廖先莉,唐 琳

(1.成都大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,四川 成都 610106；2.成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動化工程學(xué)院,四川 成都 610059)

0 引 言

為了提高X射線熒光分析儀的準(zhǔn)確度、精確度及降低分析檢出限，有效提高目標(biāo)元素特征X射線的激發(fā)效率就成了關(guān)鍵性措施之一.由于受軔致輻射的影響，由X射線管產(chǎn)生的原級譜為連續(xù)的X射線能譜，不利于能量色散X射線熒光分析[1].二次轉(zhuǎn)換靶可將X射線管產(chǎn)生的連續(xù)譜線變成單能X射線，降低散射背景，激發(fā)樣品的單一元素，以便對每種元素的譜線進行測量[2].目前已有不少關(guān)于二次轉(zhuǎn)換靶的研究報告[3-5]：馬永紅[3]應(yīng)用二次靶的靶材元素單一，每一次測量只能得到待測樣品中一種元素的特征譜，為了對樣品中的各種元素進行測量，需要多次更換靶材，通過更換不同的靶物質(zhì)，改變激發(fā)源的X射線能量，使之與目標(biāo)元素的吸收限相近，從而通過多次測量來實現(xiàn)對多種元素的測量,缺點是完成整個測量的時間相對較長；曹琴琴等[4]分析8種透射靶的X射線出射效率隨靶材厚度和X射線管電壓的變化規(guī)律；戴禮洪等[5]建立了偏振能量色散X-射線熒光光譜儀測定土壤中 Ni、Cu、Zn、Pb 4種重金屬元素的方法.上述所有文獻轉(zhuǎn)換靶均為同一種元素組成，一次測量一種待測元素.本研究采用基于計算粒子輸運過程的蒙特卡羅模擬計算程序(Monte Carlo N partide transport code,MCNP)模擬產(chǎn)生多能X射線的二次轉(zhuǎn)換靶，以同時測量大米中的元素Cd和As為例，建立了透射靶激發(fā)裝置模型，分析了當(dāng)二次轉(zhuǎn)換靶中每種靶材元素所占面積不同時得到的待測元素特征X射線計數(shù)率的變化，為多能二次轉(zhuǎn)換靶實現(xiàn)多元素的同時測量提供了參考.

1 轉(zhuǎn)換靶

微型透射式X射線管會產(chǎn)生能量連續(xù)的軔致輻射[6].由于元素的特征X射線疊加在連續(xù)譜線上，不利于元素的分析，為此常常采用轉(zhuǎn)換靶裝置進行能量的選擇激發(fā)[7].

透射式二次轉(zhuǎn)換靶裝置示意圖如圖1所示.由X射線管發(fā)出的初級X射線經(jīng)過二次轉(zhuǎn)換靶產(chǎn)生靶材元素的特征X射線，然后再去激發(fā)樣品中的待測元素.樣品中的待測元素被激發(fā)后產(chǎn)生特征X射線，探測器通過對樣品中待測元素特征X射線的檢測得到特征X射線的計數(shù)率，從而進行定性分析和定量分析，最終得到樣品中待測元素的種類和含量.

為了提高樣品中待測元素的激發(fā)效率，通常使用能量稍微高于該待測元素吸收限的單色光子束作為樣品的入射輻射，相當(dāng)于降低了樣品入射射線的散色背景，提高待測元素激發(fā)效率的同時不會激發(fā)其他干擾元素.放射源發(fā)出的一次射線激發(fā)出靶元素的特征X射線，然后將該靶元素的特征X射線作為待測樣品的入射射線.若改變靶材料，就能改變裝置輸出的X射線能量[8].

X射線管射出的初級X射線打到由純元素制成的轉(zhuǎn)換靶上，靶上的原子在受到激發(fā)后產(chǎn)生自身的特征X射線，其能量稍大于樣品待測元素的吸收限，然后再去激發(fā)待測元素的特征X射線，獲得更高的激發(fā)效率，降低本底，也提高了峰背比.當(dāng)需要同時測量的待測元素不止一種元素時，單一元素組成的轉(zhuǎn)換靶就不能同時滿足多種待測元素的要求，然而使用多種元素組成轉(zhuǎn)換靶時，每種元素在轉(zhuǎn)換靶中所占的面積也將直接影響對應(yīng)樣品中待測元素特征X射線的計數(shù)率.

2 蒙特卡羅模擬條件

直接測量X射線能譜需要高精度的測量系統(tǒng)，搭建一個能夠任意改變測量條件的能譜測量系統(tǒng)是必要的，所以完成X熒光測量的實驗成本很高.由于每一個測量環(huán)節(jié)根據(jù)不同的要求更換不同的設(shè)備及模塊，普通實驗室很難勝任測量任務(wù)[9].

由于計算機運算能力的提高，一臺高配置計算機就可以實現(xiàn)蒙特卡羅仿真模擬研究，使得蒙特卡羅模擬方法成為核物理及核技術(shù)研究的重要手段和解決實際工程問題的重要研究方法[10].本研究主要應(yīng)用蒙特卡羅模擬方法實現(xiàn)對多能X射線二次轉(zhuǎn)換靶的分析.

常用的蒙特卡羅模擬軟件主要有 EGS、Fluk、Geant、MCNP.其中，MCNP是美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發(fā)的一款模擬多粒子輸運的蒙特卡羅模擬軟件[11].

本研究采用MCNP5模擬軟件進行X熒光分析物理過程的模擬.X熒光分析物理模型中的粒子輸運問題主要為光子和電子的耦合輸運[12].二次轉(zhuǎn)換靶采用透射靶且應(yīng)用MCNP模擬方法建立的透射靶激發(fā)裝置模型3D圖如圖2所示.初級X射線的入射角φ和次級X射線的出射角Ψ均為45°.采用蒙特卡羅模擬軟件模擬時，設(shè)定樣品為大米，待測元素為大米中的元素Cd和As，樣品中的設(shè)置成分為6.71%H含量、36.90%C含量、1.61%N含量、54.20%O含量、0.29%Cd含量及0.29%As含量(在GSB-1大米中除了主成分外其他成分含量總和為0.58%,為了方便成分設(shè)置，認定除了主成分外其他均為待測元素)[13].初級X射線由透射式X射線管激發(fā)，射線管陽極靶材為W靶，厚度為2.2 μm，準(zhǔn)直器材料為Pb.二次透射靶為多能X射線轉(zhuǎn)換靶，不再由單一元素組成.根據(jù)待測元素來確定靶材的元素，探測器類型為SDD，晶體半徑為2.5 mm，厚度為500 mm，準(zhǔn)直器材料也為Pb.假設(shè)整個作用過程處于空氣狀態(tài)下，模擬抽樣次數(shù)為2×109.當(dāng)同時測量2種及以上元素時，二次轉(zhuǎn)換靶靶材由2種及以上元素組成，靶材元素取決于樣品中待測元素的種類，選取特征X射線略高于待測樣品中元素吸收限的靶材作為二次轉(zhuǎn)換靶的靶材.

本研究模擬的多能二次轉(zhuǎn)換靶的靶材元素主要針對大米中的待測元素Cd和As來選取.特征X射線能量越接近待測元素的吸收限，則測量得到的峰背比就越好，因為射線的反射作用會造成本底的變化且使初級射線激發(fā)靶材的X熒光也發(fā)生變化.同時，考慮一些金屬元素的物理和化學(xué)性質(zhì)，表1給出了待測元素對應(yīng)的轉(zhuǎn)換靶元素.元素Cd選擇能量和吸收限比較接近的Te靶材作為二次轉(zhuǎn)換靶，元素As選擇能量和吸收限盡可能接近的Zr靶材作為二次轉(zhuǎn)換靶.提升Zr和Te靶材激發(fā)產(chǎn)生的特征X射線的計數(shù)率，有利于待測元素的激發(fā).

表1 待測元素對應(yīng)的轉(zhuǎn)換靶元素

3 蒙特卡羅模擬結(jié)果分析

蒙特卡羅模擬設(shè)定X光管的管電壓為60 KeV和90 KeV，二次轉(zhuǎn)換靶半徑固定為0.75 mm，二次轉(zhuǎn)換靶分別為純Zr靶、純Te靶及Zr-Te靶.Zr-Te靶將靶盤平均分為2個半圓形，元素Zr和Te各占一個半圓靶盤.MCNP模擬得到如圖3所示的能譜圖，圖3(a)和圖3(b)分別是管電壓為60 KeV和90 KeV時探測器得到的能譜模擬圖.圖3標(biāo)明了待測元素Cd和As在轉(zhuǎn)換靶元素Zr和Te所占面積比為1∶0、0∶1和1∶1時特征X射線的歸一化計數(shù).由圖3可知，元素Cd特征X射線的計數(shù)率依次隨著純Te靶、Zr-Te靶及純Zr靶而降低，元素As特征X射線的計數(shù)率依次隨著純Zr靶、Zr-Te靶及Te靶而降低.

如圖3所示，不論X光管的管電壓為60 KeV或90 KeV，探測器探測到的轉(zhuǎn)換靶中元素Zr特征X射線的計數(shù)率隨著靶材中元素Zr所占面積的減少而降低，轉(zhuǎn)換靶中元素Te特征X射線的計數(shù)率隨著靶材中元素Te所占面積的減少而降低，可見二次靶中靶材元素的有效面積會直接影響該靶材元素特征X射線的激發(fā)效率，也將影響到樣品中相對應(yīng)的待測元素的激發(fā)效率.同時測量樣品中多種元素時，若比較重要的元素對應(yīng)靶材元素的靶面積適當(dāng)?shù)卦黾?，將有利于提高該種元素的激發(fā)效率.

綜上所述，靶元素特征X射線能量與待測元素的吸收限值越接近的靶元素在有效靶中所占面積越大，則待測元素特征X射線的歸一化計數(shù)越高.待測元素對應(yīng)靶材面積的大小直接影響待測元素特征X射線熒光計數(shù)率的大小，靶材面積越大，熒光計數(shù)率也越高.當(dāng)需要同時測量2種元素時，應(yīng)用本研究提出的多能二次轉(zhuǎn)換靶，并用面積不同的2種元素組成二次轉(zhuǎn)換靶，就能同時得到2種元素的計數(shù)率.在有效靶材面積不變的情況下，多能二次轉(zhuǎn)換靶的靶材元素不再是單一元素，而是由2種元素組成.相對對應(yīng)待測元素的單一元素靶材來說，若各種元素所占靶材面積減小，則各個待測元素的熒光計數(shù)率會降低，但同時得到2個待測元素的熒光計數(shù)率值的最小值卻得到提高，相當(dāng)于待測2種元素的計數(shù)率從2種極端向中間進行了綜合，取值在有純元素組成對應(yīng)待測元素轉(zhuǎn)換靶與沒相對應(yīng)待測元素轉(zhuǎn)換靶之間，這對同時測量多種元素而言是十分重要的.

4 結(jié) 語

本研究應(yīng)用MCNP模擬方法對多能二次轉(zhuǎn)換靶進行模擬分析.當(dāng)二次轉(zhuǎn)換靶靶材元素多于2種時，轉(zhuǎn)換靶中元素的有效面積越大，則對應(yīng)激發(fā)的待測元素特征X射線的計數(shù)率越高，相當(dāng)于通過降低單一元素轉(zhuǎn)換靶對應(yīng)待測元素的計數(shù)率來實現(xiàn)提高多能轉(zhuǎn)換靶對應(yīng)待測元素計數(shù)率的最低值，為實現(xiàn)多種元素的同時測量及減少測量的時間與次數(shù)提供了參考.