X射線探測(cè)器響應(yīng)機(jī)制及應(yīng)用建模技術(shù)

X射線探測(cè)器響應(yīng)機(jī)制及應(yīng)用建模技術(shù)X射線的探測(cè)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(cè)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，如何進(jìn)一步提高分析準(zhǔn)確度和自動(dòng)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(jì)算方法研究是兩個(gè)關(guān)鍵突破點(diǎn)。首先，準(zhǔn)確的解譜技術(shù)是保證EDXRF分析計(jì)算得到準(zhǔn)確含量的重要前提。通過建立探測(cè)器響應(yīng)函數(shù)（DetectorResponseFuntion,DRF）實(shí)現(xiàn)能譜分析，可有效提高譜數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化程度和計(jì)算精度。DRF可以對(duì)測(cè)量X熒光能譜進(jìn)行數(shù)學(xué)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(cè)器類型有關(guān)，因此，建立一種通用性較強(qiáng)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(biāo)樣的準(zhǔn)確度和標(biāo)樣與待測(cè)樣品的相似性，要么需進(jìn)行非常復(fù)雜的參數(shù)計(jì)算和大量數(shù)學(xué)運(yùn)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(shí)，特別需要考慮該技術(shù)輕便、機(jī)動(dòng)、快捷的特點(diǎn)，即在允許范圍內(nèi)，可以采用簡(jiǎn)單、快速的方法取得定量或近似定量的分析數(shù)據(jù)。針對(duì)以上兩項(xiàng)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(cè)器響應(yīng)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)差(E)計(jì)算方法和通用性強(qiáng)的探測(cè)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(shí)際應(yīng)用，初步驗(yàn)證了本文所建立方法的有效性。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：（1）對(duì)(E)的計(jì)算建立了一種離散化統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法。該方法運(yùn)用了離散隨機(jī)過程中的分布律和標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算過程簡(jiǎn)單、有效，在測(cè)量條件變化的允許范圍內(nèi)，(E)值可長(zhǎng)期使用。研究中通過對(duì)系列測(cè)量能譜進(jìn)行計(jì)算，得到了SDD和Si-PIN探測(cè)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(jìn)行了對(duì)比。計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)差(E)是探測(cè)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(duì)SDD和Si-PIN兩種EDXRF分析系統(tǒng)建立了一套通用性探測(cè)器響應(yīng)函數(shù)模型。在學(xué)習(xí)總結(jié)國(guó)外研究成果基礎(chǔ)上，通過對(duì)X射線的探測(cè)物理過程進(jìn)行分析，自行建立了一套SDD和Si-PIN探測(cè)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(tái)，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(jiǎn)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(duì)19種元素的特征X射線譜進(jìn)行了擬合，計(jì)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(duì)9種銅合金樣品的Fe、Ni、Cu、Zn、Pb、Sn六種元素分析，對(duì)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(duì)誤差都在0.04%-7%范圍內(nèi)，對(duì)含量相對(duì)較低的Fe、Ni、Sn、Pb元素相對(duì)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(shí)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(kù)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(dá)到對(duì)元素含量快速分析的目的。該方法認(rèn)為待測(cè)樣品的能譜是樣品中各單元素特征X射線標(biāo)準(zhǔn)能譜的線性組合，X射線的強(qiáng)度正比于樣品復(fù)雜譜中它的單能譜中的總計(jì)數(shù)。計(jì)算含量時(shí)要求能譜中各點(diǎn)的計(jì)數(shù)率達(dá)到一定的吻合度，計(jì)算過程包括了元素初始含量估計(jì)、定量分析模型、迭代算法等部分，克服了傳統(tǒng)方法計(jì)算工作量大、需要大量標(biāo)樣且標(biāo)樣難于制備等不足，是一種更為快捷、實(shí)用、合理的新型定量分析算法。利用全譜定量分析方法對(duì)9種銅合金樣品中的Fe、Ni、Cu、Zn、Pb、Sn六種元素進(jìn)行分析，對(duì)含量相對(duì)較高的Cu、Zn元素分析相對(duì)誤差在0.1%-5%范圍內(nèi)，對(duì)含量相對(duì)較低的Fe、Ni、Sn、Pb元素相對(duì)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(jì)算參數(shù)少、計(jì)算速度快、靈活性和實(shí)用性等特點(diǎn)。最后，進(jìn)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(cè)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(cè)器(Au-SiSurfaceBarrier,SSB)測(cè)量α粒子的響應(yīng)函數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)239+240Pu源復(fù)雜α能譜的分解，對(duì)系列不同相對(duì)壓強(qiáng)下測(cè)得的α能譜進(jìn)擬合，擬合所得的能量標(biāo)準(zhǔn)差、峰位等變化趨勢(shì)與理論預(yù)測(cè)相一致。在應(yīng)用DRF模型對(duì)蒙特卡羅模擬注量展寬時(shí)，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(shí)驗(yàn)譜。對(duì)銅合金（編號(hào)：RC102）樣品進(jìn)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(cè)器測(cè)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(diǎn)主要有以下四項(xiàng)：（1）對(duì)X射線全能峰標(biāo)準(zhǔn)差(E)的計(jì)算，首次提出并建立了一種基于離散統(tǒng)計(jì)過程的(E)計(jì)算方法；（2）對(duì)基于SDD和Si-PIN探測(cè)器的EDXRF分析系統(tǒng)，在改進(jìn)原有探測(cè)器響應(yīng)函數(shù)模型基礎(chǔ)上，建立了一套通用的探測(cè)器響應(yīng)函數(shù)模型；（3）針對(duì)EDXRF技術(shù)特點(diǎn)，首次提出并建立了一種快捷、實(shí)用的全譜定量分析方法；（4）針對(duì)SDD和Si-PIN探測(cè)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(shí)驗(yàn)和全面總結(jié)