【摘要】：海底原位X熒光探測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)海底沉積物成分進(jìn)行原位、實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)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(cè)量分析軟件的開(kāi)發(fā)等。論文來(lái)源于863計(jì)劃“海洋技術(shù)領(lǐng)域”探索項(xiàng)目“海底原位X射線探針?lè)治鱿到y(tǒng)研制”(項(xiàng)目編號(hào)：2006AA09Z219)和中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局課題“海底原位X射線熒光探測(cè)系統(tǒng)”(課題編號(hào)：HKWT-2010-026)。論文成果可為我國(guó)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(guó)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(jì)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(cè)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(shí)驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),在12Mpa水壓下(相當(dāng)于水深1200米),連續(xù)保壓2小時(shí),無(wú)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(cè)器研究設(shè)計(jì)了海底原位X熒光探測(cè)系統(tǒng)的激發(fā)探測(cè)裝置,通過(guò)對(duì)原級(jí)X射線散射理論的分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,確定了在X射線管與樣品之間的夾角為70°～75。,且探測(cè)器與樣品之間的夾角為70～75°時(shí)可獲得最佳的峰背比。根據(jù)X射線管原級(jí)X射線的譜強(qiáng)度分布以及靶物質(zhì)特征X射線的強(qiáng)度分布特征,研究了在分別測(cè)量Ti、Cr、Co、 Cu、Mo等五種元素時(shí)X射線管的最佳工作電壓和工作電流,考慮對(duì)海底原位X熒光測(cè)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(shí)現(xiàn)了對(duì)海底沉積物樣品的高效激發(fā)和探測(cè)。通過(guò)對(duì)探測(cè)器電荷靈敏前置放大器輸出信號(hào)的分析,在海底原位X熒光探測(cè)系統(tǒng)中采用基于數(shù)字脈沖成形濾波、數(shù)字基線估計(jì)與恢復(fù)、數(shù)字脈沖抗堆積及計(jì)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(jì)數(shù)通過(guò)率可達(dá)40kcps。研制了基于CAN總線技術(shù)的長(zhǎng)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(dá)10km,實(shí)現(xiàn)了船上控制系統(tǒng)對(duì)海底探管測(cè)量的控制和數(shù)據(jù)獲取。為實(shí)現(xiàn)海底原位X熒光測(cè)量提供了硬件保證。研究了基于傅里葉變換法的原級(jí)譜散射本底扣除技術(shù)和極大似然估計(jì)法的特征X射線微分譜線解析技術(shù),對(duì)配制的Cu、Ni、Pb、Zn等沉積物樣品的實(shí)測(cè)微分譜線的試驗(yàn)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(duì)Fe、 Cu兩種元素的飽和水影響校正試驗(yàn)結(jié)果表明,校正后樣品含量的相對(duì)誤差不超過(guò)5%。通過(guò)對(duì)海底沉積物樣品基體效應(yīng)的研究,建立了基于計(jì)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(guò)對(duì)低含量(10μ/g)、高含量(100g/g)的地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和Cu、Ni、 Pb、Zn、Ti、Fe礦石樣品進(jìn)行檢驗(yàn)對(duì)比,得到了很好的校正效果。設(shè)計(jì)了偏心加重裝置,在硬件上保證了海底探管探測(cè)窗在原位探測(cè)時(shí)始終與海底沉積物緊密接觸。同時(shí),研究了水介質(zhì)與沉積物樣品對(duì)原級(jí)X射線散射峰計(jì)數(shù)率的差異,在實(shí)驗(yàn)室水槽內(nèi)對(duì)不同基體的模擬沉積物樣品進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)散射峰計(jì)數(shù)率的不同,實(shí)現(xiàn)了對(duì)海底探管探測(cè)窗姿態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在上述硬件研制和方法技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了基于LabWindows/CVI亞臺(tái)的智能化海底原位X熒光探測(cè)系統(tǒng)測(cè)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(kāi)展了原位X熒光定點(diǎn)測(cè)量和連續(xù)拖動(dòng)測(cè)量試驗(yàn),通過(guò)對(duì)湖底沉積物樣品的取樣分析以及定點(diǎn)測(cè)量和連續(xù)拖動(dòng)測(cè)量的對(duì)比分析,表明海底原位X熒光探測(cè)系統(tǒng)在定點(diǎn)測(cè)量和連續(xù)拖動(dòng)測(cè)量時(shí)均能夠?qū)崿F(xiàn)定性與定量分析。論文研究與試驗(yàn)結(jié)果表明,研制的海底X熒光探測(cè)系統(tǒng)能在1000米水深環(huán)境下采用定點(diǎn)測(cè)量或連續(xù)測(cè)量的方式同時(shí)對(duì)海底沉積物中Ti、Cr、Mn、Fe、Ni、 Cu、Zn、Pb、Sr、Mo等10余種元素進(jìn)行原位測(cè)定,實(shí)時(shí)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TH766

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