海底原位X荧光探测关键技术研究

Submarine in-situ X-ray fluorescence detection is an effective new technology for marine mineral resources survey, which can achieve the in-situ, real-time measurement of submarine rocks and sediments, and quickly get information on the type and content of elements in submarine rocks and sediments. The project focuses on hardware system design, and poor accuracy and sensitivity in submarine in-situ multi-element analysis. By means of theoretical studies, numerical simulation and physical experiments, the formation mechanism of instrument spectrum will be studied. The technology of resolving spectrum based on the FFT step by step approximation scattering background subtraction and the full-spectrum deconvolution method is used to improve the peak to background ratio of instrument spectrum. In this project, the law of the interaction between the primary, one, multiple X-ray and matrix elements in submarine sediments will be studied, and the mathematical model will be established for the correction of beryllium window effect, saturated water effect and matrix effect, ultimately the submarine in-situ real-time multi-element quantitative X-ray fluorescence analysis can be achieved, which can provide technical support to improve the sensitivity, accuracy and multi-element detection capability of submarine in-situ quantitative X-ray fluorescence analysis.

海底原位X荧光探测技术可以实现对海底岩石和沉积物进行原位、实时测量，快速获取海底岩石和沉积物中元素的种类和含量，是一种有效的海洋矿产资源调查新技术。本项目围绕海底原位X荧光探测技术中硬件系统优化设计、海底原位多元素分析准确度和灵敏度较差的技术难题，采用理论研究、数值模拟和物理实验等手段，研究海底原位X射线荧光测量仪器谱的形成机理；建立基于FFT 变换逐步逼近散射本底扣除和全谱反卷积法的解谱技术，提高仪器谱的峰谷比；研究海底沉积物中初级X射线、一次X荧光及多次X荧光与基体元素的相互作用规律，提出校正铍窗效应、饱和水效应、沉积物基体效应的数理模型，为实现海底原位X荧光多元素实时定量分析，并进一步提高海底原位X荧光定量分析的灵敏度、准确度和多元素探测能力提供技术支撑。

原位X射线荧光探测技术以其可以现场、原位、快速、多元素测量样品中组分的特点，迅速在地面矿产资源勘查领域得到了应用与发展。但海底原位X射线荧光探测相对地面原位探测有着极大的困难，受深水环境和设备结构的影响，仪器谱成分和定量分析的影响因素较为复杂。本项目采用理论研究、数值模拟和物理实验等手段，开展了海底原位X荧光仪器谱的形成与谱线解析技术研究，通过对海底原位X射线荧光仪器谱形成过程中各影响因素的研究，获得了高峰背比的仪器谱谱线，为海底原位X射线荧光激发探测装置的优化提供了科学依据；开展了铍窗效应的研究，结合水下安全耐压的理论计算和铍窗对不同能量X射线透过率的理论计算，确定铍窗厚度为1.5mm，并对铍窗厚度及铍窗中杂质的影响进行了校正，探测窗厚度校正后与无探测窗相比计数的相对误差基本上小于9%，当铍窗中杂质元素Fe、Zn元素含量为0.8%时，杂质校正后与无杂质相比相对误差小于4%，该研究成果对于开展有夹层X射线荧光探测方面同样有指导意义；理论和模拟研究了含水量和水层的影响，以散射射线为内标建立了水分效应的校正方程，含水量校正后的特征X射线计数与不含水时目标元素特征X射线计数相比相对误差小于10%，该研究成果可为进一步开展粘稠介质中多元素的X射线荧光分析研究提供方法指导。综合水分效应的影响校正数理方程、铍窗效应校正方程和轻基体效应校正方程等，建立了不同条件下海底沉积物中元素的定量分析模型，并对定量分析结果进行了评价，提高了海底原位X荧光定量分析的灵敏度、准确度和多元素探测能力。