芯体密度与元素分析系统

前言CoreScanner芯体密度X-光扫描成像与元素分析系统结合了X-射线荧光分析(X-ray Fluorescence)、数字X-射线密度成像（digital x-ray micro radiography）和高分辨率数字光学成像技术，实现多种样芯的非接触式测量，用于土壤、土芯、海洋或湖底的沉积物、岩石、洞穴堆积物（如钟乳石），泥炭块、岩芯等的密度和元素分析。可测量的元素有Al、Si、S、Cl、K、Ca、Cr、Mn、Fe、Cu、Zn、As、Hg、Pb等，其中许多可测至痕量水平以下，对灵敏度和分辨率要求较高的研究尤其适合。系统可应用于土壤分析，环境污染调查、地质勘探、海洋研究等领域。 原理土壤元素分析系统采用XRF、数字X-射线密度成像和高分辨率数字光学成像技术，非破坏性测量，获得样品高分辨率的数码图像，然后利用系统软件对所得图像信息进行分析。系统特点l 结合了XRF、数字X-射线密度成像、数字光学成像技术l X射线荧光分析，提供Al以上的多种元素的浓度数据（Al – U）l 数字X射线密度成像用于样品的高级分析l 可扫描分析土芯等样品l 实现多种元素同时检测l XRF灵敏度达PPM级l 检测效率高，10分钟即可完成1米样品的扫描分析l 稳定，可靠，重现性好l 灵敏度和精确度高l 非接触式分析，不破坏样品l 可超负荷工作，每年可工作几千小时系统组成u X-射线发生器u X-射线管u X-射线安全防护系统u X-光束准直仪u X-射线成像检测系统u XRF元素分析仪u 光学摄像头u 机动样品台及样芯固定装置u U-型样品槽u 2台工作站u 软件及驱动u X-光箔u UPS（不间断电源）u 设备冷却装置技术指标1. 测量原理：X-射线荧光分析、数字X-射线成像技术、高分辨率光学成像技术。2. 分辨率：X-射线：2 扁平光管光束0.2x20mm，其中0.2对应沉积物的长度方向。2 X-射线荧光光束：常规分辨率0.2mm，最高分辨率0.1mm（需定制）2 X-射线成像分析，最高分辨率20μm3. X-射线发生器功率：60 kV，55 mA，最大功率3.3 kW4. X-射线管：铬管或钼管，最大功率2.2 kW（铬管）和3.0 kW（钼管），质保寿命为2000h，期望寿命为3000~5000h。5. X-射线检测器：用于X-射线数字密度成像，含有1000个感应元件，每个感应元件拍摄20μm宽的样品图像，动态范围达数十倍，样品最大成像厚度60mm。6. SDD硅漂移检测器：电子冷却，用于XRF检测，可以记录Al – U的任何元素的标识辐射，5.9 keV时，能量分辨率大约140 eV。单次扫描即可完成所有元素的检测。7. 增强型光学成像单元：3x16bit数字RGB彩色CCD光学摄像头和光学图像信息采集软件，采用正交偏振滤光片技术和眩光降低技术，可以获得非常高的图像质量。摄像头光学分辨率为50μm，以两种模式扫描，快速模式（分辨率200μm）和高分辨率模式（分辨率50μm），扫描图像宽约100mm。8. X-射线防护装置：测量过程中，打开仪器时，X-射线自动关闭。9. 样品台：自动样品台长1800mm，最小步进20μm，温度稳定时重现性好。10. 样品槽：样品槽带手动调节装置，可在据样品横截面中心线的五个不同的固定位置调整。五个位置是：中心，距中心10mm (左和右)，距中心20mm (左和右)。11. 样品大小和形状：2 有效测量长度最长1750mm , 宽度120mm2 劈开的、水平放置的沉积物样品，最大外径可达120mm2 厚板状沉积物样品，厚度1-60mm, 宽度120mm2 U形样品槽2 木材生长锥样品、平板样品或圆盘样品，厚度1-60mm, 宽度120mm2 洞穴堆积物（如钟乳石）样品，厚度1-50mm, 宽度120mm12. 工作站：负责扫描控制及数据处理软件。包括Core Scanner Navigator（扫描控制软件）、Qspec（XRF光谱分析和元素浓度计算软件）、ReDiCore（数据显示软件）及所有其他硬件驱动程序。13. 冷却装置：冷却水泵14. 电源：230v/50Hz/三相，建议配UPS（选配）15. 规格：4500×820×1570mm16. 重量：800kg 深海沉积物样芯，从上到下曲线代表元素的浓度变化：Fe, Ca, K, Si, Al 应用案例一英国海洋中心和南安普顿大学地球化学领域科研人员，将土壤元素分析系统应用于东部地中海沉积泥的研究分析。 应用案例二法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学的Kévin Jacq等利用SPECIM高光谱成像技术与CoreScanner样芯元素扫描分析技术对法国布尔吉湖底沉积物样芯进行了分析研究，结果发表于2019年《Science of the Total Environment》（High-resolution prediction of organic matter concentration with hyperspectral imaging on a sediment core）。有机物（OM）含量常用于海洋湖泊沉积分析，以重建不同年代的碳通量等，550 °C 烧失量法（Loss on ignition，LOI）被广泛用于古气候相关研究，但LOI具有费时、费力、对样本有损坏、空间分辨率低（0.5-1cm）等缺点。为建立可靠、准确的模型，以进行高通量、快速、无损、高空间分辨率沉积物样芯成分分析，作者综合运用SPECIM高光谱成像技术、XRF CORESCANNER元素扫描分析技术，并以传统LOI550烧失量法作为参照，对54 cm长沉积样芯进行了分析研究。SWIR短波红外高光谱（1000-2500nm）可以在15分钟内完成样品扫描分析，空间分辨率200 μm。XRF CoreScanner分辨率为 200 μm，采用康普顿（非相干，incoherent）和瑞利（相干，coherent）散射数据的比值（inc/coh）作为有机物的表征量。结果表明，LOI550 参考值与XRF inc/coh 比值及高光谱值均具备显著的相关性，高光谱成像技术可以高通量、非损伤、高空间分辨率分析沉积样芯有机物含量分布。该方法还可转用于自然界的其它样芯分析，如钟乳石、土壤、冰芯、树芯，并可用于推断古环境，古气候，土壤健康和污染等。 产地瑞典选配技术方案l SisuCHEMA高光谱成像分析系统l SisuSCS单样芯高光谱成像扫描分析系统l SisuROCK多样芯高通量高光谱成像扫描分析系统l SpectraScan高光谱成像扫描分析系统部分参考文献列表1) Croudace, I. W., Teasdale, P. A. & Cundy, A. B. 200-year industrial archaeological record preserved in an Isle of Man saltmarsh sediment sequence: Geochemical and radiochronological evidence. Quaternary International 514, 195–203 (2019).2) Ladlow, C., Woodruff, J. D., Cook, T. L., Baranes, H. & Kanamaru, K. A fluvially derived flood deposit dating to the Kamikaze typhoons near Nagasaki, Japan. Nat Hazards 99, 827–841 (2019).3) Gregory, B. R. B., Patterson, R. T., Reinhardt, E. G., Galloway, J. M. & Roe, H. M. An evaluation of methodologies for calibrating Itrax X-ray fluorescence counts with ICP-MS concentration data for discrete sediment samples. Chemical Geology 521, 12–27 (2019).4) López Pérez, A. E., Rey, D., Martins, V., Plaza-Morlote, M. & Rubio, B. Application of multivariate statistical analyses to Itrax core scanner data for the identification of deep-marine sedimentary facies: A case study in the Galician Continental Margin. Quaternary International 514, 152–160 (2019).5) Gopi, K. et al. 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树木年轮密度与元素分析仪简介前言树木年代学发展至今，已形成了一套比较完备的基本理论和分析方法。森林生态、森林火灾、历史时期气候、大气污染、考古、火山爆发、地震、洪水发生频率等十几个方面的研究也发展起来。为适应不同的研究目的，分析手段多样化，年轮的宽度测量，密度测量，元素分析等新技术和新方法可以从树木样品中提取更多有用的信息，使得相关领域研究内容更加丰富。年轮元素分析仪是一款高端的测量分析设备，在世界上首次同时采用了XRF和X-射线成像技术，可用于木材、湖海沉积物、堆积物、泥炭等样品的浓度和元素分析。可测量的元素有Al、Si、S、Cl、K、Ca、Cr、Mn、Fe、Cu、Zn、As、Hg、Pb等，其中许多可测至痕量水平以下，对灵敏度和分辨率要求较高的研究尤其适合。原理系统采用X-射线成像和XRF（X-射线荧光）技术，获得样品高分辨率的数码图像。利用X-射线成像技术得到样品的密度图像，用于样品的密度分析；采用XRF技术得到样品多种元素分布图像。然后利用系统软件对所得图像信息进行分析。上图左为仪器实物照片，右为厂家在现场进行培训应用方向古气候学林业研究环境取证生态学和人类历史研究木制品系统特点结合了X-射线成像与XRF元素分析可得高精度的样品密度图像和元素曲线利用XRF实现多种元素的分析可分析不同类型、形状、尺寸和厚度的样品，可以是树木生长锥取下的树木样品，也可是片状、块状样品或圆形沉积物样品等，样品准备和前处理简单自动进行多样品分析X-射线成像的信息以数字化方式储存，结果可即时显示。软件特点用户可选择分析区域、分辨率以及扫描时间批量操作功能支持无人值守下的批量测量可得多种元素的密度曲线（使用XRF功能）简化分析过程，通过参数设置控制整个分析过程上图左为软件操作界面，右为样品槽及待分析的年轮样芯系统组成年轮元素分析主机（选配XRF元素分析模块） X-射线发生器 X-射线检测器 标准LFF型X光管 PolyflatTM 扁平X光束光学系统 X光束调节器 样品槽 密度校准塑料楔 控制及操作台平板扫描仪冷却系统计算机UPS电源软件用户手册技术指标1) 测量原理：X-射线荧光分析和数字X-射线成像技术。2) X 射线发生器：60 kV，55 mA，最大功率3.3 kW。3) 射线管：一个标准的LFF型X光射线管（Cr）。最大功率工作寿命2000h，功率降低寿命延长。当使用铬管进行木材密度分析时，样品厚度范围为1~10mm，较厚的样品(最厚50 mm )，通常选择Mo管，这需要另一种类型的X-射线成像感应器。4) 光学系统：PolyflatTM 专利 技术，PolyflatTM 扁平X光束光学系统，用于局部区域的快速测量，测量点面积为50微米×20毫米， X-射线图像的分辨率达10x20微米，宽15~20mm（根据软件设置），通过软件组合片段图片可得到宽度大于20mm的图像。使用这种光束的XRF，水平方向的分辨率为50微米，垂直方向的分辨率为2mm。5) X光束调节器：X光束调节器可使X-射线图像在水平方向的分辨率达10微米。6) 控制台：一个300x200mm X/Y可移动电脑控制台，扫描点长2.5微米，重现性好。7) 样品槽：最多放9个长280mm，宽7~12mm的木条样品。样品槽可拿出。其他类型的样品槽根据需要可订购。8) X-射线检测器：线性排列感应元件，其测量所得图像的格式为16 bits。包含控制、操作及数据采集所需的硬件和软件。适于厚度不超过15mm木材类样品的测量。9) 密度校准塑料楔：用于密度校准，位于样品固定槽上方。10) 操作台：780×800×1600mm（长×宽×高），用于放置上面提到的所有原件。测量区用一块含铅透明板遮挡，用于防尘，防X-射线泄露。操作台内置安全控制系统，打开瞬间，X-射线会自动关闭。11) 扫描仪：一个平板扫描仪，用于测量前，条形样品槽内样品的扫描。12) 冷却装置：冷却水泵。13) 电源：建议配置UPS。14) 重量：250kg。应用案例一该图显示了过去1500年Fennoscandian北部夏季气温基于Multiscanner的数据的气候重建，与该时期的仪器温度数据的相关性为0.84，Dr. H Grudd, Dendrolab, Stockholm, Sweden应用案例二该图显示了树轮样品的放射线图像，覆盖在放射线图像上的为三个图表，显示该样品上的硫（黄色），磷（红色）和氯（蓝色）分布变化，这些数据被用作环境取证中与时间相关的污染记录，Dr C. Balouet, Environment International, Orrouy, France, and H. Grudd, Dendrolab, Stockholm, Sweden产地瑞典选配技术方案高光谱技术产品进行年轮密度及化学组分分析EMS气象站进行样点环境因子监测EcoDrone无人机遥感平台进行大尺度样地调查Vertex IV手持式树高测量仪Haglof树木生长锥IML系列树木针测仪部分参考文献1. Kaiser, K. et al. A submerged pine forest from the early Holocene in the Mecklenburg Lake District, northern Germany. Boreas 47, 910–925 (2018).2. Kaiser 等。 - 2018 - A submerged pine forest from the early Holocene in.pdf.3. Kaczka, R. J. et al. Different maximum latewood density and blue intensity measurements techniques reveal similar results. Dendrochronologia 49, 94–101 (2018).4. Kaczka 等。 - 2018 - Different maximum latewood density and blue intens.pdf.5. Moreno-Fernández, D., Hevia, A., Majada, J. & Ca?ellas, I. Do Common Silvicultural Treatments Affect Wood Density of Mediterranean Montane Pines? Forests 9, 80 (2018).6. Moreno-Fernández 等。 - 2018 - Do Common Silvicultural Treatments Affect Wood Den.pdf.7. Hallingb?ck, H. R. et al. Optimal timing of early genetic selection for sawn timber traits in Picea abies. European Journal of Forest Research 137, 553–564 (2018).8. Hallingb?ck 等。 - 2018 - Optimal timing of early genetic selection for sawn.pdf.9. Bloemsma 等。 - 2018 - Practical guidelines and recent advances in the It.pdf.10. Hevia, A. et al. Towards a better understanding of long-term wood-chemistry variations in old-growth forests: A case study on ancient Pinus uncinata trees from the Pyrenees. Science of The Total Environment 625, 220–232 (2018).

XRF Scanner 样芯元素扫描分析系统是由瑞典 ITRAX 公司在原有CoreScanner 的基础上研制生产，主要用于岩矿样芯及沉积样芯元素快速精确高灵敏度扫描分析，分为 SC 单样芯扫描分析系统（每次装载一个样芯）和 MC 多样芯（每次可装载多个样芯进行分析）扫描分析系统两个版本。原理系统采用XRF、数字X-射线密度成像和高分辨率数字光学成像技术，非破坏性测量，获得样品高分辨率的数码图像，然后利用系统软件对所得图像和元素信息进行分析。 主要技术特点2 与其他XRF扫描仪相比，Itrax XRF扫描仪为所有元素提供了单位时间和长度的最佳XRF数据质量，以及更高的样品通量2 可对样芯一次性扫描分析从 Na 到 U 的所有元素及 REE（稀土元素） 浓度及分布2 测量不使用氦气，降低运行成本2 结实耐用，轻松完成 24小时/7天 无人值守操作2 Itrax扫描仪是唯一一款可在一次扫描中确定所有元素的XRF扫描仪，同时为每个确定的元素提供最佳数据2 Itrax XRF是唯一一台在连续样品扫描中不会因降低或升高扫描头而降低能力的XRF扫描仪2 非接触式分析与非常小的扫描头相结合，使Itrax XRF扫描仪非常擅长处理样品裂缝和斜坡——而不会破坏样品和数据2 对于XRF分析，Itrax每单位步长分析所需时间仅为1-5秒，即使是1毫米分辨率下的步长也是如此，与其它设备相比，具有无可比拟的高通量优势2 Polyflat™ X-光聚集技术，非接触性元素扫描分析，Micro X-光束对每个点精确扫描分析并可进行平均，如沿样芯每厘米的平均浓度或整个样芯的平均浓度2 可分析元素相位分布及相关关系2 具 RGB 高分辨率彩色镜头及 LED 光源、样品条码扫描器2 软件包功能非常强大应用案例一通常情况下，页岩具有丰富的地质化学组成和痕量金属元素，可以反映其沉积环境、起源、成岩作用等。ITRAX 实验室应客户需求利用 XRF Scanner,以每点（point）每秒 1厘米 的步进速度，对波罗的海 Oland 岛的页岩进行了扫描分析，分析记录了 2400 个点的元素数据（每个点代表页岩样芯剖面 1cm 的测量数据）， 发现有 30 多种元素，包括一些主要元素如Al、 Si、K、Ca、Ti、Fe，微量元素如 P、Cl、S、Mn、Rb、Sr，及痕量元素 V、Cr、Ni、Cu、Zn、 As、Br、Y、Zr、Mo、Nb、Ba、Pb、Th、U。结果表明，页岩样芯富含典型的粘土元素如Al、 K、Ti和Rb，同时TOC（总有机碳）代理元素如V、Ni、Mo及U也很典型。这意味着成岩作用在水底部缺氧、富含硫化物。 应用案例二另一个案例为来自澳大利亚塔斯马尼亚州的富于稀土元素的岩矿样芯，XRF Scanner不仅给出了样芯各种元素的浓度，还可以显示样芯剖面各种元素的浓度分布，而且通过元素浓度相关分析，可以识别鉴定矿相（Mineral phases），如本样芯 Y（钇） 与所有其它记录到的稀土元素（如 Nb、Ce、Pr、Nd、Dy）存在高度相关关系，这意味着 XRF 谱线中所有稀土元素都属同一矿相。 主要技术指标1) 尺寸MC：1900?1200?1650 mm，长?宽?高，包括支架S C：1900?700?1650 mm，长?宽?高，包括支架2) 重量MC：500 kgS C：420kg3) 电力需求：230 v/50Hz 16A，可根据用户需求定制4) 样品长度：最大为1 m，可根据用户需求定制5) 样品直径：最大120 mm，可根据用户需求定制为150 mm6) 样品容量MC：8个，与样品直径相关S C：1个7) 扫描步进：标准 1mm-10mm，可客户定制 0.1mm 步进（更高空间分辨率）8) X-光管：50 瓦铑阳极 X-光管，预期寿命 50000 小时9) XRF：135eV 分辨率，100,000 counts/秒，非接触性扫描10) 其它用户可订制部分*更高通量XRF计数300,000 counts/秒*UV荧光成像模块