CN102621165A - 一种基于单色器快速扫描控制系统的数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于单色器快速扫描控制系统的数据采集方法，用于快速获取XAFS谱，包括以下步骤：步骤1，初始化所述系统，包括设定单色器的转速w；步骤2，单色器转动到初始能量点，并启动ADC；步骤3，单色器以恒定转速w持续转动，ADC以恒定速度持续采样，对ADC采集的数据进行同步处理，得到XAFS谱，并将该XAFS谱同步输出；步骤4，所述单色器转动到终止能量点后，单色器停止转动，ADC停止采样。本发明通过采用单色器持续转动、ADC持续采样的方式来快速获取XAFS谱，不仅能大幅度节省采样时间，提高测量效率，更为重要的是可以开展时间分辨的XAFS实验。

Description

一种基于单色器快速扫描控制系统的数据采集方法

技术领域

本发明涉及一种采集XAFS谱的方法，尤其涉及一种基于单色器快速扫描控制系统的数据采集方法。

背景技术

自从第一台同步辐射光源兴建以来，同步辐射技术已经成为科学研究上的一门重要的实验技术。随着同步辐射技术的发展，X射线吸收精细结构谱(XAFS谱)系统也得到了快速发展。XAFS谱需要两方面的信息，一是单色光的能量值，一般取-200-1000eV，二是这个能量值对应的某种物质的吸收系数。同步辐射光束线站采用单色器获得单色X射线，该单色器通过转动两块晶体，改变布拉格角度，将入射的白光，变为出射时的单色光。一定能量的单色光对应于单色器的一个角度位置，当单色器转动到某一角度，就称其转动到某一能量点。当单色器转动到一能量点时，通过ADC同步采样当前的前电离室和后电离室的数据，取数毫秒内的平均值，该平均值即为该能量点对应的吸收系数，获取XAFS谱的整个过程在几秒到十几秒完成。

目前，XAFS谱已经成为了研究物质结构的重要实验方法，发展新的实验技术、利用新的实验技术研究新型材料已经成为XAFS系统发展的重要方向。于是一种新型单色器快速扫描控制系统就孕育而生了，以下简称为QXAFS系统。

QXAFS系统作为X射线吸收精细结构谱(XAFS)光束线站发展新系统的首选目标，是因为：

QXAFS系统可与普通XAFS系统兼容硬件设备，不需要另外增加附属的光学元件或实验器件，即QXAFS系统与普通XAFS系统使用相同的硬件设备。如图3所示，该系统由光束线站1和实验站2组成，光束线站1包括：单色器306、电机307、电机驱动器308、电机控制器309、电机控制器主机310和编码器311。实验站2包括：前电离室301、后电离室302、高压电源(图中未示)、电流放大器303、ADC(模数转换器)304和计算机305。

与QXAFS系统不同的是，普通XAFS系统只能采用能量逐点扫描的方法采样数据，如图1所示，包括以下步骤：步骤S101，系统初始化；步骤S102，单色器转动到初始能量点；步骤S103，ADC初始化；步骤S104，ADC开始采样；步骤S105，ADC停止采样；步骤S106，计算采样平均值，该平均值即为该能量点对应的吸收系数；步骤S107，判断单色器是否转动到终止能点，如果转动到终止能量点，则执行步骤S109，否则执行步骤S108；步骤S108，单色器转动到下一个能量点，并返回步骤S104；步骤S109，单色器停止转动，同时ADC采样结束。按照上述能量逐点扫描的方法，由于每个能量点的采样时间需数秒，一个XAFS谱采样需300-500个能量点，则测量一个XAFS谱需要20-60min，由于测量时间过长，大大制约了其在实验中的广泛使用。

因此，目前需要开发一种基于QXAFS系统的数据采样方法，以满足实验要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服上述现有技术的不足，提供一种基于单色器快速扫描控制系统的数据采集方法，在单色器持续转动的同时ADC持续采样，可以快速获取XAFS谱的能量值和对应的吸收系数，能大幅度节省采样时间，提高测量效率，更为重要的是可以开展时间分辨的XAFS实验。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于单色器快速扫描控制系统的数据采集方法，用于快速获取样品的XAFS谱，所述XAFS谱由横坐标为能量值、纵坐标为吸收系数的多个数据点构成，所述系统包括ADC、计算机和单色器，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，初始化所述系统，包括设定单色器的转速w；

步骤2，所述计算机控制单色器转动到初始能量点，并启动ADC；

步骤3，所述计算机控制单色器以所述转速w持续转动，并控制ADC以恒定速度持续采样，所述计算机根据预设的每份数据的采样时间长度t同步分割所述ADC采样的数据，求取每份数据的平均值，将第i个平均值作为所述XAFS谱的第i个数据点纵坐标对应的吸收系数，并根据式(1)计算所述第i个数据点横坐标对应的能量值，

第i个数据点对应的能量值＝初始能量值±单位角度能量值×单色器转过的角度α(1)

其中，初始能量值为单色器的初始能量点对应的能量值，单位角度能量值为单色器转过每单位角度所对应的能量值，单色器转过的角度α＝w*t*i；

步骤4，所述单色器转动到终止能量点后，所述计算机控制单色器停止转动，同时控制ADC停止采样。

前述一种基于单色器快速扫描控制系统的数据采集方法，其中，所述每份数据的采样时间长度t为2-50ms。

前述一种基于单色器快速扫描控制系统的数据采集方法，其中，所述步骤3还包括在所述计算机上同步显示所述XAFS谱。

前述一种基于单色器快速扫描控制系统的数据采集方法，其中，所述步骤1包括设定所述ADC的数据采样速度、工作方式以及清空所述ADC的缓存器。

由此可见，与现有技术相比，本发明的基于QXAFS系统的数据采样方法的最大不同点在于单色器的运行方式和ADC的采样方式。普通XAFS系统采用能量逐点扫描的方式采样数据，即单色器转动到一个能量点，等待ADC采样，采样结束后求取XAFS谱在该能量点对应的数据信息，再转动到下一个能量点，重复执行上述过程，直到转动到终止能量点。而本发明则采用能量持续扫描的方式采样数据，即单色器持续转动，ADC持续采样，对采样数据进行同步处理以获得XAFS谱，并将XAFS谱同步输出，直到单色器转动到终止能量点。显然，本发明的基于QXAFS系统的数据采样方法提供了一种快速采集XAFS谱的简单途径，能大幅度节省采样时间，提高测量效率，可在数秒或数十秒的尺度内研究一些缓慢变化的物理或化学过程，可以应用于诸如催化研究、化学过程研究、结构变化研究等很多方面。

附图说明

图1是现有技术的基于普通XAFS系统的数据采样方法的流程图；

图2是本发明的基于单色器快速扫描控制系统的数据采集方法的流程图；

图3是实现本发明的单色器快速扫描控制系统的硬件结构框图；

图4A是根据本发明采样的QXAFS谱与普通XAFS谱、标准XAFS谱的标准化对比图；

图4B是根据本发明采样的QXAFS谱与普通XAFS谱、标准XAFS谱的扩展边部分的对比图；

图4C是根据本发明采样的QXAFS谱与普通XAFS谱、标准XAFS谱的k空间谱对比图；

图4D是根据本发明采样的QXAFS谱与普通XAFS谱、标准XAFS谱的R空间谱对比图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

参阅附图3，单色器快速扫描控制系统由光束线站1和实验站2组成，光束线站1包括：单色器306、电机307、电机驱动器308、电机控制器309、电机控制器主机310和编码器311。实验站2包括：前电离室301、后电离室302、高压电源(图中未示)、电流放大器303、ADC304和计算机305。

XAFS谱由纵坐标为吸收系数、横坐标为能量值的多个数据点构成。本发明提供一种基于单色器快速扫描控制系统的数据采集方法，用于快速获取该XAFS谱，如图2所示，本方法包括以下步骤：

步骤S201，初始化所述系统，包括设定单色器306的转速w，设定ADC304的数据采样速度、工作方式以及清空ADC304的缓存器；

步骤S202，计算机305控制单色器306转动到初始能量点，并启动ADC304；

步骤S203，计算机305控制单色器306以恒定转速w持续转动、ADC304以恒定速度持续采样，根据ADC304采样的数据进行同步计算，获得XAFS谱，并将该XAFS谱同步输出，具体过程如下：

ADC304将采样过来的数据放在ADC的缓存器里，计算机305每隔预设的每份数据的采样时间t将数据取走，并且取平均；即根据预设的每份数据的采样时间长度t分割ADC304采样的数据，并求取每份采样数据的平均值。每个平均值对应XAFS谱的一个数据点，将第i个平均值作为XAFS谱的第i个数据点对应的吸收系数。

单色器306转动到第i个数据点的时间设为Ti，由于本发明的单色器306以固定转速转动，其转速w恒定，则单色器306转到第i个数据点所转过的角度α＝w*Ti。又因为ADC304的采样与单色器306的转动始终保持同步，所以Ti也是ADC304采样第i个数据点的时间，根据每份数据的采样时间长度为t，可以得到Ti＝t*i，则α＝w*Ti＝w*t*i。由于单色器306的初始能量值和单位角度能量值是已知的，初始能量值为单色器的初始能量点对应的能量值，单位角度能量值为单色器转过每单位角度所对应的能量值。则可以得到XAFS谱的第i个数据点的能量值＝初始能量值±转过的能量值，其中，转过的能量值＝单位角度能量值×单色器转过的角度α，且由前面可知，α＝w*t*i，所以XAFS谱的第i个数据点的能量值＝初始能量值±单位角度能量×w*t*i。这样，XAFS谱的第i个数据点对应的吸收系数和能量值都得到了，横轴和纵轴便一一对应起来。

步骤S204，单色器306转动到终止能量点后，计算机305控制单色器306停止转动，并控制ADC304停止采样。

下面结合图2和图3介绍QXAFS系统采样数据的具体过程：

首先，打开光源，让光通过光束线站1上的单色器306，到达实验站2上的前电离室301、样品处和后电离室302。

然后，启动QXAFS系统的采样程序，计算机305发送命令使单色器306转动，命令通过局域网传到电机控制器主机310，电机控制器主机310将命令传给电机控制器309，电机控制器309发命令给电机驱动器308，电机驱动器308发命令给单色器306的电机307，电机307转动。计算机305发命令给单色器306的同时，发命令给ADC304，ADC304接到命令后，采样来自前电离室301和后电离室302的信号，该信号从电离室出来，经过了电流放大器303放大后变成了电压信号，进入了ADC304。

ADC304持续采样的同时单色器306持续转动，单色器306转动过的能量点和ADC304采样的数据始终保持同步。计算机305对ADC304采集的数据进行同步计算处理，得到XAFS谱，并将该XAFS谱同步输出。当单色器306转动到终止能量点时停止转动，同时ADC304也停止采样。

本发明中，前电离室301和后电离室302，采用Oxford Danfysik公司的ICSpec型气体电离室，腔内气体可以在0.5-2bar的气压范围内调节，工作电压为3000V。前电离室301和后电离室302引出的弱电流分别被两个电流放大器303转换成0-10V的电压信号，通过同轴电缆线输出到ADC304。电流放大器303采用Femital公司生产的DLPCA-200型号，可通过RS232接口远程控制，工作方式可分为高速模式和低噪音模式两种，增益从1×103到1×1011可调，带宽最高为500kHz。ADC304采用GSC公司生产的PMC66-16aiss8ao4型16位ADC，通过一块PMC-PCI的转接板插入到计算机305的PCI插槽上。PMC66-16aiss8ao4型ADC304可以2M的速率进行8通道同时采样，输入电压可以有±10V、±5V、±2.5V三种选择，ADC304自带一个256k的FIFO缓存器，可以暂存由ADC304采样通道转换的数据，可以通过DMA(直接存储器访问)方式进行快速的数据传输。

本发明中，单色器306由电机307驱动，电机307由电机驱动器308驱动，电机驱动器308则由安插在电机控制器主机310上的电机控制器309进行控制，电机控制器主机310通过网络与计算机305进行通讯。

计算机305包括数据存储模块、通信模块、数据读取模块和数据处理模块。数据存储模块用来保存当前的状态参数和相应的处理结果，如时间、电机转速和ADC304采样的数据等；通信模块用来与外围设备进行通信，例如与电机控制器主机310通信；数据读取模块用来读取ADC304采样的数字信号；数据处理模块用来将ADC采样的数字信号进行处理，例如将ADC采样的数据分割成若干份并求取每一份的平均值。

下面详细描述基于本发明的方法和基于现有技术的方法所进行的一系列对比测试，测试过程如下：

基于本发明的QXAFS系统采样Cu的K边的数据信息，记为QXAFS谱。采样条件为：储存环电子能量为3.5GeV，流强为10mA，在前电离室301的入口处光子通量约为1×1010photons/s，电流放大器303的放大倍数为107V/A，样品为10μm厚的Cu箔，ADC304的采样频率为500kHz，电流放大器303采用全宽带模式(英文简称FBW)，单色器的电机转动速度为1440arcsec/s，采样时间为5s，设定每份数据的时间长度为2.5ms，共记录2000个数据点。，

基于现有技术的XAFS系统采样Cu的K边的数据信息，记为普通XAFS谱。采样条件为：储存环电子能量为3.5GeV，流强为10mA，在前电离室301的入口处光子通量约为1×1010photons/s，电流放大器303的放大倍数为107V/A，样品为6μm厚的Cu箔，ADC304采样频率为500kHz，电流放大器303采用10Hz高频滤波模式，在近边区域每两个点的能量间隔为0.25eV，共记录821个点，采样时间为40分钟。

图4A是基于本发明的QXAFS谱、现有技术的普通XAFS谱与标准XAFS谱的标准化对比图。图4B是上述三者的扩展边部分的对比图，由对比可以看出，基于本发明的QXAFS谱与基于现有技术的普通XAFS谱相比，其形状基本一致，在分辨率、信噪比方面的差别很小。图4C是上述三者的k空间谱的对比图，图4D是上述三者的R空间谱的对比图，由对比可以看出，经过傅立叶变换之后，其形状基本相同，这证明基于本发明的QXAFS谱是准确的，且有较好的分辨率和信噪比，而且采样时间大大缩短。因此在信噪比允许的情况下使用本发明的基于QXAFS系统的数据采样方法，可以大幅度节省采样时间，提高测量效率。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims (4)

1.一种基于单色器快速扫描控制系统的数据采集方法，用于快速获取样品的XAFS谱，所述XAFS谱由横坐标为能量值、纵坐标为吸收系数的多个数据点构成，所述系统包括ADC、计算机和单色器，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，初始化所述系统，包括设定单色器的转速w；

步骤2，所述计算机控制单色器转动到初始能量点，并启动ADC；

步骤3，所述计算机控制单色器以所述转速w持续转动，并控制ADC以恒定速度持续采样，所述计算机根据预设的每份数据的采样时间长度t同步分割所述ADC采样的数据，求取每份数据的平均值，将第i个平均值作为所述XAFS谱的第i个数据点纵坐标对应的吸收系数，并根据式(1)计算所述第i个数据点横坐标对应的能量值，

第i个数据点对应的能量值＝初始能量值±单位角度能量值×单色器转过的角度α(1)

其中，初始能量值为单色器的初始能量点对应的能量值，单位角度能量值为单色器转过每单位角度所对应的能量值，单色器转过的角度α＝w*t*i；

步骤4，所述单色器转动到终止能量点后，所述计算机控制单色器停止转动，同时控制ADC停止采样。

2.如权利要求1所述的基于单色器快速扫描控制系统的数据采集方法，其特征在于，所述每份数据的采样时间长度t为2-50ms。

3.如权利要求1所述的基于单色器快速扫描控制系统的数据采集方法，其特征在于，所述步骤3还包括在所述计算机上同步显示所述XAFS谱。

4.如权利要求1所述的基于单色器快速扫描控制系统的数据采集方法，其特征在于，所述步骤1包括设定所述ADC的数据采样速度、工作方式以及清空所述ADC的缓存器。

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