原位能量色散X射线荧光分析中岩样基体效应及其修正研究

原位能量色散X射线荧光现场分析岩样矿物成分时,岩样基体效应会对测量结果产生影响。本文以Cu元素作为待测元素,研究了17种不同岩样基体对原位能量色散X射线荧光分析Cu元素特征X射线强度的影响及其修正方法。采用蒙特卡罗方法模拟获得了Cu元素含量相同的17种不同岩样测量谱线,综合各类岩石元素构成的相似性,并依据模拟谱线Cu元素Kα射线强度与谱线参数之间的相关性,反映了原位能量色散X射线荧光分析岩样Cu元素的基体效应并不完全受岩体元素构成或岩石分类的控制,需要依据岩石样分析谱线参数的相关性进行归类讨论。针对基体影响Cu元素特征射线强度相似的15种岩样进一步研究,并对Cu元素特征X射线与谱线主要参数的主成分进行分析,发现散射本底、X光管靶材料特征X射线及其非相干散射峰强度能够很好的描述Cu元素特征X射线强度受岩样基体影响的变化,据此可以对基体效应影响相似的岩体进行Cu元素测量结果修正。采用本文方法同样也能为不同岩性岩体其他待测元素基体效应的修正提供参考。     

能量色散X荧光分析中元素间效应的蒙特卡罗模拟

针对能量色散X荧光分析(EDXRF)技术中元素间效应实验研究的难点问题,采用蒙特卡罗方法对基于Si（PIN）探测器的EDXRF系统建立模拟模型,并对模拟微束软X射线注量谱建立了高斯展宽算法。对Fe-Ni样品进行模拟计算,表明经该算法展宽后的注量谱与实测K系特征X射线谱吻合度较高,并得到了各元素特征X射线归一计数与元素含量关系曲线,结果表明该方法可自行校正EDXRF中元素间效应,获得准确的元素K系特征X射线谱理论强度。     

变压器油中溶解气体拉曼光谱检测及其光谱线型模型分析

拉曼光谱气体检测技术能利用单一波长的激光对气体样品进行无接触、无损耗检测,适用于油浸式变压器油中溶解气体检测。结合拉曼光谱检测机理,分析了拉曼光谱谱线特征,建立了由洛仑兹函数与高斯函数卷积表示的拉曼光谱Voigt线型模型,其表现出较好的拉曼谱峰线型轮廓基本特征。以谱峰高、中心位置、半峰全宽等为代表的拉曼谱峰线型轮廓基本特征是寻峰的主要目标,其根本目的在获取样本定性及定量检测分析依据。故针对拉曼光谱实验数据设计了基于比较法的自动寻峰模型以实现检测目标。对引入到Voigt线型模型中的寻峰模型进行的模拟实验结果表明,模拟中谱峰高、中心位置等数据均与模型输出数据相吻合。依托实验室构建的变压器油中溶解气体拉曼光谱检测平台,分析检测实验数据表明,Voigt线型模型中半峰全宽参数实际取值区间为(8.7,11.5)(cm-1),模型与其存在偏差。修正该参数取值为10.257 cm-1,并对比研究表明：修正后的Voigt线型模型及寻峰模型具有更好的适应性及实用性。结合实验平台的拉曼光谱气体检测数据的寻峰结果,有效地完成了七种变压器故障特征气体的检测及分析。针对甲烷气体,获得单位气体含量、拉曼特征峰强度与面积三者之间的线性关系,为变压器油中溶解气体拉曼光谱检测定量分析奠定基础。     

共识模型用于激光诱导击穿光谱检测泥蚶重金属铜的含量

为快速检测贝类重金属的污染,采用激光诱导击穿光谱(LIBS)结合多模型共识策略来预测泥蚶重金属铜的含量.分析铜元素的LIBS特征谱线,提取铜元素的特征峰强度、面积、峰强比等变量,分别构建多元线性回归模型,以及基于铜特征光谱区域信息构建偏最小二乘模型.在这些校正的成员模型预测残差向量间,通过拉格朗日乘数法优化各成员模型的线性组合,使共识模型的均方误差和最小,从而获得各成员模型的最优权系数.经外部预测集的验证,共识模型的预测结果优于任一成员模型,预测均方根误差为20.641mg/kg,相关系数为0.835,且预测偏差仅为-0.473,表明LIBS技术结合共识模型能用于重金属的定量检测.     

填埋垃圾稳定化进程的光谱学特性表征

采用光谱分析技术,对4个不同填埋年限垃圾提取出的水溶性有机物(DOM)进行了研究,探讨DOM的荧光和紫外光谱变化特征在填埋场稳定度表征中应用的可能性.荧光光谱显示:填埋0年垃圾DOM以类蛋白物质为主,而填埋1,5,10年垃圾DOM以类腐殖质物质为主,并且随着填埋龄的延伸其紫外区和可见光区荧光峰强度的比值r(A,C)及荧光指数f450/500呈下降趋势;DOM的紫外吸收光谱也表明,随着填埋年限的延伸填埋垃圾DOM的分子量增大,腐殖化程度加强,单位水溶性有机物浓度DOM的254 nm紫外吸收值SUVA随着填埋龄呈上升趋势,但DOM在465及665 nm吸光度值的比E4/E6随填埋龄的变化规律不明显.因此,填埋垃圾DOM的r(A,C),f450/500及SUVA值可有效地表征填埋场和填埋垃圾的稳定化进程.     

电镀污泥成分X荧光检测水分影响机制及校正方法研究

电镀污泥是金属加工、电子元器件制造等行业在废水处理过程中所产生含重金属危险废物。我国每年产生大量电镀污泥约1 000万吨,因含有Zn、 Cu、 Fe、 Ni、 Cr等多种有价金属元素其资源化利用潜力巨大,同时大量污泥处置不当也会危害人体健康和污染环境。传统化学分析测试过程复杂周期长,不利于电镀污泥实时污染防控。能量色散X射线荧光(EDXRF)光谱法分析快速简便、费用低廉、可实现原位检测,然而电镀污泥样品含水率高、成分含量不稳定,影响测试结果的及时性和准确度,导致关键元素的资源转化效率难以保证、环境污染管控难度高。因此需要分析X荧光检测水分影响机制并探究水分校正方法,以提高EDXRF测试结果准确度。以不同含水率电镀污泥为对象,研究了水分对电镀污泥EDXRF测试过程中光谱本底、散射峰、目标元素特征峰的影响机制,通过目标元素特征峰与瑞利散射峰强度的比值、样品含水率ω₀ wt%和目标元素含量C_i%建立水分校正模型,探究了Ca、 Cr、 Fe、 Ni、 Cu、 Zn目标元素的水分校正方程中的实验修正因子。结果表明,水分抬高了光谱本底改变谱峰轮廓,对低能...     

蒙特卡罗模拟元素特征X射线注量的展宽技术

蒙特卡罗模拟技术可以有效提高核辐射探测分析效率、降低分析成本,在促进X荧光分析技术发展过程中也发挥了重要作用。在应用蒙特卡罗模拟能量色散X荧光分析中,为使蒙特卡罗模拟元素特征X射线注量谱与实验能谱之间的物理差异更小,提出了一种模拟注量展宽算法。首先依据离散统计物理理论,建立了Si-PIN半导体探测器对X射线的响应函数模型,并利用加权非线性最小二乘法拟合得到各系数,再对系数进行归一化处理,得到归一化后的响应函数R(E, E′)。然后利用R(E, E′)对模拟注量进行展宽转换,得到脉冲幅度谱(pulse height spectrum, PHS),使模拟谱更趋近于实验谱,这样就可以通过蒙特卡罗模拟得到与实测能谱一致性较高的模拟能谱。研究中最后利用建立的探测器响应函数模型对Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Sn元素K系全能峰拟合χ2_r值在1.04～1.18范围内,对铜合金样品中六种元素特征X射线模拟注量转换结果与实验值一致性较好,并实现了对多元素混合样品复杂重迭谱的有效模拟和展宽。     

腔体约束LIBS结合机器学习对土壤重金属元素的定量分析

土壤重金属元素含量检测及防治,对我国农业、生态环境修复具有重大意义。利用外加腔体约束结合激光诱导击穿光谱技术（LIBS）获得土壤光谱数据,采用机器学习对土壤中重金属元素Ni和Ba含量进行分析。实验设置延迟时间为0.5～5 μs,选择Ni Ⅱ 221.648 nm和Ba Ⅱ 495.709 nm作为目标研究特征谱线,计算两种LIBS条件下延迟时间对信噪比、光谱强度及增强因子的影响。结果表明,腔体约束LIBS（CC-LIBS）可以增大光谱强度及目标元素信噪比,同时随着采集延迟时间增长,等离子体数目变少,光谱强度及信噪比逐渐减小并趋于稳定;当延迟时间设置为1 μs时,CC-LIBS条件下Ni和Ba元素特征谱线信噪比达到最优,确定此时为LIBS最优实验条件。通过最优条件获取9种含Ni和Ba元素土壤样品的光谱数据,由于采集到的每组光谱信息有12 248个数据点,利用主成分分析（PCA）对CC-LIBS条件下的光谱数据降维,在保留95%以上的土壤原始信息后,选择9个主成分作为定量分析模型的输入变量,以提高模型的运算速度。采用机器学习中的Lasso,AdaBoost和Random Forest模型,对PCA降维后的光谱数据进行建模及预测,实现土壤重金属元素Ni和Ba的定量分析。结果表明,与Lasso和AdaBoost模型相比,Random Forest模型在训练集和测试集中表现出的预测性能最优。Random Forest模型下Ni元素在测试集中的R2为0.937,RMSEP为3.037;Ba元素在测试集中的相关系数R2为0.886,均方根误差RMSEP为90.515。基于腔体约束LIBS技术结合机器学习,为土壤重金属元素的高精度检测提供了技术指导。     

基于拉曼光谱高斯分峰拟合的硫化锑含量检测方法

针对硫化锑含量采用化学分析方法检测存在操作复杂、检测时间长的问题,提出了一种基于拉曼光谱高斯分峰拟合的硫化锑含量快速检测方法。采用拉曼光谱系统测定锑矿样品的拉曼谱图,对原始拉曼谱图进行平滑去噪、背景扣除、谱段选择及归一化等预处理。基于高斯曲线的高斯峰、峰面积、半高宽和峰位置等信息,建立单个高斯峰的数学模型,提出高斯分峰拟合算法对光谱进行拟合,采用状态转移算法对高斯峰模型进行优化求解,得到表征光谱信息的特征参量,结合偏最小二乘回归方法,确定特征参量和硫化锑含量之间的关系,从而建立模型,实现对硫化锑含量的预测。实验中通过训练样本建立校正模型,对测试样本进行预测,同时从训练样本中随机挑选出检验样本,利用已建立的模型,对其硫化锑含量进行预测,以检验模型的正确性和外推性。实验结果表明：与预处理后全光谱建模相比,采用高斯分峰拟合后建立的预测模型的预测效果更好,证明了模型的正确性和良好外推性。因此,拉曼光谱结合高斯分峰拟合算法应用于锑矿中硫化锑含量的检测是可行的,且测量过程更简单,适用于矿物成分的快速分析。     

LIBS结合单变量定标法对土壤中铅元素含量检测

重金属污染一直影响着人们的健康生活,如镉,铅和铜等的污染,故而土壤重金属的快速检测和如何预防,一直受各国学者关注和研究。传统土壤重金属检测方法（如原子吸收光谱法、X荧光光谱法等）样品预处理复杂,分析成本较高,易形成样品的二次污染,不能满足快速分析的要求。激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种典型的原子发射光谱,它是基于分析物质中原子和离子受激发而发射的特征谱线信息,进而研究物质成分的分析方法。LIBS技术能够快速检测任何状态（固、液和气态）物质元素的成分和含量,被看作是未来化学检测和快速绿色分析领域的新兴技术。LIBS技术具有对样本简单预处理（或不需要处理）、多元素同步分析、远距离测量、适用性广等优势,被广泛用于生活生产的各个领域,已成为近年来国内外学者广泛关注和研究的热点之一。在农业信息快速感知的大背景下,以激光诱导击穿光谱技术为技术手段,以土壤重金属铅元素为研究对象,运用理论分析和数学建模相结合,建立了多种基于单变量定标曲线的土壤重金属铅检测模型,并进行了模型验证。自制15个已知的铅元素浓度梯度的谱线土壤样本,在获取了土壤LIBS数据之后,对其进行预处理对比,建立了基于谱峰强度、谱峰积分、洛伦兹拟合强度三种定标曲线模型,对土壤中铅元素含量进行定量分析,得出基于三种定标曲线模型对土壤中铅元素含量的预测决定系数R2分别为0.918 0,0.910 1和0.914 3,三种定标曲线分析方法的预测结果都较好,说明了LIBS结合单变量定标曲线法对土壤中铅含量的检测可靠性高。最后选取部分样本数据进行验证,结果较好。研究结果为研发便携式农田土壤污染物检测技术与装备提供技术支撑,也为农田精准管理和科学施肥奠定基础。     

密闭实验大厅内散射中子注量的模拟研究

为能够快速评判实验测试方案和预估实验结果,建立了中子体通量的快速估算模型。理论上,封闭空间中子平均体通量与特征长度的平方成反比,且中子体通量的大小能反映散射中子注量强弱。采用蒙特卡罗模拟方法,计算得到了密闭实验大厅内中子的体通量,以及不同位置处的散射中子注量,并将模拟得到的体通量和散射中子注量拟合成便于工程实践中应用的解析表达式,拟合结果与模拟结果的相对偏差小于10%。研究结果表明,球形空间内中子的体通量与球半径的1.905次方成反比;密闭实验大厅的中子体通量与大厅横截面宽度的1.948次方成反比,与长宽比的0.775次方成反比;球形空间结构内,每个源中子的平均径迹长度约为半径的5.4倍,而长方体密闭实验大厅内,单个源中子的平均径迹长度为大厅特征尺度的2~3倍。     

用蒙特卡罗方法确定中子阴极厚度

我们发展了一个简单的中子阴极物理模型,对不同厚度组合阴极进行了蒙特卡罗模拟.通过与实验资料进行对比,证明我们的模型总体上是正确的.我们得到了最大探测效率时镀碘化铯的聚乙烯中子阴极的最佳厚度组合.     

Detailed structure of delayed neutron spectra

Theoretical pulse-height spectra for delayed neutrons from 10 precursors are calculated using a Monte Carlo method based on a statistical model. The theoretical spectra are compared with experimental spectra, and rough values for the level density parameters of some of the neutron emitters are suggested.     

瞬发伽马活化成像的数学模型建立与模拟重建北大核心CSCD

瞬发伽马活化成像中,样品内部的中子自屏蔽和伽马自吸收效应会使测量结果产生不均匀分布。针对成像单元响应不一致的问题,研究了样品内部中子场不均匀分布和伽马自吸收效应的影响,并进行了理论推导,建立了用于修正成像单元响应和图像重建的数学模型,利用数学模型对Fe,H元素瞬发伽马活化成像的蒙特卡罗模拟进行了元素图像重建。结果显示,样品内中子场和γ自吸收对成像的影响得到明显改善,Fe和H元素的含量分布使用此模型可以被精确重建,验证了数学模型的有效性。     

Calculation of the Neutron Importance Function and the Delayed Neutron Effective Fraction by the Monte Carlo Method

An algorithm for calculation of the neutron importance function and the delayed neutron effective fraction by the Monte Carlo method implemented in the KIR program is presented. The results of calculation of the delayed neutron effective fraction in some critical experiments are given in comparison with the experimental results.     

基于蒙特卡罗方法的α放射源能谱测量模拟北大核心CSCD

运用蒙特卡罗方法建立PIPS-α谱仪的腔室模型,模拟谱仪对α面源(238Pu)的能谱测量,通过改变放射源与探头之间的距离,模拟不同条件下α粒子的射线能谱,同时,对不同探源距条件对α射线能谱的影响进行分析;另一方面,使用谱仪在不同探源距的情况下进行α能谱实验测量,获得不同条件下α射线能谱;最后,将模拟与实验的结果进行对比,分析实验测量结果与模拟结果的相对误差,并对模拟过程及模型参数进行校正,对校正后的模型进行实验验证,使其能够应用到其他α放射源的能谱测量中,并且使其可用于单能α粒子的能谱研究,研究结果也可为α能谱测量技术提供依据,为α能谱解谱技术提供数据支持。     

4He闪烁裂变中子探测器的中子灵敏度

对4He闪烁裂变中子探测器的中子灵敏度进行了理论和实验研究。采用蒙特卡罗方法模拟了不同能量中子和不同厚度裂变靶产生的裂变碎片在4He中的能量沉积,计算结果表明:中子在4He气中的能量沉积曲线和裂变碎片的能量沉积曲线能够互补,从而使探测器对中子的能量响应变得更平坦;探测器的中子灵敏度为10-15 Ccm2量级。并对探测器的中子灵敏度进行了实验标定,实验结果与理论计算结果较为一致。     

Calculation of Prompt Fission Neutron Lifetimes by the Monte Carlo Method

An algorithm for calculation of prompt fission neutron lifetimes in a nuclear reactor by the Monte Carlo method is described. Evaluation of the importance function is carried out with solution of the neutron transport equation without solving the adjoint equation. The results of the prompt neutron lifetime calculations performed within some critical experiments are presented and compared with the experimental results.     

中子管非中子产物性质

采用两只经过标定的ST401闪烁探测器,测量了脉冲中子管的中子产额,在其中一只探测器前端增加铅板屏蔽,1 cm的铅屏蔽使探测器输出减少了18.20%,在加速器中子源上进行的类似实验表明,0.5 cm的铅使探测器的输出减少了2.90%。对两个中子源上测量的情况进行了蒙特卡罗模拟,加速器实验与模拟符合较好,脉冲中子管实验差别较大。对实验和模拟的情况进行了分析,结果表明:中子管除产生中子外,还会产生数量较多的轫致辐射X射线,这些X射线对准确测量中子管中子产额将造成不良影响。     

西安脉冲堆127I嬗变计算方法与实验验证

为了开展129I的热中子嬗变的研究,在西安脉冲堆上开展了127I靶件辐照实验。以探索实验条件,对127I靶件的嬗变率进行了蒙特卡罗计算,并与实验测量值进行了比对。利用NJOY程序,以ENDF/B VII.0库为基础,制作了127I在西安脉冲堆堆芯辐照温度下的MCNP格式截面库,与MCNP自带库(ENDF/B VI.2)同温度下截面库进行了比较,在不可分辨共振区做了改进,使用新制的截面库,利用MCNP程序对ORIGEN2数据库中的127I辐射俘获截面进行了修正,结合ORIGEN2程序分析了127I靶件在西安脉冲堆实际辐照后的嬗变率和核素的变化,研究了中子能谱和辐照时间对靶件嬗变计算的影响。使用MCNPX自带的燃耗模块CINDER90对127I靶件的嬗变情况进行模拟,结果与ORIGEN2基本一致,与实验数值有2%~3%的偏差,主要原因是MCNP计算中子通量密度存在误差。