高灵敏度多元素现场X荧光探测系统的研制

论文摘要

在矿产资源勘查领域，采用高灵敏度X荧光探测设备，在野外对粉末样品、天然岩石和原生土壤进行快速多元素定量测定，能大大缩短地质普查和异常查证的周期，有效提高探矿效率，降低探矿成本。本文论述了新一代高灵敏度多元素现场X荧光探测系统的研制。该系统样机体积小，总重量小于3kg，在野外可持续工作14小时以上。能在测量现场完成K、Ca、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn和Sr等10余种元素的同时测定，其中对Cu、Zn的分析检出限可达到10μg／g。为地质与矿产勘查提供了一种新的地球物理仪器，促进中国地质科技的进步。X射线探测器的能量分辨本领是能量色散X荧光分析实现高灵敏度多元素分析的关键。本文首次将具有高能量分辨率的电致冷Si-PIN半导体探测器应用于携带式X荧光仪，并设计、研制了与探测器相配套的电子线路单元和应用软件。通过最佳“源-样-探”几何参数论证，设计了基于同位素激发源的“对称边源”激发装置，有效提高X荧光探测的“峰背比”，进一步提高分析灵敏度；设计并制作了“无变压器式高压偏置电源”和“开关型温控致冷电源”，提高系统信噪比并降低了静态功耗；研制了信噪比高、稳定性高、功耗低，而且体积小的脉冲成形放大器和袖珍型多道脉冲幅度分析器；采用嵌入式PC／104工业标准微机作为谱数据处理系统，增强携带式现场X荧光探测系统的实时数据处理能力，实现谱数据现场处理；提出“特征峰软件稳谱”技术，实现野外大温差条件下仪器的谱跟踪测量；开发了具有“汉字下拉菜单”友好操作界面的现场X荧光分析应用软件。样机先后参加两轮国际地质分析协会组织的样品比对分析，快速多元素测定结果准确度较好。在云南省4个铜矿远景区地质普查野外实际应用表明，可对粉末样品、原生土壤、天然岩矿石、水系沉积物等测量对象进行多元素快速定量、半定量测定。测量准确度、精确度、检出限和长期稳定性等关键指标，均能达到DZ／T0011—91《1：5万地球化学普查规范》中的规定要求。在本论文的研究成果基础上，发表相关论文9篇，其中EI收录3篇，获国家实用新型专利授权1项。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 现场X荧光分析技术与仪器的研究现状
• 1.1.1 国外研究现状
• 1.1.2 国内研究现状
• 1.2 地质、矿产勘查领域对X荧光探测系统的技术要求
• 1.3 研究课题来源
• 1.4 选题依据与研究意义
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 基本原理与总体设计思路
• 2.1 X荧光分析的基本原理
• 2.2 现场X荧光探测系统的工作原理
• 2.3 系统总体设计思路
• 第3章 X荧光探头设计
• 3.1 探测器选型
• 3.2 激发源的选择
• 3.3 “源-样-探”几何设计
• 3.3.1 “源-样-探”的理想模型
• 3.3.2 激发源的布置
• 3.4 样品位置、面积与厚度要求
• 3.5 荧光探头封装设计
• 第4章 电子学单元的研制
• 4.1 无变压器式SI-PIN探测器高压偏置电源的研制
• 4.1.1 设计思路
• 4.1.2 无变压器式高压偏置电源结构与基本工作原理
• 4.1.3 电路设计与参数确定
• 4.1.4 高压偏置电源性能测试
• 4.2 开关型温控致冷电源的设计与实现
• 4.2.1 温控致冷电路方案
• 4.2.2 温控致冷电路控制特性分析
• 4.3 掌上型SI-PIN探测器电源系统
• 4.4 成形放大器的设计
• 4.4.1 最佳滤波器讨论
• 4.4.2 成形放大器的结构与单元电路设计
• 4.4.3 成形放大器的原理图与波形测试
• 4.5 袖珍型多道分析器的研制
• 4.5.1 基本构成与工作原理
• 4.5.2 脉冲峰值检测电路
• 4.5.3 MCA工作时序
• 4.5.4 微控制器在MCA中的应用
• 4.5.5 模拟SPI总线时序实现ADC接口
• 4.5.6 MCA的PCB设计
• 4.5.7 MCA的主要性能指标
• 4.6 基于嵌入式PC/104微机的谱数据处理系统
• 4.6.1 谱数据处理机选型
• 4.6.2 PC/104微机简介
• 4.6.3 PC/104与图形点阵LCD接口
• 4.6.4 GAL专用键盘开发
• 第5章 多道谱数据处理与软件实现
• 5.1 特征峰软件稳谱技术
• 5.1.1 谱漂监测特征峰选取
• 5.1.2 谱线光滑
• 5.1.3 软件寻峰
• 5.1.4 谱漂量确定与谱漂校正
• 5.1.5 谱漂校正效果测试
• 5.2 能量刻度与元素识别
• 5.3 峰面积计算
• 5.4 现场数据处理与含量输出
• 5.4.1 数据处理流程
• 5.4.2 工作曲线确定
• 5.5 汉字下拉菜单界面软件开发
• 5.5.1 汉字显示
• 5.5.2 菜单编写
• 5.5.3 下拉菜单
• 5.5.4 谱线缩放显示
• 5.5.5 软件功能结构
• 第6章 性能指标测试与评价
• 6.1 基本技术指标
• 6.2 能量分辨率、能量测量范围与能量非线性
• 6.3 检出限
• 6.4 测量精确度评价
• 6.5 测量准确度评价
• 6.6 长期稳定性
• 6.7 与国外同类产品比较
• 第7章 应用效果
• 7.1 参加国际地质分析协会比对分析
• 7.2 在地质普查中的应用
• 7.2.1 驻地快速测定分析准确度评价
• 7.2.2 异常追索查证
• 7.2.3 应用效果小结
• 7.3 在铜钴矿快速测定中的应用
• 7.3.1 样品概况与定性分析
• 7.3.2 快速测定方法
• 7.3.3 分析结果讨论
• 7.3.4 应用效果小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录1 “硕博连读”期间发表论文及被SCI、EI收录情况
• 附录2 中国测试技术研究院检测报告
• 附录3 中国地质调查局审查意见书
• 附录4 相关研究成果国家专利证书
• 附录5 相关研究成果获奖证书
• 附录6 仪器样机及其应用工作照片