基于蒙特卡罗模拟的透射式XRD背景的定量分析.pdf
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1、第5 8 卷第2 期2024年2 月原子能科学技术Atomic Energy Science and TechnologyVol.58,No.2Feb.2024基于蒙特卡罗模拟的透射式XRD背景的定量分析袁靖茜,黄宁*,何泽,彭博,王鹏(四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室,四川成都6 10 0 6 4)摘要:XRD背景主要来源于空气、装置和样品中光子的散射,XRD分析需准确扣除背景,常用的扣背景方法具有一定的局限。蒙特卡罗模拟可实现光子的甄别与统计,因此可将其用于XRD背景来源的定量分析。相干散射的模拟中需考虑物质的Form Factor,这可由Baro等的拟合式、独立
2、原子模型或德拜公式给出;在2 0 keV能量及透射几何模式下,通过对骨、尼龙、水等物质的XRD模拟,对探测器中光子来源进行了区分和统计。结果表明,德拜公式计算的空气背景大于独立原子模型;空气散射在小角度时背景占比大,随散射角的增加从10 0%减小至40%以下,而样品中康普顿散射的计数占比则从0 增大至60%以上。该方法可对不同样品组成以及复杂装置结构的XRD背景进行定量分析。关键词:蒙特卡罗模拟;XRD背景;FormFactor;Geant4中图分类号:TL81doi:10.7538/yzk.2023.youxian.0270Quantitative Analysis of Transmiss
3、ion XRD BackgroundYUAN Jingxi,HUANG Ning,HE Ze,PENG Bo,WANG Peng(Key Laboratory of Radiation Physics and Technology of Ministry of Education,Institute of Nuclear Science and Technology,Sichuan University,Chengdu 610064,China)Abstract:The first prerequisite for obtaining correct information from an X
4、-ray diffrac-tion pattern is to accurately remove the background.The most commonly used methodin experiments is direct subtraction,which ignores the absorption of the sample andother interactions within the sample such as the photoelectric effect and the counting ofphotons produced by Compton scatte
5、ring.The“rolling bal algorithm and the use ofsoftware such as Jade deduction background as well as other deduction methods alsohave their own limitations.Monte Carlo simulation can identify and count the particles,so it is very important to use it for quantitative analysis of XRD background.In thiss
6、tudy,the atomic Form Factor of each element in the air was calculated by the Barofitting formula and the molecular Form Factor was given by the Debye formula and文献标志码:ABased on Monte Carlo Simulation文章编号:10 0 0-6 9 31(2 0 2 4)0 2-0 441-10收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 8;修回日期:2 0 2 3-0 6-2 8基金项目:四川省重大科技专项(2 0 2
7、0 ZDZX0004)*通信作者:黄宁442compared with the calculation results of the independent atomic model.Geant4 was usedto simulate XRD for crystalline substances such as bone and nylon and amorphoussubstances such as water,and the background and real signals were effectively separatedin the results,then the XRD
8、 background was quantitatively analyzed on this basis.Theresults show that there is a huge difference in counting between the independent atomicmodel and Debyes formula,and the Debye method produces more scattered particles.XRD background comes from the air scattering and other types of interactions
9、 betweenphotons and matter in the sample,the former contributing the most at small angles,theproportion decreases from 100%to less than 40%with the increase of the scatteringangle,and the proportion of the latter increases from O to more than 60%with the scat-tering angle.The results indirectly illu
10、strate the inaccuracy of the background subtrac-tion methods in the experiment.Such as the direct subtraction method not only ignoresthe absorption of X-ray by the sample,but also ignores the background count caused byother interactions of X-ray photons in the sample.To accurately remove the back-gr
11、ound,all the counts of background mentioned above must be considered.The MonteCarlo method was used to simulate the XRD background,and the simulation was closelyconnected with the practice.The same XRD background pattern can be obtained byconstructing the same geometric model as the experiment,setti
12、ng the same physicalparameters as the experiment,and using the same sample Form Factor as the experi-ment.Applying the simulation results to actual experiments may become a moreaccurate method of background deduction.Key words:Monte Carlo simulation;XRD background;Form Factor;Geant4XRD(X-ray diffrac
13、tion)技术是一种不可或缺的结构测试手段,广泛应用于物相分析、应力测量及结晶度的测定等应用中1-3。在进行XRD分析时,正确扣除背景是得到准确XRD图谱的必要前提4。实际中使用最广泛的扣背景方法是直接减除法,它在没有样品的条件下进行XRD测量,获得的图谱即为背景图谱。在透射测量几何中,由于没有样品,直接减除法忽略了样品的吸收以及样品中物质与光子的非相干散射所产生的背景,因此不适用于较大或较厚样品的测量。此外,Sternberg提出的“滚球算法”适合晶体材料,其原理是保留衍射图谱中较大的梯度变化而扣除较小的梯度变化,而当样品没有尖锐的衍射峰时衍射信号会被当做背景扣除,因此不适用于非晶材料的背景
14、处理5 。Zheng等6 结合实验提出了一种新颖的方法,通过改变样品的位置,得到了较直接减除法更准确的背景,但该方法需实验测量。此外,还有背景扣除方法如小波分析和SNIP算法,但这两种方法均以纯粹信号的角度进行背景扣原子能科学技术第5 8 卷除,未考虑物理过程7-8 。软X射线光子穿过物质时,主要发生光电效应、康普顿散射和相干散射。相干散射是指人射光子与原子核外电子发生弹性碰撞,入射方向变化而能量不变的散射。具有相同能量的相干散射光子之间可能发生相互干涉,这种相互干涉可发生在原子内不同电子之间、分子内不同原子之间、不同分子与分子之间。而具有特定结构的物质如晶体,它们的空间结构长程有序排列,由其
15、散射的光子之间具有固定的相位差从而会产生大规模的相互干涉,这种大规模的相干散射在宏观上表现出衍射现象 。蒙特卡罗模拟可对物理过程进行仿真,并实现光子的甄别与统计,因此,本文使用该方法对XRD进行模拟,以实现背景中各计数成分及占比的定量分析。一般,XRD图谱中的背景来源于空气、实验装置对X射线的散射和样品中物质与光子的非相干散射,以及X射线荧光、致辐射等,其中空气散射对背景的贡献较大,样品中物质与光子的非相干散射以康普顿第2 期散射为主5 。XRD图谱的衍射信号来源于物质中不同密度分布的电子对X射线的大规模的相干散射L9,该相干散射通常用Form Factor加以描述,是原子或分子相干散射截面与
16、单电子相干散射截面的比值。使用精准的Form Factor值与相干散射物理过程,是实现XRD模拟的关键。基于蒙特卡罗方法的粒子输运模拟软件有Geant4、EG S4等。Geant4是由欧洲核子研究中心(CERN)开发的一款模拟软件,具有广泛的应用领域,包括辐射防护、核反应堆设计、热核聚变研究、宇宙射线探测器设计等EGS4是一种电子和光子输运的蒙特卡罗模拟软件,由斯坦福大学等开发,主要应用于医学物理、核医学和辐射防护等领域10 11。多年来,众多学者基于 Geant4 与 EGS4 进行了诸多的相干散射模拟研究。19 9 6 年,Leliveld等9 1实现了液体水、尼龙等样品的模拟,并详细阐述
17、了蒙特卡罗模拟相干散射的原理与要点。与此同时,Peplow、Tartari等12-13 针对生物组织(包括脂肪、骨等)的 Form Factor 进行了一系列研究,基于 EGS4实现了相干散射模拟,并更新了生物组织的Form Factor。2 0 2 0 年,Paterno 等14 基于 Geant4实现了相干散射模拟,对之前关于生物组织模拟研究进行了总结,并更新了Geant4相干散射的数据库。本文通过Baro等的拟合式与德拜公式计算空气Form Factor,代替Geant4中以独立原子模型方法计算空气FormFactor。模拟中调用Paterno的Form Factor数据库,以得到较准确
18、的XRD图谱15 。通过模拟具有的可轻松实现和调整几何模型、可考虑和区分光子与物质的各种相互作用、可对探测器上的光子来源进行区分和记录的优势,实现模拟场景下XRD背景的定量分析。1理论与方法1.1相干散射一个人射光子与原子的相干散射截面可表示为:0)-/F(g,2 dgado oh(0)d5do Th(0)2=r:1+cos*0d52袁靖茜等:基于蒙特卡罗模拟的透射式XRD背景的定量分析443其中:doTh()/d2为非偏振光的汤姆逊散射截面,表示1个光子与1个电子发生相干散射的概率;re为电子经典半径;F(q,Z)为该原子的Form Factor,是动量转移q和原子序数Z 的函数。q可表示为
19、:2E.qsin(0/2)C其中:E为人射光子能量;c为真空中光速;0 为人射光子的散射角。在很多文献中,也用=q/2h表示FormFactor,单位为A-1,h为普朗克常量。因此1个原子的相干散射截面可表示为:Ccoh(E)=ra(1+cos?0)|F(q,Z)sin 0do(4)1)原子 Form Factor 的计算根据式(5)可知,计算原子相干散射截面的关键在于如何获取准确的原子FormFactor。为此,Hubbell 等16-17 做了大量的研究,通过不同的原子模型,结合实验获取了原子序数11oo的原子FormFactor,并将这些数据制为表格。截至目前,Hubbell 的原子Fo
20、rm Factor数据仍使用广泛。为更高效使用这些数据,许多人对其进行插值拟合,其中,Bar6等18 的拟合式与原数据拟合结果较好,将各元素FormFactor的计算公式拟合如下:F(q,Z)=r(z,Z)=zlta+a2+a2(1+a4+asat)2max(f(,Z),Fk(q,Z)if Z 10 and f(,Z)2其中:a1va2va3va4vas为各元素的拟合参数,可通过查表获得;Fk(q Z)可表示为:Fk(q,Z)=sin(2yaretan Q)YQ(1+Q)其中,Q=q/2meca,a=(Z-5/16),=1/137,=V1-,q=(2 E/c)s in(0/2)=mec/20.
21、6074,=20.6074q/(mec),m e 与c分别为电子静止质量与光速。利用Bar等的拟合式(式(5)、(6)),可在保证准确性的前提下,较快捷获取各元素(1)d5(2)(3)(5)((6)Form Factor,同时,拟合式的计算使得Hub-bell的表格数据变得连续,更方便FormFactor的使用与研究。4442)分子FormFactor的计算对于分子FormFactor的计算,实验上通常的做法是先利用独立原子模型(IAM)计算FiAM:将分子内各原子FormFactor按质量权重累加而得到分子FormFactor。再用FiAM乘以干涉函数,以修正独立原子模型计算过程对干涉效应的
22、忽略,具体的计算过程可表示为:(7)(FM(q)=FiAM(q)s(q)其中:s(q)为干涉函数;FM(q)为经干涉函数修正后的分子FormFactor。在这种表示方法下,干涉函数是表征干涉效应的关键信息,它通常是一个震荡函数,并且一般从实验测量的衍射图谱中提取获得。也可用德拜公式对分子的Form Factor进行计算,如Narten就使用该公式计算了水分子的Form Factor,且与实验结果对比吻合较好19 。相较于独立原子模型对各原子FormFactor的质量权重累加,德拜公式考虑了分子内原子之间的相互干涉,即分子内各原子FormFactor应是一种“振幅叠加关系”而不是“强度叠加关系”
23、。德拜公式可表示为:IN=22FF.NN,sin2元srk2元srk其中:F,、Fk 为原子Form Factor;s为原子间的散射矢量;r丞为两原子间的原子间距。1.2空气FormFactor的计算基于1.1节中阐述的计算方法可对空气的FormFactor进行计算。结合式(5)、(6)可得到空气中各元素的原子FormFactor,图1示出了空气中部分元素的计算结果,其中横坐标=q/2h=sin(0/2)/入,用以替代q表示物质的Form Factor。空气是气体,各分子间具有较大的距离而不会发生分子与分子之间的相互干涉。若用独立原子模型十干涉函数修正的方法表示空气的FormFactor,则干
24、涉函数s(q)=19。显然,此时的干涉函数已失去了修正的作用,因此使用独立原子模型单独表示空气FormFactor不准确。独立原子模型的不足也被很多研究者提及9 141。相较而言,使用考量了分子内原子间的相互干涉的德拜公式计算空气Form Factor原子能科学技术第5 8 卷则更准确。本文考虑的空气成分列于表1,此外,表格里还包含了计算FormFactor所需要的原子间距与质量占比2 0 1815129630E0.0图1空气中部分原子FormFactorFig.1Partial atomic Form Factor in air表1空气成分Table1Aircomposition原子成分间距
25、/pmN2TN-N=145.002ro-0=120.9CO2rc-0=116.0,ro-0=232.0(8)杂质(气态水为代表)稀有气体(Ar为代表)需注意,表1中考虑的空气杂质和稀有气体以质量占比最高的气态水和Ar为代表,其中Ar为原子气体,故没有分子内原子间距这一参数。因此,利用表中参数与德拜公式,可计算出空气内各分子Form Factor,另外,将计算结果与独立原子模型进行比较,结果如图2 所示。从图2 可看出,忽略了分子内原子之间相互干涉的独立原子模型下各分子Form Factor与德拜公式的计算结果差距很大,这在较小时尤为明显,也与客观事实相符:干涉效应主要发生在较小时17 。如上所
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