微区X射线荧光成像技术在岩心分析中的应用

微区X射线荧光（Micro-XRF）分析技术是通过微小的X射线光束照射样品，对样品进行原位成分观测的无损分析手段之一，具有灵敏度高、速度快和准确性高的特点。采用微区X射线荧光光谱仪（M6 JETSTREAM）对安徽铜陵冬瓜山铜矿床四段岩心样品进行面扫描，分析不同矿层共17种元素区域分布特征、空间分布规律及组合关系等，结果表明：（1）Cu和Fe两种成矿元素高值空间分布区域基本不重叠，S与Fe分布范围高度重叠，关系密切，微量元素Ni，Bi，Pb，Zn，Si，Na与Cu密切相关，而Ti，Al，K与Fe具有弱相关性；（2）垂向上，Fe元素含量随深度增加逐步增大，而Cu元素含量呈降低趋势，其他元素也随深度呈下降趋势；（3）元素分布受石炭纪中期海底喷流沉积成矿作用和岩浆热液成矿作用叠加改造作用明显；（4）该钻孔矿石矿物以磁黄铁矿、黄铜矿和黄铁矿为主，垂向上组合规律明显，脉石矿物以石英、石榴子石和透辉石为主。该技术通过分析元素空间分布规律、相关性以及矿物组合和分配关系等可对元素富集和运移以及对矿床的成矿机制、成因模式等地质环境和地质过程提供新认识和新证据。结合矿床地球化学特征的分布模式，微量元素可作为寻找主矿种的指示元素，为深部找矿提供依据。此外，该技术能作为预分析技术快速筛选出感兴趣的信息和位置，为后期各种更高精度的微区分析提供不同尺度、不同层次的元素分布信息。     

高超声速模型尾迹电子密度二维分布反演方法

弹道靶利用二级轻气炮将模型加速到高超声速状态,模型在靶室内超高速飞行时形成等离子体尾迹.为实现高超声速模型尾迹电子密度径向二维分布诊断,利用七通道微波干涉仪测量系统获得了高超声速模型尾迹截面不同位置处平均电子密度.该系统采用一发七收的方式,实现平面波照射等离子体及平面波接收,天线波束可完全覆盖尾迹径向范围.多通道微波干涉仪数据处理过程常将等离子体视为分层介质,考虑到分层界面上折射效应的影响,本研究利用射线追踪方式建立电磁传播模型,结合测量数据建立目标函数,通过遗传算法优化来反演高超声速模型尾迹电子密度径向二维分布.该数据处理方法的电子密度反演结果与相同来流条件下的数值模拟结果对比吻合较好,初步验证了该方法的有效性.分析了分层模型对电子密度分布特性的影响,结果表明利用七层模型对尾迹建模效果最佳,且适用于不同厚度尾迹,最大化利用接收通道数,确保了计算精度.利用该方法实现弹道靶高超声速球模型尾迹电子密度二维分布诊断,并给出了给定实验状态下模型尾迹电子密度二维分布的一些规律.     

钒的冲击熔化原位X射线衍射测量研究

高压结构与相变研究对理解物质在极端压缩条件下的性质变化和动力学响应行为具有重要的科学价值,然而部分过渡金属的动/静高压熔化线差异一直是多年来悬而未解的科学难题.其中动、静高压固-液相界幅值差异最大的是第五副族金属,以钒最为反常,至今仍缺乏自洽的物理认识和理解.本文采用高能脉冲激光驱动的瞬态X射线衍射诊断技术,对冲击压缩下钒的熔化特性进行了研究,首次获取了冲击压缩下钒在200 GPa范围内的晶体结构响应随压力变化的衍射图谱.研究发现,冲击压力为155 GPa时,钒仍保持固态bcc相;至约190 GPa时转变为液态.这一结果否定了早期确定的静压熔化线,与最新的冲击熔化线及高温高压相图符合,为钒高压熔化线的统一认识提供了新的微观实验证据.本工作亦可推广至其他材料熔化特性的研究工作中.     

基于相关子空间的双峰发射线光谱特征提取与分析

低分辨率天体光谱中呈现的双峰发射线轮廓可能反映着比较珍稀的物理现象，如双活动星系核（AGNs）、双超大质量黑洞（SMBH）、喷流云与窄线区的相互作用，也可能是光谱处理过程产生的低质量特征线。双峰发射线轮廓一般由2个或2个以上的波峰构成，对该特征进行提取并分析，可作为双AGN、星系对、双黑洞等稀有天体更有效的搜寻依据，从而有助于更深入地研究星系乃至宇宙的形成与演化。提出一种新的基于相关子空间的双峰发射线特征提取与分析方法，主要工作分为以下三部分：首先利用稀疏差异因子δ度量双峰发射线光谱中属性差异程度，利用KNN方法约束参与稀疏差异因子计算的光谱范围，在此基础上，针对LAMOST低分辨率光谱给出基于相关子空间的特征提取方法；其次，为了验证稀疏差异因子σ以及KNN的输入参数k对双峰发射线光谱的适应性，选择LAMOST双峰发射线光谱样本及普通星系光谱数据，红移范围z<0.3（确保Hα，Hβ，[OⅢ]λλ4 959, 5 007，[NⅡ]λλ6 548, 6 584，[SⅡ]λλ6 717, 6 731等发射线落在LAMOST波长覆盖范围），获得训练集光谱总数332+332（正负样本）条，并借助人眼检查分析该方法中的两个参数：k和δ阈值α对结果的影响，实验表明，当k=18，α=0.6时，相关属性分布较密集且稀疏点较少，结果比较理想；最后，对332条双峰发射线光谱特征子空间所在的波长区间、双峰红/蓝移间隔、双峰线强比等进行了理论分析、测量及人眼认证的基础上，给出了基于相关子空间的双峰发射线特征表述。此外，从双峰特征子空间上不同的发射线激发机制（[OⅢ]/[NⅡ]/[SⅡ]等禁线、Hα、Hβ等氢线）及相关特征子空间上线强关系等角度，对样本中双峰轮廓进行了分析。     

X射线荧光光谱法测定地质样品中的硫和氟

采用粉末压片制样-X射线荧光光谱法研究地质样品中硫(S)和氟(F)元素的快速测定方法。通过分级过筛实验优化确定样品粒度,探讨样品粒度对测定结果的影响,并进行实际样品和标准物质验证。结果显示,样品粒度为85μm时,经实际样品和标准物质验证,测定结果与化学值和标准认定值相符,且相对标准偏差(RSD)均小于2%。方法具有准确度高、检出限好、测试范围宽、简便快速等优点,能确保样品分析结果的准确性,实现了地质样品中S和F的快速测定。     

X射线光场成像技术研究

X射线三维成像技术是目前国内外X射线成像研究领域的一个研究热点.但针对一些特殊成像目标,传统X射线计算层析(CT)成像模式易出现投影信息缺失等问题,影响CT重建的图像质量,使得CT成像的应用受到一定的限制.本文主要研究了基于光场成像理论的X射线三维立体成像技术.首先从同步辐射光源模型出发,对X射线光场成像进行建模;然后,基于光场成像数字重聚焦理论,对成像目标场在深度方向上进行切片重建.结果表明:该方法可以实现对成像目标任一视角下任一深度的内部切片重建,但是由于光学聚焦过程中的离焦现象,会引入较为严重的背景噪声.当对其原始数据进行滤波后,再进行X射线光场重聚焦,可以有效消除重建伪影,提高图像的重建质量.本研究既有算法理论意义,又可应用于工业、医疗等较复杂目标的快速检测,具有较大的应用价值.     

等离子体中X射线透过率分析及潜在通信应用研究

X射线具有波长短、光子能量高等特点,有望在等离子体环境中实现信息的有效传输.本文首先采用基于连续介质中的WKB分层法,研究了黑障条件下, X射线在非均匀等离子体鞘套中的透过率特性,仿真了不同等离子体电子密度和碰撞频率下X射线信号的透过率,理论上证明了X射线可用于黑障区信息传输的可行性.其次通过搭建环形扩散辉光放电等离子体发生器及实验验证系统,进行了国内外首次X射线穿过等离子体鞘套的验证实验.实验结果表明,等离子体对X射线信号的透过率存在一定程度的衰减,透过等离子体前后的X射线信号能谱轮廓相似度优于95.5%,能谱峰值点的偏移量小于1.3%.此外,在原有理论模型的基础上,考虑等离子中的粒子与X射线的碰撞、吸收效应,优化了X射线在等离子体中的透过率模型,与传统的理论方法相比,该模型可对实验现象进行更好的解释.同时计算了X射线在临近空间的透过率,并分析了X射线通信所能达到的潜在指标.这些结果有望为解决黑障区信号传输提供一定的理论与实验依据.     

矿物药炉甘石煅制前后锌、铅元素的赋存形态及分布特征研究

采用X射线衍射(XRD)技术和电子探针微区分析(EPMA)技术针对中药炉甘石煅制前后锌、铅元素的赋存形态及分布特征进行了研究，探明了煅制对炉甘石中锌、铅元素赋存状态及分布的改变，为后续水飞减除铅元素的机理研究提供了理论依据。测试结果显示：21批次炉甘石(生品)中的锌元素以主矿物水锌矿[Zn₅(CO₃)₂(OH)₆]和杂质矿物异极矿[Zn₄(OH)₂(H₂O)(Si₂O₇)]为主要赋存形态，偶见菱锌矿(ZnCO₃)；炉甘石(生品)的背散射电子图谱及元素分布数据显示：Zn和Pb元素同时分布的区域为水锌矿，Zn和Si元素同时分布的区域为异极矿，Ca和Mg元素同时分布的区域为白云石，Ca元素单独分布区域为方解石。在炉甘石(生品)中，Pb主要分布于水锌矿中且分布相对均匀，Pb元素的分布与水锌矿中的Zn元素密切相关。大量水锌矿的微区点位的电子探针定量分析结果显示：各不同点位中的ZnO/PbO含量的比值趋于定值，Pb在水锌矿中呈统计式均匀分布，说明Pb在水锌矿中主要以类质同象混入物的形式存在。但是炉甘石(生品)中的异极矿、方解石及白云石等杂质矿物中铅元素含量极低甚至检测不到。炉甘石煅烧后水锌矿晶格中的Zn和Pb分别生成了ZnO和PbO。Zn元素在炉甘石煅制品中主要以氧化锌(ZnO)形式存在，少部分以杂质矿物硅酸锌(Zn₂SiO₄)形式存在，呈较连续状态分布。Pb元素在炉甘石煅制品中主要以氧化铅(PbO)的形式存在，呈星点状分布，与Zn元素的分布未呈现相关性，说明Pb在炉甘石煅制品中是以独立矿物形式存在的。煅烧破坏了水锌矿的晶格结构，在改变锌、铅化合物形态的同时，更改变了锌、铅的分布特征，打破了炉甘石中锌、铅的共生状态，使水飞减除铅元素成为可能。     

基于XPS对硫铁矿去除SeO2-3的机理研究

硒是动植物及人体生长必需的十五种微量元素之一，具有清除体内自由基、抗氧化、增强免疫力等功能，但其安全剂量的范围却很窄。利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）对湿法球磨制备的硫铁矿形貌进行了表征。SEM观测发现加乙醇助磨后的硫铁矿为粒径大小较均匀的球形颗粒团聚体，粒径范围在17～200 nm之间，平均粒径138 nm。XRD衍射图谱中的特征峰与FeS₂衍射图谱中各峰位置基本一致，因此判定硫铁矿中主要化学组分为FeS₂，且图谱中基本没有杂峰，表明制备过程中并未混入杂质，样品纯度较高。实验结果表明，该法制备的硫铁矿具有颗粒粒径小、比表面积大、反应活性高等优点。研究中利用X射线光电子能谱仪（XPS）对硫铁矿去除水体中SeO2-₃的机理进行了研究。研究结果表明, （1）在较为广泛的实验pH范围（pH 2.2～11.5），硫铁矿均能有效去除水体中SeO2-₃，去除效率（除pH值7.8以外）均达到90%以上；（2）硫铁矿与SeO2-₃发生反应后，其主要组成元素的XPS特征峰结合能有所减小，表明硫铁矿表面发生了一定化学变化；（3）酸碱环境下硫铁矿去除SeO2-₃的机理不完全相同，酸性环境下，硫铁矿对SeO2-₃的去除是单纯的氧化还原过程，即硫铁矿中被酸活化的S2-₂将SeO2-₃还原为单质Se(0)，并且酸性越强，SeO2-₃去除效果越好；碱性环境下，SeO2-₃的去除过程中氧化还原与络合反应并存，硫铁矿表面有络合态Fe(OH)SeO₃和单质Se(0)两种存在形态，且碱性越强，络合态Fe(OH)SeO₃含量越高。以上研究结果为硫铁矿去除固定水体和土壤中以SeO2-₃为代表的可变价金属阴离子提供重要理论依据和应用基础。