生态环境中重金属元素EDXRF检测精度的影响因素研究

发布时间：2020-10-17 00:04

　　 能量色散X射线荧光(EDXRF)光谱分析技术被广泛的应用于金属冶炼、地质勘探、工矿开采、石油化工、生物医疗、刑侦调查、考古鉴定、污染监测等多种行业中,特别是其具有实时检测和全谱分析的特点,并能够同时获取多种数据,这是目前为止其他分析手段所不能实现的。由于EDXRF光谱仪不需要使用分光晶体和角度测量系统,探测器与样品之间无需复杂结构,使得探测器接收荧光辐射的立体夹角变大,接收效率得到提高,因此,即使EDXRF检测系统用低能X射线管作为激发源,仍能获得满足探测器需要的计数率,同时,EDXRF系统不再需要大功率稳压电源和繁重的冷却系统,使得系统体积能够更小。随着计算机行业不断发展和半导体器件水平的不断进步,能量色散X射线荧光光谱分析技术在现场环境检测分析中将发挥更加重要的作用。随着工业生产规模的不断扩大,生态环境污染程度日益加重,也逐渐的危及到人类的健康,特别是重金属污染危害,让很多污染重灾区付出了惨痛代价:陕西凤翔等地爆发的“血铅”儿童事件,广东北江“红水河”事件等都说明了重金属对生态环境污染的高危害性。重金属元素主要通过工业“三废”进入生态环境中,由土壤,河流等环境载体进入动植物体内并不断积累,最终危害人类健康,而且不可能从根本上杜绝重金属污染,只能通过严格控制和有效治理,来减少和降低重金属污染危害。目前,重金属污染元素检测的主要样品载体为土壤,水体和植物,本文研究影响EDXRF系统检测精度因素的目的就是要利用EDXRF法准确检测土壤和植物中的重金属元素含量(水体样品不在本文考虑范围内),为生态环境的污染监测提供一种方便快捷,且行之有效的元素分析方法。EDXRF光谱分析法检测生态环境中重金属元素时,其样品中重金属元素的低含量导致目标元素X射线荧光产额较低,使得待测元素光谱信号很容易被系统的噪声信号淹没,为准确检测样品中重金属元素组份带来困难。EDXRF光谱分析系统中影响检测精度的因素有很多,产生的原因也各不相同,为此,本文将影响系统检测精度的因素分为X射线输运过程中杂散射线对X射线影响,硬件电路固有特性引起的计数丢失对X射线荧光计数结果影响和能谱处理过程中因算法差异引起的解谱误差对检测结果的影响三类,分别通过模拟仿真,电路设计和优化算法的方式,解决上述因素对系统带来的不利影响,提高EDXRF对生态环境中重金属元素的检测精度。本文的主要研究工作如下:1、X射线输运过程中产生的杂散射线对系统检测精度的影响,本文以X射线与物质作用原理为基础建立的蒙特卡罗数学模型,模拟X射线在输运过程中与滤光片、准直器和样品作用,得到杂散射线随着三者(滤光片、准直器和样品)结构参数改变对入射和出射X射线强度的影响趋势,以此优化EDXRF系统结构,减少X射线在传输过程的损失,提高系统检测精度。2、系统硬件电路固有特性引起的脉冲计数丢失造成系统检测精度降低,本文分析EDXRF系统中数据采集电路工作原理,针对因A/D转换死时间存在造成的脉冲信号丢失问题,改进脉冲幅度分析电路的结构设计,利用模拟存储器缓存信号,实现对A/D转化死时间抑制,提高系统对脉冲信号的捕捉能力,从而提高系统对低荧光产额的重金属元素含量检测精度。3、研究和改进谱线处理算法,包括谱线平滑算法、寻峰算法、背景扣除算法和定量分析算法,抑制或消除因X射线荧光光谱中连续的背景谱、特征X射线谱、逃逸峰、和峰和相邻谱线叠加产生的重峰等因素引起的谱线噪声干扰,针对生态环境中重金属元素谱线计数率低问题,增强系统解谱能力,提高EDXRF法检测微量重金属元素的精度。4、系统对生态环境中土壤和植物的重金属元素含量检测,是分别以研究茶叶和水系沉积物(底泥)中重金属元素为代表,通过对比标准样品中的重金属含量,最终对EDXRF系统检测精度进行评价。
【学位单位】：长春理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：X835
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 生态环境的重金属污染及常用检测方法
    1.2 EDXRF谱仪结构组成
    1.3EDXRF技术发展现状
    1.4 本论文的篇章结构
第二章 基于EDXRF基本原理的蒙特卡罗数学模型建立
    2.1 EDXRF分析法原理
    2.2 X射线与物质作用形式
    2.3 X射线与物质作用蒙特卡罗数学模型建立
        2.3.1 物质表面入射X射线状态MC模型
        2.3.2 物质中X射线光子坐标变换模型
        2.3.3 X射线与物质中待测元素的碰撞模型
        2.3.4 X射线光子与物质相互作用几率模型
    2.4 本章小结
第三章 基于蒙特卡罗模型的EDXRF系统结构仿真优化
    3.1 EDXRF系统结构模型建立
    3.2 光源焦点尺寸与出射线投影分布关系研究
    3.3 滤光片（AL）厚度与射线强度变化关系研究
    3.4 准直器光栏参数优化
    3.5 X射线源-样品-探测器几何位置优化
    3.6 本章小结
第四章 基于EDXRF系统高速脉冲幅度分析技术研究
    4.1 EDXRF光谱信号检测模块结构
    4.2 X射线探测器
        4.2.1 探测器的基本参数
        4.2.2 探测器的分类
    4.3 放大电路原理
        4.3.1 前置放大电路
        4.3.2 主放大器
    4.4 脉冲幅度分析技术
        4.4.1 传统多道脉冲幅度分析器原理结构
        4.4.2 采用模拟存储器的高速脉冲幅度分析器研究
    4.5 本章小结
第五章 EDXRF谱线分析算法与软件设计
    5.1 EDXRF光谱平滑处理
        5.1.1 最小二乘法光谱平滑方法
        5.1.2 最小二乘法光谱平滑法应用
    5.2 EDXRF光谱谱线寻峰
        5.2.1 比较法寻峰
        5.2.2 求导法寻峰
        5.2.3 对称零面积法寻峰
    5.3 背景谱处理
    5.4 定量分析
        5.4.1 基体效应
        5.4.2 基本参数法
    5.5 软件设计
        5.5.1 通信模块设计
        5.5.2 数据显示模块设计
        5.5.3 光谱分析模块设计
    5.6 本章小结
第六章 EDXRF法在生态环境重金属元素检测中的应用
    6.1 基于EDXRF技术茶叶中金属元素检测方法研究
        6.1.1 茶叶样品
        6.1.2 样品测试
        6.1.4 数据处理与分析
    6.2 EDXRF光谱分析法在土壤检测技术中的应用
        6.2.1 土壤样品
        6.2.2 样品测试
        6.2.3 数据处理与分析
    6.3 本章小结
结论
致谢
参考文献
博士论文期间的论文及专利情况


本文编号：2843972