使用1.7 mv粒子加速器对一些加纳硬币进行像素分析

摘要

使用加纳原子中心新安装的1.7 MV Pelletron加速器，成功分析了1967年至2007年加纳硬币的元素组成能源佣金。这项研究利用粒子诱导x射线发射(PIXE)光谱法，试图将这些硬币的主要成分与铸造当年国家的经济状况联系起来，并验证该中心使用的PIXE方法。这项工作表明，加速器研究中心有能力分析加纳的铸造硬币。

关键字

PIXE, Coin, GAEC, Ghana, Accelerator

简介

研究硬币的元素组成不仅能提供化学法定货币的信息，但提供洞察的制造过程，历史和国家的经济状况在硬币的铸造年份。对这些硬币进行物理检查并不总是足以准确地鉴定。

粒子诱导x射线发射(PIXE)技术已被许多作者用来测定硬币的元素组成[1-7］．这可以归因于它的多元素能力，高灵敏度，快速和无损的性质。加纳原子能委员会新安装的离子束设备已经投入使用，该设备配备了PIXE和RBS技术并将用于本研究。加纳在1957年从英国独立后，于1965年推出了自己的法定货币Cedi，以取代旧的英镑。加纳银行在独立后发行了所有的加纳硬币和纸币。硬币与一个国家的日常生活息息相关。研究硬币的化学成分提供了机会，将其冶金的经济价值联系起来经济铸造和释放时国家的稳定情况[8，9］．这项研究旨在解决从1967年到2007年十枚加纳硬币的冶金元素组成和硬币铸造技术的演变，并测试我们新安装的分析硬币的能力。这项研究也将作为一项质量控制措施，以核实铸造公司所提供的硬币规格。

材料与方法

分析的硬币用蒸馏水和丙酮进行预清洗，以去除所有油脂和其他表面污染物。然后硬币在露天晾干。所有硬币都用天平称了重量。采用真空PIXE技术测定了硬币样品的元素浓度。PIXE设备的设置包括一个由NEC制造的1.7 MV型号5SDH-2粒子加速器，以及一个真空散射室，配备了粒子诱导x射线发射(PIXE)，卢瑟福后向散射(RBS)，弹性反冲探测(ERD)和核反应分析(NRA)功能。目标样品以3兆电子伏的能量与入射氦束垂直放置，并进行准直以获得2毫米的光斑大小。所有样品，包括一个标准参考材料在40 nA的束流电流下辐照SRM 1157，可获得20 μC的收集电荷。

我们工厂用于PIXE分析的主要探测器是硅漂移探测器(SSD)，硅晶体厚度为0.28 mm，铍窗口厚度为5 μm。探测器的分辨率在5.9 keV下测量为180 eV。探测器放置在腔室中，与样品夹(目标)形成45°角。在固态介质前放置58 μm的聚酯薄膜吸收层来衰减背景散射x射线峰值。光谱采集和分析采用商用GUPIX进行软件(图1和表1)［10］．

表1。所分析的硬币及其发行年份的描述。

结果

通过将标准参考物质1157与样品一起运行，对金属基体样品的PIXE设置进行了验证。本研究的证书值和测量值如下所示。所有浓度均以重量浓度(%)表示。

从表2，所有测量的浓度值与SRM值的偏差都在15%以下，作者可以放心地接受本研究中给出的这些结果是准确和精确的。表3说明了本研究中分析的十(10)枚硬币的PIXE分析所获得的元素浓度，以百分比重量表示。

表2。使用3mev氦离子对NIST标准参考物质1157进行PIXE分析。

表3。以重量百分比分析10枚硬币的元素浓度。

Coin1是20世纪60年代发行的为数不多的硬币之一，加纳于1965年开始发行自己的法定货币。根据PIXE的分析，coin1的冶金主要是铜镍，因此60%的铜和20%的镍，毛重3.2克。在60年代、70年代、80年代和90年代中期铸造的硬币中，大部分铜含量很高。众所周知，铜的价格较低，具有抗菌性能，这使它成为硬币铸造的更好的候选选择，它还耐腐蚀和磨损，从而延长了硬币的寿命。在Coin1(另一种Cu-Ni硬币)发布近十(10)年后，Coin2于70年代末发布，但令人惊讶的是，这一次硬币的Ni含量已降低到仅占总冶金成分的2.4%。必须指出的是，根据世界银行商品价格数据，镍的世界价格远高于铜[11］．Khak等人2012年提出的硬币冶金可以与国家在铸造年份的经济状况有关[1］．如果这个假设是正确的，那么作者可以将1979年硬币中镍含量的减少归因于加纳在70年代后期的经济状况。1976年至1986年，可以说是加纳最艰难的时期之一，年平均通货膨胀率从70年代初的个位数上升到1977年超过100%的峰值。1978年，在Coin2铸造的前一年，加纳处于军政府统治之下，同年，加纳实行了塞迪贬值和限制性财政措施，以减少政府支出。试图将所分析硬币的Ni含量百分比与加纳在铸造年份的经济状况联系起来图2．在这段艰难时期(1979-1986)生产的另一枚硬币是1984年的硬币，称为ONE Cedi(硬币3)。这枚硬币与1979年的硬币(硬币2)具有相同的名称和价值，但进一步减少了镍的成分。硬币3的镍含量只有1%，而铜含量为75%。作者还发现有趣的是，这枚硬币的重量从1979年的11.9克大幅减少到2.3克。

Coin4成立于1991年。含镍87%，铁6.8%，铜2.5%。1991年，加纳的经济状况很好，有外国援助和强有力的经济政策。镍的国际价格仍然很高。11］．1991年在硬币冶金中引入铁可以归因于当时国家采用的铸造技术的变化。Coin6的推出在民众中引起了很大的兴奋，因为据传它的内环中含有很高的黄金成分。这导致人们因贫穷而囤积这些硬币。从这项研究中发现，在币芯中只发现了微量的金~ 0.5%(0.5%)，币芯的主要成分是70%的铜，22%的锌和6%的镍，可归类为黄铜。黄铜是铜和锌的合金，更硬，更强，更耐腐蚀，并具有诱人的金色。这枚硬币的像素光谱如图所示图3a和3b．

多元统计分析

采用主成分分析来严格检查和评估从PIXE分析中获得的数据中的方差，并揭示任何可能与铸造技术有关的模式[12］．本研究采用SPSS统计软件包第21版。第一个原理加载，表示最大方差，其次是第二个主成分加载，第三个，第四个等等。以Si、P、S、Cl、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Ag等11个变量作为鉴别样品的标记。

前三个主成分加载如图所示表4，解释了数据集中总方差的86.64%。六(6)个变量完全加载在第一个组分上，这些变量是Si, P, S, Cl, Cr, Zn和Ag。虽然锌和银有时被用作铸币的合金材料，但Si、P、S、Cl和Cr大多是由于合金添加剂、合金材料内的杂质或金属表面结皮灰尘等外部污染而存在的[2］．从图4，显示第二主成分与第一主成分的关系图;三(3)主要的硬币分类可以观察到，这是铸造方法或铸造过程中使用的原材料的结果。加载在第二个组件上的三个(3)变量表4铁(Fe)基的硬币是很常见的，特别是在硬币硬化时加入Mn。从图41967年和1996年的硬币，因此硬币1和5分别是铁基硬币，但使用不同的铸造材料和添加剂，这解释了它们在图的第一和第二象限的分离。第三个组分只有Ni和Cu被完全加载。镍铜硬币以其光滑的表面和耐磨损而闻名。大多数被分析的硬币符合不同铜镍比例的铜镍硬币，但这些硬币的区别在于它们的冶金工艺，包括添加剂和杂质。2007年所有硬币在第三象限的聚类可以用它们的铸造技术和使用的原材料的相似性来解释。1979年、84年和91年硬币的组合也可以推断出类似的铸造技术或铸造过程中使用的原材料。

表4。说明了所有硬币样本的旋转分量矩阵。

结论

使用新安装的1.7 MV粒子加速器，利用PIXE光谱法成功分析了十(10)个加纳硬币的元素组成。在研究结束时，作者发现，从1967年到2007年，我们的大多数硬币都含有铜和镍作为主要成分，比例因年份而异。作者试图将这两种主要元素的不同比例与硬币铸造年代的国家经济状况联系起来，因为镍比铜更贵。当将镍含量与当时的通货膨胀数字进行比较时，可以发现两者之间的关系。对数据进行的多变量分析揭示了三个聚类，这可以归因于铸造所分析的硬币所采用的铸造技术和原材料。分析的硬币大多是铜镍比不同的铜镍币。最后，作者首次向世界证明，他们新安装的加速器具有分析金属的能力，通过对NBS工具钢标准参考材料1157进行交叉验证。

致谢

我们感谢国际原子能机构(IAEA)、荷兰政府和加纳原子能委员会(GAEC)在购买和建立该设施方面提供的财政援助。我们要感谢协助安装加速器的国家静电公司(NEC)团队。特别感谢Aliz Simon和Margaret Mashinkila在整个项目中的技术建议和支持。

参考文献

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