实验和理论模拟研究共聚焦X射线荧光谱仪的性能及对古文物的层状结构分析

论文摘要

随着人们对微材料、样品元素分布信息的日益重视,能够进行无损测量的微束X射线荧光光谱分析(MXRF)得到了充分的发展。近两年国际上已经研究出多台三维共聚焦X射线荧光谱仪,并对其应用发展作了一定的研究。本文介绍了北师大低能所X光室利用Mo靶微焦斑光源研制的三维共聚焦X射线荧光谱仪,该谱仪是以微焦斑光源前加会聚透镜和探测器前加半透镜构成的双透镜共聚焦系统。文中对该三维共聚焦X射线荧光谱仪的基本性能作了详细的测量,其中包括对共聚焦荧光谱仪的空间分辨率(FWHM)、深度分辨率及其与荧光能量的关系、最小探测极限的测量。根据三维共聚焦X射线荧光谱仪自身的特点,我们利用对古陶瓷、故宫壁画等样品的深度分析,发展了对层状样品的无损探测方法,并对无损探测方法的优势和劣势作了分析。本文也详细介绍了使用同步辐射光源研制的一台新的三维共聚焦X射线荧光谱仪。该谱仪是在北京高能所同步辐射荧光站上搭建的,是以同步辐射光源前加Kirkpatrick–Baez mirrors(KB镜)和探测器前加半透镜构成的共聚焦系统。与双透镜共聚焦系统相比,该谱仪一个很大的优点:调节共焦斑用时很短,能够节省大量的时间。利用该荧光谱仪,我们对壁画、小叶黄杨和大气颗粒物进行了分析。三维共聚焦X射线荧光谱仪是一种新发展的微束荧光分析设备,需要有理论的证实和指导。文中根据X射线荧光强度的理论计算和X光透镜出射光束的光强分布建立了三维共聚焦X射线荧光谱仪的理论模型。并利用该理论模型进行了一系列的模拟实验,与真实的实验结果符合很好。使用该理论模型,还可以进行实验条件下无法进行的实验,对实验的设计和构思有很好的指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 X射线荧光分析
• 1.1.1 X射线荧光分析原理
• 1.1.2 X射线荧光强度的理论计算
• 1.1.3 常规X射线荧光分析技术
• 1.1.4 微束X射线荧光分析技术
• 1.2 导管X光学
• 1.2.1 X射线毛细导管
• 1.2.2 X光透镜的发展及应用
• 1.3 三维共聚焦X射线荧光谱仪
• 2 X光透镜
• 2.1 X光透镜的性能参数
• 2.2 X光透镜性能参数的测量
• 2.2.1 平行束透镜性能参数的测量
• 2.2.2 会聚透镜性能参数的测量
• 2.3 小结
• 3 三维共聚焦X射线荧光谱仪
• 3.1 共聚焦X射线荧光分析的原理
• 3.2 国际上共聚焦X射线荧光谱仪的调研
• 3.3 本实验室共聚焦X射线荧光谱仪的研制
• 3.3.1 使用微焦斑光源的共聚焦X射线荧光谱仪
• 3.3.2 使用同步辐射光源的共聚焦X射线荧光谱仪
• 3.3.3 小结
• 3.4 共聚焦X射线荧光谱仪的理论模拟
• 3.4.1 三维共焦斑的理论模型
• 3.4.2 共聚焦X射线荧光谱仪的模拟实验
• 4 共聚焦X射线荧光谱仪的性能研究
• 4.1 共聚焦X射线荧光谱仪的空间分辨率
• 4.1.1 共聚焦X射线荧光谱仪的空间分辨率的理论计算
• 4.1.2 三维共聚焦X射线荧光谱仪的空间分辨率的实验测量
• 4.2 共聚焦X射线荧光谱仪的深度分辨率
• 4.2.1 同步辐射光源共聚焦X射线荧光谱仪的深度分辨率
• 4.2.2 微焦斑光源共聚焦X射线荧光谱仪的深度分辨率
• 4.2.3 微焦斑光源共聚焦X射线荧光谱仪的分辨性能
• 4.3 共聚焦X射线荧光谱仪的最小探测极限
• 5 共聚焦X射线荧光谱仪的应用
• 5.1 古陶瓷样品的分析
• 5.1.1 青瓷样品1 号的共聚焦荧光谱仪分析
• 5.1.2 青瓷样品2 号的共聚焦荧光谱仪分析
• 5.2 红绿彩的分析
• 5.3 故宫壁画的分析
• 5.3.1 微焦斑光源共聚焦X射线荧光谱仪分析故宫壁画
• 5.3.2 同步辐射光源共聚焦X射线荧光谱仪分析故宫壁画
• 5.4 指纹图案的分析
• 5.5 小叶黄杨枝条的元素分布分析
• 5.6 大气颗粒物的分析
• 5.7 膜厚的测量
• 6 结论
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文