EDXRF分析儀中“源—樣—探”幾何位置的蒙特卡羅模擬

李娜

摘 要

能量色散X射線熒光分析能夠快速分析物質內部元素組分，是一種非化學手段處理元素的分析方法。本文建立了通過蒙特卡羅方法的模擬程序，并且研究了 “X射線源-樣品-探測器”的相對幾何位置的改變對測量精度的影響。模擬結果表明，通過對峰背比的計算和測量確定了最佳的探測角度為45°，樣品與探測器的距離為10mm，從而提高了系統的探測精度。

【關鍵詞】EDXRF 蒙特卡羅方法 精度

1 引言

能量色散X熒光（EDXRF）分析技術因為具有對樣品無損害、可以實現多元素測量而且測試速度比較快等優勢，被譽為現代先進技術之一，被廣泛應用在地質勘探、石油化工、食品安全、刑事偵查、考古鑒定以及生物醫學等諸多領域。近年來，能量色散X射線熒光分析逐漸向著便攜式的方向發展，體積小、重量輕、易于攜帶的分析儀器，備受在線分析檢測技術人員的青睞。本文建立了蒙特卡洛模擬程序，并且研究了 “X射線源-樣品-探測器”的相對幾何位置的改變對測量精度的影響。通過優化相對位置，提高儀器的分辨率及探測效率，增強特征X射線的全能峰的峰背比，改善儀器的工作性能。

2 蒙特卡羅方法在離子輸運領域內的運用

蒙特卡羅（Monte Carlo）方法，又稱統計試驗方法，或者稱為計算機隨機模擬方法。將在具體事件中具體概率特征的事件轉化為與概率相關的問題模型通過模擬這個概率過程來求得近似解。本研究使用Geant4工具包進行模擬分析，Geant4是基于蒙特卡羅方法計算粒子輸運的工具包。本模擬使用Geant4建立了EDXRF的幾何結構，研究了探測器位置的擺放對測量結果的影響，本程序使用Livermore物理過程模板進行對激發-退激模型的模擬工作，可以得到相應的熒光信息。其中物理建模條件如下：X射線源位置固定在樣品正上方與法線夾角為零度，探測器位置安置于距離激發源距離分別為10mm，20mm，30mm，40mm，50mm，60mm。的弧上，探測器器與樣品法線的夾角分別設置為15°，30°，45°，60°，75°探測器大小為1mm*1mm*1mm正方體，樣品選用純銀，入射X線能量30kV的單能光子，單次模擬的總粒子事件為500000。

3 模擬結果與討論

根據預先設計的模擬條件，分別調整探測器的射出角度為15°，30°，45°，60°以及75°，探測器與樣品之間的距離為10mm，20mm，30mm，40mm，50mm，60mm，獲得光譜的峰背比以及熒光峰值的強度。

根據模擬的條件選取熒光計數率以及有效峰與總計數探測器之比為研究的參數，在定量分析中熒光計數率關系到探測器的信號強度，有效峰與總計數探測器之比影響著測量的精確度。

圖1為熒光計數率隨著出射角以及與樣本距離的變化與熒光計數的函數曲線。

根據圖1可以看出隨著探測器與樣品距離的增加會導致熒光計數率會出現下降的現象，這是因為平方反比定律，在不同的角度面隨著角度增加在40度附近可以取得最大的探測效率。

由模擬結果可知，探測器-樣品距離對有效峰與總計數率之比的相關程度較低，通過上圖發現在40度附近探測器-樣品距離變化基本并不影響探測器與總計數比。

以由上圖可以看出在射出角度為40度附近時，探測器距離樣品的距離為50mm時候可以獲得最大的有效峰與總計數率之比，在其模擬條件下可以獲得更好的準確度。

4 結論

用蒙特卡羅方法模擬計算得到的結論為：

（1）通過對峰背比的計算和測量確定了最佳的探測角度為45°，樣品與探測器的距離為10mm，這樣可以獲得較好的有效峰與總探測計數之比以及熒光計數率。

（2）熒光計數率在45度左右可以獲得極大值，隨著探測器-樣品距離的增加熒光計數率下降。

（3）有效峰與計數率之比與探測器-樣品距離的相關度不大，在40度附近基本不發生變化。

參考文獻

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作者單位

長春理工大學電子科學與技術系 吉林省長春市 130022