X射线能量谱间接测量方法

X光机的X射线能量谱在CT图像硬化校正、散射校正和定量CT成像等技术中扮演着重要角色。提出了一种通过由质量衰减系数已知的材料构成的楔型模体的扫描数据来恢复X射线能量谱的方法。经GEANT4模拟数据及实采数据验证,该方法能够较好地恢复X光机的X射线能量谱。通过仿真实验,分析了在几个常用电压下模体材质和厚度对恢复X射线能量谱的影响。     

Lucy-Richardson迭代解谱在X射线荧光分析的应用

硬X射线调制望远镜是我国第一颗X射线天文卫星,其载荷低能X射线望远镜采用了SCD型探测器CCD236,主要对能量在0.7～13.0 keV的软X射线光子进行观测。卫星发射前,需要对探测器进行详细的性能标定,其中包括能量响应矩阵的标定。能量响应矩阵是能谱分析的关键。CCD236探测器输出能谱并不是观测光源的真实发射谱,而是发射谱与探测器能量响应矩阵的卷积结果。一般可以通过直接反卷积的方法还原光源的真实能谱。解谱过程可以看作是一维成像问题,利用能量响应矩阵与输出能谱进行反卷积解谱。常用的反卷积算法为Lucy-Richardson迭代算法,其利用条件几率的贝氏定理反复进行运算,进而对输出能谱进行反解,得到观测光源的真实发射能谱。通过能量响应矩阵对CCD236探测器的55Fe测量能谱进行解谱。经过解谱,能谱的能量分辨从144.3 eV提升到了65.6 eV@5.9 keV,连续谱成分被明显地抑制,提高了能谱的峰背比。反解能谱由两个半峰全宽很小的（<70.0 eV）高斯峰组成,两成分的强度比为8.4,能够很好地表征真实发射谱的结构。利用这种方法可对材料X射线荧光谱进行解谱,还原材料的荧光谱,提高能谱的能量分辨。反解结果中主要元素各类荧光线通过解谱彼此独立,能谱峰背比很高,可以很好地用于X射线荧光分析中,提高荧光谱的质量。     

毛细管聚焦的X射线荧光光谱拟合软件的开发及应用

基于Python语言设计了一款毛细管聚焦的X射线荧光光谱拟合软件QMXRS（quantitative analysis of micro-energy dispersive X-ray fluorescence spectra）并实现其在毛细管聚焦的X射线荧光光谱拟合方面的应用。QMXRS具有小波降噪、本底扣除、能量刻度、元素特征峰的识别、分峰和拟合、能谱的批处理和元素分布成像等功能。毛细管聚焦的X射线荧光分析技术采用毛细管X光透镜对X射线源激发出的X射线束进行聚焦导致X射线荧光光谱分布发生改变。这一变化影响了毛细管聚焦的X射线荧光光谱本底分布。因此QMXRS利用本底预估模型对毛细管聚焦的X荧光光谱本底进行本底分布的修正;同时在全谱拟合过程中,利用半高宽与能量的关系对高斯峰半高宽进行约束,减少高斯峰模型中变量,在保证全谱拟合收敛的同时提高了拟合速度。为验证上述方法的可行性,分别利用QMXRS,PyMca(python multichannel analyzer)和QXAS(quantitative X-ray analysis system)三款软件分析NIST 610标准样品的毛细管聚焦的微束X射线荧光光谱,并对比三款软件的元素特征峰拟合结果。结果表明,相较于QXAS和PyMca采用的非最小二乘法拟合,QMXRS采用约束化的非线性最小二乘法进行拟合能有效的减少能谱拟合过程中带来的误差,提高分析数据的准确度。     

一种锐化误差小波EDXRF光谱解析方法研究

在轻元素自身和实测元素间的特征X射线相互影响之下，受仪器能量分辨率的制约，实测X射线荧光光谱会产生严重重叠。以色谱分离度Rs判定谱峰重叠程度，针对Rs低于0.3的重叠峰，提出一种解析EDXRF光谱的新方法，并对模拟X射线荧光光谱进行了新方法的验证。首先，详细介绍基于四阶导的峰锐化法和提出误差小波变换。通过仿真结果发现：当Rs=0.27时，两种方法皆不能单独实现重叠谱峰的解析与识别；然而，原始信号在四阶峰锐化法处理后保留了峰位特征的同时，还出现了Rs明显增大的有利现象。因此，只需要通过调节四阶峰锐化法的权重完成对低分离度重叠峰的初步锐化处理，再对锐化后的信号进行误差小波变换，结果实现了对模拟重叠峰的分解，证明了结合后的新方法(锐化误差小波变换)针对极低分离度的重叠谱峰具有强大的分解能力。对两组重叠谱峰采用叠加的高斯函数进行模拟，分别是Mn的K_β能量峰与Fe的K_α能量峰的重叠光谱(Rs=0.19)以及Al的K_α能量峰与其K_β能量峰的重叠光谱(Rs=0.11)。用新方法对谱线进行处理，实现了重叠峰分解，结...     

X射线荧光光谱中低分离度重叠峰分解的方法研究

由于轻元素自身特征X射线以及测量元素间特征X射线的相互干扰,受仪器能量分辨率的影响,实测X射线荧光光谱会产生严重重叠。以色谱分离度Rs作为计算谱峰重叠程度的指标,Rs低于0.5的重叠峰作为研究对象,提出一种峰锐化法结合双树复小波变换分解低分离度重叠峰的新方法,并对模拟X射线荧光光谱和实测X射线荧光光谱进行了新方法的验证。首先,在详细介绍峰锐化法和双树复小波变换分解重叠峰原理的基础上,通过仿真结果发现:当Rs=0.38时,两种方法皆不能单独实现重叠峰的分解;然而,峰锐化法处理后的信号不仅保留了原始信号的峰位特征,还出现了分离度明显变大的现象。因此,可以通过调节峰锐化法的权值实现对低分离度重叠峰的初步锐化,再对锐化后的信号做双树复小波变换,结果实现了对模拟重叠峰的分解,验证了新方法分解低分离度重叠峰的优越性。其中,双树复小波变换的分解层数为2～6层,第一层选择near_sym_b滤波器,第一层以上选择qshift_d滤波器,且当细节系数放大倍数为1～10时,重叠峰的分解结果更准确。然后,模拟了K元素K_α能量峰与其K_β能量峰的重叠光谱(Rs=0.44)以及Fe元素K_β能量峰与Co元素K_α能量峰的重叠光谱(Rs=0.34),用新方法对谱线进行处理,结果实现了重叠峰分解,且分解后峰位和峰面积的相对误差分别在1%和6%以内,验证了该方法分解光谱中低分离度重叠峰的可行性。最后,用新方法对实测的Ca元素X射线荧光光谱进行处理,最终也实现了重叠峰分解,且分解后的峰位相对误差分别为0.8%和0.7%。结果证明:峰锐化法结合双树复小波变换能够有效分解低分离度重叠峰,且在解决X射线荧光光谱中谱峰严重重叠的问题上具有实用性。     

氢气放电中X射线测量的能量刻度

在用微机多道测量氢气放电中的异常X射线能谱时,需要准确地给出各新谱线峰位的能量值,它由刻度求得的谱仪系统的零点和道数一能量转换系数给出,本文通过实验比较了能量刻度的四种方法:道数一能量关系直线外推法;脉冲幅度一道数关系直线外推法;双能X射线源法;特征X射线法.比较结果说明:用道数一能量直线外推法进行刻度最为准确,当能量大于2.0 keV时,其能量刻度不确定度小于2%.     

X射线管激发X荧光光谱连续本底扣除方法研究

X射线管是目前X射线荧光光谱分析中最常采用的激发源,它所产生的原级谱成为了X荧光光谱中本底成分的主要来源,在对这种光谱进行进一步的分析处理之前需要对其本底进行扣除,对本底估计的准确性直接影响后续处理步骤的效果。对射线管激发X荧光光谱的成分进行了分析,针对其本底特点构造了一种本底强度的估计方法,并根据实测谱线构建了理论测试谱线以便对光谱处理算法的效果进行评价。该方法利用测得X射线荧光光谱中不包含特征峰的谱段对X射线管原级谱造成的本底成分进行估计,使用只包含连续本底的谱段对整个测量谱段进行插值,从而避免了谱线特征峰重叠或对半高宽估计不当时所产生的影响。利用构建的测试光谱对SNIP法、傅里叶变换法和本文的本底估计方法的使用效果进行了比较,使用该方法估计的本底与理论本底更加接近。结果表明使用的方法对X射线管激发的X荧光光谱的本底估计准确,可以采用这种方法对连续本底进行扣除,在对实际测得的X射线荧光光谱的本底扣除中取得了较好的应用效果。     

应用遗传算法拟合偏振X射线荧光重叠谱

X射线荧光光谱分析由于受能量探测器分辨率的限制,谱线重叠干扰严重。不采用合适的重叠谱峰分解或曲线拟合技术,很难进行成分定性和定量分析。样品中的元素及谱线未知、背景基线不确定和模型初始参数不准确是曲线拟合中的最大困难。有多种算法可应用于光谱分析中的曲线拟合。文章将遗传算法应用于永磁材料偏振X射线荧光中的重叠谱分解,研究了进化策略对谱峰分解质量的影响,比较了遗传算法与传统算法的拟合结果。研究表明遗传算法在谱线严重重叠情况下仍具有较强的谱峰分解能力;群体初始化和进化策略的正确选择是该算法成功应用的关键;遗传算法具有全局搜索能力,对重叠谱峰的分辨能力优于标准Marquardt-Levenberg算法。     

透射式柱面弯晶谱仪的单滤片能量刻度方法

根据布拉格衍射定律和晶层模型,推导了透射式柱面弯晶谱仪的三维衍射光路的理论公式,并利用该理论研究了谱仪测量光谱的能量刻度问题。在考虑了实验中谱仪与光源的准直度和记录介质放置姿态带来的误差后,发现利用多种滤片的K吸收边进行公式拟合得到弯晶谱仪能量刻度曲线的方法对低能X射线谱线的误差较大,进而提出了用单滤片通过理论公式模拟计算进行谱仪能量刻度的方法。通过对透射式柱面弯晶谱仪测量到的Ag靶X光机的实验光谱进行能量刻度,实现了用单滤片在线定标弯晶谱仪,验证了理论公式和能量刻度方法的正确性。     

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。     

基于高斯锐化法的重叠峰分解方法研究

在放射性能谱测量中,由于探测器分辨率较低、待测样品中原子能级相近,往往会出现全能峰的重叠现象,对放射性核素的定性或定量检测带来较大的困难;常规的分离算法一般需要复杂的谱变换或大量的标准谱样本,不适用于现场测量中重叠峰的实时分解。因此,提出一种基于高斯锐化法的能谱重叠峰解析方法(GSM),结合峰锐化法的分辨率增强能力和褶积滑动变换法的平滑特性,可快速地识别、定位和解析γ能谱中的重叠峰。该方法首先对高斯函数进行锐化并做归一化处理,并以此作为变换算子,选择合适的高斯参数及窗宽度,通过对原始γ能谱数据进行褶积滑动变换,达到滤波和提高重叠峰分离度的目的;然后求解GSM成形处理后的谱线近似函数作为目标函数,并选取峰位中心附近若干点作为初始参数,最后以非线性拟合的方法进行重叠峰特征峰参数的解析。实验中,首先验证了该方法变换前后峰位、峰面积特征值的不变性,其次分别对重叠峰能谱段以及MCNP模拟的131I,137Cs,214Bi,206Bi和26Al混合放射源γ能谱进行方法验证。实验结果表明,该方法对于分离度大于0.375、信噪比大于40 dB的重叠峰具有较好分解效果,分解前后的峰位和峰面积的相对误差分别在1%和4.5%以内;对于γ能谱进行全谱解析后,重叠峰的峰位分离相对误差在1%以内,单峰的分离相对误差约为0.1%以内,且当变换算子的半宽度接近探测器能量分辨率时,重叠峰的分解结果更准确。该方法具备较好的噪声抑制性能,在全谱解析中无需进行能谱光滑及本底扣除等谱线预处理操作,且计算资源耗费少,分解精确度较高,便于能谱测量系统的嵌入式实时解谱应用,对放射性测量中能谱的现场快速解析具有实用性。     

一种低原子序数元素EDX RF的多次导-样条小波解析方法研究

能量色散X射线荧光（EDXRF）光谱分析待测元素的信息主要反映在能谱的特征峰峰位以及特征峰净峰面积中。对于特征峰的准确检测是EDXRF光谱分析的关键。特征X射线之间的能量在低原子序数元素中相差很小,在实际测量过程中由其他一些因素干扰会导致EDXRF光谱中特征峰产生严重重叠,以EDXRF光谱中低序列元素的重叠峰作为研究对象,提出一种四次导数结合三样条小波变换处理低序列元素重叠峰的新方法。通过数学模型模拟重叠峰检测了该方法的可行性,并仿真了实测X荧光光谱数据进行检测得到良好的效果,通过使用了CIT-3000SY X 荧光元素录井仪实测T铅黄铜数据和混合轻元素数据荧光光谱作为验证。首先,介绍导数法以及三样条小波法分解重叠的原理。导数法阶数越高信号越畸形但可以有效提高重峰分离度,而三样条小波变换对低分离度重峰处理较为无力但能有效的保持峰型。通过Tsallis峰信号模拟重叠峰,模拟出3个峰信号,第1个峰和第2个峰的分离度R=0.33,第2个峰和第3个峰的分离度R=0.67,导数处理后信号任仍具有一部分重叠,但是导数处理后不仅保留了信号的峰位值,且出现了分离度变大的现象,而三样条小波对低分离度重叠峰的分解较为无力,但是对于分离度较大的重叠峰具有较好的效果,信号通过四次导增加分离度再进行三样条小波变换,通过调节样条小波分解层次的次数,然后对分解出的高频信号采取适当的系数进行放大,最后进行信号重构。实验实现了对模拟信号的分解。验证了此方法针对重叠峰分解具有可行性。实验采用分解4层的三样条小波变换以及放大6倍的高频信号。然后,处理仿真K元素的重叠光谱,实现了重叠峰的分解,通过仿真实验表明新方法能准确的识别峰位,结果表明只有1%之内的误差,证明了新方法对X荧光光谱重叠峰分解的适用性。最后用此方法对CIT-3000SY X荧光元素录井仪实测T铅黄铜元素数据以及混合轻元素数据X荧光光谱进行处理,实现了对重叠峰的分解,且分解后的峰位误差控制在1%之内,具有较高的准确率。实验结果证明：四次导数结合三样条小波变换能有效分离重叠峰,并且在处理X荧光光谱的重叠峰分解上具有实用性。     

基于PGNAA的化学武器识别

未知化学武器弹药的定性识别在犀护社会安全方面是十分重要的,可指导化学武器的分类处理。瞬发伽马射线中子活化分析（PGNAA）技术利用分析活化产生的伽马射线能谱可以实现对物质中元素的无损,快速检测,在化学武器识别中具有独特的优势。因此,本研究基于PGNAA技术进行了化学武器弹药类型识别装置的设计,同时使用逻辑树判别方法对化学武器样品进行定性分析。首先,基于高纯锗（HPGe）探测器与Cf-252中子源,使用蒙特卡罗MCNP程序对装置结构进行设计优化,主要包括中子源容器尺寸、伽马屏蔽体厚度以及探测器相对位置等。为了最大化样品活化产生的特征伽马射线,需要提高样品位置处的热中子通量,采用聚乙烯作为慢化体,模拟结果显示聚乙烯厚度达到6 cm,宽度达到12 cm时,样品中热中子通量达到较高水平。为了降低周围材料活化噪声的干扰,选择铅作为屏蔽结构,模拟显示铅屏蔽厚度达到5 cm时,可满足屏蔽要求。同时,探测器与样品之间的距离也会影响对伽马射线的探测,最终模拟确定探测器与样品之间的距离为28 cm时,特征信号计数最高。根据优化结果搭建测量装置,使用分析纯试剂根据真实化学武器元素含量配制化学武器模拟样品,通过对5种化学武器模拟样品的测量获得伽马能谱。对能谱中的特征峰处理过程中,基于特征峰对元素进行分析,针对计数统计性较好的元素（如H,Cl,S）的特征峰,使用高斯及多项式拟合的方式对特征峰处的高能量康普顿平台进行扣除,获得特征伽马射线的全能峰信息。而对统计性较差的元素特征峰（如N元素的10.829 MeV）,采用能量区间加和法,对该能量下的全能峰至单逃逸峰之间的计数求和,进而可确定该元素在样品中的存在情况,最后利用建立的逻辑树判别方法根据元素存在信息对样品类型进行判别。实验结果表明,利用该优化的装置可以获得5种模拟样品的能谱,结合能谱分析方法可以得到化学武器模拟样品中的H,Cl,S和N等元素的存在信息,最后使用逻辑树判别方法可以对化学武器样品种类进行判别。     

种群算法在能量色散X荧光重叠谱拟合中的应用

在能量色散X荧光光谱分析中,常用的闪烁探测器如NaⅠ(Tl)探测器的能量分辨率都不高,均在8%左右。能量分辨率低下往往对谱数据分析带来较大的难题,特别是在高本底低计数的情况下剥离仪器谱重叠峰会受到很大限制,越是重叠严重的峰越是无法剥离,进而无法分辨峰值和峰面积,更无法进一步对元素进行定性定量分析。为此,结合遗传算法和免疫算法的优势建立新的种群算法应用在重叠谱分析上,该算法以欧式距离为进化的判断依据,以最大相对相似误差值为迭代准则进行迭代。利用高斯函数模拟不同重叠程度的仪器谱图,将种群算法应用在重叠峰分离和全谱模拟中,峰道址偏差在±3道以内,峰面积偏差不超过5%,证明该方法在能量色散X荧光重叠谱分析中有较好的效果。     

一维周期性增益介质的临界长度

用传输矩阵方法研究了一维周期性增益介质的透射频谱随系统层数的变化规律.研究发现：对层数一定的介质,透射率在某些频率上有很大的峰值;增加层数,尖峰在频谱图上出现的位置会发生移动,且对不同的频段,其位置随介质层数的变化规律是不同的.考察了这种系统中每个频率的光所对应的临界长度,解释了不同频段激光出现位置随层数变化的规律.比较了周期系统和随机系统中临界长度与频率关系的异同,用群速度理论和能带理论对此做了解释.     

Characteristic electron energy losses in germanium

The characteristic electron energy loss spectrum of germanium was studied in a transmission type experiment as a function of the changes in structure due to electron bombardment. The structure of the material was characterized by electron micrograph and diffraction techniques. The electron energy loss spectrum of germanium was studied up to 45 eV, and loss peaks were observed at 15.7 eV and 31.6 eV as well as a 6 eV carbon loss. The positions of the most intense characteristic energy loss peak at 15.7 eV and its first multiple were constant for a large variation in the lattice parameters for the individual films.     

基于离散极大值法的太赫兹光谱特征吸收峰提取方法

太赫兹波在电磁波谱中介于微波和红外辐射之间，具有指纹特性、安全无损、强穿透性等特点，因此太赫兹光谱技术在药品成分和组成检测领域具有广泛应用价值。针对高纯度物质识别研究中存在部分弱吸收峰不易识别，以及混合物的太赫兹光谱中吸收峰强度降低而导致吸收峰位信息模糊化的问题，提出了一种基于离散极大值法的光谱吸收峰位识别方法，即伴随拐点法。伴随拐点法首先利用目标检测物太赫兹吸收系数谱图的一阶和二阶导数确定吸收峰位的伴随拐点和基线谱，其次将原始吸收光谱与基线谱进行差分运算得到差谱，最后根据离散极大值法确定吸收峰位，从而实现特征吸收峰的识别。为验证伴随拐点法的有效性，采用伴随拐点法对四种硝基呋喃类样品光谱进行吸收峰提取，并将吸收峰位识别结果与仿真结果进行比较。实验结果证明，伴随拐点法能有效识别目标检测物的强吸收峰和弱吸收峰。该方法不仅在含峰目标物的太赫兹特征吸收峰识别问题中具有广泛的应用前景，还适用于其他光谱的谱峰峰位检测。     

不同地区蜂胶和树胶的红外谱图分析

蜂胶有抗菌、抗病毒、保肝、抗癌等功效,被誉为“紫色黄金”,而当前蜂胶市场制假掺假现象愈演愈烈。为快速鉴别蜂胶的真假与优劣,以41种中国蜂胶、一种美国蜂胶和两种树胶为实验材料,利用傅里叶变换红外光谱仪采集其红外谱图,以青海蜂胶为参照样品分析相似度,并利用主成分分析法进行数据解读。结果表明,所有蜂胶在2 848.53～2 849.08和2 916.76～2 917.74 cm-1两个区域都存在特征峰,而树胶在这两个区域内无特征峰。树胶的特征峰区域为1 150～1 300和1 550～1 650 cm-1。通过这些差异可以快速甄别蜂胶和树胶,鉴别真假蜂胶。以具有较高品质的青海蜂胶为参照物,匹配性分析显示,树胶与蜂胶完全不匹配,而42种蜂胶样品均与青海蜂胶有较高的匹配度（>80%）,PCA结果显示,蜂胶和树胶,以及不同气候带、不同颜色的蜂胶可以较好区分开来。本研究首次基于红外光谱技术对不同蜂胶进行分析,有望建立蜂胶真假及优劣鉴定的新方法。