2024年第6期目录
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    综述与评论
  • 王唯,姚永刚,肖才锦,赵梁,许小雨,李玉庆,李天富
    2024,14(6):685-697 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    瞬发γ活化成像技术(Prompt Gamma Activation Imaging,PGAI)是基于瞬发γ中子活化分析技术(Prompt Gamma Neutron Activation Analysis,PGAA)的一种新型元素成像技术,具有PGAA非破坏性、高灵敏度的多元素分析特点,同时可研究大体积样品内元素含量的三维分布情况。与移动中子源(如同位素中子源、加速器中子源)相比,反应堆中子源具有高通量的冷/热中子,因此,基于反应堆中子源的PGAI装置具有更加广阔的应用前景。鉴于PGAI技术的重要性,主要介绍了PGAI技术原理和测量方法、列举了国内外具有代表性的PGAI装置及特点,并指出当前PGAI技术研究现状与应用进展。其中,与中子层析成像(Neutron tomography,NT)结合的PGAI是目前研究的重点。随着国内高通量中子反应堆的持续稳定运行以及PGAI装置的建立和技术发展,相信未来PGAI技术能在我国更多领域得到广泛和深入应用。
  • 付晓辉,陈剑,尹承翔
    2024,14(6):698-704 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    由于月壤等地外样品十分珍贵,在实验室研究中优先使用原位、微区、无损的元素分析方法。电子探针元素面扫描是地外样品研究中常用的分析方法之一。该方法可获取样品整体或者感兴趣区域的多种元素分布数据,应用于矿物相识别与含量估算,锆石等定年矿物的快速定位,矿物环带、出溶、反应边结构等特殊岩相和矿物接触关系等分析和研究。本研究中以嫦娥五号月壤、月球陨石、火星陨石研究为例,介绍了目前元素面扫描的应用方法。此外,本文还对比、分析了电子探针面扫描技术与其它面扫描技术的优缺点和适用范围。未来十年,我国将实施一系列月球、火星、小行星等天体采样返回任务。电子探针元素面扫描分析未来将在这些地外样品研究中广泛使用。同时,建议行星科学家围绕所关心的科学问题,合理搭配多种分析方法以实现各种技术优势互补和样品科学价值最大化,服务我国月球与深空探测任务科学产出和行星科学发展。
  • 武梅梅,贺林峰,阮世豪,王天韵,孙凯,陈东风
    2024,14(6):705-714 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    中子成像作为一种快速、直观的无损检测技术,在核工业、航空航天、新能源、地质、考古、先进制造等多个领域得到广泛应用。中子成像利用中子不带电、穿透能力强、对轻元素敏感、可区分同位素和近邻元素等特性,非常适合开展含氢元素、近邻元素和同位素等材料的无损检测。本文概述了中子成像技术的基本原理及特点,并结合中国先进研究堆(CARR)中子成像装置上的应用案例, 重点介绍了国内外中子成像技术在储氢材料、燃料电池、岩石、核燃料元件、古代文物等领域的典型应用。随着中子成像技术的不断发展和广泛应用,有望为我国更多领域研究提供更强有力的技术支撑。
  • 姚凯强,苏宝鹏,李卓岱,刘国睿,李江坤,刘军涛,刘志毅
    2024,14(6):715-731 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    宇宙射线缪子成像是一种新型的绿色核成像技术,近年来发展迅速。该技术利用天然的缪子射线对物体实现无损、高精度的三维成像。国内多所高校和研究机构已开展了一些缪子成像技术的相关研究,包括系统研发、场景应用和少量的成像算法研究。本文针对两种不同原理的缪子成像在国内的研究进行了综述,通过一些典型案例的介绍,展现该技术在经济、文化和社会方面的巨大价值和潜力。我国幅员辽阔、工业体系完善,缪子成像技术在多个领域具有广泛的应用需求。随着相关研究的深入推进,该技术在未来将取得持续发展并得到广泛应用,在文物保护与挖掘、矿藏勘探、基础设施结构监测、泥石流自然灾害预警等产业端发挥重要作用。
  • 黄声慧,王同兴,李力力,赵永刚
    2024,14(6):732-738 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    核法证学是打击非法贩卖核材料和放射性物质的重要工具,可用于对截获的材料进行分析溯源。过去的研究主要集中于元素和同位素特征的总体分析表征。近年来,随着微分析技术的发展,微米尺度和纳米尺度元素和同位素空间分布特征、微观形态学特征研究正成为核法证学研究的热点。本文基于近年来国内外核法证学的研究成果,详细介绍了元素成像技术在核法证学材料分析领域元素和同位素成像、微观形态学方面的应用研究进展。
  • 田雨薇,王远航,高智星,何运,王钊,孙伟
    2024,14(6):739-748 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    激光诱导等离子体光谱元素成像技术以其具备测量不受辐射本底影响,测量速度快,样品制备相对简单,可远程分析放射性样品等优势在核材料检测领域展现出巨大的潜力。本文将激光诱导等离子体光谱元素成像技术分为成像系统和数据处理两个方面进行介绍,并对其研究进展和在核材料检测领域的应用进行综合分析,最后总结了LIPS元素成像技术的优势与面临的挑战,对LIPS元素成像技术在核材料检测领域的发展趋势进行展望。
  • 程 璨,赵 冬,梁旭文,杨晓艳,贾文宝,夏勋荣,顾加雨
    2024,14(6):749-757 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    瞬发γ活化成像技术基于瞬发γ射线中子活化分析,结合准直测量或者伴随粒子测量手段,以实现对样品内部中元素位置分布的测量。当前大多数相关研究都是基于大型中子源开展的,这限制了该技术的应用场景,可移动小型化中子源是该技术现场应用的必然要求。基于可移动中子源的瞬发伽马活化成像技术按照准直方式可分为基于单孔准直、编码孔准直及伴随粒子测量三类,本文对其技术原理、研究进展及仍存在的问题进行介绍与讨论。目前的技术在空间分辨率上还需要进一步提升,未来将进一步结合图像处理算法提高成像质量并降低测量时间。
  • 胡晓光,周君霞,白李薇薇,徐灏寓,黄子旭,胡保发,秦沛
    2024,14(6):758-771 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    元素成像作为一种快速、直观的无损检测技术,在核工业、航空航天、新能源、地质、考古、先进制造等多个领域得到广泛应用。其中的X射线凭借较强的穿透物体的能力,太赫兹和毫米波凭借对人体无接触、低损害的特点,在安检领域得到了广泛应用。本文对这三种成像技术的数据集和近几年的图像处理技术进行了总结和归纳,为该领域的进一步深入应用提供了有力的技术支撑。
  • 阮世豪,贺林峰,武梅梅,李正耀,王天韵,李玉庆,孙凯,陈东风
    2024,14(6):772-785 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    能量选择中子成像技术是利用特定范围波长(能量)的中子进行成像。在热/冷中子范围内(<25meV),能量选择中子成像技术主要基于布拉格边效应和衍射机制,相比常规中子成像技术不但可以显著提高图像对比度,而且能分析应变、应力、织构。在超热中子范围内(>1eV),能量选择中子成像技术主要基于中子共振吸收,中子截面随能量变化是同位素特有的,存在明显的共振吸收峰,因此可以进行同位素的“指纹”识别。能量选择中子成像技术在工程、材料、化学、物理、生物、考古等众多科研领域中有着非常广阔的应用前景。
  • 资源与环境
  • 张锋,王含,范珺亭,张慧
    2024,14(6):786-794 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    中子技术能够利用中子与物质的相互作用确定其组成等性质,广泛应用于医学、环境科学、核反应堆建设、金属矿产勘查及石油工业中。在石油天然气领域,中子探测技术主要被用于确定井孔中的孔隙度、密度和流体饱和度等参数。随着测井技术的不断发展,基于瞬发伽马射线的中子活化分析技术也已应用于井下确定地层元素含量,并成为复杂岩性和非常规油气储层获得矿物含量的唯一手段。本文阐述了地层元素伽马能谱测井的方法,利用蒙特卡罗方法模拟了不同地层条件下的伽马能谱,构建了地层元素的标准谱库,研究了奇异值分解和极大似然估计能谱数据处理方法,并利用得到的元素产额及氧闭合模型实现地层元素含量的确定。利用蒙特卡罗方法构建已知地层的伽马能谱,采用上述数据处理方法得到元素含量与地层真实元素含量误差均在4%之内,Si元素误差最大为2.8%,Ca元素最大误差为3.3%,研究结果为井下确定地层元素成分及含量提供了有效的技术支持。
  • 王嘉豪,胡凌,张晓华,刘秋实,高智星,何运,励钦翔,赵保真
    2024,14(6):795-800 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    随着激光技术的不断发展,以激光为光源的拉曼光谱检测技术由于其快速、无损、无接触探测等优势,已成为地质样品成分鉴别的一种重要途径。由于激光波长是样品拉曼效应的重要决定因素之一,进一步明确其在地质样品成分检测中的影响,能够为开展行星矿物成分研究提供重要参考依据。本工作基于自主建立的532nm/785nm双色光源激光拉曼光谱探测系统,开展了不同激光波长对地质样品成分拉曼光谱的影响研究,获得了包括硝酸根、碳酸根、磷酸根、硅酸根等分子基团以及硫化物、氧化物等多种地质样品主要成分的拉曼特征光谱。通过对比表明,532nm激发光具有更高的光子能量,能够检测更多的样品成分,但荧光效应较强,785nm激发光存在拉曼信号强度较低问题,但是具有很好的荧光抑制效果,可根据实际样品种类进行最佳激发光波长的选择。
  • 王清,付 强,温利刚,贾木欣,赵建军
    2024,14(6):801-808 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    工艺矿物学分析采用自动系统处理后,通常仍有部分精细分析数据需要人工采集,重复劳动工作量大。采用基于扫描电镜(SEM)-X射线能谱(EDS)的BPMA(BGRIMM Process Mineralogy Analyzing System)系统矿物元素分析工具针对目标矿物进行多点EDS元素分析,通过图像特征信息校正保障目标位置精准,通过高计数谱图信息尽量保障后续元素分析的精度。使用工具软件对含金样品进行位置回溯和元素分析统计的测试,并利用工具软件及BPMA系统对某含铌钽矿样品进行工艺矿物学分析测试,实验表明:样品中含量极少的铌钽矿物主要分布在2-5μm,粒度极细,且60%以上被其他矿物包裹,其中,90%的铌分布于褐钇铌矿、铌钙矿;超过80%的钽分布于铌钙矿和铌易解石。工具软件实现的精度可以代替手动操作,批量回找和自动统计显著提高效率;且工具软件对重要矿物元素含量的分析数据则可进一步提高BPMA最终结果数据的精确度。
  • 冶金与材料
  • 金象春,姚永刚,肖才锦,贺林峰,赵梁,孙凯,陈东风
    2024,14(6):809-815 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    无损分析样品内部的元素分布,对于材料、考古、地质科学等领域的研究具有重要意义。本文基于瞬发γ活化分析方法,结合中子照相技术,分析了模拟样品的结构和对称性,首次利用中国先进研究堆(CARR)水平孔道聚焦的微束中子束流,开展了样品瞬发γ扫描分析和材料内部元素分布研究。通过蒙特卡罗软件(MCNP)对样品元素分布实验模型进行分析,模拟结果获得了样品不同区域的元素分布,基本实现了元素空间分辨。MCNP计算结果表明在瞬发γ扫描分析中,优化准直几何参数和提高中子通量能进一步提高元素空间分辨和元素测量准确度。
  • 杜骞,江丽
    2024,14(6):816-825 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    历史文物建筑修复与保护的首要步骤是对建材构件进行成分解析。但成型的混凝土构件成分复杂,传统技术难以直接分析。微区X射线荧光光谱具有速度快、无需前处理、可获得大面积高分辨的元素成像等优势,可用于此类混合物的原位分析。本文采用束斑为20μm的微区X射线荧光光谱仪,扫描成型混凝土构件以获得混合成分的元素分布图,结合基本参数定量法,对上海地区典型历史建筑混泥土构件进行元素定量。分析结果有效地解析了混凝土构建中骨料和凝胶材料的成分和含量,鉴别了涂层成分,解析了拌混工艺,鉴别了局部污染元素和致劣元素并分析致劣原因,为历史建筑修复材料选配、拌混工艺选择、除污及保护性预防劣化提供了科学的数据支撑。
  • 生物与化工
  • 李硕,崔岚,付沛
    2024,14(6):826-835 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    在法庭科学实践中,往往需要通过对文件中字迹墨水的成分分析来精确地判定检材和样本文件的同一性。利用高光谱成像和分光光度技术结合化学计量法,提出了一种对喷墨打印墨水分类的方法。采集14台不同品牌、型号的四色喷墨打印墨水高光谱数据和色度值。计算出平均色度值后进行PCA降维处理和K-Means聚类分析,将样品初步分类。之后应用LightGBM模型、XGBoost模型和SVM模型共三种分类模型,以1:4的比例确定测试集和训练集,对聚类分析结果中每一类别的样品进行逐一鉴别。结果表明,LightGBM和XGBoost对四色样品的分类精度都能达到95%以上,SVM的分类精度为100%。提出的方法能够做到无损、准确、快速地将不同品牌乃至型号的喷墨打印墨水进行区分。
  • 付 沛,崔 岚,李 硕
    2024,14(6):836-841 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    印油种类区分是法庭科学文件检验领域的重要一环,为研究无损高效区分光敏印油种类的方法。以33种不同品牌光敏印油的原始光谱数据当作对照组,对原始数据进行t-SNE降维和UMAP降维后,选择XGBoost、SVM和MLP三种分类算法,以1比4的比例确定测试集和训练集,对原始数据和降维后的数据进行分类,同时使用网格搜索和五倍交叉验证来优化模型的性能和泛化能力。结果表明,上述三种分类算法对降维后光谱数据区分的平均准确率高于对原始光谱数据区分的平均准确率,且UMAP-MLP分类模型的区分准确率最高,可达到98%。提出的分类模型可用于光敏印油种类的快速区分。
  • 其他
  • 汪金龙,吴晓光,杨立旺,赵子豪,郑云,李聪博,李天晓,郑敏
    2024,14(6):842-856 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    质子治疗中的瞬发伽马射线是质子和靶标之间核反应的产物,瞬发伽马射线的特征能量和强度可以用来确定靶中元素的种类和数量,在之前的实验中已经证明,无论反应截面多么复杂,一旦确定了被照射元素和入射质子的能量,元素浓度与伽马射线光子数之间就存在一定的线性关系。然而,这种线性关系很难应用于医学成像,而且氢的非线性行为迄今尚未研究。本文将这种线性关系推广到包括氢等非线性情况的混合元素材料,并提出了一种通用的数学形式,即基于瞬发伽马谱学的重建算法 (PGSRA)。PGSRA的基本假设是样品材料的PGS与元素的每摩尔伽马射线有某种关系。对于碳和氧,这种关系是线性的,而对于氢,这种关系是非线性的。由于2.23 MeV的伽马线来源于中子吸收辐射,我们仔细研究了氢非线性行为。利用蒙特卡罗模拟验证了碳、氧和氢的不同组合,如PMMA、戊二醇和乙醇二醇的线性和非线性关系。在这项工作中开发的PGSRA可能是PGS和医学成像之间的第一座桥梁。
    综述与评论
  • 王唯,姚永刚,肖才锦,赵梁,许小雨,李玉庆,李天富
    2024,14(6):685-697 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    瞬发γ活化成像技术(Prompt Gamma Activation Imaging,PGAI)是基于瞬发γ中子活化分析技术(Prompt Gamma Neutron Activation Analysis,PGAA)的一种新型元素成像技术,具有PGAA非破坏性、高灵敏度的多元素分析特点,同时可研究大体积样品内元素含量的三维分布情况。与移动中子源(如同位素中子源、加速器中子源)相比,反应堆中子源具有高通量的冷/热中子,因此,基于反应堆中子源的PGAI装置具有更加广阔的应用前景。鉴于PGAI技术的重要性,主要介绍了PGAI技术原理和测量方法、列举了国内外具有代表性的PGAI装置及特点,并指出当前PGAI技术研究现状与应用进展。其中,与中子层析成像(Neutron tomography,NT)结合的PGAI是目前研究的重点。随着国内高通量中子反应堆的持续稳定运行以及PGAI装置的建立和技术发展,相信未来PGAI技术能在我国更多领域得到广泛和深入应用。
  • 付晓辉,陈剑,尹承翔
    2024,14(6):698-704 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    由于月壤等地外样品十分珍贵,在实验室研究中优先使用原位、微区、无损的元素分析方法。电子探针元素面扫描是地外样品研究中常用的分析方法之一。该方法可获取样品整体或者感兴趣区域的多种元素分布数据,应用于矿物相识别与含量估算,锆石等定年矿物的快速定位,矿物环带、出溶、反应边结构等特殊岩相和矿物接触关系等分析和研究。本研究中以嫦娥五号月壤、月球陨石、火星陨石研究为例,介绍了目前元素面扫描的应用方法。此外,本文还对比、分析了电子探针面扫描技术与其它面扫描技术的优缺点和适用范围。未来十年,我国将实施一系列月球、火星、小行星等天体采样返回任务。电子探针元素面扫描分析未来将在这些地外样品研究中广泛使用。同时,建议行星科学家围绕所关心的科学问题,合理搭配多种分析方法以实现各种技术优势互补和样品科学价值最大化,服务我国月球与深空探测任务科学产出和行星科学发展。
  • 武梅梅,贺林峰,阮世豪,王天韵,孙凯,陈东风
    2024,14(6):705-714 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    中子成像作为一种快速、直观的无损检测技术,在核工业、航空航天、新能源、地质、考古、先进制造等多个领域得到广泛应用。中子成像利用中子不带电、穿透能力强、对轻元素敏感、可区分同位素和近邻元素等特性,非常适合开展含氢元素、近邻元素和同位素等材料的无损检测。本文概述了中子成像技术的基本原理及特点,并结合中国先进研究堆(CARR)中子成像装置上的应用案例, 重点介绍了国内外中子成像技术在储氢材料、燃料电池、岩石、核燃料元件、古代文物等领域的典型应用。随着中子成像技术的不断发展和广泛应用,有望为我国更多领域研究提供更强有力的技术支撑。
  • 姚凯强,苏宝鹏,李卓岱,刘国睿,李江坤,刘军涛,刘志毅
    2024,14(6):715-731 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    宇宙射线缪子成像是一种新型的绿色核成像技术,近年来发展迅速。该技术利用天然的缪子射线对物体实现无损、高精度的三维成像。国内多所高校和研究机构已开展了一些缪子成像技术的相关研究,包括系统研发、场景应用和少量的成像算法研究。本文针对两种不同原理的缪子成像在国内的研究进行了综述,通过一些典型案例的介绍,展现该技术在经济、文化和社会方面的巨大价值和潜力。我国幅员辽阔、工业体系完善,缪子成像技术在多个领域具有广泛的应用需求。随着相关研究的深入推进,该技术在未来将取得持续发展并得到广泛应用,在文物保护与挖掘、矿藏勘探、基础设施结构监测、泥石流自然灾害预警等产业端发挥重要作用。
  • 黄声慧,王同兴,李力力,赵永刚
    2024,14(6):732-738 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    核法证学是打击非法贩卖核材料和放射性物质的重要工具,可用于对截获的材料进行分析溯源。过去的研究主要集中于元素和同位素特征的总体分析表征。近年来,随着微分析技术的发展,微米尺度和纳米尺度元素和同位素空间分布特征、微观形态学特征研究正成为核法证学研究的热点。本文基于近年来国内外核法证学的研究成果,详细介绍了元素成像技术在核法证学材料分析领域元素和同位素成像、微观形态学方面的应用研究进展。
  • 田雨薇,王远航,高智星,何运,王钊,孙伟
    2024,14(6):739-748 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    激光诱导等离子体光谱元素成像技术以其具备测量不受辐射本底影响,测量速度快,样品制备相对简单,可远程分析放射性样品等优势在核材料检测领域展现出巨大的潜力。本文将激光诱导等离子体光谱元素成像技术分为成像系统和数据处理两个方面进行介绍,并对其研究进展和在核材料检测领域的应用进行综合分析,最后总结了LIPS元素成像技术的优势与面临的挑战,对LIPS元素成像技术在核材料检测领域的发展趋势进行展望。
  • 程 璨,赵 冬,梁旭文,杨晓艳,贾文宝,夏勋荣,顾加雨
    2024,14(6):749-757 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    瞬发γ活化成像技术基于瞬发γ射线中子活化分析,结合准直测量或者伴随粒子测量手段,以实现对样品内部中元素位置分布的测量。当前大多数相关研究都是基于大型中子源开展的,这限制了该技术的应用场景,可移动小型化中子源是该技术现场应用的必然要求。基于可移动中子源的瞬发伽马活化成像技术按照准直方式可分为基于单孔准直、编码孔准直及伴随粒子测量三类,本文对其技术原理、研究进展及仍存在的问题进行介绍与讨论。目前的技术在空间分辨率上还需要进一步提升,未来将进一步结合图像处理算法提高成像质量并降低测量时间。
  • 胡晓光,周君霞,白李薇薇,徐灏寓,黄子旭,胡保发,秦沛
    2024,14(6):758-771 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    元素成像作为一种快速、直观的无损检测技术,在核工业、航空航天、新能源、地质、考古、先进制造等多个领域得到广泛应用。其中的X射线凭借较强的穿透物体的能力,太赫兹和毫米波凭借对人体无接触、低损害的特点,在安检领域得到了广泛应用。本文对这三种成像技术的数据集和近几年的图像处理技术进行了总结和归纳,为该领域的进一步深入应用提供了有力的技术支撑。
  • 阮世豪,贺林峰,武梅梅,李正耀,王天韵,李玉庆,孙凯,陈东风
    2024,14(6):772-785 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    能量选择中子成像技术是利用特定范围波长(能量)的中子进行成像。在热/冷中子范围内(<25meV),能量选择中子成像技术主要基于布拉格边效应和衍射机制,相比常规中子成像技术不但可以显著提高图像对比度,而且能分析应变、应力、织构。在超热中子范围内(>1eV),能量选择中子成像技术主要基于中子共振吸收,中子截面随能量变化是同位素特有的,存在明显的共振吸收峰,因此可以进行同位素的“指纹”识别。能量选择中子成像技术在工程、材料、化学、物理、生物、考古等众多科研领域中有着非常广阔的应用前景。
  • 资源与环境
  • 张锋,王含,范珺亭,张慧
    2024,14(6):786-794 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    中子技术能够利用中子与物质的相互作用确定其组成等性质,广泛应用于医学、环境科学、核反应堆建设、金属矿产勘查及石油工业中。在石油天然气领域,中子探测技术主要被用于确定井孔中的孔隙度、密度和流体饱和度等参数。随着测井技术的不断发展,基于瞬发伽马射线的中子活化分析技术也已应用于井下确定地层元素含量,并成为复杂岩性和非常规油气储层获得矿物含量的唯一手段。本文阐述了地层元素伽马能谱测井的方法,利用蒙特卡罗方法模拟了不同地层条件下的伽马能谱,构建了地层元素的标准谱库,研究了奇异值分解和极大似然估计能谱数据处理方法,并利用得到的元素产额及氧闭合模型实现地层元素含量的确定。利用蒙特卡罗方法构建已知地层的伽马能谱,采用上述数据处理方法得到元素含量与地层真实元素含量误差均在4%之内,Si元素误差最大为2.8%,Ca元素最大误差为3.3%,研究结果为井下确定地层元素成分及含量提供了有效的技术支持。
  • 王嘉豪,胡凌,张晓华,刘秋实,高智星,何运,励钦翔,赵保真
    2024,14(6):795-800 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    随着激光技术的不断发展,以激光为光源的拉曼光谱检测技术由于其快速、无损、无接触探测等优势,已成为地质样品成分鉴别的一种重要途径。由于激光波长是样品拉曼效应的重要决定因素之一,进一步明确其在地质样品成分检测中的影响,能够为开展行星矿物成分研究提供重要参考依据。本工作基于自主建立的532nm/785nm双色光源激光拉曼光谱探测系统,开展了不同激光波长对地质样品成分拉曼光谱的影响研究,获得了包括硝酸根、碳酸根、磷酸根、硅酸根等分子基团以及硫化物、氧化物等多种地质样品主要成分的拉曼特征光谱。通过对比表明,532nm激发光具有更高的光子能量,能够检测更多的样品成分,但荧光效应较强,785nm激发光存在拉曼信号强度较低问题,但是具有很好的荧光抑制效果,可根据实际样品种类进行最佳激发光波长的选择。
  • 王清,付 强,温利刚,贾木欣,赵建军
    2024,14(6):801-808 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    工艺矿物学分析采用自动系统处理后,通常仍有部分精细分析数据需要人工采集,重复劳动工作量大。采用基于扫描电镜(SEM)-X射线能谱(EDS)的BPMA(BGRIMM Process Mineralogy Analyzing System)系统矿物元素分析工具针对目标矿物进行多点EDS元素分析,通过图像特征信息校正保障目标位置精准,通过高计数谱图信息尽量保障后续元素分析的精度。使用工具软件对含金样品进行位置回溯和元素分析统计的测试,并利用工具软件及BPMA系统对某含铌钽矿样品进行工艺矿物学分析测试,实验表明:样品中含量极少的铌钽矿物主要分布在2-5μm,粒度极细,且60%以上被其他矿物包裹,其中,90%的铌分布于褐钇铌矿、铌钙矿;超过80%的钽分布于铌钙矿和铌易解石。工具软件实现的精度可以代替手动操作,批量回找和自动统计显著提高效率;且工具软件对重要矿物元素含量的分析数据则可进一步提高BPMA最终结果数据的精确度。
  • 冶金与材料
  • 金象春,姚永刚,肖才锦,贺林峰,赵梁,孙凯,陈东风
    2024,14(6):809-815 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    无损分析样品内部的元素分布,对于材料、考古、地质科学等领域的研究具有重要意义。本文基于瞬发γ活化分析方法,结合中子照相技术,分析了模拟样品的结构和对称性,首次利用中国先进研究堆(CARR)水平孔道聚焦的微束中子束流,开展了样品瞬发γ扫描分析和材料内部元素分布研究。通过蒙特卡罗软件(MCNP)对样品元素分布实验模型进行分析,模拟结果获得了样品不同区域的元素分布,基本实现了元素空间分辨。MCNP计算结果表明在瞬发γ扫描分析中,优化准直几何参数和提高中子通量能进一步提高元素空间分辨和元素测量准确度。
  • 杜骞,江丽
    2024,14(6):816-825 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    历史文物建筑修复与保护的首要步骤是对建材构件进行成分解析。但成型的混凝土构件成分复杂,传统技术难以直接分析。微区X射线荧光光谱具有速度快、无需前处理、可获得大面积高分辨的元素成像等优势,可用于此类混合物的原位分析。本文采用束斑为20μm的微区X射线荧光光谱仪,扫描成型混凝土构件以获得混合成分的元素分布图,结合基本参数定量法,对上海地区典型历史建筑混泥土构件进行元素定量。分析结果有效地解析了混凝土构建中骨料和凝胶材料的成分和含量,鉴别了涂层成分,解析了拌混工艺,鉴别了局部污染元素和致劣元素并分析致劣原因,为历史建筑修复材料选配、拌混工艺选择、除污及保护性预防劣化提供了科学的数据支撑。
  • 生物与化工
  • 李硕,崔岚,付沛
    2024,14(6):826-835 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    在法庭科学实践中,往往需要通过对文件中字迹墨水的成分分析来精确地判定检材和样本文件的同一性。利用高光谱成像和分光光度技术结合化学计量法,提出了一种对喷墨打印墨水分类的方法。采集14台不同品牌、型号的四色喷墨打印墨水高光谱数据和色度值。计算出平均色度值后进行PCA降维处理和K-Means聚类分析,将样品初步分类。之后应用LightGBM模型、XGBoost模型和SVM模型共三种分类模型,以1:4的比例确定测试集和训练集,对聚类分析结果中每一类别的样品进行逐一鉴别。结果表明,LightGBM和XGBoost对四色样品的分类精度都能达到95%以上,SVM的分类精度为100%。提出的方法能够做到无损、准确、快速地将不同品牌乃至型号的喷墨打印墨水进行区分。
  • 付 沛,崔 岚,李 硕
    2024,14(6):836-841 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    印油种类区分是法庭科学文件检验领域的重要一环,为研究无损高效区分光敏印油种类的方法。以33种不同品牌光敏印油的原始光谱数据当作对照组,对原始数据进行t-SNE降维和UMAP降维后,选择XGBoost、SVM和MLP三种分类算法,以1比4的比例确定测试集和训练集,对原始数据和降维后的数据进行分类,同时使用网格搜索和五倍交叉验证来优化模型的性能和泛化能力。结果表明,上述三种分类算法对降维后光谱数据区分的平均准确率高于对原始光谱数据区分的平均准确率,且UMAP-MLP分类模型的区分准确率最高,可达到98%。提出的分类模型可用于光敏印油种类的快速区分。
  • 其他
  • 汪金龙,吴晓光,杨立旺,赵子豪,郑云,李聪博,李天晓,郑敏
    2024,14(6):842-856 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    质子治疗中的瞬发伽马射线是质子和靶标之间核反应的产物,瞬发伽马射线的特征能量和强度可以用来确定靶中元素的种类和数量,在之前的实验中已经证明,无论反应截面多么复杂,一旦确定了被照射元素和入射质子的能量,元素浓度与伽马射线光子数之间就存在一定的线性关系。然而,这种线性关系很难应用于医学成像,而且氢的非线性行为迄今尚未研究。本文将这种线性关系推广到包括氢等非线性情况的混合元素材料,并提出了一种通用的数学形式,即基于瞬发伽马谱学的重建算法 (PGSRA)。PGSRA的基本假设是样品材料的PGS与元素的每摩尔伽马射线有某种关系。对于碳和氧,这种关系是线性的,而对于氢,这种关系是非线性的。由于2.23 MeV的伽马线来源于中子吸收辐射,我们仔细研究了氢非线性行为。利用蒙特卡罗模拟验证了碳、氧和氢的不同组合,如PMMA、戊二醇和乙醇二醇的线性和非线性关系。在这项工作中开发的PGSRA可能是PGS和医学成像之间的第一座桥梁。
    综述与评论
  • 王唯,姚永刚,肖才锦,赵梁,许小雨,李玉庆,李天富
    2024,14(6):685-697 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    瞬发γ活化成像技术(Prompt Gamma Activation Imaging,PGAI)是基于瞬发γ中子活化分析技术(Prompt Gamma Neutron Activation Analysis,PGAA)的一种新型元素成像技术,具有PGAA非破坏性、高灵敏度的多元素分析特点,同时可研究大体积样品内元素含量的三维分布情况。与移动中子源(如同位素中子源、加速器中子源)相比,反应堆中子源具有高通量的冷/热中子,因此,基于反应堆中子源的PGAI装置具有更加广阔的应用前景。鉴于PGAI技术的重要性,主要介绍了PGAI技术原理和测量方法、列举了国内外具有代表性的PGAI装置及特点,并指出当前PGAI技术研究现状与应用进展。其中,与中子层析成像(Neutron tomography,NT)结合的PGAI是目前研究的重点。随着国内高通量中子反应堆的持续稳定运行以及PGAI装置的建立和技术发展,相信未来PGAI技术能在我国更多领域得到广泛和深入应用。
  • 付晓辉,陈剑,尹承翔
    2024,14(6):698-704 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    由于月壤等地外样品十分珍贵,在实验室研究中优先使用原位、微区、无损的元素分析方法。电子探针元素面扫描是地外样品研究中常用的分析方法之一。该方法可获取样品整体或者感兴趣区域的多种元素分布数据,应用于矿物相识别与含量估算,锆石等定年矿物的快速定位,矿物环带、出溶、反应边结构等特殊岩相和矿物接触关系等分析和研究。本研究中以嫦娥五号月壤、月球陨石、火星陨石研究为例,介绍了目前元素面扫描的应用方法。此外,本文还对比、分析了电子探针面扫描技术与其它面扫描技术的优缺点和适用范围。未来十年,我国将实施一系列月球、火星、小行星等天体采样返回任务。电子探针元素面扫描分析未来将在这些地外样品研究中广泛使用。同时,建议行星科学家围绕所关心的科学问题,合理搭配多种分析方法以实现各种技术优势互补和样品科学价值最大化,服务我国月球与深空探测任务科学产出和行星科学发展。
  • 武梅梅,贺林峰,阮世豪,王天韵,孙凯,陈东风
    2024,14(6):705-714 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    中子成像作为一种快速、直观的无损检测技术,在核工业、航空航天、新能源、地质、考古、先进制造等多个领域得到广泛应用。中子成像利用中子不带电、穿透能力强、对轻元素敏感、可区分同位素和近邻元素等特性,非常适合开展含氢元素、近邻元素和同位素等材料的无损检测。本文概述了中子成像技术的基本原理及特点,并结合中国先进研究堆(CARR)中子成像装置上的应用案例, 重点介绍了国内外中子成像技术在储氢材料、燃料电池、岩石、核燃料元件、古代文物等领域的典型应用。随着中子成像技术的不断发展和广泛应用,有望为我国更多领域研究提供更强有力的技术支撑。
  • 姚凯强,苏宝鹏,李卓岱,刘国睿,李江坤,刘军涛,刘志毅
    2024,14(6):715-731 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    宇宙射线缪子成像是一种新型的绿色核成像技术,近年来发展迅速。该技术利用天然的缪子射线对物体实现无损、高精度的三维成像。国内多所高校和研究机构已开展了一些缪子成像技术的相关研究,包括系统研发、场景应用和少量的成像算法研究。本文针对两种不同原理的缪子成像在国内的研究进行了综述,通过一些典型案例的介绍,展现该技术在经济、文化和社会方面的巨大价值和潜力。我国幅员辽阔、工业体系完善,缪子成像技术在多个领域具有广泛的应用需求。随着相关研究的深入推进,该技术在未来将取得持续发展并得到广泛应用,在文物保护与挖掘、矿藏勘探、基础设施结构监测、泥石流自然灾害预警等产业端发挥重要作用。
  • 黄声慧,王同兴,李力力,赵永刚
    2024,14(6):732-738 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    核法证学是打击非法贩卖核材料和放射性物质的重要工具,可用于对截获的材料进行分析溯源。过去的研究主要集中于元素和同位素特征的总体分析表征。近年来,随着微分析技术的发展,微米尺度和纳米尺度元素和同位素空间分布特征、微观形态学特征研究正成为核法证学研究的热点。本文基于近年来国内外核法证学的研究成果,详细介绍了元素成像技术在核法证学材料分析领域元素和同位素成像、微观形态学方面的应用研究进展。
  • 田雨薇,王远航,高智星,何运,王钊,孙伟
    2024,14(6):739-748 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    激光诱导等离子体光谱元素成像技术以其具备测量不受辐射本底影响,测量速度快,样品制备相对简单,可远程分析放射性样品等优势在核材料检测领域展现出巨大的潜力。本文将激光诱导等离子体光谱元素成像技术分为成像系统和数据处理两个方面进行介绍,并对其研究进展和在核材料检测领域的应用进行综合分析,最后总结了LIPS元素成像技术的优势与面临的挑战,对LIPS元素成像技术在核材料检测领域的发展趋势进行展望。
  • 程 璨,赵 冬,梁旭文,杨晓艳,贾文宝,夏勋荣,顾加雨
    2024,14(6):749-757 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    瞬发γ活化成像技术基于瞬发γ射线中子活化分析,结合准直测量或者伴随粒子测量手段,以实现对样品内部中元素位置分布的测量。当前大多数相关研究都是基于大型中子源开展的,这限制了该技术的应用场景,可移动小型化中子源是该技术现场应用的必然要求。基于可移动中子源的瞬发伽马活化成像技术按照准直方式可分为基于单孔准直、编码孔准直及伴随粒子测量三类,本文对其技术原理、研究进展及仍存在的问题进行介绍与讨论。目前的技术在空间分辨率上还需要进一步提升,未来将进一步结合图像处理算法提高成像质量并降低测量时间。
  • 胡晓光,周君霞,白李薇薇,徐灏寓,黄子旭,胡保发,秦沛
    2024,14(6):758-771 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    元素成像作为一种快速、直观的无损检测技术,在核工业、航空航天、新能源、地质、考古、先进制造等多个领域得到广泛应用。其中的X射线凭借较强的穿透物体的能力,太赫兹和毫米波凭借对人体无接触、低损害的特点,在安检领域得到了广泛应用。本文对这三种成像技术的数据集和近几年的图像处理技术进行了总结和归纳,为该领域的进一步深入应用提供了有力的技术支撑。
  • 阮世豪,贺林峰,武梅梅,李正耀,王天韵,李玉庆,孙凯,陈东风
    2024,14(6):772-785 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    能量选择中子成像技术是利用特定范围波长(能量)的中子进行成像。在热/冷中子范围内(<25meV),能量选择中子成像技术主要基于布拉格边效应和衍射机制,相比常规中子成像技术不但可以显著提高图像对比度,而且能分析应变、应力、织构。在超热中子范围内(>1eV),能量选择中子成像技术主要基于中子共振吸收,中子截面随能量变化是同位素特有的,存在明显的共振吸收峰,因此可以进行同位素的“指纹”识别。能量选择中子成像技术在工程、材料、化学、物理、生物、考古等众多科研领域中有着非常广阔的应用前景。
  • 资源与环境
  • 张锋,王含,范珺亭,张慧
    2024,14(6):786-794 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    中子技术能够利用中子与物质的相互作用确定其组成等性质,广泛应用于医学、环境科学、核反应堆建设、金属矿产勘查及石油工业中。在石油天然气领域,中子探测技术主要被用于确定井孔中的孔隙度、密度和流体饱和度等参数。随着测井技术的不断发展,基于瞬发伽马射线的中子活化分析技术也已应用于井下确定地层元素含量,并成为复杂岩性和非常规油气储层获得矿物含量的唯一手段。本文阐述了地层元素伽马能谱测井的方法,利用蒙特卡罗方法模拟了不同地层条件下的伽马能谱,构建了地层元素的标准谱库,研究了奇异值分解和极大似然估计能谱数据处理方法,并利用得到的元素产额及氧闭合模型实现地层元素含量的确定。利用蒙特卡罗方法构建已知地层的伽马能谱,采用上述数据处理方法得到元素含量与地层真实元素含量误差均在4%之内,Si元素误差最大为2.8%,Ca元素最大误差为3.3%,研究结果为井下确定地层元素成分及含量提供了有效的技术支持。
  • 王嘉豪,胡凌,张晓华,刘秋实,高智星,何运,励钦翔,赵保真
    2024,14(6):795-800 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    随着激光技术的不断发展,以激光为光源的拉曼光谱检测技术由于其快速、无损、无接触探测等优势,已成为地质样品成分鉴别的一种重要途径。由于激光波长是样品拉曼效应的重要决定因素之一,进一步明确其在地质样品成分检测中的影响,能够为开展行星矿物成分研究提供重要参考依据。本工作基于自主建立的532nm/785nm双色光源激光拉曼光谱探测系统,开展了不同激光波长对地质样品成分拉曼光谱的影响研究,获得了包括硝酸根、碳酸根、磷酸根、硅酸根等分子基团以及硫化物、氧化物等多种地质样品主要成分的拉曼特征光谱。通过对比表明,532nm激发光具有更高的光子能量,能够检测更多的样品成分,但荧光效应较强,785nm激发光存在拉曼信号强度较低问题,但是具有很好的荧光抑制效果,可根据实际样品种类进行最佳激发光波长的选择。
  • 王清,付 强,温利刚,贾木欣,赵建军
    2024,14(6):801-808 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    工艺矿物学分析采用自动系统处理后,通常仍有部分精细分析数据需要人工采集,重复劳动工作量大。采用基于扫描电镜(SEM)-X射线能谱(EDS)的BPMA(BGRIMM Process Mineralogy Analyzing System)系统矿物元素分析工具针对目标矿物进行多点EDS元素分析,通过图像特征信息校正保障目标位置精准,通过高计数谱图信息尽量保障后续元素分析的精度。使用工具软件对含金样品进行位置回溯和元素分析统计的测试,并利用工具软件及BPMA系统对某含铌钽矿样品进行工艺矿物学分析测试,实验表明:样品中含量极少的铌钽矿物主要分布在2-5μm,粒度极细,且60%以上被其他矿物包裹,其中,90%的铌分布于褐钇铌矿、铌钙矿;超过80%的钽分布于铌钙矿和铌易解石。工具软件实现的精度可以代替手动操作,批量回找和自动统计显著提高效率;且工具软件对重要矿物元素含量的分析数据则可进一步提高BPMA最终结果数据的精确度。
  • 冶金与材料
  • 金象春,姚永刚,肖才锦,贺林峰,赵梁,孙凯,陈东风
    2024,14(6):809-815 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    无损分析样品内部的元素分布,对于材料、考古、地质科学等领域的研究具有重要意义。本文基于瞬发γ活化分析方法,结合中子照相技术,分析了模拟样品的结构和对称性,首次利用中国先进研究堆(CARR)水平孔道聚焦的微束中子束流,开展了样品瞬发γ扫描分析和材料内部元素分布研究。通过蒙特卡罗软件(MCNP)对样品元素分布实验模型进行分析,模拟结果获得了样品不同区域的元素分布,基本实现了元素空间分辨。MCNP计算结果表明在瞬发γ扫描分析中,优化准直几何参数和提高中子通量能进一步提高元素空间分辨和元素测量准确度。
  • 杜骞,江丽
    2024,14(6):816-825 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    历史文物建筑修复与保护的首要步骤是对建材构件进行成分解析。但成型的混凝土构件成分复杂,传统技术难以直接分析。微区X射线荧光光谱具有速度快、无需前处理、可获得大面积高分辨的元素成像等优势,可用于此类混合物的原位分析。本文采用束斑为20μm的微区X射线荧光光谱仪,扫描成型混凝土构件以获得混合成分的元素分布图,结合基本参数定量法,对上海地区典型历史建筑混泥土构件进行元素定量。分析结果有效地解析了混凝土构建中骨料和凝胶材料的成分和含量,鉴别了涂层成分,解析了拌混工艺,鉴别了局部污染元素和致劣元素并分析致劣原因,为历史建筑修复材料选配、拌混工艺选择、除污及保护性预防劣化提供了科学的数据支撑。
  • 生物与化工
  • 李硕,崔岚,付沛
    2024,14(6):826-835 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    在法庭科学实践中,往往需要通过对文件中字迹墨水的成分分析来精确地判定检材和样本文件的同一性。利用高光谱成像和分光光度技术结合化学计量法,提出了一种对喷墨打印墨水分类的方法。采集14台不同品牌、型号的四色喷墨打印墨水高光谱数据和色度值。计算出平均色度值后进行PCA降维处理和K-Means聚类分析,将样品初步分类。之后应用LightGBM模型、XGBoost模型和SVM模型共三种分类模型,以1:4的比例确定测试集和训练集,对聚类分析结果中每一类别的样品进行逐一鉴别。结果表明,LightGBM和XGBoost对四色样品的分类精度都能达到95%以上,SVM的分类精度为100%。提出的方法能够做到无损、准确、快速地将不同品牌乃至型号的喷墨打印墨水进行区分。
  • 付 沛,崔 岚,李 硕
    2024,14(6):836-841 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    印油种类区分是法庭科学文件检验领域的重要一环,为研究无损高效区分光敏印油种类的方法。以33种不同品牌光敏印油的原始光谱数据当作对照组,对原始数据进行t-SNE降维和UMAP降维后,选择XGBoost、SVM和MLP三种分类算法,以1比4的比例确定测试集和训练集,对原始数据和降维后的数据进行分类,同时使用网格搜索和五倍交叉验证来优化模型的性能和泛化能力。结果表明,上述三种分类算法对降维后光谱数据区分的平均准确率高于对原始光谱数据区分的平均准确率,且UMAP-MLP分类模型的区分准确率最高,可达到98%。提出的分类模型可用于光敏印油种类的快速区分。
  • 其他
  • 汪金龙,吴晓光,杨立旺,赵子豪,郑云,李聪博,李天晓,郑敏
    2024,14(6):842-856 doi: 10.16078/j.tribology.2017.06.002
    摘要:
    质子治疗中的瞬发伽马射线是质子和靶标之间核反应的产物,瞬发伽马射线的特征能量和强度可以用来确定靶中元素的种类和数量,在之前的实验中已经证明,无论反应截面多么复杂,一旦确定了被照射元素和入射质子的能量,元素浓度与伽马射线光子数之间就存在一定的线性关系。然而,这种线性关系很难应用于医学成像,而且氢的非线性行为迄今尚未研究。本文将这种线性关系推广到包括氢等非线性情况的混合元素材料,并提出了一种通用的数学形式,即基于瞬发伽马谱学的重建算法 (PGSRA)。PGSRA的基本假设是样品材料的PGS与元素的每摩尔伽马射线有某种关系。对于碳和氧,这种关系是线性的,而对于氢,这种关系是非线性的。由于2.23 MeV的伽马线来源于中子吸收辐射,我们仔细研究了氢非线性行为。利用蒙特卡罗模拟验证了碳、氧和氢的不同组合,如PMMA、戊二醇和乙醇二醇的线性和非线性关系。在这项工作中开发的PGSRA可能是PGS和医学成像之间的第一座桥梁。

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