CN102203592A - X射线探测器中成形时间的动态修改 - Google Patents

Abstract

用于根据样品的元素成分和/或能量分辨要求修改X射线探测器(114)的成形时间和/或其它脉冲处理参数的方法和设备。来自源(102)的X射线(104)被引导至样品(110)上而作为响应从样品(例如样品元素成分的发荧光照射特性)发出辐射(108)，并且由X射线探测器(114)探测该辐射，X射线探测器(114)生成表示入射的辐射的能量及强度的脉冲。基于对元素成分的最初分析，对成形时间和/或其它脉冲处理参数进行设置以使受感兴趣的光谱区域中的能量分辨率约束的计数率最优化。

Description

X射线探测器中成形时间的动态修改

本申请要求于2008年11月4日提交的美国临时专利申请序列号第61/111,252号的优先权，此处通过引用将其并入本文。

技术领域

本发明涉及基于能量分辨率要求对探测器电路参数进行实时设置及修改的方法和设备，更具体地，涉及对响应于在进行中的测量的探测器电路参数的设置及修改。

背景技术

本发明适用于广泛类型的辐射探测器，其中，所探测粒子(在下文的描述中通常为x射线光子)的能量在探测器脉冲的持续期间内收集的电荷中被推导出。在x射线闪烁探测器中探测闪烁发射的光电倍增器中产生的电子数量为涉及探测器的实例，该探测器有利地应用于本发明中。在该类型的探测器中，脉冲幅度作为时间的函数的绘制图的面积用于确定所探测粒子的能量。在上述辐射探测器中，对脉冲单独且清楚地处理是重要的，从而推导出相应脉冲下的整体面积。如果随后的脉冲撞击在先前脉冲的尾部顶端，则先前脉冲尾部的剩余振幅将转嫁于连续脉冲的整体面积。

因此，长期以来一直实践的是，在能量分辨率探测器的应用中，通过缩短脉冲尾部但保留脉冲的整体面积使探测器脉冲“成形”。这通常通过脉冲处理器的运行来实现，脉冲处理器通常包括执行存储的软件指令的数字信号处理器(DSP)。脉冲处理器的输出受到计算采用的多个脉冲处理参数值的影响，该值可预存于DSP的内存中或与DSP相关的内存中。一个上述的脉冲处理参数为脉冲成形时间。在Knoll的Radiation and Detection(辐射与探测)，3^rd Edition，John Wiley与Sons(2000)中详细列出了关于脉冲成形时间和其它脉冲处理参数的选择的讨论，此处通过引用将其并入本文。

样品所发出的x射线荧光的能谱已使用了几十年来确定其元素和化学成分。x射线荧光(XRF)技术的应用是极其广泛的，并且例如包括合金分类、土壤分析、涂漆的墙壁中的铅浓度确定、消费品中有毒元素量的测量、以及电镀的厚度和成分确定。手持式XRF仪器，例如Thermo Scientific Niton(特莫科技尼托恩)XRF仪器常被购买用于多种用途。然而，对于每种具体应用而言，一般存在最有效地使样品发荧光的最优x射线能谱。通过改变最大能量及入射在样品上的激发光束的过滤来产生最优能谱是标准做法。x射线的发射源可为x射线管或其它x射线源，例如放射源。例如，采用用于研究土壤的截然不同的x射线光谱参数来分析金属合金。合金或土壤的单一测试可能涉及高压和/或过滤的连续的、预编程的改变，从而最有效地分析样品中的广泛范围的元素。自动调整x射线光束的强度以使在规定的测试时间内收集的x射线的数量最大也是标准做法。

Dugas的共同未决的题为“Automated X-Ray Fluorescence Analysis(自动化的x射线荧光分析)”(Dugas的申请)的美国专利申请序列号12/426,022描述了如何可自动选择入射在目标上的x射线能谱的最优形状，从而使用户并不需要事先了解正在测量的样品的类型，此处通过引用将其并入本文。然而，Dugas方法不能解决从目标探测到的x射线的光谱。

Camus等人的共同未决的美国专利申请序列号12/142,737讨论了在探测器成形时间的进程内多个探测事件的影响，此处通过引用将其并入本文。该申请并未解决响应分辨率要求的成形时间的动态变化。

发明内容

根据本发明的实施方式，提供了一种用于分析样品的元素成分的方法。该方法具有以下步骤：

a.用x射线照射样品；

b.探测所述样品响应于照射而发出的x射线荧光，由此生成探测器信号脉冲；

c.前置放大探测器信号脉冲；

d.处理受脉冲处理参数支配的探测器信号脉冲；

e.基于样品成分的分析确定能量分辨率要求；以及

f.在能量分辨率要求的基础上设置至少一个脉冲处理参数。

根据本发明的进一步的实施方式，脉冲处理参数包括探测器成形时间。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于样品的元素成分分析的x射线荧光仪。该x射线荧光仪具有用于照射所述样品的x射线源，以及探测器，其用于探测所述样品响应于照射而发出的x射线荧光并由此生成探测器信号脉冲。该x射线荧光仪还具有用于前置放大所述探测器信号脉冲的前置放大器，和用于处理所述探测器信号脉冲的信号处理器，以及用于控制处理参数的控制器。最后，在控制器、至少一个信号处理器及前置放大器之间的信号路径用于根据所述样品的成分改变脉冲处理参数。

根据本发明的进一步的实施方式，信号处理器可包括数字信号处理器，x射线源可为x射线管。脉冲处理参数可为探测器成形时间。

附图说明

通过结合附图参考下文的详细描述，本发明的上述特点将更容易被理解，其中：

图1为本发明最有利地适用的XRF仪器的图解描绘图；

图2示出作为从1keV至12keV变化的能量的函数的硅漂移探测器二极管的预期分辨率的绘制图，绘制为在5.9keV下测量的分辨率的函数；

图3是由Ortec从联机辅导资料复制的，其中示出了吞吐量计数率与脉冲成形时间之间的关系，在坐标图中吞吐量计数率以对数形式绘制，在每条相应的曲线下指示脉冲成形时间；

图4绘制了成形时间和探测器温度对CdZnTe半导体探测器的分辨率的影响；以及

图5为描绘根据本发明的实施方式的探测器电子的成形时间的动态修改的流程图。

具体实施方式

便携式XRF仪器，例如Thermo Scientific Niton XRF探测器线，用于需要测量物质中元素构成的广泛应用，该物质可含有跨越绝大部分元素周期表的元素。不同目标物质以荧光形式发出的x射线光谱在复杂性和强度上是不同的。一些应用需要尽可能最好的能量分辨率以进行正确分析，而其它应用程序能容忍适度的能量分辨率，但需要最短的测量时间，即最高的计数率。

根据本发明的优选实施方式，荧光信号的脉冲处理器的参数可被有利地改变，优选地，在测量过程中被有利地改变，从而优化分析关于平衡能量分辨率和计数率的每一个应用。脉冲处理器参数或被称为探测器参数包括但不限于促成在一段时间后响应脉冲处理器探测的照射的信号输出形状的任何参数。这些参数可包括成形时间或有效衰减时间，但也可包括更复杂的滤波参数，例如，可在探测器电路内实施为包括前置放大和脉冲处理器。

本发明的实施方式利用在信号的成形时间上的探测器的能量分辨率与探测器的最大计数率的强大依赖性。在长的成形时间下达到最低能量分辨率，而在短的成形时间下达到最大计数率。

如本文中所使用的，用语“能量分辨率”指的是可达清晰度，例如仪器有限光谱元件的半极大高度处的全宽度或需要满足“斯派洛准则”的两个元件(两个元件足够分离以使零级第一和第二衍生物的鞍状物出现在两个元件之间)的间隔。上述的能量分辨率标准可用作示例，但可以理解，如本文中所使用的那样，为了区别线，越小的能量分辨率越好。在x射线荧光光谱技术中，5.9keV处的FWHM(锰的K_α线)传统地被接受为探测器的分辨率测量，因此在本说明书中得到使用。

通常，脉冲成形时间由软件算法控制。对于用户可能遇到的各种应用和各种类型的物质脉冲成形时间均可被预编程。如果要分析未知样品，则在分析周期中早期获得的实时分析数据可用来确定用于以后分析中使用的数据的最优脉冲成形时间。本发明的方法描述了但不限于语境中的使用硅漂移探测器的手持式XRF仪器，然而，可以理解的是，本发明的范围包括硅漂移探测器在许多其它类型的脉冲计数器中的使用。

参照图1及一般由数字100指定的手持式XRF仪器，对优选的方法进行了描述而不损失共性。XRF仪器100具有发出荧光辐射104的x射线管源102和硅漂移探测器二极管(SDD)或者其它探测器106来探测荧光x射线108。产生荧光x射线108的元素的原子由数字110示意地描绘。SDD为用于本发明的应用的优选探测器，因为其吞吐量可从较长脉冲成形时间内的每秒二万五千信号变化到较短脉冲成形时间内的每秒超过十万信号。缩短脉冲成形时间的成本以及因此每秒进行的探测次数的增加为探测器的光谱分辨率的损失。这种交易对于许多应用来说在数量上是合理的。相反的交易对于一些应用来说也是合理的，在这些应用中从改进的探测器分辨率获得的信噪比超过由于计数率较低的峰值的信号强度损失补偿。

可在规定的时间内探测到的浓度最低的元素在很大程度上由来自该元素的信号强度以及通过该信号的信噪比确定。本发明的实施方式利用了信号强度和信号的信噪比这两个量不仅为发荧光的x射线光谱的函数，如上述的Dugas应用中所描述的那样，而且还为修改和控制探测到的信号的电子可调参数的函数。

根据本发明的优选实施方式，数字信号处理器(DSP)112(如图1所示)的参数进行了改变，特别地，脉冲成形时间与DSP参数一起改变，至少部分地确定探测器分辨率与探测器计数率以在规定的测试时间内获取最准确的样品分析。对于各种类型的样品，预期XRF仪器测试的最优脉冲成形参数都可被预编程。当样品类型未知时或操作者检验混合样品类型时，最优脉冲成形参数可通过在使用Dugas应用中描述的分析方法进行测试的最初几秒内收集的数据来确定。可以理解的是，虽然在优选的实施方式中通过DSP 112的参数确定了脉冲成形时间，但还可以理解的是，脉冲成形时间或其它脉冲成形参数的修改可在本发明的范围内以其它方式实现，例如通过对探测器前置放大器114内的电路元件的值进行编程等。还可以理解的是，根据本发明的范围，脉冲成形参数不限于RC时间，而且事实上，用于脉冲的上升沿及下降沿的时间常数不需要是相同的，较高阶的有效过滤器也可适用于形成脉冲。

根据本发明的实施方式，探测到的脉冲的脉冲成形时间可基于测试下的样品的类型来修改，也可基于累积至上述变化的数据的联机分析在测量的过程中进行变化。除了调整入射的发荧光的x射线束的形状外还进行脉冲成形的调整。当操作者已知样品类型时，样品类型可从存在于菜单显示屏上的选项列表中选择，从而实现x射线光谱和脉冲成形的预编程的变化。当样品未知时或需要快速测试及分类多种样品时，积累的光谱用于自动选择合适的参数以获得最准确的结果。

优选的是，半导体探测器可在这样的较冷温度下工作以忽略热噪声，但该理想还没有用于手持式XRF仪器的实践。便携式XRF仪器可使用热电珀耳帖冷却器来冷却探测器和第一前置放大器元件。然而，有利的尺寸、重量及易于编程的珀耳帖冷却器补偿了其低效率。

现在返回到图1，虽然其它源和探测器在本发明要求的范围内是可替换的，但x射线源102优选地为x射线管，探测器106优选地为SDD。x射线管102工作在管电压HV下且具有电子束电流I，并且产生撞击在由元素原子110示意地表示的目标上之前经过滤波器的x射线束104。荧光x射线108在SDD中被探测到。来自该探测器的独立信号根据沉积在SDD中的电荷进行分类。探测到的元素的特性线具有由平均能量和半极大高度处的全宽度(FWHM)说明的高斯形状。5.9keV下的FWHM一般被认为是探测器本身的分辨率的测量。更高或更低的能量下的探测器分辨率可通过5.9keV下的分辨率的测量值(锰的K_α线)连同特殊类型的探测器的固有分辨率被计算出。SDD探测器的无噪(固有)分辨率约为110eV。这是仅由于从5.9keV的x射线的探测收集的电子和空子的数量的统计变化的分辨率。实际的分辨率由固有分辨率和5.9keV的噪声贡献在正交方式下的和来确定。

图2示出作为在5.9keV下测量的分辨率的函数的x射线的能量从1keV到12keV变化的SDD的预期分辨率。在本文中两方面是值得注意的：

第一，在图2中绘制的图形示出了通过改进5.9keV的分辨率而显著改进的低能x射线(本文中指能量为3keV或更低的x射线)的分辨率。例如，如果SDD在5.9keV具有180eV的分辨率，则在1keV(锰的K_α线)的分辨率预期约为150eV。然而，如果SDD能达到155eV的分辨率，则1keV的分辨率将改进至120eV，改进为33％。应注意的是，改进的分辨率在x射线光谱的低能区域是尤其重要的，该低能区域常由光元素的特性Kx射线、来自中量元素的L线和重量元素的M线充满。因此，当低能区域为感兴趣的光谱区域时，由控制器116设置较长的成形时间及因此较大的光谱分辨率。

第二，图2示出光谱中所有峰值的宽度，当5.9keV下的探测器分辨率减小或放大时该宽度分别变窄或变宽。这些变化必须被考虑在产生元素浓度的定量结果的分析程序中，而计算是非平凡的并且可由于特性x射线的能量分辨率被预定为其能量的函数而快速进行。

由Ortec从联机辅导资料复制的图3示出了吞吐量计数率与脉冲成形时间之间的经验关系，在坐标图中吞吐量计数率以对数形式绘制，脉冲成形时间在每条相应的曲线下表示。在成形时间范围从0.5μs至10μs下的脉冲放大器的计数率被绘制为进入放大器的脉冲计数率的函数。该图形对于锗探测器是特定的而对于SDD并不是特定的，但其良好地示出脉冲的电子创建的形状确定了可分析的最大计数率。当成形时间为10μs时，在输入计数率为每秒约10,000次计数时获得的最大吞吐量仅为每秒约5,000次计数。当成形时间缩短至1μs时，吞吐量增加至每秒50,000次计数。

结合以下说明，使用SDD探测器实施了本发明：在脉冲成形时间为4μs处，最大吞吐量约为每秒约50,000次计数而探测器分辨率为155eV。当脉冲成形时间缩短至1μs时，由于噪声水平上升而成形时间下降，最大计数率上升至每秒160,000次计数，而探测器分辨率下降至175eV。在每条特性线中缩短成形时间而增加4倍的计数。隔离的高能峰值的信噪比几乎保持不变，使得元素探测的最低水平的改进几乎为2倍。

图4复制于Niemela等发表的Evaluation of CdZnTe detectors for soft X-Ray applications(用于软x射线应用的CdZnTe探测器的估算)，IEEE Transactions on Nuclear Science，vol.41，pp.1054-57(1994)，此处通过引用并入本文，图4示出成形时间与探测器温度对x射线的CdZnTe半导体探测器的分辨率的影响。虽然用于SDD探测器与图4中所示的探测器的数据不同，但一般现象将是相同的。当探测器温度低至热噪声为不连贯(图3中的-40℃曲线)时，成形时间增加时5.9keV的x射线的分辨率上升，达到250eV的最低值约为6μs的成形时间。当探测器温度上升时，最优的分辨率恶化；为-30℃下的290eV及20℃下的320eV。由于上述的SDD探测器工作在-35℃，则成形时间为1μs时分辨率为175eV，而成形时间为4μs时分辨率为160eV。将探测器冷却至-45℃时，上述两个分辨率降低约10eV。

本发明的实施方式提供了通过优化特定样品的脉冲成形时间的XRF分析仪的改进的性能。现在参照图5的流程图，当样品基质的先验了解可用时，操作者可从所列的候选样品类型中选择样品类型(例如，通过触摸屏接口)，然后，根据一个或多个预存的处理参数例如与所选样品类型对应的脉冲成形时间信息来分析样品，如步骤51中指示的那样。在对样品的先验了解不可用的情况下，则最初设置为默认值(步骤52)的脉冲成形时间可在分析周期中基于分析周期中早期获得且处理的数据进行适当调整。更具体地，用生成的x射线束照射样品，例如通过图1的x射线源102，以使得样品中的原子发射特征荧光x射线，步骤53。探测器接收荧光x射线并且相应地产生表示x射线的能量和强度的脉冲，步骤54。由探测器所产生的脉冲根据在步骤51或步骤52设定的脉冲处理参数成形。经处理的脉冲被传送至控制器，控制器分析积累的脉冲来创建探测到的x射线的光谱。经处理的脉冲的分析以及光谱的生成实时发生，即，基本与照射/探测步骤同时发生。在光谱数据积累时，控制器进行数据分析以确定光谱成分是否满足目标性能标准，例如能量分辨率或计数率，步骤55。如果控制器确定目标性能标准未得到满足，则一个或多个脉冲处理参数被调整以达到满意的性能；例如，适用于探测器脉冲的脉冲成形时间可增加以改进能量分辨率，步骤56。在步骤57中，根据存储的指令，由照射、探测和光谱采集组成的分析周期基于经调整的脉冲处理参数继续执行。应注意的是，由经调整的脉冲处理参数所引起的改变的探测器的能量分辨率及探测器的能量刻度必须纳入实时数据分析。对于规定的探测器模型，调整算法编入DSP直至脉冲处理系统的能量分辨率和能量刻度为脉冲处理参数的固定函数。通常，分析周期在特定的时间周期后终止，或当某些光谱特性(例如信噪比)已达到或当元素浓度的统计不确定性达到预定水平时。

本发明的上述实施方式仅旨在作为示范；对于本领域技术人员来说许多的变化和修改将会是显而易见的。所有这些变化和修改旨在落入由所附的任何权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种用于分析样品的元素成分的方法，所述方法包括：

a.用x射线照射所述样品；

b.探测所述样品响应于照射而发出的x射线荧光，由此生成探测器信号脉冲；

c.将所述探测器信号脉冲进行前置放大；

d.处理受脉冲处理参数支配的所述探测器信号脉冲；

e.基于样品成分的分析确定能量分辨率要求；以及

f.在能量分辨率要求的基础上设置所述脉冲处理参数中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个脉冲处理参数包括探测器成形时间。

3.一种用于样品的元素成分分析的x射线荧光仪，包括：

a.x射线源，用于照射所述样品；

b.探测器，用于探测所述样品响应于照射而发出的x射线荧光并由此生成探测器信号脉冲；

c.前置放大器，用于对所述探测器信号脉冲进行前置放大；

d.信号处理器，用于处理所述探测器信号脉冲；

e.控制器，用于控制处理参数；以及

f.在所述控制器、至少一个信号处理器及所述前置放大器之间的信号路径，用于根据所述样品的成分改变脉冲处理参数。

4.根据权利要求3所述的x射线荧光仪，其中，所述信号处理器包括数字信号处理器。

5.根据权利要求3所述的x射线荧光仪，其中，所述x射线源为x射线管。

6.根据权利要求3所述的x射线荧光仪，其中，所述脉冲处理参数为探测器成形时间。

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