CN110083091A - 多能x射线的edxrf二次靶自动化控制装置 - Google Patents

多能x射线的edxrf二次靶自动化控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多能X射线的EDXRF二次靶自动化控制装置，属于光谱分析技术领域。该装置包括：X射线管、探测器、二次靶、电机和控制器；X射线管发射出X射线，然后X射线照射到二次靶上进行能量的选择激发，二次靶上的原子产生特征X射线，特征X射线然后激发样品中的待测元素，利用探测器接收样品中的待测元素的特征X射线；二次靶由电机带动转动，电机和控制器连接，电机和控制器分别与电源连接。本发明通过以单片机为控制器，控制电机来实现对靶盘转动角度的闭环控制，最终实现对靶的自动转换；通过等分靶盘来实现对二次靶材元素的自由选择，使每一种靶材的面积具有可调性，最终能够在降低本底的同时，实现对多种待测元素的同时测量。

Description

多能X射线的EDXRF二次靶自动化控制装置
技术领域
本发明涉及光谱分析技术领域，具体涉及一种多能X射线的EDXRF二次靶自动化控制装置。
背景技术
X射线荧光分析是一种用于化学元素定性和定量分析的方法。在20世纪70年代初能量色散X射线荧光分析仪正式跨入分析仪器的行列，并且作为一种重要的分析工具被广泛应用于地质、冶金、石油化工、刑侦、考古、半导体工业和医药卫生等领域。
EDXRF(Energy-Dispersive X-RayFluorescence)，能量色散X荧光光谱仪，借助探测器和多道分析器将色散的X射线荧光按光子能量分离X射线光谱线，根据各元素能量的高低来测量各元素的量。能量色散X射线荧光分析仪的研制起步较晚，但是经过多年的发展，在性能方面很快赶上了波长色散X射线荧光分析仪，并占领了大部分市场。随着电子元件的更新换代和新变换技术的出现，开关电源体积不断缩小，性能不断提高，使它很快成为了精致灵巧的电源设备，并迅速地应用到能量色散X射线荧光分析仪中，使得能量色散X射线荧光分析仪具备野外现场检测的能力。目前，为了适应市场的需求，能量色散X射线荧光分析仪正朝着多功能化、数据处理系统智能化、功能部件的小型化和一体化、样品更换自动化、谱仪的调试和维修远程化等方向不断发展。
为了提高X射线荧光分析仪的准确度、精确度与降低分析检出限，有效地提高目标元素特征X射线的激发效率是关键性措施之一。激发样品待测元素最为有效的能量段是靠近该元素吸收限能量高的那一小段能量区域，当激发源发出的初级射线的光子能量落在这个范围内，就可获得较高的激发效率。为了提高X射线对待测元素的激发效率，总希望有一能量略高于该元素的吸收限的单能光子束作为样品的入射射线，因此，常常选用某一转换靶来进行能量选择激发。
使用X射线管激发样品时，原级谱的散射线是构成待测元素背景的主要来源，原级谱中特征谱的散射线也是干扰来源之一，为了改善原级谱的谱形和强度，以提高试样中待测特征谱的峰背比，除使用不同X射线管阳极靶材外，采用二次靶是十分有效的方法之一，用二次靶发出的X射线激发样品，对样品而言，二次靶相当于激发源，二次靶发出的X射线由三部分组成：二次靶发出的特征X射线；来自于X射线管原级谱中的连续谱散射线；来自于X射线管靶材特征X射线的散射线，二次靶的优点是降低背景，提高峰背比，其检出限将比直接用X射线管有所提高。
当以低功率X射线管作为X射线荧光仪的激发源时，由于轫致辐射的影响，其发射的是连续的X射线能谱，不利于能量色散X射线荧光分析，采用二次转换靶将它变成单能X射线，激发样品中的单一元素，从而对每种元素的谱线进行测量。为了对样品中的各种元素进行测量，往往需要用多种靶，通过更换不同的靶物质，改变激发源的X射线能量，使之与目标元素的吸收限相近。长期以来，更换靶基本依靠人工的方法，工作效率低，而且不安全。
关于二次靶，国内外有不少研究。早在1990年谢忠信等人对二次靶所发出的X射线的组成谱线分布的表达式进行了研究。但至今为止，在低功率X射线管应用领域，国内还没有研制出一台采用二次靶的X荧光仪。在国外，有不少公司研制出了基于低功率X射线管的采用二次靶的X荧光仪，也有公司研制出了自动化二次靶的装置，但是这些仪器价格昂贵。
以上现有技术存在的技术问题有：
(1)运用二次靶的靶材元素单一，每一次测量只能得到待测样品中一种元素的特征谱，为了对样品中的各种元素进行测量，需要多次更换靶材，多次测量，完成整个测量的时间相对较长。
(2)各种二次靶材的面积固定不能根据实际的需要改变。
发明内容
本发明提供一种多能X射线的EDXRF二次靶自动化控制装置，可以解决现有技术中的上述问题。
本发明提供了一种多能X射线的EDXRF二次靶自动化控制装置，包括：X射线管、探测器、二次靶、电机和控制器；
所述X射线管发射出X射线，然后X射线照射到所述二次靶上进行能量的选择激发，二次靶上的原子产生特征X射线，特征X射线然后激发样品中的待测元素，利用探测器接收样品中的待测元素的特征X射线；
所述二次靶由电机带动转动，所述电机和控制器连接，所述电机和控制器分别与电源连接。
优选地，所述二次靶设置在靶盘上，所述靶盘由电机带动转动。
优选地，所述电机的主轴连接有小齿轮，所述小齿轮和大齿轮啮合，所述大齿轮和靶盘的靶盘主轴连接。
优选地，所述自动化控制装置还包括两个光学编码器，所述靶盘主轴上和电机的主轴上分别设置有所述光学编码器，所述光学编码器和控制器连接。
优选地，所述X射线管的出射窗上设有铅筒。
优选地，所述靶盘上设有多个二次靶。
优选地，所述靶盘上均匀设有四个、六个或八个二次靶，每个二次靶均被等分为若干部分，每个部分设置有相同或不同的靶材。
优选地，所述控制器外接有人机交互模块，所述人机交互模块包括报警装置、显示装置和键盘，所述控制器和光电耦合器连接，光电耦合器通过驱动电路和电机连接。
优选地，所述控制器采用型号为AT89C52的单片机，所述电机(6)为步进电机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过以单片机为控制器，控制电机来实现对靶盘转动角度的闭环控制，最终实现对靶的自动转换。
2、通过等分靶盘来实现对二次靶材元素的自由选择，同时使每一种靶材的面积具有可调性，最终能够在降低本底的同时，实现对多种待测元素的同时测量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电路控制框架图；
图3为靶盘结构示意图；
图4为二次靶的结构示意图。
附图标记说明：
1.X射线管，2.样品，3.探测器，4.二次靶，5.大齿轮，6.电机，7.小齿轮，8.光学编码器，9.靶盘。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种多能X射线的EDXRF二次靶自动化控制装置，如图1所示，包括：X射线管1、探测器3、二次靶4、电机6和控制器；
所述X射线管1发射出X射线，然后X射线照射到所述二次靶4上进行能量的选择激发，二次靶4上的原子产生特征X射线，特征X射线然后激发样品2中的待测元素，利用探测器3接收样品2中的待测元素的特征X射线；
所述二次靶4由电机6带动转动，所述电机6和控制器连接，所述电机6和控制器分别与电源连接。
进一步地，所述二次靶4设置在靶盘9上，所述靶盘9由电机6带动转动。
进一步地，所述电机6的主轴连接有小齿轮7，所述小齿轮7和大齿轮5啮合，所述大齿轮5和靶盘9的靶盘主轴连接。
进一步地，所述自动化控制装置还包括两个光学编码器8，所述靶盘主轴上和电机6的主轴上分别设置有所述光学编码器8，所述光学编码器8和控制器连接。利用电机6主轴上的光学编码器8对电机进行电机失步检测，利用靶盘主轴上的光学编码器8对靶盘9进行靶盘到位检测。
进一步地，所述X射线管1的出射窗上设有铅筒。X射线管利用高电压加速灯丝发射电子，使之轰击阳极靶物质，从而发射X射线，X射线管1发出的X射线是向各个方向发散的，为了降低二次靶特征X射线的散射背景，在X光管出射窗加一个铅筒作为准直器，尽量保证X射线管发出的X射线的立体角不变。
如图3所示，所述靶盘9上设有多个二次靶4。例如，所述靶盘9上均匀设有四个、六个或八个二次靶4。，每个二次靶4均被等分为若干部分，每个部分设置有相同或不同的靶材。例如，靶盘9的正面布局图如图3所示，整个靶盘9上面均匀的分布了大小相同的4个靶，本设计中靶的个数可以根据具体的需要调整。
进一步地，所述控制器外接有人机交互模块，所述人机交互模块包括报警装置、显示装置和键盘，所述控制器和光电耦合器连接，光电耦合器通过驱动电路和电机6连接。
由于转换靶自动控制装置中一个重要的部分为靶盘转动执行机构，在整个系统中，跟踪的精度在很大程度上取决予执行机构的性能和响应速度，其功能是把输入电压信号转换为电机轴上的机械转矩，带动负载旋转。负载转动都是通过电机驱动控制的，由于步进电机响应速度快、控制简单、调速范围宽、无自转现象及低速时不容易失步，电机6采用步进电机进行控制。步进电机是一种把电脉冲信号直接转换成机械位移的电机，每当接到一个电脉冲信号就前进一步，其位移量与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变电脉冲序列的次序可改变电机6的转向，而且能快速启停。若停机后某些绕组保持通电状态，还具有自锁能力，因而通过位移量、转速和转向的控制，以适合不同的控制要求。此外，步进电机的步距角和转速不受各种干扰的影响，在不失步的情况下运行，其步距误差不会长期积累，并且很容易实现与微机接口，通过一个微控制器与电机相连，选用两个光学编码器8，一个安装在靶盘主轴上，直接反映靶盘的转动角度以及位置信息；一个安装在电机主轴上，直接反映主动齿轮、电机6的转动以及位置信息。
如图2所示为二次靶自动转换控制框图，控制器为单片机，控制算法采用PID算法，被控量为编码盘的转动角度，执行器为电机，传感器为光学编码器，通过编码盘上的光学编码器传回数据和单片机的设定数据的差值作控制器的输入信号，来实现对靶盘转动角度的闭环控制。同时当检测到电机出现失步时和单片机相连的报警装置发出的报警信号，通知工作人员及时处理。
具体地，电机失步检测的过程是：通过安装在电机转轴上的光学编码器检测得到电机转动角度量，并把电机转动角度量数据发送给单片机，然后和单片机中的控制脉冲信号对比，看看两者是否在误差范围内，从而判断电机是否存在失步情况(如果存在失步需复位系统)。
同理，在大齿轮5相连的轴上安装的光学编码器用来对靶盘9的角位移信息进行获取，然后把角位移信号返回单片机，然后和单片机中的给定信号(通过人机交互模块上按键来调整的值)的差值来作为控制电机转动角度的输入信号，经过PID控制算法实现对负载(靶盘)轴角位移的闭环控制。
进一步地，所述控制器采用型号为AT89C52的单片机，所述电机6为步进电机。
在激发试样中待测元素特征X射线时，只有能量稍大于待测元素吸收限的能量区段最有效。因为在这一能量区段光电截面最大。而其他能量段或者不能激发，或者激发效率较低。并且，其散射射线将形成一很强的连续谱本底，于扰待测谱线的测量。因此，本设计中，X射线管的X射线并未直接用来激发待测样品，而是先通过二次靶进行能量的选择激发，靶上的原子在受到激发后产生本身的特征X射线，其能量稍大于样品待测元素的吸收限，然后再去激发待测元素的特征X射线，获得更高的激发效率，降低本底，提高峰背比，降低检出限。
本发明的多能X射线的EDXRF二次靶自动化控制装置的使用过程：
X射线管的位置是固定不变的，所以X射线管发出的X射线照射到靶盘上的有效位置是固定不变的，通过电机主轴的转动实现靶盘的转动，通过转动靶盘，可以让图3中的某个靶轮流转动到这个有效位置，实现对二次靶的自动转换。靶的个数和面积可以根据实际情况和需要设计。
靶材面积的大小直接影响X射线荧光计数率的大小。靶材面积增大，荧光计数率也增加。单个二次靶的示意图如图4所示，每一个二次靶被等分成了8份，你能看到靶盘上8个等分的靶槽，等分的额度可以根据需要自行设计，可以更多，也可以更少，中间灰色部分为X射线在靶上的有效照射面积，可以将不同的靶材做成单份标准大小，可以根据实际的需选择靶材类型和数量，根据选择的不同，最终得到的二次靶可以是纯元素靶，也可以由2种、3种…8种元素组成的多元素靶，实际的工作中小于等于3种元素组成的靶材用的比较多一些，元素种类过多X射线的荧光计数率也会受到一定的影响，各种元素靶材所占的面积大小也可以根据需要进行调整。
随着核探测技术的高速发展，X射线荧光分析技术的快速发展及其具有的优势，XRF分析技术已经成为检测土壤中重金属元素不可或缺的方法，运用本次设计装置对土壤中重金属铬Cr、铜Cu、铅Pb多元素同时进行检测，通过合理的选用二次靶，能够有效降低待测元素的检出限，提高探测效率。
通过查询可知，铬Cr、铜Cu、铅Pb的吸收限分别为5.988kev、8.98kev、24.347kev，当选择靶的特征X射线能量稍大于待测元素吸收限时，使得特测元素的激发效率最高，背景降低，从而降低待测元素的分析检测限，Fe、Ga、Sn元素对应的K系特征X射线Ka1的能量分别为6.403kev、9.251kev、25.27kev。各待测元素对应的靶材分别为Fe、Ga、Sn元素时，各待测元素的得到的特征能谱激发源的本底降低，峰背比提高，所以二次靶选择的靶材由Fe、Ga、Sn元素组成。
为了使二次转换靶得到的X射线能够更加有效的激发待测元素，本文设计的单个靶示意图如图4所示，因为靶材面积的大小直接影响X射线荧光计数率的大小，而土壤中一般Cr元素的含量较好，所以8块靶槽，选择两块放入Fe靶，三块放入Ga靶，三块放入Sn靶，3种靶材组成的二次转换靶各自的面积比为2：3：3。
X射线管产生的原级X射线谱由连续谱和特征谱组成，通常使用连续光谱来照射样品。连续光谱是由一系列连续波长的X射线组成，当X射线管所加的电压足够高时，它能够激发周期表上所有元素。
轫致辐射连续谱的能量上限是电子能量，与高压相当，在0到能量上限之间连续分布，照射量率最大值点约为能量上艰的1/3处。所以适当的调整X射线管的管电压可以实现对多种靶材元素的特征激发。
当经过二次转换靶的X射线射向样品土壤后，就能够从探测器中得到3个元素的特征X射线，跟没有用转换靶相比，特征谱线的荧光计数率明显下降了，但是激发源的本底降低，峰背比提高，元素的分析检出限下降了。
本次设计的靶盘有4种二次靶可以随意切换，每一靶所含元素和元素的比例可提前确定，在使用过程中可以根据需要灵活自动的切换，节约测量时间，做理论研究时，还可以降低物理条件的差异所带来的误差。
本发明的有益效果是：
1、通过以单片机为控制器，控制算法采用PID算法，被控量为编码盘的转动角度，执行器为电机，传感器为光学编码器，通过编码盘上的光学编码器传回数据和单片机的设定数据的差值作控制器的输入信号，来实现对靶盘转动角度的闭环控制，最终实现对靶的自动转换。
2、通过等分靶盘来实现对二次靶材元素的自由选择，同时使每一种靶材的面积具有可调性，最终能够在降低本底的同时，实现对多种待测元素的同时测量。
本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实施。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.多能X射线的EDXRF二次靶自动化控制装置，其特征在于，包括：X射线管(1)、探测器(3)、二次靶(4)、电机(6)和控制器；
所述X射线管(1)发射出X射线，然后X射线照射到所述二次靶(4)上进行能量的选择激发，二次靶(4)上的原子产生特征X射线，特征X射线然后激发样品(2)中的待测元素，利用探测器(3)接收样品(2)中的待测元素的特征X射线；
所述二次靶(4)由电机(6)带动转动，所述电机(6)和控制器连接，所述电机(6)和控制器分别与电源连接。
2.如权利要求1所述的多能X射线的EDXRF二次靶自动化控制装置，其特征在于，所述二次靶(4)设置在靶盘(9)上，所述靶盘(9)由电机(6)带动转动。
3.如权利要求2所述的多能X射线的EDXRF二次靶自动化控制装置，其特征在于，所述电机(6)的主轴连接有小齿轮(7)，所述小齿轮(7)和大齿轮(5)啮合，所述大齿轮(5)和靶盘(9)的靶盘主轴连接。
4.如权利要求3所述的多能X射线的EDXRF二次靶自动化控制装置，其特征在于，所述自动化控制装置还包括两个光学编码器(8)，所述靶盘主轴上和电机(6)的主轴上分别设置有所述光学编码器(8)，两个所述光学编码器(8)均和控制器连接。
5.如权利要求1所述的多能X射线的EDXRF二次靶自动化控制装置，其特征在于，所述X射线管(1)的出射窗上设有铅筒。
6.如权利要求2所述的多能X射线的EDXRF二次靶自动化控制装置，其特征在于，所述靶盘(9)上设有多个二次靶(4)。
7.如权利要求6所述的多能X射线的EDXRF二次靶自动化控制装置，其特征在于，所述靶盘(9)上可以均匀设有四个、六个或八个二次靶(4)，每个二次靶(4)均被等分为若干部分，每个部分设置有相同或不同的靶材。
8.如权利要求1所述的多能X射线的EDXRF二次靶自动化控制装置，其特征在于，所述控制器外接有人机交互模块，所述人机交互模块包括报警装置、显示装置和键盘，所述控制器和光电耦合器连接，光电耦合器通过驱动电路和电机(6)连接。
9.如权利要求1-8任一所述的多能X射线的EDXRF二次靶自动化控制装置，其特征在于，所述控制器采用型号为AT89C52的单片机，所述电机(6)为步进电机。
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