基于蒙特卡羅模擬方法的多能X射線二次轉(zhuǎn)換靶研究

廖先莉,唐 琳

(1.成都大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,四川 成都 610106；2.成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院,四川 成都 610059)

0 引 言

為了提高X射線熒光分析儀的準(zhǔn)確度、精確度及降低分析檢出限，有效提高目標(biāo)元素特征X射線的激發(fā)效率就成了關(guān)鍵性措施之一.由于受軔致輻射的影響，由X射線管產(chǎn)生的原級(jí)譜為連續(xù)的X射線能譜，不利于能量色散X射線熒光分析[1].二次轉(zhuǎn)換靶可將X射線管產(chǎn)生的連續(xù)譜線變成單能X射線，降低散射背景，激發(fā)樣品的單一元素，以便對(duì)每種元素的譜線進(jìn)行測(cè)量[2].目前已有不少關(guān)于二次轉(zhuǎn)換靶的研究報(bào)告[3-5]：馬永紅[3]應(yīng)用二次靶的靶材元素單一，每一次測(cè)量只能得到待測(cè)樣品中一種元素的特征譜，為了對(duì)樣品中的各種元素進(jìn)行測(cè)量，需要多次更換靶材，通過更換不同的靶物質(zhì)，改變激發(fā)源的X射線能量，使之與目標(biāo)元素的吸收限相近，從而通過多次測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種元素的測(cè)量,缺點(diǎn)是完成整個(gè)測(cè)量的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；曹琴琴等[4]分析8種透射靶的X射線出射效率隨靶材厚度和X射線管電壓的變化規(guī)律；戴禮洪等[5]建立了偏振能量色散X-射線熒光光譜儀測(cè)定土壤中 Ni、Cu、Zn、Pb 4種重金屬元素的方法.上述所有文獻(xiàn)轉(zhuǎn)換靶均為同一種元素組成，一次測(cè)量一種待測(cè)元素.本研究采用基于計(jì)算粒子輸運(yùn)過程的蒙特卡羅模擬計(jì)算程序(Monte Carlo N partide transport code,MCNP)模擬產(chǎn)生多能X射線的二次轉(zhuǎn)換靶，以同時(shí)測(cè)量大米中的元素Cd和As為例，建立了透射靶激發(fā)裝置模型，分析了當(dāng)二次轉(zhuǎn)換靶中每種靶材元素所占面積不同時(shí)得到的待測(cè)元素特征X射線計(jì)數(shù)率的變化，為多能二次轉(zhuǎn)換靶實(shí)現(xiàn)多元素的同時(shí)測(cè)量提供了參考.

1 轉(zhuǎn)換靶

微型透射式X射線管會(huì)產(chǎn)生能量連續(xù)的軔致輻射[6].由于元素的特征X射線疊加在連續(xù)譜線上，不利于元素的分析，為此常常采用轉(zhuǎn)換靶裝置進(jìn)行能量的選擇激發(fā)[7].

透射式二次轉(zhuǎn)換靶裝置示意圖如圖1所示.由X射線管發(fā)出的初級(jí)X射線經(jīng)過二次轉(zhuǎn)換靶產(chǎn)生靶材元素的特征X射線，然后再去激發(fā)樣品中的待測(cè)元素.樣品中的待測(cè)元素被激發(fā)后產(chǎn)生特征X射線，探測(cè)器通過對(duì)樣品中待測(cè)元素特征X射線的檢測(cè)得到特征X射線的計(jì)數(shù)率，從而進(jìn)行定性分析和定量分析，最終得到樣品中待測(cè)元素的種類和含量.

為了提高樣品中待測(cè)元素的激發(fā)效率，通常使用能量稍微高于該待測(cè)元素吸收限的單色光子束作為樣品的入射輻射，相當(dāng)于降低了樣品入射射線的散色背景，提高待測(cè)元素激發(fā)效率的同時(shí)不會(huì)激發(fā)其他干擾元素.放射源發(fā)出的一次射線激發(fā)出靶元素的特征X射線，然后將該靶元素的特征X射線作為待測(cè)樣品的入射射線.若改變靶材料，就能改變裝置輸出的X射線能量[8].

X射線管射出的初級(jí)X射線打到由純?cè)刂瞥傻霓D(zhuǎn)換靶上，靶上的原子在受到激發(fā)后產(chǎn)生自身的特征X射線，其能量稍大于樣品待測(cè)元素的吸收限，然后再去激發(fā)待測(cè)元素的特征X射線，獲得更高的激發(fā)效率，降低本底，也提高了峰背比.當(dāng)需要同時(shí)測(cè)量的待測(cè)元素不止一種元素時(shí)，單一元素組成的轉(zhuǎn)換靶就不能同時(shí)滿足多種待測(cè)元素的要求，然而使用多種元素組成轉(zhuǎn)換靶時(shí)，每種元素在轉(zhuǎn)換靶中所占的面積也將直接影響對(duì)應(yīng)樣品中待測(cè)元素特征X射線的計(jì)數(shù)率.

2 蒙特卡羅模擬條件

直接測(cè)量X射線能譜需要高精度的測(cè)量系統(tǒng)，搭建一個(gè)能夠任意改變測(cè)量條件的能譜測(cè)量系統(tǒng)是必要的，所以完成X熒光測(cè)量的實(shí)驗(yàn)成本很高.由于每一個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)根據(jù)不同的要求更換不同的設(shè)備及模塊，普通實(shí)驗(yàn)室很難勝任測(cè)量任務(wù)[9].

由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高，一臺(tái)高配置計(jì)算機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)蒙特卡羅仿真模擬研究，使得蒙特卡羅模擬方法成為核物理及核技術(shù)研究的重要手段和解決實(shí)際工程問題的重要研究方法[10].本研究主要應(yīng)用蒙特卡羅模擬方法實(shí)現(xiàn)對(duì)多能X射線二次轉(zhuǎn)換靶的分析.

常用的蒙特卡羅模擬軟件主要有 EGS、Fluk、Geant、MCNP.其中，MCNP是美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一款模擬多粒子輸運(yùn)的蒙特卡羅模擬軟件[11].

本研究采用MCNP5模擬軟件進(jìn)行X熒光分析物理過程的模擬.X熒光分析物理模型中的粒子輸運(yùn)問題主要為光子和電子的耦合輸運(yùn)[12].二次轉(zhuǎn)換靶采用透射靶且應(yīng)用MCNP模擬方法建立的透射靶激發(fā)裝置模型3D圖如圖2所示.初級(jí)X射線的入射角φ和次級(jí)X射線的出射角Ψ均為45°.采用蒙特卡羅模擬軟件模擬時(shí)，設(shè)定樣品為大米，待測(cè)元素為大米中的元素Cd和As，樣品中的設(shè)置成分為6.71%H含量、36.90%C含量、1.61%N含量、54.20%O含量、0.29%Cd含量及0.29%As含量(在GSB-1大米中除了主成分外其他成分含量總和為0.58%,為了方便成分設(shè)置，認(rèn)定除了主成分外其他均為待測(cè)元素)[13].初級(jí)X射線由透射式X射線管激發(fā)，射線管陽(yáng)極靶材為W靶，厚度為2.2 μm，準(zhǔn)直器材料為Pb.二次透射靶為多能X射線轉(zhuǎn)換靶，不再由單一元素組成.根據(jù)待測(cè)元素來(lái)確定靶材的元素，探測(cè)器類型為SDD，晶體半徑為2.5 mm，厚度為500 mm，準(zhǔn)直器材料也為Pb.假設(shè)整個(gè)作用過程處于空氣狀態(tài)下，模擬抽樣次數(shù)為2×109.當(dāng)同時(shí)測(cè)量2種及以上元素時(shí)，二次轉(zhuǎn)換靶靶材由2種及以上元素組成，靶材元素取決于樣品中待測(cè)元素的種類，選取特征X射線略高于待測(cè)樣品中元素吸收限的靶材作為二次轉(zhuǎn)換靶的靶材.

本研究模擬的多能二次轉(zhuǎn)換靶的靶材元素主要針對(duì)大米中的待測(cè)元素Cd和As來(lái)選取.特征X射線能量越接近待測(cè)元素的吸收限，則測(cè)量得到的峰背比就越好，因?yàn)樯渚€的反射作用會(huì)造成本底的變化且使初級(jí)射線激發(fā)靶材的X熒光也發(fā)生變化.同時(shí)，考慮一些金屬元素的物理和化學(xué)性質(zhì)，表1給出了待測(cè)元素對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換靶元素.元素Cd選擇能量和吸收限比較接近的Te靶材作為二次轉(zhuǎn)換靶，元素As選擇能量和吸收限盡可能接近的Zr靶材作為二次轉(zhuǎn)換靶.提升Zr和Te靶材激發(fā)產(chǎn)生的特征X射線的計(jì)數(shù)率，有利于待測(cè)元素的激發(fā).

表1 待測(cè)元素對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換靶元素

3 蒙特卡羅模擬結(jié)果分析

蒙特卡羅模擬設(shè)定X光管的管電壓為60 KeV和90 KeV，二次轉(zhuǎn)換靶半徑固定為0.75 mm，二次轉(zhuǎn)換靶分別為純Zr靶、純Te靶及Zr-Te靶.Zr-Te靶將靶盤平均分為2個(gè)半圓形，元素Zr和Te各占一個(gè)半圓靶盤.MCNP模擬得到如圖3所示的能譜圖，圖3(a)和圖3(b)分別是管電壓為60 KeV和90 KeV時(shí)探測(cè)器得到的能譜模擬圖.圖3標(biāo)明了待測(cè)元素Cd和As在轉(zhuǎn)換靶元素Zr和Te所占面積比為1∶0、0∶1和1∶1時(shí)特征X射線的歸一化計(jì)數(shù).由圖3可知，元素Cd特征X射線的計(jì)數(shù)率依次隨著純Te靶、Zr-Te靶及純Zr靶而降低，元素As特征X射線的計(jì)數(shù)率依次隨著純Zr靶、Zr-Te靶及Te靶而降低.

如圖3所示，不論X光管的管電壓為60 KeV或90 KeV，探測(cè)器探測(cè)到的轉(zhuǎn)換靶中元素Zr特征X射線的計(jì)數(shù)率隨著靶材中元素Zr所占面積的減少而降低，轉(zhuǎn)換靶中元素Te特征X射線的計(jì)數(shù)率隨著靶材中元素Te所占面積的減少而降低，可見二次靶中靶材元素的有效面積會(huì)直接影響該靶材元素特征X射線的激發(fā)效率，也將影響到樣品中相對(duì)應(yīng)的待測(cè)元素的激發(fā)效率.同時(shí)測(cè)量樣品中多種元素時(shí)，若比較重要的元素對(duì)應(yīng)靶材元素的靶面積適當(dāng)?shù)卦黾樱瑢⒂欣谔岣咴摲N元素的激發(fā)效率.

綜上所述，靶元素特征X射線能量與待測(cè)元素的吸收限值越接近的靶元素在有效靶中所占面積越大，則待測(cè)元素特征X射線的歸一化計(jì)數(shù)越高.待測(cè)元素對(duì)應(yīng)靶材面積的大小直接影響待測(cè)元素特征X射線熒光計(jì)數(shù)率的大小，靶材面積越大，熒光計(jì)數(shù)率也越高.當(dāng)需要同時(shí)測(cè)量2種元素時(shí)，應(yīng)用本研究提出的多能二次轉(zhuǎn)換靶，并用面積不同的2種元素組成二次轉(zhuǎn)換靶，就能同時(shí)得到2種元素的計(jì)數(shù)率.在有效靶材面積不變的情況下，多能二次轉(zhuǎn)換靶的靶材元素不再是單一元素，而是由2種元素組成.相對(duì)對(duì)應(yīng)待測(cè)元素的單一元素靶材來(lái)說(shuō)，若各種元素所占靶材面積減小，則各個(gè)待測(cè)元素的熒光計(jì)數(shù)率會(huì)降低，但同時(shí)得到2個(gè)待測(cè)元素的熒光計(jì)數(shù)率值的最小值卻得到提高，相當(dāng)于待測(cè)2種元素的計(jì)數(shù)率從2種極端向中間進(jìn)行了綜合，取值在有純?cè)亟M成對(duì)應(yīng)待測(cè)元素轉(zhuǎn)換靶與沒相對(duì)應(yīng)待測(cè)元素轉(zhuǎn)換靶之間，這對(duì)同時(shí)測(cè)量多種元素而言是十分重要的.

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究應(yīng)用MCNP模擬方法對(duì)多能二次轉(zhuǎn)換靶進(jìn)行模擬分析.當(dāng)二次轉(zhuǎn)換靶靶材元素多于2種時(shí)，轉(zhuǎn)換靶中元素的有效面積越大，則對(duì)應(yīng)激發(fā)的待測(cè)元素特征X射線的計(jì)數(shù)率越高，相當(dāng)于通過降低單一元素轉(zhuǎn)換靶對(duì)應(yīng)待測(cè)元素的計(jì)數(shù)率來(lái)實(shí)現(xiàn)提高多能轉(zhuǎn)換靶對(duì)應(yīng)待測(cè)元素計(jì)數(shù)率的最低值，為實(shí)現(xiàn)多種元素的同時(shí)測(cè)量及減少測(cè)量的時(shí)間與次數(shù)提供了參考.