[0001] 本发明属于深海地质与矿物勘查技术领域，具体为一种用于深海矿物勘探的X射线荧光仪探管。

[0002] 鉴于近年来陆地上的矿产资源储备逐渐减少，海洋深处却蕴藏丰富的矿产资源，加速深海矿物的勘察和开采利用成为缓解当前资源压力的有效途径。由于深海矿物勘探是一个新兴领域，目前缺乏完善且规范的勘察方法。因此，设计一种能够在深海中长时间进行矿物成分测量和分析的勘探装置对于推动人类对深海海底矿产资源的有效开采利用具有重要意义。

[0003] 在深海矿物勘探的过程中，一般使用钻井设备在深度约在4000～5000米的深海中进行钻孔，然后将相应的矿物勘探设备带入这些钻孔中。在X射线荧光勘探中，深海的极端工况环境对X射线荧光仪探管可能产生不可逆的损坏。极端的温度和压强差会导致设备各个器件连接处或铍窗110出现破裂，进而影响整体安全性能，或导致安全事故的发生。

[0004] 在X射线荧光仪探管勘探过程中，在钻孔中仪器设备与岩层之间的海水也会对初始射线和岩层中目标元素产生的特征X射线都有吸收和散射的作用，而且对不同能量的射线吸收系数不同。海水以及其中的溶解盐对初始X射线和特征X射线的吸收，减小了目标元素特征X射线荧光的计数率；而高能量的射线的散射作用(大于目标元素特征X射线能量)，增加了测量谱线的散射本底，从而增加了仪器谱中特征X射线全峰计数率。因此在深海钻井过程中，由于海水的存在改变了特征X射线同目标元素含量之间的线性，增加了深海钻井中X射线荧光勘探目标元素种类或含量的误差。

[0029] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0030] 实施例一

[0031] 如图1所示，一种用于深海矿物勘探的X射线荧光仪探管，包括外壳100，在外壳100的内部设置有安装腔体200；安装腔体200的内部设置有探测装置本体，探测装置本体用于矿物勘探；

[0032] 探测装置本体包括外管300、上支撑密封座400、下支撑密封座500、支撑架600、X射线源700以及探测器800；其中，上支撑密封座400和下支撑密封座500分别设置外管300的两端，外管300分别与上支撑密封座400和下支撑密封座500固定连接；在外管300的内部设置有支撑架600，X射线源700固定设置在支撑架600上；

[0033] 在外壳100的侧面设置有通槽900；在外管300上设置有铍窗110、第一连接孔111和第二连接孔112；铍窗110设置在通槽900的上方，第一连接孔111和第二连接孔112设置在铍窗110的内侧；其中，探测器800设置在第一连接孔111的上方，并与支撑架600固定连接；X射线源700所发出的射线从第二连接孔112经过铍窗110离开。

[0034] 在本发明中，探测装置本体采用外管300、支撑密封座、支撑架600等组件结构，设计合理，能够稳固地支撑X射线源700和探测器800，确保探测装置的准确性和稳定性，将X射线源700固定在支撑架600上，通过铍窗110发射X射线，探测器800通过第一连接孔111接收X射线信号，实现对矿物的荧光光谱检测，帮助分析矿物成分和结构。外壳100侧面设置有通槽900，方便X射线源700穿透外壳100，通过X射线荧光仪探管的设计，可以实现对深海矿物的高效能勘探，提高了勘探效率和准确性，有助于深海资源的开发和利用。

[0035] 该X射线荧光仪探管专为深海矿物勘探设计，可以在深海环境下准确、高效地进行矿物勘探工作，帮助科研人员探索深海地质和矿产资源。

[0036] 实施例二

[0037] 本实施例为实施例一的进一步细化。

[0038] 如图2所示，探测装置本体还包括伸缩组件，伸缩组件用于推动探测装置本体移动，使得探测装置本体穿过通槽900延伸至外壳100的外部。伸缩组件包括第一弹簧113和第二弹簧114，其中，第一弹簧113的一端设置在上支撑密封座400上，第一弹簧113的另一端设置在外壳100上；第二弹簧114的一端设置在下支撑密封座500上，第二弹簧114的另一端设置在外壳100上。

[0039] 具体的，在上支撑密封座400上设置有第一安装槽，第一弹簧113的一端设置在第一安装槽的内部，在外壳100上设置有第一弹簧113盖，第一弹簧113盖与外壳100固定连接；第一弹簧113的另一端与第一弹簧113盖抵接。

[0040] 在下支撑密封座500上设置有第二安装槽，第二弹簧114的一端设置在第二安装槽的内部，在外壳100上设置有第二弹簧114盖，第二弹簧114盖与外壳100固定连接；第二弹簧114的另一端与第二弹簧114盖抵接。

[0041] 如图2所示，上支撑密封座400的中部设置有第一安装孔，下支撑密封座500上设置有第二安装孔，第一安装孔和第二安装孔的内部分别安装有第一导向柱115和第二导向柱116。

[0042] 在上支撑密封座400的端部设置有第一电路装置；第一电路装置用于对采集的数据进行处理，第二电路装置用于供电。

[0043] 第一电路装置包括连接管119、电源板120和处理模块121；其中，连接管119的端部与上支撑密封座400连接，电源板120和处理模块121与连接管119连接；电源板120和处理模块121电连接；电源板120固定设置在连接管119的内部，处理模块121的一端与连接管119固定连接，处理模块121的另一端延伸至连接管119的外部；在处理模块121的外部还套设有密封头117，密封头117用于处理模块121的密封。

[0044] 具体的，采用密封头117和密封针座，可以避免海水浸入装载X射线源700、信探测器800或电路控制系统的装置内部，防止相关仪器或电路损坏。

[0045] 电源板120为处理模块121、X射线源和探测器供电，总电源通过电池获取，即12V左右的输入电压。为了得到稳定以及高品质的电源电压，第一级设计以MPQ9840芯片为核心的高效率、高输出电流DCDC开关电源稳压，最后输出级都采用低压差的LDO进一步降低纹波和抑制系统噪声。

[0046] 处理模块121：对来自探测器的积分信号进行模拟微分、信号采集、处理和离线存储的工作；电路各部分元器件均选择耐温值达+125℃，能够满足海底工作温度要求。

[0047] 下支撑密封座500的侧面设置有第二电路装置，第二电路装置包括连接座122，第一连接头123和第二连接头124；其中，连接座122与外壳固定连接，第一连接头123设置在连接座122的内部，第二连接头124设置在下支撑密封座500的端部，第二连接头124与探测装置本体连接；第一连接头123和第二连接头124用于第二电路装置与探测装置本体的电连接。

[0048] 在连接座122的一侧还设置有电池仓118，第一连接头123与电池仓118电连接，电池仓118的内部设置有电池。

[0049] 本发明的工作原理为：在使用时，根据X射线源700发射的X射线能谱特性，在X射线荧光仪探管的X射线源700和探测器800外表面镶嵌一定厚度的Be层(铍窗110)，通过Be层过滤X射线束中的不需要的能量范围，可以减少X射线在海水中传播时的散射或被其它物质吸收，提高岩层中特定元素的激发效率。

[0050] 根据由岩层中的目标元素激发产生的X射线，反射回装置内部的探测器800时，通过铍窗110对反射X射线能谱进行过滤，可以去除反射X射线在海水中被散射或吸收而产生的低能X射线，减少海水等背景噪音的影响，提高收集信号的清晰度和准确度。

[0051] 预估探测的目标元素在的特征X射线能量低于10keV时，伸缩组件将探测装置本体推出并紧贴岩壁，减少海水厚度对结果的干扰；

[0052] 对于目标元素的特征X射线能量高于10keV时，伸缩组件将探测装置本体推动至岩壁2mm左右距离，保证穿过X射线反射孔的粒子通量达到最大值，同时减少由海水造成X射线散射或衰减的程度。

[0053] 实施例三

[0054] 本发明的主要技术实施路线：

[0055] X射线荧光仪探管如图1所示。通过将该装置从钻井设备带入到钻井中，压缩弹簧将发射器外壳100管推至岩层壁，确保在合理范围内。在这个阶段，X射线源700和探测器800(探测器为硅漂移探测器，用于接收反射信号)同步启动。入射的X射线激发了深海岩层中的原子，引发了特征X射线的产生。这些特征X射线可以穿过发射器外管300壳上的铍窗110进入硅漂移探测器800。

[0056] 为了避免装置内其他设备产生干扰的特征X射线，影响测量结果，内部支撑架600选用了低杂质的铝材料或有机玻璃。X射线通过入射窗口射向深海岩层，硅漂移探测器800收集生成的X射线信号。这些信号经过核信号数据处理系统放大，并通过多道脉冲幅度分析器转换为数字信号。经过梯形滤波算法的数据处理采集，最终通过传输接口保存在储存器中。

[0057] 在对硅漂移探测器800所获的核信号数据进行梯形滤波算法时，需要按照输入下降沿衰减的指数信号成形为梯形脉冲信号进行输出，包括：

[0058] 设前置放大器输出为理想指数信号，时域表达式为：

[0059] Ui(t)＝Umax×e‑t/tao×μ(t)

[0060] 其中Umax：脉冲幅值；tao：前端放大器的时间常数；μ(t)：标准单位阶跃函数，Ts：周期对输入信号进行采样；

[0061] 令e‑nTs/tao＝q，可以得到脉冲序列的表达式：

[0062] Ui(t)＝Umax×z/(z‑d)

[0063] 理想梯形函数的分段函数表示如下:

[0064] Uo(t)＝y1(t)+y2(t)+y3(t)+y4(t)

[0065] y1(t)＝(Umax/ta)*t

[0066] y2(t)＝‑y1(t‑ta)

[0067] y3(t)＝‑y1(t‑tb)

[0068] y4(t)＝y1(t‑tc)

[0069] 式中的ta、tb、tc分别为梯形的上升沿、平顶、下降沿的宽度。令ta＝naTs、tb＝nbTs、tc＝ncTs，得到梯形成形算法的函数：

[0070]

[0071] 对核心部件X射线发射和接收装置在海洋中的压力分布图，其应力最大值位于发射器外管300上，而T i‑6A l‑4V(退火)钛合金最大可承受应力为2042Mpa，此结构下的发射器外管300满足4000m深度下的海洋极端环境的工况安全。

[0072] 如图4所示，随着铍窗110厚度的增加，两者所受的应力呈下降趋势。由于Be在空气中容易氧化形成BeO，考虑到BeO的最大抗压强度约为2800Mpa，为确保整个系统结构的安全，铍窗110的厚度应保持在大于1.0mm。

[0073] 如图5所示，X射线透射率随着铍窗110厚度的增加而减小。在确保结构安全的前提下，选择1.5mm或2.0mm厚度的铍窗110可以优化X射线的探测效率。

[0074] 如图6所示，对于深海中核心部件X射线发射和接收装置的工作情况，进行了硅漂移探测器800所探测到的X射线能谱图的蒙特卡罗模拟。在这个模拟中，环境温度设置为373.15K，压力设置为40atm。结果显示，在这种结构下所获得的能谱具有良好的对比度，目标元素的特征峰X射线容易辨别。

[0075] 对X射线荧光仪探管进行实际样品测试，在实际应用中对核数据信号处理后的，结果显示Fe的Ka峰能量分辨率约173eV，具有良好的能量分辨效率。

[0076] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

[0077] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。