％，Zn元素平均误差为48.71％，而含量只有几十μg/g的Ni元素因含量太低，受散射本底等因素的影响导致Ni元素含量误差较大。
　　本文具有以下创新点:
　　(1)通过理论研究，确定最小二乘法应用于能量色散X射线荧光分析的可行性，并编写了最小二乘法全谱拟合无标样分析计算程序，并将该方法应用于实际未知样品分析。
　　(2)制备单元素标准样品，确定样品基体、获得高斯分布展宽的σi标准差参数、仪器刻度Gi参数。
　　本文算法从能量色散X荧光分析的基本参数法出发，将最小二乘法应用于能量色散X射线荧光无标样分析，通过对实际国家标准土壤样品分析，表明该算法能够准确确定样品基体，并准确进行仪器效率刻度，达到了预期目标。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题背景及意义

1．2 X射线荧光分析国内外研究现状

1．3 课题来源

1．4 算法内容

1．5 论文结构

第2章 EDXRF最小二乘法荧光理论基础

2．1 能量色散X荧光仪工作原理

2．1．1 目标元素定性分析原理

2．1．2 原级谱线与样品相互作用

2．1．3 被测样品对原级谱线靶材特征峰的影响

2．2 目标元素荧光强度定量公式理论基础

2．2．1 目标元素一次荧光理论公式

2．2．2 目标元素二次荧光理论公式

2．2．3 目标元素三次荧光理论公式

2．3 EDXRF最小二乘法荧光理论强度计算方案

第3章 基本参数求解

3．1 原级谱线分布Ψ(E)求解

3．2 激发因子求解

3．2．1 吸收限跃迁因子求解

3．2．2 谱线分数求解

3．2．3 荧光产额求解

3．3 质量吸收系数求解

3．3．1 质量吸收系数概述

3．3．2 单元素光电质量吸收系数计算

3．3．3 单元素康普顿散射吸收计算

3．3．4 混合样品质量吸收系数计算

3．4 仪器几何参数Gi求解

3．4．1 Gi求解原理

3．4．2 单元素标准样品制作

3．4．3 Gi求解结果分析

3．5 高斯标准差参数求解

3．5．1 高斯标准差参数理论求解

3．5．2 高斯标准差参数实际求解

第4章 样品基体确定

4．1 样品确定依据

4．2 基体确认实验

第5章 EDXRF最小二乘法全谱解析

5．1 最小二乘原理

5．2 EDXRF最小二乘法全谱解析矩阵

5．3 EDXRF最小二乘法全谱匹配算法流程

5．4 最小二乘全谱匹配算法收敛性问题

第6章 EDXRF最小二乘法全谱解析结果分析

6．1 最小二乘法全谱解析算法准确性检验

6．2 本文算法与以往无标样算法对比

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果