一种高灵敏度X射线密度测量技术

市场中有各种各样的密度计和密度仪,能测量各种不同状态的物质,而对于天然土壤、岩矿、合金、半导体产品和陶瓷样品等要通过不同种类的密度仪测出它们的密度,这些密度仪分析领域有限,灵敏度也有限。我们研制的仪器就是解决这种问题,该仪器不但能现场测量这些种类的物质密度,还能现场分析元素含量和观测谱线的成分,具有较高的实用价值。

1　基本原理

高灵敏度X射线密度仪的定性基础是当所测的物质受到外界X射线照射时,元素的原子放出特征X射线,该特征X射线的能量与元素的原子系数的平方成正比,即莫塞莱定律[1]。因此用仪器记录特征X射线并确定其能量,就可实现对物质中单个元素的定性测定。理论研究表明:目标元素的特征X射线的照射量率与该元素在此物质中的浓度(即含量)满足一定的函数关系式[2],该仪器的基体效应采用FP法[2]的校正,FP法是根据X荧光强度与含量、厚度的函数关系,依据X荧光激发样品物理机制所提供的数学校正方法,该法是应用X射线荧光强度的理论公式,以及一些基本物理常数和各种参数。FP法的最大特点是只需少量标样,可以是纯元素和已知含量的化合物标样,通过测量强度和理论强度,经过迭代运算即可分析试样的含量,用密度公式即(3)式就可求出该物质的密度。

该仪器测量采用的同位素点源激发,当激发源的能量大于目标元素吸收限能量,就能产生识别该元素的初级X荧光,若样品中存在元素j特征线能量大于被测i元素的吸收限能量,则因内部激发使i元素产生二次荧光。若激发源能量小于目标元素吸收限能量,不产生特征X荧光。一次(原级)X荧光强度Pi和二次(次级)荧光强度Si一并考虑[2]即为:

　  ρ为混合物的密度,Wi为混合物中单物质的体积百分含量,ρi为混合物中单物质密度,i为组成该混合物中的元素的种类,P(i)为纯元素i的原级X荧光理论强度。

2　仪器

本次研制的高灵敏度X射线密度仪,主要由探头、操作台及充电器等组成,电路结构框图如图1所示,主要技术指标如表1所示。探头由新式电致冷Si-PIN探测器、电致冷器、前置放大器、控温器和同位素源组成,其中前四部分由美国AMPETK公司生产的探测器模块(XR-100CR);操作台由线性脉冲放大器、脉冲峰值保持器、多道分析器(MCA)、滑尺、多道缓存器(MCB)、高压电源、直流恒流电源、直流恒压电源、电源控制器、PC/104工控机及其它外设组成。仪器的硬件电路是由成都理工大学核自院研制的IED—2000P新一代手提式高灵敏度X射线荧光仪硬件电路的移植[3]。

3　方法技术和软件设计与实现

3.1方法技术