EDXRF分析装置的角度布置对荧光计数率影响的蒙特卡罗模拟

第３１卷２０１１年第２期　２月　核电子学与探测技术　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖ０１．３ｌ　Ｎｏ．２　Ｆｅｂ．　２０１１　ＥＤＸＲＦ分析装置的角度布置对荧光　计数率影响的蒙特卡罗模拟　张江云　，黄宁　，刘艳芳　，张龙强　（１．四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室，四川成都６１００６４；　２．成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川成都６１００５９）　摘要：在ＥＤＸＲＦ分析中，ｘ射线荧光计数率与待测元素种类和含量有密切关系。但ｘ射线荧光计　数率又与很多因素有关，其中Ｘ光管、样品和探测器的几何位置关系是一个重要的影响因素。为了设计　较好计数率的能量色散型ｘ荧光分析仪，采用ＭＣＮＰ４Ｃ程序，建立与实际相符的几何模型，模拟了不同　入射角和出射角时的Ｘ荧光计数率，得到了Ｘ光管与样品、探测器与样品之间的最佳角度。所得结果　与文献资料进行比较，其结果符合得很好。　关键词：ＥＤＸＲＦ；计数率；ＭＣＮＰ４Ｃ；最佳角度　中图分类号：ＴＬ　８　文献标识码：Ａ　文章编号：０２５８－０９３４（２０１１）０２　１３６－０３　在能量色散ｘ荧光分析中，如何在克服基　体效应干扰因素的影响下，得到较高的计数率，　从而保证较高的测量精度是Ｘ荧光分析的一　个重要研究课题。在设计一个探测系统时，优　化ｘ光管、样品和探测器的相对几何位置对计　数率的改善有很大帮助。若采用实际测量判断　＝　［１一ｅ－（　ｓｉｎａ　・］　（１）　Ｅ　。０３＾・ｇ・　・（１一　）（２）　Ｓ　７７　其中样品的厚度为　，分布均匀，待测元素　含量为Ｃ　；人射射线能量为Ｅ　；人射射线与样　品表面成　角；样品对入射射线和特征ｘ射线　的吸收系数分别为ｕ　和ｕ　；产生光电效应的截　面为　（Ｅ　）；待测元素Ｋ能级的吸收突变比为　、优劣，工作量大，浪费时间。利用蒙特卡罗程　序，模拟计算ｘ光管、样品和探测器之间的最　佳角度不失是一种好的方法－ｌ　Ｊ。　荧光产额为　¨待测荧光的探测效率为占、　１荧光计数率　根据理论推导　线计数率为：　待测荧光的能量为　、分支比为ｇ；待测荧光的　出射角为　，探测器的探测立体角为　。　，仪器测得的特征Ｘ射　如果样品足够厚（Ｊ７ｌ　∞），则有：　（Ｅ　）：　Ｅ　（　Ｅ　（＿　＋—　）　（３）　＋　ｓ１ｎ／．５　ｓｌｎｏｔ　）　当使用Ｘ光管激发时，总ｘ射线荧光计数　率（ｉ　）可以看作ｘ光管原级谱的很多小的能量　收稿日期：２０１０—０９—１７　作者简介：张江云（１９８７一），男，四川平昌人，硕士研　区间分别对样品进行激发，从待测元素吸收限　（小于　时的激发效率为０）到原级谱的最　大能量Ｅ　进行积分。　究生，从事射线检测与控制技术研究。　ｌ３６　ｉ　：ｆ　Ｉｋ（Ｅ）　ｄＥ　在计算时，可以把　和　对应的强度并求和，即：　（４）　问的原级谱分　成许多微小的能量间隔ＡＥ，然后算出每个ＡＥ　ｉ　：ｊ　ｌｋ（Ｅ）‘ｄＥ　＝∑ＥａＥｉ　（Ｅ　）Ｄ丘］　（５）　（５）式中，当Ｅ　＜　６时，Ｄ髓＝０当Ｅ　＞　时，Ｄ髓＝１。　将（３）式代人（５）式，则探测器记录到的总　计数率：　△　，ｌ■一＋等　）■＿，　　由（６）式可知，入射角１３／和出射角ｐ对总　计数率的影响很明显。所以在满足条件的前提　下找出最佳的入射角和出射角，得到最佳的ｘ　射线荧光计数率显得十分有意义。基于以上理　论我们做了本文的模拟。　２　系统介绍　ＭＣＮＰ程序（Ｍｏｎｔ　Ｃａｒｌｏ　Ｎｅｕｔｒｏｎ　ａｎｄ　Ｐｈｏｔｏ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｃｏｄｅ）是蒙特卡罗方法大型应用软　件，由美国Ｌｏｓ　Ａｌｍｏｓ国家实验室的蒙特卡罗　小组编制，通用于中子、光子和电子输运程序。　程序使用精细的点截面数据，描述的几何结构　是三维任意组态，减小方差技巧丰富，被称为　“超级蒙特卡罗程序”　。　本模拟采用ＭＣＮＰ４Ｃ版本，ＭＣＮＰ４Ｃ可描　绘任意三维几何结构，使模拟误差大为减小。　系统模型构造即ＩＮＰ文件中曲面卡和栅元卡的　编写由实际测量条件及问题而定　Ｊ。为模拟　探测装置的几何位置，采用图１所示几何结构。　Ｃｅｌｌ　１为水泥样品，半径Ｒ为１．５　ｃｍ，厚度　为０．２５　ｃｍ；Ｃｅｌｌ　２半径Ｒ为１．３　ｅｍ的探测器；　Ｃｅｌｌ　３为Ｘ光管。整个空间充满了空气；原点　设在水泥样品上表面的中心，建立如图的坐标　系。我们所要模拟的问题为Ｘ射线与样品所　夹的角度　（入射角）和探测器与样品所夹的角　度　（出射角）分别为多少时本探测系统的计数　率最好。利用Ｆｌ计数卡计数，计数曲面为ｓｕｒ－　ｆａｃｅ　６。　在ＭＣＮＰ４Ｃ输入文件中，所用源为ｘ光管　图１结构不意图　出射的能量为１０　ｋｅＶ的连续能谱。为了处理　连续能谱能量，输人中我们采用了抽样的方法，　使用了ＳＰＩ和ＳＢＩ，最后对结果拟合。同时由于　Ｘ光管出射的ｘ射线需要有一定的角度入射　到靶上，我们使用了ＶＥＣ和ＤＩＲ对ｘ射线进　行了偏移。对计数曲面放置的不同位置则使用　ＴＲｎ进行旋转。总共进行模拟的输入文件达　１８０多个。　３模拟结果和讨论　对每一个输入文件均采用ＭＣＮＰ４Ｃ蒙卡　程序进行模拟，每一个文件所模拟的粒子数均　为１Ｏ。个，程序运行时间均在２　ｈ以上，所有数　据的不确定度均小于５％，所得数据用Ｓｉｇｍａ—　ｐｌｏｔ　１０．０拟合作图。　在ｘ光管、样品、探测器组合的几何布置　中，一般认为：探测器应在避开散射本地和各元　器件几何尺寸允许的情况下，尽可能靠近待测　样品，以求得较高的Ｘ射线荧光计数率，从而　保证较高的测量精度。本模拟结合实际和参考　资料　Ｊ，保持样品位置固定不变，Ｘ光管口到样　品的距离为３　ｃｍ，探测器到样品的距离为３．２　ｃｍ。选取不同夹角　（出射角）值，纪录　（入射　角）在３５。一９０。之间变化时每个出射角对应的　ｘ荧光计数率的情况，模拟结果如图２所示。　由图２可知：当出射角　一定时，随着人射　角Ｏ／的增大，荧光计数率减小，当Ｏｔ＝６０。时达　到最小值；当　＞６０。后计数率反而增大；当　＞　７５。后计数率增速变得十分缓慢，有的还有下降　的趋势。这是因为在　＜６０。前，对计数率的主　要贡献是Ｘ光管的初级射线（所以对ｘ荧光的　ｌ３７　射ｘ射线最少。按理论如果入射角为７５。时，　出射角则应为１５。时散射射线最少。但在实际　测量过程当中，还需综合考虑不同角度下，ｘ光　管发出的原级谱形成的背景干扰，由于原级谱　结构复杂，因此，在散射理论的指导下，需结合　Ａｎｇｌｅ　ｃｔ／。　模拟结果计算在不同角度下的峰背比和峰康　比。根据计算得出：在出射角　一定时，当入射　角　在７５。～８０。范围内变化时有较大的峰背　比和峰康比；在入射角　在７５。一８０。范围内，　出射角　在３５。～９Ｏ。之间变化时，当　在７５。　一图２能量计数与入射角的关系曲线图　计数有较大的影响），随着　的增大，初级射线　进入探测器直接被记录到的几率逐渐减小，所　以计数率在这一范围内逐渐减小；当　＞６０。　后，初级射线直接进入探测器对计数率的影响　已不那么明显，在这一范围内随着角度的增大，　ｇ　ｅ　８０。范围内时取得较大的峰背比和峰康比。　综上所述，在设计ｘ光管、探测器和样品　之间的夹角时，入射角和出射角的取值范围都　应在７５。一８Ｏ。内为宜。这一结果和参考文献　原级ｘ射线更加集中，从而增大了被照区域发　生荧光作用的几率，使得荧光计数率又相应地　增加。但当　＞７５。后计数率增速已没那么明　显。　实验　所得结果符合得较好。　图３为在入射角　为７５。，出射角　为７５。　条件下模拟所得的水泥Ｘ荧光谱。　在入射角　一定时，随着出射角　的增大，　计数率相应地增大，当　＞７０。后增大得更为明　显；当　角在７０。～８０。范围内变化时，所得曲　线较为平缓；当　＞８０。后曲线变化较大。这是　因为被探测器探测到的射线出射区域主要集中　在ｚ轴附近，所以当探测器进入这一区域时计　数会增大得很快；当大于一定角度后由于光管　的几何尺寸使得探测器的探测效率降低，从而　表现出计数减小。　又由散射理论　可知，在入射射线与出射　射线间的夹角（散射角）为９０。时，探测到的散　图３模拟的水泥Ｘ荧光光谱　对模拟谱特征峰与实际值进行比较，结果　见表１。　表１特征峰能量模拟值与实际值　的比较　｝Ｅｘｐ：Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ；Ｓｉｍ：Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｅｒ：Ｅｒｒｏｒ　由表ｌ可知，用ＭＣＮＰ４Ｃ程序模拟的特征　峰能量值与实际值误差比较小。同时计算比较　各元素的含量所对应的峰的计数值的实际值与　模拟值发现其中的误差也较小。说明系统模型　设计合理，具有较高的可靠性。　荧光计数率的影响，使用ＭＣＮＰ４Ｃ程序实现模　拟计算，得到了最佳的角度范围，结果与文献所　做实验值吻合。利用已得到的数据，结合影响　计数率的其它条件，可指导ｘ射线荧光分析仪　的设计，减少实际实验的次数，从而节省工作量　并降低成本。同时也证明了ＭＣＮＰ４Ｃ对低能　的ｘ荧光分析也能较好地适用。　（下转第１８７页，Ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ　ｏｎ　ｐａｇｅ　１８７）　４结论　本文讨论了在能量色散ｘ荧光探测器设　计过程中，在不同入射角和出射角下对ｘ射线　ｌ３８　Ｔｈｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｖａｌｕｅ　ｏｆ　Ｎｅｕｔｒｏｎ　Ｄｅｃａｙ　Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ　Ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｏｎ　Ｚｅｒｏ　Ｐｏｗｅｒ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ　ＧＵＯ　Ｈｏｎｇ—ｓｈｅｎｇ，ＹＡＮＧ　Ｇａｏ—ｚｈａｏ，ＨＵ　Ｑｉｎｇ—ｙｕａｎ，　ＺＨＡＮＧ　Ｊｉａｎ—ｈｕａ，ＴＡＮＧ　Ｄｅｎｇ—ｐａｎ，Ｐｅｎｇ　Ｔａｉ—ｐｉｎｇ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｓｔ￣，ＣＡＥＰ，Ｍｉａｎｙａｎｇ　ｏｆ　Ｓｉｃｈｕａｎ　ｐｒｏｖ．６２１９００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｎｏｒｇａｎｉｃ—ｃｒｙｓｔａｌ，ＣｅＦ３，ｉｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｐｌｕｓｅ　ｏｆ　ｌａ－　ｚｅｒ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ．Ｉｔ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ　ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｅｕｔｒｏｎ—ｄｅｃａｙ　ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ　ｃ０ｎｓｔａｎｔ　ｏｎ　ｚｅｒｏ　ｐｏｗ—　ｅｒ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｉｓ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ．ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｓｓｕｍｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｕａｌ—ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ　ｔｙｐｅ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｄｅａｌｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｈｅ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｎｅｕｔｒｏｎ——ｄｅｃａｙ　ｏｎ　ｚｅｒｏ　ｐｏｗｅｒ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｐｕｔ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＣｅＦ３　ｃｒｙｓｔａｌ，ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｚｅｒｏ　ｐｏｗｅｒ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｎｅｕｔｒｏｎ—ｄｅｃａｙ　ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ　（上接第１３８页，Ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ　ｆｒｏｍ　ｐａｇｅ　１３８）　李瑞诚，鲍永夫，吴效林（译）．北京：国防工业出版　参考文献：　ｆ　１］ｕ，ＦＵＳＨＥＮＧ．Ｍｏｎｔｅ　Ｃａｒｌｏ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ—　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ—Ｒａｙ　Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　社，１９８３．　［４］Ｂｒｉｅｓｍｅｉｓｔｅｒ　Ｊ　Ｆ．ＭＣＮＰＴＭ—Ａ　ｇｅｎｅｒａｌ　Ｍｏｎｔｅ　Ｃａｒｌｏ　ｎ　—ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｃｏｄｅ．Ｖｅｒｓｉｏｎ　４ｃ．２０００．　『Ｄ１．Ｎｏｒｔｈ　Ｃａｒｏｌｉｎａ　Ｓｔａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００８．　［５］曹利国．能量色散ｘ射线荧光方法［Ｍ］．成都：成　都科技大学出版社，１９９８：２０５—２０８附录．　［６］李丹．ＥＤｉＸ一Ⅲ型Ｘ光管在能量色散Ｘ荧光分析　中的应用研究［Ｄ］．成都理工大学，２００８．　［２］谢忠信．ｘ射线光谱分析［Ｍ］．北京：科学出版社，　１９８２：７２—８１，１２５—１５３．　［３］Ｅ．Ｐ．伯廷（著）．ｘ射线光谱分析原理及应用［Ｍ］．　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｎｇｌｅ　Ｌａｙｏｕｔ　Ｌｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｆｏｒ　Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ　Ｃｏｕｎｔ　Ｒａｔｅ　Ａｍｏｎｇ　ｔｈｅ　ＥＤＸＲＦ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｂｙ　Ｍｏｎｔｅ　Ｃａｒｌｏ　Ｍｅｔｈｏｄ　ＺＨＡＮＧ　ｊｉａｎｇ—ｙｕｎ　，ＨＵＡＮＧ　Ｎｉｎｇ　，ＬＩＵ　Ｙａｎ—ｆａｎｇ　，ＺＨＡＮＧ　Ｌｏｎｇ—ｑｉａｎｇ　（１．Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｉｅｈｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，６１００６４，Ｃｈｉｎａ，　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｎｄ　ａＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，６１００５９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｘ—ｒａｙ　ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ　ｃｏｕｎｔ　ｒａｔｅ　ｈａｖｅ　ｃｌｏｓｅｄ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｗｉｔｈ　ｓｐｅｃｉｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ａｎａｌｙｔｅ　ｗｈｅｎ　ＥＤＸＲＦ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ａｎｏｔｈｅｒ　Ｘ—ｒａｙ　ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ　ｃｏｕｎｔ　ｒａｔｅ　ｈａｖｅ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｆａｃｔｏｒｓ，ｉｎｃｌｕ—　ｄｉｎｇ　Ｘ—ｒａｙ　ｔｕｂｅ，ｓａｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ａ　ｂｅｔｔｅｒ　ｃｏｕｎｔ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ—ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ　ａｎａｌｙｚｅｒ，ｉｔ　ａｐｐｌｙ　ＭＣＮＰ４Ｃ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，ｗｅ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｔｈｅ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｉｎ　ｌｉｎｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　Ｘ～ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ　ｔｈｅ　ｃｏｕｎｔｉｎｇ　ｒａｔｅ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｅｍｅｒｇｅｎｃｅ　ａｎｇｌｅ，ｏｂｔａｉｎｅｄ　Ｘ—ｒａｙ　ｔｕｂｅ　ａｎｄ　ｓａｍｐｌｅ，ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ａｎｄ　ｓａｍｐｌｅ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ａｎｇｌｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｉｎ　ｇｏｏｄ　ａｇｒｅｅｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＥＤＸＲＦ，Ｃｏｕｎｔ　ｒａｔｅ，ＭＣＮＰ４Ｃ，Ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ａｎｇｌｅ　１８７