一种具有位置分辨的缪子X射线元素分析方法

本发明属于缪子x射线元素分析，具体是基于编码孔径成像技术利用缪子x射线强度分析重建块材内不同元素浓度分布的方法。

背景技术：

1、缪子x射线元素分析，是一种新兴的块材元素分析手段。缪子是一种与电子类似的基本粒子，但其质量较大，约为电子的207倍，因此缪子x射线能量远大于电子x射线。缪子x射线作为一种元素分析手段，与通常的电子x射线荧光分析、中子活化分析、化学分离法等相比有着对低原子序数元素灵敏、可对样品在三维位置上进行定点分析、残余辐射可忽略、无损分析等诸多特点。

2、早在1961年fowler p.h.等人在nature杂志上的文章就提出可用介子束来做肿瘤治疗，并分析了介子束相对于质子束在人体内的注入深度分布等差异；而在1976年hutsonr.l.等人开始运用缪子x射线开展对动物组织的元素成分分析，随后daniel h.等人开展了大量的理论、实验上的工作，并发展化合物对负缪子的捕获理论，以及将缪子x射线元素分析实验扩展到了古埃及陶片，古代手镯等考古研究领域；但受限于当时的缪子束强度，缪子x射线在元素分析上的应用并未得到广泛普及。本世纪，随着缪子束强度的发展，国际上的两家脉冲式缪子束——英国卢瑟福·阿普尔顿实验室的isis中子与缪子源和日本的缪子科学机构(muon science establishment，muse)——先后开展运用负缪子束对考古文物(罗马古币、日本古币、中国古镜等)、天外来物(小行星土壤和陨石等)、生物医学样品和锂电子内离子浓度分布等研究工作；除此之外，依赖于缪子束的动量-射程关联性，muse通过调节缪子束的动量利用小孔成像的方法对块状材料内部元素分布的做剖层成像分析。

3、然而，上述缪子x射线元素分析方法只能对块材样品做整体分析，得到的是块材内部元素浓度的平均信息，目前已有的缪子x射线元素分析方法无法区分元素成分相同、相对浓度在空间上各异的块材样品。

技术实现思路

1、为了实现快速高效地通过缪子x射线元素分析方法获取块材内各元素相对浓度的空间分布，本发明提供一种具有位置分辨的缪子x射线元素分析方法。

2、一种具有位置分辨的缪子x射线元素检测方法，所述缪子x射线元素检测方法基于编码孔径成像系统，所述编码孔径成像系统包括孔径编码板3和与之相匹配的像素化探测器4，具体分析操作步骤如下：

3、(1)将待测样品2的中心、孔径编码板3的中心和像素化探测器4的中心设置在一条直线上，通过像素化探测器4采集待测样品2的缪子x射线能谱图；

4、所述待测样品(2)由被测物嵌入铝板中构成；所述被测物为一种以上；

5、(2)统计所述缪子x射线能谱图中各元素的kα能峰的计数，按照元素的特征性进行分组，至少分为两组以上，获得每组元素的kα能峰在像素化探测器4上的计数分布；

6、(3)对每组元素的kα能峰在像素化探测器4上的计数分布解码成像，解码成像方法为使用孔径编码板3的函数与各元素kα能峰在像素化探测器4上的计数分布做互相关运算，获得每组元素kα能峰的缪子x射线强度分布矩阵；

7、(4)从两组以上元素中选择一种以上的元素为基础元素，设基础元素kα能峰的缪子x射线强度分布矩阵为基础矩阵，将除基础元素以外的其余元素的kα能峰的缪子x射线强度分布矩阵分别与基础矩阵做对应矩阵元相除，获得其余元素与基础元素的kα能峰的缪子x射线强度比分布矩阵；

8、(5)对其余元素与基础元素的kα能峰的缪子x射线强度比分布矩阵做修正，而后根据费米-泰勒捕获理论分别重建其余元素与基础元素的原子比分布：

9、(5.1)先在像素化探测器4中，根据像素化探测器4对不同能量的伽马射线的探测效率，对其余元素与基础元素的kα能峰的缪子x射线强度比分布矩阵做修正，得到修正缪子x射线强度比分布矩阵；

10、(5.2)然后通过修正缪子x射线强度比分布矩阵，根据费米-泰勒捕获理论分别重建其余元素与基础元素的原子比分布，获得不同元素在待测样品2中的浓度分布。

11、进一步限定的技术方案如下：

12、步骤(1)中，按步骤(1)中所构建的编码孔径成像系统，将负缪子束流1注入至待测样品2中，待测样品2将辐射出具有元素特征性的缪子x射线；像素化探测器4记录所述缪子x射线击中像素化探测器4的位置和缪子x射线的能量，并将记录的缪子x射线的能量做频数分布统计，得到所述的缪子x射线能谱图。

13、步骤(3)中，所述解码成像的互相关运算方法为将孔径编码板3的函数与各元素kα能峰在像素化探测器4上的计数分布分别做二维矩阵的卷积运算。

14、步骤(5.1)中，所述修正方法为：将得到的其余元素与基础元素的kα能峰的缪子x射线强度比分布矩阵乘以像素化探测器4对能量为基础元素kα能峰的特征缪子x射线的探测效率，然后再除以像素化探测器4对能量为其余元素kα能峰的特征缪子x射线的探测效率。

15、步骤(5.2)中，根据费米-泰勒捕获理论的重建方法为：将所述修正缪子x射线强度比分布矩阵先乘以步骤(4)所述的基础元素的原子序数，再除以修正缪子x射线强度比分布矩阵的其余元素的原子序数，即可获得其余元素与基础元素的原子比分布矩阵，即为各元素的浓度分布矩阵。

16、本发明的有益技术效果体现在以下方面：

17、(1)本发明方法采用探测立体角较大的编码孔径成像技术的成像方法结合缪子x射线元素分析方法用于块材内元素分布的检测，相较于日本的缪子科学机构j-parc报道的使用小孔成像方法的结果，可将负缪子束的利用率提高60倍，日本的缪子科学机构j-parc的缪子利用率为2.06×10-5，本发明的缪子利用率为1.25×10-3。

18、(2)本发明方法采用有高位置分辨的编码孔径成像技术的成像方法结合缪子x射线元素分析方法用于材料的元素分布检测，基于负缪子束流动量可调性以及采用的编码孔径成像技术具有高位置分辨的优势，本发明方法可清晰呈现出被0.50mm厚的铝膜包裹下尺寸在2.00mm×2.00mm以上的元素块分布。

19、(3)本发明采用编码孔径成像技术的成像方法结合缪子x射线元素分析方法对材料的中元素原子比分布进行重建，可使缪子x射线对块材进行元素分析时获取元素原子比的位置信息，从而得到元素相对浓度比值的分布，消除不同位置上组分相似样品间的影响，通常的缪子x射线检测方法，检测的信息为待测物整体的尺寸大于或等于20mm×20mm，本发明所检测的信息为待测物的整体尺寸大于等于7.00mm×8.00mm，使元素分析结果更精确。

技术特征：

1.一种具有位置分辨的缪子x射线元素检测方法，所述缪子x射线元素检测方法基于编码孔径成像系统，所述编码孔径成像系统包括孔径编码板(3)和与之相匹配的像素化探测器(4)，其特征在于，分析操作步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种具有位置分辨的缪子x射线元素分析方法，其特征在于：步骤(1)中，按步骤(1)中所构建的编码孔径成像系统，将负缪子束流(1)注入至待测样品(2)中，待测样品(2)将辐射出具有元素特征性的缪子x射线；像素化探测器(4)记录所述缪子x射线击中像素化探测器(4)的位置和缪子x射线的能量，并将记录的缪子x射线的能量做频数分布统计，得到所述的缪子x射线能谱图。

3.根据权利要求1所述的一种具有位置分辨的缪子x射线元素分析方法，其特征在于：步骤(3)中，所述解码成像的互相关运算方法为将孔径编码板(3)的函数与各元素kα能峰在像素化探测器(4)上的计数分布分别做二维矩阵的卷积运算。

4.根据权利要求1所述的一种具有位置分辨的缪子x射线元素分析方法，其特征在于：步骤(5.1)中，所述修正方法为：将得到的其余元素与基础元素的kα能峰的缪子x射线强度比分布矩阵乘以像素化探测器(4)对能量为基础元素kα能峰的特征缪子x射线的探测效率，然后再除以像素化探测器(4)对能量为其余元素kα能峰的特征缪子x射线的探测效率。

5.根据权利要求1所述的一种具有位置分辨的缪子x射线元素分析方法，其特征在于：步骤(5.2)中，根据费米-泰勒捕获理论的重建方法为：将所述修正缪子x射线强度比分布矩阵先乘以步骤(4)所述的基础元素的原子序数，再除以修正缪子x射线强度比分布矩阵的其余元素的原子序数，即可获得其余元素与基础元素的原子比分布矩阵，即为各元素的浓度分布矩阵。

6.根据权利要求1所述的一种具有位置分辨的缪子x射线元素分析方法，其特征在于：所述待测样品(2)由被测物嵌入在1.00mm厚的铝板中构成。

技术总结本发明涉及一种具有位置分辨的缪子X射线元素分析方法，属于缪子X射线元素分析技术领域。本发明的检测方法基于编码孔径成像系统，检测操作步骤如下：(1)通过缪子X射线采集待测样品的缪子X射线能谱图；(2)统计各元素的K<subgt;α</subgt;能峰的计数，并分组，获得每组元素的K<subgt;α</subgt;能峰在像素化探测器上的计数分布；(3)解码成像，获得每组元素K<subgt;α</subgt;能峰的缪子X射线强度分布矩阵；(4)获取其余元素与基础元素的K<subgt;α</subgt;能峰的缪子X射线强度比分布矩阵；(5)对其余元素与基础元素的K<subgt;α</subgt;能峰的缪子X射线强度比分布矩阵做修正，而后根据费米‑泰勒捕获理论分别重建其余元素与基础元素的原子比分布。本发明实现精确得到被测物元素相对浓度比值的分布结果。技术研发人员：潘子文,林泽斌,叶邦角,刘建党受保护的技术使用者：中国科学技术大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5