一种基于主成分-聚类分析的铀矿石产地分类方法技术

本发明专利技术公开了一种基于主成分‑聚类分析的铀矿石产地分类方法。包括以下步骤：(1)采集铀矿石样品，进行预处理，得到铀矿石样品溶液；(2)采用电感耦合等离子体质谱仪测量铀矿石样品中稀土元素含量；(3)采用热表面电离质谱仪对铀矿石样品中的Nd、Ce同位素比值进行分析；(4)基于上述稀土元素含量与Nd、Ce同位素比值，通过主成分‑聚类分析，对铀矿石样品进行产地分类。本发明专利技术提供的方法层次清晰，可以实现铀矿石按照产地的准确分类，并为核取证研究提供新的途径和技术支持。

【技术实现步骤摘要】
一种基于主成分-聚类分析的铀矿石产地分类方法
本专利技术涉及矿石分类
，具体涉及一种基于主成分-聚类分析的铀矿石产地分类方法。
技术介绍
对于我国来说，周边国家和地区的核活动已成为国际关注热点，朝鲜、日本、印度和巴基斯坦等国拥有足够数量的核材料，其核材料流入周边国家和地区的风险较大，我国应该着重关注周边地区的核扩散态势，一旦其扩散至国内，将是国家稳定与安全的巨大隐患。因此，掌握核取证技术有助于保护我国的核安全利益，维护我国的国际声誉。基于以上原因，一门涉及多学科的综合学科——核取证学应运而生。核取证学的目的是尽可能多的提供截获核材料的特征量和过程历史信息，为追溯该材料的产地来源、生产工艺和运输途径提供证据，为追究非法拥有核材料和放射性材料的责任者进行举证提供技术支持。其中，对核材料产地的分类与溯源是核取证研究的重点，铀矿石作为核材料的基础原料成为核取证研究的重要分析对象。核取证研究中，能够提供准确、可靠地理溯源信息的特征指纹通常被称为地域指示剂。目前，传统的铀矿石产地分类方法主要采用微量元素含量、或稳定同位素组成作为地域指示剂进行研究，然而，如果单独将稳定同位素组成作为地域指示剂，存在包含信息极其有限、准确率低的缺点；如果单独将微量元素作为地域指示剂，该方法通常通过比较微量元素的分布曲线进行产地分类，由于元素种类众多、含量相差很大，采用该方法难以直接对其按照产地进行分类，主观性较强，难以量化，且误差较大。此外，由于微量元素中稀土元素的化学性质较为接近，相关系数较大，即包含的信息相互之间重合较多，导致传统的将稀土元素作为地域指示剂进行核材料产地分类的方法存在计算量较大，分析效率低的问题。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种有效且准确率高的基于主成分-聚类分析的铀矿石产地分类方法。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下所述：一种基于主成分-聚类分析的铀矿石产地分类方法，包括以下步骤：(1)采集m个铀矿石样品，进行预处理，得到各铀矿石样品溶液；(2)采用电感耦合等离子体质谱仪分别测量m个铀矿石样品中稀土元素含量；(3)采用热表面电离质谱仪分别测量m个铀矿石样品中的Nd、Ce同位素比值；(4)根据各铀矿石样品的稀土元素含量与Nd、Ce同位素比值，进行主成分-聚类分析，将铀矿石样品按照产地来源进行分类。进一步，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：步骤(1.1)使用球状研磨机将铀矿石样品研磨成颗粒均匀的粉末；步骤(1.2)称取铀矿石粉末样品置于聚四氟乙烯烧杯中；步骤(1.3)消解：聚四氟乙烯烧杯中依次加入HNO3、HF和HClO4，并将烧杯在电热板上加热，保持一定时间；步骤(1.4)待样品溶液完全蒸干后，利用浓HNO3进行溶解；步骤(1.5)多次重复操作步骤(1.4)，直至溶解完全；步骤(1.6)待样品溶液再次蒸干后，再用HCl、H3BO3的混合酸再次溶解，得到铀矿石样品溶液。进一步，所述的步骤(1.3)中，HNO3浓度为15mol/L；进一步，所述的步骤(1.3)中，HF浓度为20mol/L；进一步，所述的步骤(1.3)中，HClO4浓度为12.4mol/L；进一步，所述的步骤(1.6)中，H3BO3浓度为0.5mol/L；进一步，所述的步骤(2)所述电感耦合等离子体质谱法的条件如下：样品引入速度为0.3rps，分析前稳定35秒；He气模式，单位质量数采集数采集点数为3，数据采集重复次数为3次；射频功率为1550W，载气流速为5.5mL/min，雾化室温度为2℃。进一步，所述的步骤(3)采用热表面电离质谱仪测量铀矿石样品中的Nd、Ce同位素比值，具体包括以下步骤：步骤(3.1)使用微量移液器将样品溶液涂在铼带灯丝中央；步骤(3.2)将涂样后的灯丝装入离子源中，加热灯丝，采用中心法拉第杯接收144Nd+离子，并调整其离子流峰形及峰中心；步骤(3.3)调整热表面电离质谱仪电子透镜的聚焦参数，慢速加热灯丝，得到稳定且较强的143Nd+和144Nd+离子流强度；步骤(3.4)当离子源真空度达到一定值时，获取143Nd/144Nd的比值，即获得Nd同位素比值。步骤(3.5)继续加热灯丝，采用中心法拉第杯接收140Ce+离子，并调整其离子流峰形及峰中心；步骤(3.6)调整热表面电离质谱仪电子透镜的聚焦参数，慢速加热灯丝，得到稳定且较强的138Ce+和140Ce+离子流强度；步骤(3.7)当离子源真空度达到一定值时，获取138Ce/140Ce的比值，即获得Ce同位素比值。进一步，所述的步骤(3.4)和(3.7)具体为，离子源真空度大于等于1.1×10-7mbar时，获取143Nd/144Nd的比值与138Ce/140Ce的比值。进一步，步骤(4)具体包括以下步骤：步骤(4.1)利用各铀矿石样品的稀土元素含量，求出协方差矩阵；步骤(4.2)由协方差矩阵结合极值原理，得到主成分系数矩阵，并求出各主成分的特征根以及方差贡献率；步骤(4.3)将方差贡献率从大至小排序，选取累积方差贡献率大于80％且特征根大于1的主成分；步骤(4.4)根据主成分系数矩阵确定所选取的主成分的相应主成分系数，将各稀土元素的含量分别与选取的主成分的相应主成分系数相乘，再将各乘积求和，分别得到各铀矿石样品的相应主成分值；步骤(4.5)以得到的主成分值与Nd、Ce同位素比值作为聚类分析输入量，按照预先定义的距离计算方法计算得到各铀矿石样品两两之间的距离，并做无量纲化处理；步骤(4.6)把两两样品之间距离的最大值按某一比例换算为相应的相对距离，其余样品之间距离均按该比例换算成相应的相对距离；步骤(4.7)根据换算后的各样品间相对距离，用线条连接相邻样品，绘制分类树状图；步骤(4.8)根据所需分类数，确定分类距离，并对铀矿石样品进行产地分类。更进一步，步骤(4.5)中所述的预先定义的距离计算方法为平方Euclidean距离法；更进一步，步骤(4.6)所述的两两样品之间距离的最大值对应的相对距离设为25。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点和有益效果：1、本专利技术在地域指示剂的选择上，采用稀土元素含量与Nd、Ce同位素比值作为铀矿石的地域指示剂，解决了其他常用地域指示元素易受矿冶过程影响或同步性较差等问题。2、本专利技术利用主成分-聚类分析方法对铀矿石进行产地分类研究，先对多种稀土元素含量进行有效降维处理，再与稳定同位素信息结合进行二次分析，有效提高铀矿石地理溯源的准确性与可靠性。3、本专利技术的铀矿石产地分类方法利用稀土元素含量和Nd、Ce同位素组成相结合，实现对铀矿石的准确产地分类，可用于对核材料、放射性材料和其他相关材料进行溯源分析。附图说明图1是实施例一提供的基于主成分-聚类分析方法的聚类树状图。具体实施方式下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于主成分-聚类分析的铀矿石产地分类方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n(1)采集m个铀矿石样品，进行预处理，得到各铀矿石样品溶液；/n(2)采用电感耦合等离子体质谱仪分别测量m个铀矿石样品中稀土元素含量；/n(3)采用热表面电离质谱仪分别测量m个铀矿石样品中的Nd、Ce同位素比值；/n(4)根据各铀矿石样品的稀土元素含量与Nd、Ce同位素比值，进行主成分-聚类分析，将铀矿石样品按照产地来源进行分类；其中，步骤(4)具体包括：/n步骤(4.1)利用各铀矿石样品的稀土元素含量，求出协方差矩阵；/n步骤(4.2)由协方差矩阵结合极值原理，得到主成分系数矩阵，并求出各主成分的特征根以及方差贡献率；/n步骤(4.3)将方差贡献率从大至小排序，选取累积方差贡献率大于80％且特征根大于1的主成分；/n步骤(4.4)根据主成分系数矩阵确定所选取的主成分的相应主成分系数，将各稀土元素的含量分别与选取的主成分的相应主成分系数相乘，再将各乘积求和，分别得到各铀矿石样品的相应主成分值；/n步骤(4.5)以得到的主成分值与Nd、Ce同位素比值作为聚类分析输入量，按照预先定义的距离计算方法计算得到各铀矿石样品两两之间的距离，并做无量纲化处理；/n步骤(4.6)把两两样品之间距离的最大值按某一比例换算为相应的相对距离，其余样品之间距离均按该比例换算成相应的相对距离；/n步骤(4.7)根据换算后的各样品间相对距离，用线条连接相邻样品，绘制分类树状图；/n步骤(4.8)根据所需分类数，确定分类距离，并对铀矿石样品进行产地分类。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于主成分-聚类分析的铀矿石产地分类方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)采集m个铀矿石样品，进行预处理，得到各铀矿石样品溶液；
(2)采用电感耦合等离子体质谱仪分别测量m个铀矿石样品中稀土元素含量；
(3)采用热表面电离质谱仪分别测量m个铀矿石样品中的Nd、Ce同位素比值；
(4)根据各铀矿石样品的稀土元素含量与Nd、Ce同位素比值，进行主成分-聚类分析，将铀矿石样品按照产地来源进行分类；其中，步骤(4)具体包括：
步骤(4.1)利用各铀矿石样品的稀土元素含量，求出协方差矩阵；
步骤(4.2)由协方差矩阵结合极值原理，得到主成分系数矩阵，并求出各主成分的特征根以及方差贡献率；
步骤(4.3)将方差贡献率从大至小排序，选取累积方差贡献率大于80％且特征根大于1的主成分；
步骤(4.4)根据主成分系数矩阵确定所选取的主成分的相应主成分系数，将各稀土元素的含量分别与选取的主成分的相应主成分系数相乘，再将各乘积求和，分别得到各铀矿石样品的相应主成分值；
步骤(4.5)以得到的主成分值与Nd、Ce同位素比值作为聚类分析输入量，按照预先定义的距离计算方法计算得到各铀矿石样品两两之间的距离，并做无量纲化处理；
步骤(4.6)把两两样品之间距离的最大值按某一比例换算为相应的相对距离，其余样品之间距离均按该比例换算成相应的相对距离；
步骤(4.7)根据换算后的各样品间相对距离，用线条连接相邻样品，绘制分类树状图；
步骤(4.8)根据所需分类数，确定分类距离，并对铀矿石样品进行产地分类。


2.根据权利要求1所述的基于主成分-聚类分析的铀矿石产地分类方法，其特征在于：所述的步骤(4.5)中，所述的预先定义的距离计算方法为平方Euclidean距离法。


3.根据权利要求1所述的基于主成分-聚类分析的铀矿石产地分类方法，其特征在于：所述的步骤(4.6)中，所述的两两样品之间距离的最大值对应的相对距离设为25。


4.根据权利要求1所述的基于主成分-聚类分析的铀矿石产地分类方法，其特征在于：步骤(1)具体包括以下步骤：
步骤(1.1)使用球状研磨机将铀矿石样品研磨成颗粒均匀的粉末；
步骤(1.2)称取铀矿石粉末样品置...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵学鹏，樊怡辰，汤磊，龙开明，卜文庭，刘雪梅，郝樊华，谢波，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院核物理与化学研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51