EDXRF分析仪中“源—样—探”几何位置的蒙特卡罗模拟

李娜

摘 要

能量色散X射线荧光分析能够快速分析物质内部元素组分，是一种非化学手段处理元素的分析方法。本文建立了通过蒙特卡罗方法的模拟程序，并且研究了 “X射线源-样品-探测器”的相对几何位置的改变对测量精度的影响。模拟结果表明，通过对峰背比的计算和测量确定了最佳的探测角度为45°，样品与探测器的距离为10mm，从而提高了系统的探测精度。

【关键词】EDXRF 蒙特卡罗方法 精度

1 引言

能量色散X荧光（EDXRF）分析技术因为具有对样品无损害、可以实现多元素测量而且测试速度比较快等优势，被誉为现代先进技术之一，被广泛应用在地质勘探、石油化工、食品安全、刑事侦查、考古鉴定以及生物医学等诸多领域。近年来，能量色散X射线荧光分析逐渐向着便携式的方向发展，体积小、重量轻、易于携带的分析仪器，备受在线分析检测技术人员的青睐。本文建立了蒙特卡洛模拟程序，并且研究了 “X射线源-样品-探测器”的相对几何位置的改变对测量精度的影响。通过优化相对位置，提高仪器的分辨率及探测效率，增强特征X射线的全能峰的峰背比，改善仪器的工作性能。

2 蒙特卡罗方法在离子输运领域内的运用

蒙特卡罗（Monte Carlo）方法，又称统计试验方法，或者称为计算机随机模拟方法。将在具体事件中具体概率特征的事件转化为与概率相关的问题模型通过模拟这个概率过程来求得近似解。本研究使用Geant4工具包进行模拟分析，Geant4是基于蒙特卡罗方法計算粒子输运的工具包。本模拟使用Geant4建立了EDXRF的几何结构，研究了探测器位置的摆放对测量结果的影响，本程序使用Livermore物理过程模板进行对激发-退激模型的模拟工作，可以得到相应的荧光信息。其中物理建模条件如下：X射线源位置固定在样品正上方与法线夹角为零度，探测器位置安置于距离激发源距离分别为10mm，20mm，30mm，40mm，50mm，60mm。的弧上，探测器器与样品法线的夹角分别设置为15°，30°，45°，60°，75°探测器大小为1mm*1mm*1mm正方体，样品选用纯银，入射X线能量30kV的单能光子，单次模拟的总粒子事件为500000。

3 模拟结果与讨论

根据预先设计的模拟条件，分别调整探测器的射出角度为15°，30°，45°，60°以及75°，探测器与样品之间的距离为10mm，20mm，30mm，40mm，50mm，60mm，获得光谱的峰背比以及荧光峰值的强度。

根据模拟的条件选取荧光计数率以及有效峰与总计数探测器之比为研究的参数，在定量分析中荧光计数率关系到探测器的信号强度，有效峰与总计数探测器之比影响着测量的精确度。

图1为荧光计数率随着出射角以及与样本距离的变化与荧光计数的函数曲线。

根据图1可以看出随着探测器与样品距离的增加会导致荧光计数率会出现下降的现象，这是因为平方反比定律，在不同的角度面随着角度增加在40度附近可以取得最大的探测效率。

由模拟结果可知，探测器-样品距离对有效峰与总计数率之比的相关程度较低，通过上图发现在40度附近探测器-样品距离变化基本并不影响探测器与总计数比。

以由上图可以看出在射出角度为40度附近时，探测器距离样品的距离为50mm时候可以获得最大的有效峰与总计数率之比，在其模拟条件下可以获得更好的准确度。

4 结论

用蒙特卡罗方法模拟计算得到的结论为：

（1）通过对峰背比的计算和测量确定了最佳的探测角度为45°，样品与探测器的距离为10mm，这样可以获得较好的有效峰与总探测计数之比以及荧光计数率。

（2）荧光计数率在45度左右可以获得极大值，随着探测器-样品距离的增加荧光计数率下降。

（3）有效峰与计数率之比与探测器-样品距离的相关度不大，在40度附近基本不发生变化。

参考文献

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作者单位

长春理工大学电子科学与技术系 吉林省长春市 130022