CN105352984A - 一种基于sdd探测器的x射线荧光分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SDD探测器的X射线荧光分析系统。使用本发明能够有效产生X射线荧光，并对X射线荧光光谱进行分析，且能量分辨率高，噪声低。本发明的X射线荧光分析系统包括荧光产生子系统、SDD探测器和电子学读出子系统，其中，荧光产生子系统采用包括同位素激发源作为X射线源，采用掠入射方法产生荧光；SDD探测器将样品产生X荧光转换成微弱的电信号，电子学读出子系统包括前置放大器、成形放大模块、MCA多道分析仪、高压模块、制冷模块和供电模块，对SDD探测器的电信号进行成形放大，并提取X射线荧光光谱，并为SDD探测器提供反偏工作高压和低温工作环境。

Description

一种基于SDD探测器的X射线荧光分析系统

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及一种基于SDD探测器的X射线荧光分析系统。

背景技术

当能量高于原子内层电子结合能的高能X射线与原子发生碰撞时，驱逐一个内层电子而出现一个空穴，使整个原子体系处于不稳定的激发态。外层电子跃迁至内层空穴使原子恢复到基态，此过程中所释放的能量以辐射的形式放出，便产生了X荧光。X荧光的能量与入射的能量无关，它只等于原子两能级之间的能量差。由于能量差完全由该元素原子的壳层电子能级决定，故称之为该元素的特征X射线，也称荧光X射线或X荧光。

X射线荧光分析(XRF)技术利用被测样品中元索受初级X射线激励辐射二次特征X射线(荧光)，判断和确定样品成分和组成。它以分析速度快、可分析元素多、可分析浓度范围广、可进行非破坏分析、探测限低等特点而成为分析测试领域的一个研究热点。X射线荧光分析技术在产品和材料的无损检测、人体医检、微电子电路光刻检验等领域有广泛的应用。另外，近年来随着工业化的发展，国内大气污染问题日趋严重。在大气重金属元素的检测上，X射线荧光测量技术已比较成熟，比之传统的电化学测量方法具有速度快、测量范围广，样品预处理简单等优点。

高性能的核探测器读出系统是整个XRF的核心。XRF的核心探测器从常用的正比计数器、闪烁体，向半导体探测器过渡。我国的X射线荧光分析仪多数依赖于进口，无成熟的本土化的XRF产品。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于SDD探测器的X射线荧光分析系统，能够有效产生X射线荧光，并对X射线荧光光谱进行分析，且能量分辨率高，噪声低。

本发明的基于SDD探测器的X射线荧光分析系统，包括荧光产生子系统、SDD探测器和电子学读出子系统，其中，荧光产生子系统用于产生X射线荧光，包括同位素激发源和样品，其中，同位素激发源出射的X射线与样品表面的夹角小于全反射临界角；

SDD探测器位于样品表面正上方，接收样品发出的X射线荧光，并将X射线荧光转换为电信号后输出至电子学读出子系统；

电子学读出子系统对SDD探测器的电信号进行成形放大，并提取X射线荧光光谱；其中，电子学读出子系统包括前置放大器、成形放大模块、MCA多道分析仪、高压模块、制冷模块和供电模块；其中，前置放大器与SDD探测器连接，对SDD探测器产生的电信号进行提取放大；成形放大模块与前置放大器连接，对前置放大器的输出信号进行高斯整形和放大；MCA多道分析仪与成形放大模块连接，对成形放大模块输出的高斯信号进行多通道AD采集，提取X射线荧光的能谱分布送至计算机，用于分析；高压模块与SDD探测器连接，为SDD探测器提供反偏工作电压；制冷模块与SDD探测器连接，为SDD探测器提供低温工作环境；供电模块为前置放大器、成形放大模块、高压模块和制冷模块供电。

进一步地，所述同位素激发源采用第Ⅴ类天然同位素放射源。

进一步地，能量在5keV以下X射线荧光选择⁵⁵Fe同位素激发源，能量在5keV以上X射线荧光选择¹⁰⁹Cd同位素激发源。

进一步地，所述前置放大器采用高增益带宽运算放大器，高增益带宽运算放大器的反向输入端接SDD探测器的输出正端，高增益带宽运算放大器的正向输入端接地；高增益带宽运算放大器的输出电压作为前置放大器的输出正端，SDD探测器的输出负端作为前置放大器的输出负端；高增益带宽运算放大器的反向输入端和输出端之间并联一个负反馈电容；其中，反馈电容为1～10pf，前置放大器的增益为10mV/keV±20％。

进一步地，所述成形放大模块包括滤波成形子模块和放大子模块，其中，滤波成形子模块采用CR-(RC)^m滤波方式将前置放大器的输出电压滤波整形成高斯脉冲，其中m≥3，高斯脉冲的上升沿时间处于200ns～2us之间；放大子模块将滤波成形子模块输出的高斯脉冲信号进行放大，放大倍数为100～200。

进一步地，所述制冷模块包括帕尔贴制冷器和PIC控制芯片，其中帕尔贴制冷器的冷端贴在SDD探测器上，PIC控制芯片根据SDD探测器内部的热敏电阻的输出信号，控制调整帕尔贴制冷器的输入电压。

有益效果：

(1)本发明的基于SDD探测器的电子学读出子系统结构简单，能够对X射线荧光光谱进行有效分析，且由于SDD探测器收集阳极电容不依赖于探测面积，能量分辨高。SDD探测器的Be窗可以有效屏蔽背景光，本发明的荧光系统可以实现对1～30keV荧光光谱的有效探测。

(2)本发明的荧光产生子系统采用天然同位素源作为激发源，具有携带方便，可以现场测试等优点。

(3)本发明的荧光产生子系统采用掠入射的方法产生荧光，入射X射线的穿透深度只有几个纳米，来自于基体的噪声信号大大降低，而信号由于表面驻波效应得到了较大的增强，因此可以有效提高信噪比。

附图说明

图1为X射线荧光产生子系统结构示意图。

图2为电子学读出子系统结构示意图。

图3为SDD工作原理图。

图4为前置放大器原理图。

图5为制冷模块原理图。

图6为滤波成形子模块原理图。

图7为不同X荧光能量下的输出信号幅度响应。

图8为Fe55辐射源多道分析输出能量分辨结果。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于SDD探测器的X射线荧光分析系统，其中SDD探测器采用美国Amptek公司成熟型号XR100产品，荧光产生系统和电子学读出系统均为自主研发设计。

本发明的X射线荧光分析系统包括荧光产生子系统、SDD探测器和电子学读出子系统。

其中，荧光产生子系统如图1所示，包括同位素激发源和样品，其中，激发源出射的X射线与样品表面的夹角θ小于全反射临界角，SDD探测器位于样品表面正上方。X射线照射样品后，样品产生X荧光，SDD探测器将入射的X射线荧光通过光电效应转换为微弱的电信号。

电子学读出子系统如图2所示，包括前置放大器、成形放大模块、MCA多道分析仪、高压模块、制冷模块和供电模块；其中，高压模块、制冷模块、前置放大器与SDD探测器连接，成形放大模块与前置放大器和MCA分析仪连接，供电模块为前置放大器、成形放大模块、高压模块和制冷模块供电。

其中，前置放大器用于对SDD探测器产生的微弱电信号进行提取放大，成为可以被整形的信号；成形放大模块通过微分和积分电路对前置放大器输出的微弱信号高斯整形和进一步放大；MCA多道分析仪对成形放大模块输出的高斯信号进行多通道AD采集，给出不同能谱的分布和能量分辨率，并提供给计算机，用于计算；高压模块为SDD探测器工作提供必要的反偏工作电压；制冷模块为SDD探测器提供低温的工作环境，提高探测能谱分辨率。

具体地，(1)同位素激发源的选择

采用第Ⅴ类天然同位素放射源作为同位素激发源，具备较高的安全性，同时适合于现场分析。同时，根据被测荧光的不同能谱范围，5keV以下X射线荧光选择⁵⁵Fe同位素源，5keV以上X射线荧光选择¹⁰⁹Cd同位素源。

荧光产生子系统是采用X射线掠入射的方式照射在样品上，从而产生X荧光，掠入射荧光产生基本原理如下：

根据X射线的散射理论，X射线在介质中的复折射率n＝1-δ+iβ。X射线在介质内部随传播距离呈负指数衰减，由于X射线在介质中的吸收系数β比较大，同时δ非常小，一般在10^-4量级，这就决定了X射线全反射的临界角非常小，只能以掠入射的方式改变入射方向。不同材料的临界角θ_c可以由公式(1)估算

${\mathrm{\θ}}_c=69.4\frac{\sqrt{\mathrm{\ρ}}}{E}---\left(1\right)$

其中，ρ为样品密度，E为X光子的能量。

掠入射产生荧光时，需要保证同位素的入射X光子小于全反射临界角，探测器位于样品正上方。采用掠入射的方式，X光子在样品中的穿透深度很浅，同时吸收较少，使得基体的噪声信号较少，同时有效避开了出射X射线的影响。

X射线荧光与入射X光子能量无关，是原子本身的特征X谱线，大体上可以由莫塞莱定律判断，即

$\sqrt{v}=Az-B---\left(2\right)$

其中，v为荧光的频率，z为样品原子的序数，A和B均为常数，与原子序数无关，可以通过实验测出。

(2)SDD探测器的工作原理

硅漂移室探测器(SiliconDriftDetector,SDD)的基本结构如图3所示：在高纯n型硅片的背面(入射面)制作大面积均匀的p-n结，而在另外一面的中央制作点状n型阳极，在阳极周围分布了p型漂移电极。工作时，器件两面的p-n结加反向电压，从而在器件体内产生一个势阱。在漂移电极加电压时，会在器件内部产生漂移电场。X射线与探测器作用产生的电子会在漂移电场的作用下向阳极漂移，到达阳极附近才产生信号。硅漂移室的阳极很小因而电容很小，同时其漏电流也很小，所以可以低噪声、快速地读出电子信号。

(3)前置放大器

前置放大器采用高增益带宽运算放大器，再在高增益带宽运算放大器的反向输入端和输出端之间并联一个负反馈电容C_f，使得前置放大器在对探测器输出的电荷Q进行收集后能够实现电荷灵敏放大，电荷灵敏放大器原理如图4所示。高增益带宽运算放大器通常输入阻抗很高，输出阻抗很小，开环增益A0很大。

$V_{1o}\left(t\right)=\frac{Q}{C_f+\frac{C_f+C_i}{A}}u\left(t\right)---\left(3\right)$

其中，V₁₀(t)为前置放大器的输出电压，Q为SDD探测器的输出电荷，C_i为SDD探测器的寄生电容，A为高增益带宽运算放大器的放大倍数，u(t)为SDD探测器输出的单位阶跃电压。当高增益带宽运算放大器倍数足够大时，A>>1，前置放大器的输出信号幅度保持与探测器输出电荷量成正比，如式(4)所示。

$V_{1o}\left(t\right)=\frac{Q}{C_f}u\left(t\right)---\left(4\right)$

前置放大器采用反馈电容约为1～10pf，增益为10mV/keV±20％，SDD探测器与前置放大器采用直接耦合方式。

(4)制冷模块

制冷模块包括帕尔贴制冷器和PIC控制芯片，其中帕尔贴制冷器的冷端贴在SDD探测器上，PIC控制芯片接收SDD探测器内部的集成热敏电阻输出的电压信号，控制调整帕尔贴制冷器的输入电压，从而达到制冷效果，保证在室温下SDD探测器芯片的工作温度在-40℃以下，其中，集成热敏电阻根据SDD探测器温度的变化输出变化的电压信号。制冷模块的原理图如图5所示。

帕尔贴制冷器是根据半导体温差电的原理来进行制冷。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料连接成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端，由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。

帕尔贴制冷器的冷端贴合SDD探测器，热端贴合Cu板热沉。由于帕尔贴制冷器是由几个NP结串联组成，PIC控制器调整帕尔贴制冷器的输入电压最大不超过4V。

(5)成形放大模块

成形放大模块包括滤波成形子模块和放大子模块，其中，滤波成形子模块采用CR-(RC)^m滤波方式对前置放大器的输出电压进行滤波整形，其电路如图6所示，前置放大器的输出电压先经过CR微分，再经过3级以上的RC积分，从而输出高斯形状信号。CR-(RC)^m滤波整形只与选择的RC常数有关，滤波波形可以表示为：

$V_{2o}\left(t\right)=\frac{Q}{C_{f}m!}{\left(\frac{t}{\mathrm{\τ}}\right)}^m{e}^{-\frac{\mathrm{\τ}}{t}}u\left(t\right)---\left(5\right)$

其中，V₂₀(t)为滤波输出，Q为SDD的电荷，C_f为前置放大器的反馈电容，m为滤波电路中RC积分的级数，t为滤波整形时间，τ为RC常数，u(t)为SDD探测器输出的单位阶跃电压，V₂₀(t)在t＝mτ时达到峰值，此时V₂₀(t)的最大值m>3就可以把信号整成高斯脉冲。根据公式(5)，选择合适的RC值，就可以使得高斯脉冲的上升沿时间处于200ns～2us之间。

经过滤波成形后的脉冲约为几十个mV，如此小的电压不能直接被AD转换。因此，将滤波成形子模块的输出信号经放大子模块的放大器对该高斯形状信号进行进一步放大，根据一般多道分析仪器(MCA)要求，放大倍数约为100～200倍。

(6)高压模块

SDD探测器需要的高压偏置为-100～-150V。高压模块采用脉宽调制PWM方法将12V电压转换负直流高压，给SDD探测器供电。PWM控制器芯片采用成熟集成芯片SG3524，其工作振荡频率由输入电阻R_T、R_D和电容C_T决定，振荡频率f可以表示为

$f=\frac{1}{C_T(0.7R_T+3R_D)}---\left(6\right)$

改变振荡频率调节PWM的占空比，使+12V直流电压通过脉冲变压器逆变为交流电压并升压，经过电容与二极管组成的倍压电路及滤波电路，输出需要的高压。

(7)荧光分析仪测试

SDD探测器具有很好的能量线性响应，因此成形放大模块输出的信号的脉冲幅度与入射X光子的能量基本呈线性关系。设脉冲幅度电压值为U，入射光子能量为E，则能量响应线性曲线为

U＝aE+b(7)

其中a，b为常数。理想的半导体探测器能量响应曲线应该为一条过原点的直线。图7为采用覆盖1-20keV不同靶材的X射线光子的系统输出波形幅度与能量的关系，可以看到能量响应线性度良好。

对成形放大模块输出的信号采用多道幅度脉冲分析仪(MCA)进行测试。MCA得到的脉冲幅度谱并不是单一值的直线，而是如图8所示的曲线。能量分辨率可以表示为

其中，ΔU_半是脉冲幅度谱中峰位计数的一半处的全宽度，也叫做半高宽FWHM，U是峰位幅度。ΔE_半是能量的半高宽度，η表示能量分辨能力。从图8可以看到，设计的荧光系统能量分辨率高，可以达到195eV5.9keV；电子学噪声低，在500eV以下。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。

Claims (6)

1.一种基于SDD探测器的X射线荧光分析系统，其特征在于，包括荧光产生子系统、SDD探测器和电子学读出子系统，

其中，荧光产生子系统用于产生X射线荧光，包括同位素激发源和样品，其中，同位素激发源出射的X射线与样品表面的夹角小于全反射临界角；

SDD探测器位于样品表面正上方，接收样品发出的X射线荧光，并将X射线荧光转换为电信号后输出至电子学读出子系统；

电子学读出子系统对SDD探测器的电信号进行成形放大，并提取X射线荧光光谱；其中，电子学读出子系统包括前置放大器、成形放大模块、MCA多道分析仪、高压模块、制冷模块和供电模块；其中，前置放大器与SDD探测器连接，对SDD探测器产生的电信号进行提取放大；成形放大模块与前置放大器连接，对前置放大器的输出信号进行高斯整形和放大；MCA多道分析仪与成形放大模块连接，对成形放大模块输出的高斯信号进行多通道AD采集，提取X射线荧光的能谱分布送至计算机，用于分析；高压模块与SDD探测器连接，为SDD探测器提供反偏工作电压；制冷模块与SDD探测器连接，为SDD探测器提供低温工作环境；供电模块为前置放大器、成形放大模块、高压模块和制冷模块供电。

2.如权利要求1所述的基于SDD探测器的X射线荧光分析系统，其特征在于，所述同位素激发源采用第Ⅴ类天然同位素放射源。

3.如权利要求2所述的基于SDD探测器的X射线荧光分析系统，其特征在于，能量在5keV以下X射线荧光选择⁵⁵Fe同位素激发源，能量在5keV以上X射线荧光选择¹⁰⁹Cd同位素激发源。

4.如权利要求1所述的基于SDD探测器的X射线荧光分析系统，其特征在于，所述前置放大器采用高增益带宽运算放大器，高增益带宽运算放大器的反向输入端接SDD探测器的输出正端，高增益带宽运算放大器的正向输入端接地；高增益带宽运算放大器的输出电压作为前置放大器的输出正端，SDD探测器的输出负端作为前置放大器的输出负端；高增益带宽运算放大器的反向输入端和输出端之间并联一个负反馈电容；其中，反馈电容为1～10pf，前置放大器的增益为10mV/keV±20％。

5.如权利要求1所述的基于SDD探测器的X射线荧光分析系统，其特征在于，所述成形放大模块包括滤波成形子模块和放大子模块，其中，滤波成形子模块采用CR-(RC)^m滤波方式将前置放大器的输出电压滤波整形成高斯脉冲，其中m≥3，高斯脉冲的上升沿时间处于200ns～2us之间；放大子模块将滤波成形子模块输出的高斯脉冲信号进行放大，放大倍数为100～200。

6.如权利要求1所述的基于SDD探测器的X射线荧光分析系统，其特征在于，所述制冷模块包括帕尔贴制冷器和PIC控制芯片，其中帕尔贴制冷器的冷端贴在SDD探测器上，PIC控制芯片根据SDD探测器内部的热敏电阻的输出信号，控制调整帕尔贴制冷器的输入电压。