【摘要】：海底原位X熒光探測技術(shù)是基于能量色散X射線熒光分析原理,將海底X射線熒光探管置于海底沉積物上,采用拖曳方式實現(xiàn)對海底沉積物成分進行原位、實時測量,快速獲取海底沉積物中多元素含量數(shù)據(jù)。本文論述了海底原位X熒光探測系統(tǒng)的研制及其方法技術(shù)研究成果,包括數(shù)字化海底探管的研制、海底沉積物水份效應(yīng)校正模型與定量分析模型的研究以及測量分析軟件的開發(fā)等。論文來源于863計劃“海洋技術(shù)領(lǐng)域”探索項目“海底原位X射線探針分析系統(tǒng)研制”(項目編號：2006AA09Z219)和中國地質(zhì)調(diào)查局課題“海底原位X射線熒光探測系統(tǒng)”(課題編號：HKWT-2010-026)。論文成果可為我國海洋礦產(chǎn)資源調(diào)查提供一種新的裝置和新技術(shù),有利于提升我國海洋地球物理勘查的裝備水平和技術(shù)水平。論文取得主要成果如下：海底探管在幾百米乃至上千米的深水高壓環(huán)境下工作,要求海底探管具有耐水壓和防滲漏性能,以及X射線能自由出入。本文采用2A12硬鋁合金設(shè)計了“子彈形”海底探管外殼,采用厚度為1.5mm的硬態(tài)金屬鈹片做X射線的探測窗,在真空環(huán)境中與硬鋁合金外殼粘接,海底探管兩端采用雙層O型圈結(jié)構(gòu)密封。海底探管加工密封完成后在重慶地質(zhì)儀器廠壓力實驗艙內(nèi)進行了實驗,在12Mpa水壓下(相當于水深1200米),連續(xù)保壓2小時,無變形和滲漏現(xiàn)象。首次采用微型X射線管和高分辨率電致冷Si-PIN半導(dǎo)體探測器研究設(shè)計了海底原位X熒光探測系統(tǒng)的激發(fā)探測裝置,通過對原級X射線散射理論的分析和試驗驗證,確定了在X射線管與樣品之間的夾角為70°～75。,且探測器與樣品之間的夾角為70～75°時可獲得最佳的峰背比。根據(jù)X射線管原級X射線的譜強度分布以及靶物質(zhì)特征X射線的強度分布特征,研究了在分別測量Ti、Cr、Co、 Cu、Mo等五種元素時X射線管的最佳工作電壓和工作電流,考慮對海底原位X熒光測量元素范圍內(nèi)的所有元素均應(yīng)有一定的激發(fā)效率和較高的峰背比,確定了X射線管的工作電壓為30kV,工作電流為3uA,實現(xiàn)了對海底沉積物樣品的高效激發(fā)和探測。通過對探測器電荷靈敏前置放大器輸出信號的分析,在海底原位X熒光探測系統(tǒng)中采用基于數(shù)字脈沖成形濾波、數(shù)字基線估計與恢復(fù)、數(shù)字脈沖抗堆積及計數(shù)率校正、數(shù)字脈沖波形甄別的低噪聲數(shù)字化核脈沖處理器,在保證系統(tǒng)能量分辨率的基礎(chǔ)上,計數(shù)通過率可達40kcps。研制了基于CAN總線技術(shù)的長距離高保真數(shù)據(jù)傳輸通信接口電路,理論上數(shù)據(jù)傳輸距離可達10km,實現(xiàn)了船上控制系統(tǒng)對海底探管測量的控制和數(shù)據(jù)獲取。為實現(xiàn)海底原位X熒光測量提供了硬件保證。研究了基于傅里葉變換法的原級譜散射本底扣除技術(shù)和極大似然估計法的特征X射線微分譜線解析技術(shù),對配制的Cu、Ni、Pb、Zn等沉積物樣品的實測微分譜線的試驗結(jié)果表明,該方法能有效扣除散射本底,解析能量差為2/3FHWM的重疊譜峰并提取特征信息。研究了水份效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,建立了海底沉積物中水份的校正方程,對Fe、 Cu兩種元素的飽和水影響校正試驗結(jié)果表明,校正后樣品含量的相對誤差不超過5%。通過對海底沉積物樣品基體效應(yīng)的研究,建立了基于計數(shù)率權(quán)因子法和特散比權(quán)因子法的“分類-特散比-多參數(shù)-非線性校正”的基體效應(yīng)校正定量分析模型,通過對低含量(10μ/g)、高含量(100g/g)的地球化學(xué)標準物質(zhì)和Cu、Ni、 Pb、Zn、Ti、Fe礦石樣品進行檢驗對比,得到了很好的校正效果。設(shè)計了偏心加重裝置,在硬件上保證了海底探管探測窗在原位探測時始終與海底沉積物緊密接觸。同時,研究了水介質(zhì)與沉積物樣品對原級X射線散射峰計數(shù)率的差異,在實驗室水槽內(nèi)對不同基體的模擬沉積物樣品進行試驗,根據(jù)散射峰計數(shù)率的不同,實現(xiàn)了對海底探管探測窗姿態(tài)的動態(tài)監(jiān)測。在上述硬件研制和方法技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,開發(fā)了基于LabWindows/CVI亞臺的智能化海底原位X熒光探測系統(tǒng)測量控制及數(shù)據(jù)處理軟件。在成都理工大學(xué)硯湖湖底和廣西北海淺海海底開展了原位X熒光定點測量和連續(xù)拖動測量試驗,通過對湖底沉積物樣品的取樣分析以及定點測量和連續(xù)拖動測量的對比分析,表明海底原位X熒光探測系統(tǒng)在定點測量和連續(xù)拖動測量時均能夠?qū)崿F(xiàn)定性與定量分析。論文研究與試驗結(jié)果表明,研制的海底X熒光探測系統(tǒng)能在1000米水深環(huán)境下采用定點測量或連續(xù)測量的方式同時對海底沉積物中Ti、Cr、Mn、Fe、Ni、 Cu、Zn、Pb、Sr、Mo等10余種元素進行原位測定,實時指導(dǎo)海洋礦產(chǎn)資源調(diào)查工作。
【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TH766

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本文編號：2714025