生態環境中重金屬元素EDXRF檢測精度的影響因素研究

能量色散X射線熒光(EDXRF)光譜分析技術被廣泛的應用于金屬冶煉、地質勘探、工礦開采、石油化工、生物醫療、刑偵調查、考古鑒定、污染監測等多種行業中,特別是其具有實時檢測和全譜分析的特點,并能夠同時獲取多種數據,這是目前為止其他分析手段所不能實現的。由于EDXRF光譜儀不需要使用分光晶體和角度測量系統,探測器與樣品之間無需復雜結構,使得探測器接收熒光輻射的立體夾角變大,接收效率得到提高,因此,即使EDXRF檢測系統用低能X射線管作為激發源,仍能獲得滿足探測器需要的計數率,同時,EDXRF系統不再需要大功率穩壓電源和繁重的冷卻系統,使得系統體積能夠更小。隨著計算機行業不斷發展和半導體器件水平的不斷進步,能量色散X射線熒光光譜分析技術在現場環境檢測分析中將發揮更加重要的作用。隨著工業生產規模的不斷擴大,生態環境污染程度日益加重,也逐漸的危及到人類的健康,特別是重金屬污染危害,讓很多污染重災區付出了慘痛代價:陜西鳳翔等地爆發的“血鉛”兒童事件,廣東北江“紅水河”事件等都說明了重金屬對生態環境污染的高危害性。重金屬元素主要通過工業“三廢”進入生態環境中,由土壤,河流等環境載體進入動植物體內并不斷積累,最終危害人類健康,而且不可能從根本上杜絕重金屬污染,只能通過嚴格控制和有效治理,來減少和降低重金屬污染危害。目前,重金屬污染元素檢測的主要樣品載體為土壤,水體和植物,本文研究影響EDXRF系統檢測精度因素的目的就是要利用EDXRF法準確檢測土壤和植物中的重金屬元素含量(水體樣品不在本文考慮范圍內),為生態環境的污染監測提供一種方便快捷,且行之有效的元素分析方法。EDXRF光譜分析法檢測生態環境中重金屬元素時,其樣品中重金屬元素的低含量導致目標元素X射線熒光產額較低,使得待測元素光譜信號很容易被系統的噪聲信號淹沒,為準確檢測樣品中重金屬元素組份帶來困難。EDXRF光譜分析系統中影響檢測精度的因素有很多,產生的原因也各不相同,為此,本文將影響系統檢測精度的因素分為X射線輸運過程中雜散射線對X射線影響,硬件電路固有特性引起的計數丟失對X射線熒光計數結果影響和能譜處理過程中因算法差異引起的解譜誤差對檢測結果的影響三類,分別通過模擬仿真,電路設計和優化算法的方式,解決上述因素對系統帶來的不利影響,提高EDXRF對生態環境中重金屬元素的檢測精度。本文的主要研究工作如下:1、X射線輸運過程中產生的雜散射線對系統檢測精度的影響,本文以X射線與物質作用原理為基礎建立的蒙特卡羅數學模型,模擬X射線在輸運過程中與濾光片、準直器和樣品作用,得到雜散射線隨著三者(濾光片、準直器和樣品)結構參數改變對入射和出射X射線強度的影響趨勢,以此優化EDXRF系統結構,減少X射線在傳輸過程的損失,提高系統檢測精度。2、系統硬件電路固有特性引起的脈沖計數丟失造成系統檢測精度降低,本文分析EDXRF系統中數據采集電路工作原理,針對因A/D轉換死時間存在造成的脈沖信號丟失問題,改進脈沖幅度分析電路的結構設計,利用模擬存儲器緩存信號,實現對A/D轉化死時間抑制,提高系統對脈沖信號的捕捉能力,從而提高系統對低熒光產額的重金屬元素含量檢測精度。3、研究和改進譜線處理算法,包括譜線平滑算法、尋峰算法、背景扣除算法和定量分析算法,抑制或消除因X射線熒光光譜中連續的背景譜、特征X射線譜、逃逸峰、和峰和相鄰譜線疊加產生的重峰等因素引起的譜線噪聲干擾,針對生態環境中重金屬元素譜線計數率低問題,增強系統解譜能力,提高EDXRF法檢測微量重金屬元素的精度。4、系統對生態環境中土壤和植物的重金屬元素含量檢測,是分別以研究茶葉和水系沉積物(底泥)中重金屬元素為代表,通過對比標準樣品中的重金屬含量,最終對EDXRF系統檢測精度進行評價。