廖先莉,唐 琳

(1.成都大学 电子信息与电气工程学院,四川 成都 610106；2.成都理工大学 核技术与自动化工程学院,四川 成都 610059)

0 引 言

为了提高X射线荧光分析仪的准确度、精确度及降低分析检出限，有效提高目标元素特征X射线的激发效率就成了关键性措施之一.由于受轫致辐射的影响，由X射线管产生的原级谱为连续的X射线能谱，不利于能量色散X射线荧光分析[1].二次转换靶可将X射线管产生的连续谱线变成单能X射线，降低散射背景，激发样品的单一元素，以便对每种元素的谱线进行测量[2].目前已有不少关于二次转换靶的研究报告[3-5]：马永红[3]应用二次靶的靶材元素单一，每一次测量只能得到待测样品中一种元素的特征谱，为了对样品中的各种元素进行测量，需要多次更换靶材，通过更换不同的靶物质，改变激发源的X射线能量，使之与目标元素的吸收限相近，从而通过多次测量来实现对多种元素的测量,缺点是完成整个测量的时间相对较长；曹琴琴等[4]分析8种透射靶的X射线出射效率随靶材厚度和X射线管电压的变化规律；戴礼洪等[5]建立了偏振能量色散X-射线荧光光谱仪测定土壤中 Ni、Cu、Zn、Pb 4种重金属元素的方法.上述所有文献转换靶均为同一种元素组成，一次测量一种待测元素.本研究采用基于计算粒子输运过程的蒙特卡罗模拟计算程序(Monte Carlo N partide transport code,MCNP)模拟产生多能X射线的二次转换靶，以同时测量大米中的元素Cd和As为例，建立了透射靶激发装置模型，分析了当二次转换靶中每种靶材元素所占面积不同时得到的待测元素特征X射线计数率的变化，为多能二次转换靶实现多元素的同时测量提供了参考.

1 转换靶

微型透射式X射线管会产生能量连续的轫致辐射[6].由于元素的特征X射线叠加在连续谱线上，不利于元素的分析，为此常常采用转换靶装置进行能量的选择激发[7].

透射式二次转换靶装置示意图如图1所示.由X射线管发出的初级X射线经过二次转换靶产生靶材元素的特征X射线，然后再去激发样品中的待测元素.样品中的待测元素被激发后产生特征X射线，探测器通过对样品中待测元素特征X射线的检测得到特征X射线的计数率，从而进行定性分析和定量分析，最终得到样品中待测元素的种类和含量.

为了提高样品中待测元素的激发效率，通常使用能量稍微高于该待测元素吸收限的单色光子束作为样品的入射辐射，相当于降低了样品入射射线的散色背景，提高待测元素激发效率的同时不会激发其他干扰元素.放射源发出的一次射线激发出靶元素的特征X射线，然后将该靶元素的特征X射线作为待测样品的入射射线.若改变靶材料，就能改变装置输出的X射线能量[8].

X射线管射出的初级X射线打到由纯元素制成的转换靶上，靶上的原子在受到激发后产生自身的特征X射线，其能量稍大于样品待测元素的吸收限，然后再去激发待测元素的特征X射线，获得更高的激发效率，降低本底，也提高了峰背比.当需要同时测量的待测元素不止一种元素时，单一元素组成的转换靶就不能同时满足多种待测元素的要求，然而使用多种元素组成转换靶时，每种元素在转换靶中所占的面积也将直接影响对应样品中待测元素特征X射线的计数率.

2 蒙特卡罗模拟条件

直接测量X射线能谱需要高精度的测量系统，搭建一个能够任意改变测量条件的能谱测量系统是必要的，所以完成X荧光测量的实验成本很高.由于每一个测量环节根据不同的要求更换不同的设备及模块，普通实验室很难胜任测量任务[9].

由于计算机运算能力的提高，一台高配置计算机就可以实现蒙特卡罗仿真模拟研究，使得蒙特卡罗模拟方法成为核物理及核技术研究的重要手段和解决实际工程问题的重要研究方法[10].本研究主要应用蒙特卡罗模拟方法实现对多能X射线二次转换靶的分析.

常用的蒙特卡罗模拟软件主要有 EGS、Fluk、Geant、MCNP.其中，MCNP是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的一款模拟多粒子输运的蒙特卡罗模拟软件[11].

本研究采用MCNP5模拟软件进行X荧光分析物理过程的模拟.X荧光分析物理模型中的粒子输运问题主要为光子和电子的耦合输运[12].二次转换靶采用透射靶且应用MCNP模拟方法建立的透射靶激发装置模型3D图如图2所示.初级X射线的入射角φ和次级X射线的出射角Ψ均为45°.采用蒙特卡罗模拟软件模拟时，设定样品为大米，待测元素为大米中的元素Cd和As，样品中的设置成分为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总和为0.58%,为了方便成分设置，认定除了主成分外其他均为待测元素)[13].初级X射线由透射式X射线管激发，射线管阳极靶材为W靶，厚度为2.2 μm，准直器材料为Pb.二次透射靶为多能X射线转换靶，不再由单一元素组成.根据待测元素来确定靶材的元素，探测器类型为SDD，晶体半径为2.5 mm，厚度为500 mm，准直器材料也为Pb.假设整个作用过程处于空气状态下，模拟抽样次数为2×109.当同时测量2种及以上元素时，二次转换靶靶材由2种及以上元素组成，靶材元素取决于样品中待测元素的种类，选取特征X射线略高于待测样品中元素吸收限的靶材作为二次转换靶的靶材.

本研究模拟的多能二次转换靶的靶材元素主要针对大米中的待测元素Cd和As来选取.特征X射线能量越接近待测元素的吸收限，则测量得到的峰背比就越好，因为射线的反射作用会造成本底的变化且使初级射线激发靶材的X荧光也发生变化.同时，考虑一些金属元素的物理和化学性质，表1给出了待测元素对应的转换靶元素.元素Cd选择能量和吸收限比较接近的Te靶材作为二次转换靶，元素As选择能量和吸收限尽可能接近的Zr靶材作为二次转换靶.提升Zr和Te靶材激发产生的特征X射线的计数率，有利于待测元素的激发.

表1 待测元素对应的转换靶元素

3 蒙特卡罗模拟结果分析

蒙特卡罗模拟设定X光管的管电压为60 KeV和90 KeV，二次转换靶半径固定为0.75 mm，二次转换靶分别为纯Zr靶、纯Te靶及Zr-Te靶.Zr-Te靶将靶盘平均分为2个半圆形，元素Zr和Te各占一个半圆靶盘.MCNP模拟得到如图3所示的能谱图，图3(a)和图3(b)分别是管电压为60 KeV和90 KeV时探测器得到的能谱模拟图.图3标明了待测元素Cd和As在转换靶元素Zr和Te所占面积比为1∶0、0∶1和1∶1时特征X射线的归一化计数.由图3可知，元素Cd特征X射线的计数率依次随着纯Te靶、Zr-Te靶及纯Zr靶而降低，元素As特征X射线的计数率依次随着纯Zr靶、Zr-Te靶及Te靶而降低.

如图3所示，不论X光管的管电压为60 KeV或90 KeV，探测器探测到的转换靶中元素Zr特征X射线的计数率随着靶材中元素Zr所占面积的减少而降低，转换靶中元素Te特征X射线的计数率随着靶材中元素Te所占面积的减少而降低，可见二次靶中靶材元素的有效面积会直接影响该靶材元素特征X射线的激发效率，也将影响到样品中相对应的待测元素的激发效率.同时测量样品中多种元素时，若比较重要的元素对应靶材元素的靶面积适当地增加，将有利于提高该种元素的激发效率.

综上所述，靶元素特征X射线能量与待测元素的吸收限值越接近的靶元素在有效靶中所占面积越大，则待测元素特征X射线的归一化计数越高.待测元素对应靶材面积的大小直接影响待测元素特征X射线荧光计数率的大小，靶材面积越大，荧光计数率也越高.当需要同时测量2种元素时，应用本研究提出的多能二次转换靶，并用面积不同的2种元素组成二次转换靶，就能同时得到2种元素的计数率.在有效靶材面积不变的情况下，多能二次转换靶的靶材元素不再是单一元素，而是由2种元素组成.相对对应待测元素的单一元素靶材来说，若各种元素所占靶材面积减小，则各个待测元素的荧光计数率会降低，但同时得到2个待测元素的荧光计数率值的最小值却得到提高，相当于待测2种元素的计数率从2种极端向中间进行了综合，取值在有纯元素组成对应待测元素转换靶与没相对应待测元素转换靶之间，这对同时测量多种元素而言是十分重要的.

4 结 语

本研究应用MCNP模拟方法对多能二次转换靶进行模拟分析.当二次转换靶靶材元素多于2种时，转换靶中元素的有效面积越大，则对应激发的待测元素特征X射线的计数率越高，相当于通过降低单一元素转换靶对应待测元素的计数率来实现提高多能转换靶对应待测元素计数率的最低值，为实现多种元素的同时测量及减少测量的时间与次数提供了参考.