基于波束路径的共聚焦微X射线荧光成像衰减校准方法技术

本发明专利技术提供一种基于波束路径的共聚焦微X射线荧光成像衰减校准方法，步骤如下：获取实验样品的XRF光谱；计算各个待校准元素在各个像素单元的初始强度；计算各个待校准元素在各个像素单元的强度占比；计算成像区域的平均密度；计算实验样品在成像区域的总质量；计算各个待校准元素的总质量；计算各个待校准元素在各个像素单元的质量；计算各个像素单元中的密度和各个待校准元素在各个像素单元中的质量占比；计算各个待校准元素的像素单元总质量衰减截面；计算各个待校准元素在各个像素单元中的校准强度；计算相邻两次校准强度的变化量，判断所述变化量是否小于阈值，若所述变化量小于阈值，则得到的校准强度即为校准后的强度。

【技术实现步骤摘要】
基于波束路径的共聚焦微X射线荧光成像衰减校准方法
本专利技术涉及光学测试数据分析
，尤其涉及一种基于波束路径的共聚焦微X射线荧光成像衰减校准方法。
技术介绍
共聚焦微X射线荧光成像(Confocalμ-XRFImaging,C-μXRF-I)分析，能够提供完整的样品内部各种元素的三维分布图，已作为一种功能强大的技术在生物、环境、考古、材料科学等领域广泛应用。同步辐射X射线荧光分析具有直接提供证据、高灵敏度、低检出限、多元素同时检测和低损伤的优点。相比传统微X射线荧光光谱二维分析，不需要切片，可直接获取内部数据，且检出限更低。同时，由于光学的准直特性，共聚焦微X射线荧光成像的荧光和散射光子只能从共焦体中收集，因此信噪比较传统微X射线荧光光谱大大提高。光在通过吸收物质时会产生X射线衰减。从样品内部释放出来的荧光强度的校准是解释C-μXRF-I数据的前提条件，但目前校准测试强度的方法并不多。前人的方法大多是针对均一、层状、低密度样品，对于实际样品，尤其是环境样品而言，很难符合这些条件。因此，迫切需要一种衰减矫正方法来处理非均质、密度变化的样品。波束路径衰减理论主要基于每一个像素单元中某种元素的质量占比与该元素强度占所有元素总强度的比值成正比的假设，将质量占比与强度占比结合起来，最终达到非均质或非层状样品在波束路径上的逐一校准。方法简单可行，且适用范围广，用样品图谱处理后校准效果显著且可靠。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种能够处理非均匀样品的基于波束路径的共聚焦微X射线荧光成像衰减校准方法。本专利技术提供一种基于波束路径的共聚焦微X射线荧光成像衰减校准方法，包括以下步骤：S101，获取实验样品的XRF光谱，所述XRF光谱包括若干个像素单元；S102，计算各个待校准元素在各个像素单元的初始强度；S103，根据所述各个待校准元素在各个像素单元的初始强度计算各个待校准元素在各个像素单元的强度占比；S104，根据实验样品的颗粒密度计算成像区域的平均密度；S105，根据所述成像区域的平均密度计算实验样品在成像区域的总质量；S106，根据所述实验样品在成像区域的总质量和实验样品的元素组成计算各个待校准元素的总质量；S107，根据所述各个待校准元素的总质量和其在各个像素单元的强度占比计算各个待校准元素在各个像素单元的质量；S108，根据所述各个待校准元素在各个像素单元的质量计算各个像素单元中的密度和各个待校准元素在各个像素单元中的质量占比；S109，根据所述各个待校准元素在各个像素单元中的质量占比计算各个待校准元素的像素单元总质量衰减截面；S110，根据所述各个待校准元素的像素单元总质量衰减截面、各个像素单元中的密度和各个待校准元素在各个像素单元的强度占比计算各个待校准元素在各个像素单元中的校准强度；S111，返回步骤S103，利用得到的各个待校准元素在各个像素单元中的校准强度再次计算各个待校准元素在各个像素单元的强度占比，并重复执行步骤S107-S110,得到各个待校准元素在各个像素单元中的更新后的校准强度；S112,计算相邻两次校准强度的变化量，判断所述变化量是否小于阈值，若所述变化量小于阈值，则步骤S111得到的更新后的校准强度即为校准后的强度；若所述变化量大于等于阈值，则重复执行步骤S111-S112。进一步地，根据所述步骤S101-S112对入射X射线强度的衰减和出射荧光强度的衰减分别进行校准。进一步地，步骤S102中，所述各个待校准元素在各个像素单元的初始强度的计算公式为：式中，In(ij)为XRF光谱中第n个待校准元素在第i行第j列像素单元的强度；N为待校准元素的总数量；为成像表面和颗粒表面在第i行第j列像素单元的平均强度；Isubn(ij)为对应的第n个待校准元素在第i行第j列像素单元的初始强度，其中，i＝1,2,3…,n1，j＝1,2,3…,n2，n1为XRF光谱中像素单元的总行数，n2为XRF光谱中像素单元的总列数；步骤S103中，各个待校准元素在各个像素单元的强度占比的计算公式为：式中，fIn(ij)为对应的第n个待校准元素在第i行第j列像素单元的强度占比。进一步地，步骤S104中，成像区域的平均密度的计算公式为：ρave＝ρpd×fpar，式中，ρave为成像区域的平均密度；ρpd为实验样品的颗粒密度；fpar为成像区域颗粒密度的区域占比；步骤S105中，实验样品在成像区域的总质量的计算公式为：mtotal＝ρave×Vtotal，式中，mtotal为实验样品在成像区域的总质量；Vtotal为成像区域的总体积，Vtotal＝n1×n2×Vs，Vs为成像像素的单元体积。进一步地，步骤S106中，各个待校准元素的总质量的计算公式为：mtestn＝mtatal×xtestn，n＝1,2,3…,N，式中，xtestn为第n个待校准元素的元素组成；mtestn为对应的第n个待校准元素的总质量。进一步地，步骤S107中，所述各个待校准元素在各个像素单元的质量的计算公式为：mtn(ij)＝fIn(ij)×mtestn，n＝1,2,3…,N，式中，mtn(ij)为对应的第n个待校准元素在第i行第j列像素单元的质量。进一步地，步骤S108中，所述各个像素单元中的密度的计算公式为：式中，Vunit为一个像素单元的成像体积；ρ(ij)为第i行第j列像素单元中的密度；所述各个待校准元素在各个像素单元中的质量占比的计算公式为：式中，fmn(ij)为第n个待校准元素在第i行第j列像素单元的质量占比。进一步地，步骤S109中，所述各个待校准元素的像素单元总质量衰减截面的计算公式为：式中，σtotaln(ij)为第n个待校准元素的像素单元总质量衰减截面；σn为单元质量衰减截面。进一步地，步骤S110中，对出射荧光强度的衰减进行校准时，所述各个待校准元素在各个像素单元中的校准强度的计算公式为：对于第一行第j列：对于第二行第j列：对入射X射线强度的衰减进行校准时，所述各个待校准元素在各个像素单元中的校准强度的计算公式为：对于第一行第j列：对于第二行第j列：l3＝(lst-l2cos(90-α))/cos(90-α),式中，lst为数据采集过程中的步长；α为入射X射线与实验样品的角度；Ifn(1j)的值等于Isubn(1j)；Icon(1j)为第n个待校准元素在第一行第j列的校准强度；Icon(2j)第n个待校准元素在第二行第j列的校准强度；继续计算直至得到所有待校准元素在所有像素单元的校准强度。进一步地，步骤S112中，所述阈值的取值为10-3，所述相邻两次校准强度的变化量的计算公式为：式中，Ipren(ij)为前一次的校准强度；dif为相邻两次校准强度的变化量。与传统共聚焦微X射线荧光衰减校准方法相比，本专利技术具有以下优势：本专利技术提供的方法简单方便，可以利用Matlab程序处理，有效减小工作强度；本专利技术提供的方法对荧光衰减的校准的适用范围更广，不仅能校准均质、层状的样品，对非均质、密度变化的样品也有很好的校准效果；本专利技术提供的共聚焦微X射线荧光成像衰减校准方法是一种基于波束路径理论的校准方法，与其他方法相比，最大的突破点在于能够有效校准非均质样品的X射线荧光图象。附图说明图1是本专利技术一种基于波束路径的共聚焦微X射线荧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于波束路径的共聚焦微X射线荧光成像衰减校准方法，其特征在于，包括以下步骤：S101，获取实验样品的XRF光谱，所述XRF光谱包括若干个像素单元；S102，计算各个待校准元素在各个像素单元的初始强度；S103，根据所述各个待校准元素在各个像素单元的初始强度计算各个待校准元素在各个像素单元的强度占比；S104，根据实验样品的颗粒密度计算成像区域的平均密度；S105，根据所述成像区域的平均密度计算实验样品在成像区域的总质量；S106，根据所述实验样品在成像区域的总质量和实验样品的元素组成计算各个待校准元素的总质量；S107，根据所述各个待校准元素的总质量和其在各个像素单元的强度占比计算各个待校准元素在各个像素单元的质量；S108，根据所述各个待校准元素在各个像素单元的质量计算各个像素单元中的密度和各个待校准元素在各个像素单元中的质量占比；S109，根据所述各个待校准元素在各个像素单元中的质量占比计算各个待校准元素的像素单元总质量衰减截面；S110，根据所述各个待校准元素的像素单元总质量衰减截面、各个像素单元中的密度和各个待校准元素在各个像素单元的强度占比计算各个待校准元素在各个像素单元中的校准强度；S111，返回步骤S103，利用得到的各个待校准元素在各个像素单元中的校准强度再次计算各个待校准元素在各个像素单元的强度占比，并重复执行步骤S107‑S110,得到各个待校准元素在各个像素单元中的更新后的校准强度；S112,计算相邻两次校准强度的变化量，判断所述变化量是否小于阈值，若所述变化量小于阈值，则步骤S111得到的更新后的校准强度即为校准后的强度；若所述变化量大于等于阈值，则重复执行步骤S111‑S112。...

【技术特征摘要】
1.基于波束路径的共聚焦微X射线荧光成像衰减校准方法，其特征在于，包括以下步骤：S101，获取实验样品的XRF光谱，所述XRF光谱包括若干个像素单元；S102，计算各个待校准元素在各个像素单元的初始强度；S103，根据所述各个待校准元素在各个像素单元的初始强度计算各个待校准元素在各个像素单元的强度占比；S104，根据实验样品的颗粒密度计算成像区域的平均密度；S105，根据所述成像区域的平均密度计算实验样品在成像区域的总质量；S106，根据所述实验样品在成像区域的总质量和实验样品的元素组成计算各个待校准元素的总质量；S107，根据所述各个待校准元素的总质量和其在各个像素单元的强度占比计算各个待校准元素在各个像素单元的质量；S108，根据所述各个待校准元素在各个像素单元的质量计算各个像素单元中的密度和各个待校准元素在各个像素单元中的质量占比；S109，根据所述各个待校准元素在各个像素单元中的质量占比计算各个待校准元素的像素单元总质量衰减截面；S110，根据所述各个待校准元素的像素单元总质量衰减截面、各个像素单元中的密度和各个待校准元素在各个像素单元的强度占比计算各个待校准元素在各个像素单元中的校准强度；S111，返回步骤S103，利用得到的各个待校准元素在各个像素单元中的校准强度再次计算各个待校准元素在各个像素单元的强度占比，并重复执行步骤S107-S110,得到各个待校准元素在各个像素单元中的更新后的校准强度；S112,计算相邻两次校准强度的变化量，判断所述变化量是否小于阈值，若所述变化量小于阈值，则步骤S111得到的更新后的校准强度即为校准后的强度；若所述变化量大于等于阈值，则重复执行步骤S111-S112。2.如权利要求1所述的基于波束路径的共聚焦微X射线荧光成像衰减校准方法，其特征在于，根据所述步骤S101-S112对入射X射线强度的衰减和出射荧光强度的衰减分别进行校准。3.如权利要求2所述的基于波束路径的共聚焦微X射线荧光成像衰减校准方法，其特征在于，步骤S102中，所述各个待校准元素在各个像素单元的初始强度的计算公式为：式中，In(ij)为XRF光谱中第n个待校准元素在第i行第j列像素单元的强度；N为待校准元素的总数量；为成像表面和颗粒表面在第i行第j列像素单元的平均强度；Isubn(ij)为对应的第n个待校准元素在第i行第j列像素单元的初始强度，其中，i＝1,2,3…,n1，j＝1,2,3…,n2，n1为XRF光谱中像素单元的总行数，n2为XRF光谱中像素单元的总列数；步骤S103中，各个待校准元素在各个像素单元的强度占比的计算公式为：式中，fIn(ij)为对应的第n个待校准元素在第i行第j列像素单元的强度占比。4.如权利要求3所述的基于波束路径的共聚焦微X射线荧光成像衰减校准方法，其特征在于，步骤S104中，成像区域的平均密度的计算公式为：ρave＝ρpd×fpar，式中，ρave为成像区域的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鹏，冯宇，杨雁媛，徐勇，王焰新，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42