高精度EDXRF多元素分析仪在考古中的应用

第28卷 第4期核电子学与探测技术

V ol.28 N o.4

2008年 7月Nuclear Electr onics &Detection T echnolo gy

Jul. 2008

高精度EDXRF 多元素分析仪在考古中的应用

林娟,任家富,穆克亮,庹先国

(成都理工大学,成都 610059)

摘要:本文介绍了自行研制的高精度X 荧光分析仪的具体设计及其在考古中的应用。此仪器采用

新型电致冷Si P IN 半导体探测器和放射性同位素源,在无液氮冷却条件下能够实现对样品的现场测量。通过对考古现场(金沙遗址)的实际应用发现,仪器一次可以同时完成5种元素以上,甚至多达十余种元素的定性、定量测定,其分析结果清楚明了,分析精度可达2%~10%。

关键词:X 荧光分析仪,考古现场,放射性同位素源,现场测量

中图分类号: O 657 34 文献标识码: A 文章编号: 0258 0934(2008)04 0737 03

收稿日期:2006 12 05

基金项目:国家自然科学基金(40574059)、科技部国际合作重点项目(2005DF 100910)资助

作者简介:林娟(1982-),女,成都理工大学,应用地球物理专业硕士研究生。

中国的古陶瓷、青铜器、金器等金属文物是中国古代文明的瑰宝,对世界文化和现代文明都具有重要的影响。现行的考古工作中,如何精确探究文物所藏成为最有待解决的问题。自能量色散X 射线荧光分析方法引入考古科学领域以来就受到各方面的关注。首先是因为这是一种完全无损的元素分析方法。同时,它还具有现场、快速的特点。对某些大型文物如石刻、壁画的研究以及开掘现场元素空间分布研究等都可以利用这一方法及时取得有关资料。

1 仪器工作原理

X 射线荧光方法是根据X 射线的能量和照射量率及其变化来研究试样中的物质成分及分布的。此仪器的工作原理是首先由同位素放射源放射的具有一定能量的X 射线与原子作用,把部分能量传递给原子壳层上的电子,使原子处于激发状态。其次原子由激发状态转变为

稳定状态,就需要更高能量的外层电子填充被

打击的电子原先所占的位置,伴随着这种电子的跃迁将辐射出特征X 射线。由于不同元素的特征X 射线的能量各不相同,根据探测器接收到的不同能量的特征X 射线即可对样品进行定性定量分析。

2 仪器硬件设计方案

自行研制的高精度EDXRF 分析仪由激发部分、探测部分、信号处理、数据处理、记录显示等几个功能组成,整个系统的结构框图如图1

所示。

图1 分析系统组成框图

2 1 激发源的选择 双源激发(双同位素源或管源双激发)

为了使没有放射性的样品中的元素放射出特征X 射线,必须有激发源。为了更好地发挥低功率X 射线光管和放射性同位素源的优点,扩大分析对象范围,针对现有的单激发方式的

诸多缺陷。在高精度EDXRF多元素分析仪中采用了双同位素源激发或者低功率X射线光管、同位素源双激发模式和相关装置。在仪器的升级改造中,具体的选择方式是:(1)采用低功率X光管(管间高压低于一万伏,管流低于1mA,包括与之配套的X射线光管高压发生器等)。(2)用241A m代替X光管,另一激发源采用238Pu。采用低功率X射线光管、同位素源双激发设计的主要优点如下:(1)实现了轻重多元素同时测定,X射线光管激发轻元素,如Si、Al、S、P、M g等,同位素源激发Ca、Fe、Pb、Zn 等元素;

(2)兼顾了低能X射线光管和同位素源激发样品的优点;

(3)低功率X光管工作电压低、管流小,可以大大减少X光管的损耗,确保X光管有较长的使用寿命;

(4)低功率X光管不需要冷却装置,降低了设备体积和成本;

(5)低能X射线光管激发效率高,无须进行源强校正;

(6)本双源激发装置稳定性好,环境适应能力强,使用维护简单。

2 2 低功率高精度X射线高压发生器

高压发生器专为低功率X射线光管供电。目前,国内外生产的专用于X光管高压发生器价格高、体积大、功耗大,不适合作为连续工作低压X光管的电源。因此,使用低能X光管,必须研制与之配套的高稳定性(高压的长期稳定度: 0.01%;电流的长期稳定度:0.1% 0. 2%)、可调式(2kV、200 A以下)低能X射线光管高压发生器,其生产成本要低、可靠性要高。主要电路包括:(1)逆程高压变换器;(2)阻抗变换,电流、电压取样电路,减法运算电路;

(3)比较及误差放大电路;(4)PWM控制电路,功率驱动及逆变变压电路。

2 3 探测器

X射线探测器是X射线荧光分析系统的核心器件,具有较高能量分辨率的探测器是实现多元素同时测定和降低分析检出限的根本保证。本系统采用电致冷半导体探测器。该探测器对55Fe源5.9keV X射线的特征峰半高宽度(FWH M)可达182eV,远好于正比计数管和闪烁探测器(FWH M>800eV),仅次于液氮致冷的Si(Li)半导体探测器(FWH M:140~ 160eV)。

2 4 多道脉冲幅度分析器

多道脉冲幅度分析器是核谱仪器中的关键部件。它的功能是将探测器测量到的脉冲信号经前置放大器和主放大器放大后,转变为计算机可以接受的数字信号。其工作过程是:将获取的电压脉冲信号进行A/D转换,将输入的脉冲转变成与其幅度成正比的数字量,再以数字量作为存储器的道址码记录脉冲数,存储于存储器中各道的计数即表征了脉冲幅度大小的分布情况,然后再进行数据处理。本仪器的多道脉冲幅度分析器主要由采样保持电路、A/D、道宽均匀器和80C31单片机为核心的控制电路等组成。其原理框图如图2

所示。

图2 多道脉冲幅度分析器原理

2 5 稳谱技术

在X荧光分析中,由于温度、气压等外界环境的影响,以及探测器、放大器等随着时间的变化特性发生变化,因而对于某一个固定的测量条件,测量的谱线会发生漂移,谱漂主要是由于零点漂移和增益发生改变而引起的。通过软、硬件结合的稳谱方案,可达到全硬件稳谱的效果,有效地解决了高精度EDXRF多元素分析系统自动稳谱的问题。

2 6 抽真空测量技术

为了克服仪器对轻元素测量分辨率差等特点,采用了抽真空测量技术,其激发效率高,分析范围广,把空气对X射线的影响降到最低,大大地提高了仪器的分辨率,进一步提高了仪器的测量精度。此外还采用了全自动的样品置位装置,样品自动置位装置由传感器定位、转向切换装置、控制电路及交流感应电机等几部分组成。仪器在计算机的控制下自动识别样品的位置,根据需要靠控制部分自动调整到X射线照射处。

3 仪器主要性能指标

(1)激发源:238Pu30毫居、241A m6毫居各一个;