CN115763616B - X射线探测器、在线矿石成分分析设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体技术领域，涉及一种X射线探测器、在线矿石成分分析设备及方法，X射线探测器包括PIN结构、封装在PIN结构外侧的真空保护窗和输出模块，在PIN结构与真空保护窗之间设有真空层；所述PIN结构包括P层、本征半导体层和N层，本征半导体层位于P层和N层之间，真空层位于P层和真空保护窗之间；真空保护窗为由轻元素材料制作而成、厚度≤100um的薄层；输出模块与PIN结构的P层连接，用于输出PIN结构经X射线照射产生的光电信号。本发明X射线探测器能够快速准确地探测X射线，将其应用于矿石成分分析中，能够快速准确探测X射线激发矿石产生的次级X射线，缩短探测时间，进而提高矿石成分分析的效率及准确性。

Description

X射线探测器、在线矿石成分分析设备及方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体地说，涉及一种X射线探测器、在线矿石成分分析设备及方法。

背景技术

在对X射线的探测中，现有的X射线探测器通常包括PN二极管，普通的PN二极管的扩散运动只发生在PN结附近，远离PN结的地方就没有电场存在，因此PN二极管的光电变换效率低下，响应速度也很慢，使得X射线探测效率低，准确性差。

发明内容

本发明针对现有X射线探测器存在的探测效率低、准确性差等上述问题，提供了一种X射线探测器、在线矿石成分分析设备及方法，其中，X射线探测器能够提高X射线的探测效率和准确性，将其应用于矿石成分分析中，能够快速准确探测X射线激发矿石产生的次级X射线，缩短探测时间，进而提高矿石成分分析的效率及准确性。

为了达到上述目的，本发明提供了一种X射线探测器，包括PIN结构、封装在PIN结构外侧的真空保护窗和与PIN结构连接输出模块，在PIN结构与真空保护窗之间设有真空层；所述PIN结构包括P层、本征半导体层和N层，本征半导体层位于P层和N层之间，真空层位于P层和真空保护窗之间；真空保护窗为由轻元素材料制作而成、厚度≤100um的薄层；输出模块与PIN结构的P层连接，用于输出PIN结构经X射线照射产生的光电信号。

本发明还提供了一种采用上述X射线探测器的在线矿石成分分析设备，包括：

存储模块，存储有已知元素及元素对应X射线能量和X射线发生概率；

样品容纳装置，用于盛放待测矿石样品；

激发单元，设于样品容纳装置上方，用于输出能量连续可调的X射线，以使X射线与待测矿石样品发生相互作用，激发产生次级X射线；

X射线探测器，设于样品容纳装置上方，与激发单元呈角度45°-135°设置，用于探测次级X射线；

信号处理单元，用于对X射线探测器探测的次级X射线进行放大整形后并进行分类，得到次级X射线的计数及能量；

匹配模块，用于将次级X射线能量与已知元素对应的X射线能量进行匹配，以根据匹配的X射线能量得到次级X射线发生概率及其对应元素；

计数修正模块，用于根据次级X射线在空气中的衰减效率修正次级X射线的计数；

寻峰模块，在修正后的次级X射线能量谱上寻峰，并求取每个峰的峰面积；

计算模块，根据峰面积和元素次级X射线发生概率计算矿石样品中元素含量 P _i ，元素含量 P _i 表示为：

式中， I _i 为元素 i的强度， A _i 为元素 i的峰面积， ε _i 为元素 i次级X射线发生概率， ε _j 为X射线探测器对元素 i次级X射线的本征探测效率；

含量修正模块，用于利用标准矿石样品测量结果对计算模块计算的元素含量进行基体效应修正得到矿石样品中各元素的最终元素含量。

进一步的，还包括上位机，所述存储模块、匹配模块、计数修正模块、寻峰模块、计算模块、含量修正模块均设于上位机内；所述上位机内还设有显示模块和物联网模块，显示模块和物联网模块分别与含量修正模块连接，显示模块用于显示最终元素含量，物联网模块用于与外部数据监测平台连接。

优选的，所述样品容纳装置包括：

旋转件，所述激发单元与X射线探测器位于旋转件上方；

样品容器，放置于旋转件内，用于盛放矿石样品；

驱动件，其输出轴与旋转件底部轴接。

进一步的，所述样品容纳装置还包括与所述驱动件连接的控制模块，所述控制模块设于所述上位机内，用于控制驱动件在每隔设定时间T驱动旋转件旋转设定角度α，以便X射线探测器对待测矿石样品进行多点探测取平均值。

优选的，所述激发单元包括：

高压电源，用于输出不同电压的高压；

可控X射线激发源，与高压电源电连接，用于根据高压电源输出的不同高压输出能量连续可调的X射线，以使X射线与待测矿石样品发生相互作用，激发产生次级X射线。

优选的，所述信号处理单元包括：

信号放大器，用于对X射线探测器探测的次级X射线进行放大整形；

多道脉冲幅度分析器，用于将放大后的次级X射线进行模数转换，并进行分类，得到次级X射线的计数及能量。

优选的，修正次级X射线的计数的具体方法为：假设次级X射线的能量为E，修正后的次级X射线的计数表示为：y=x/ ε1，其中，y表示修正后的次级X射线的计数，x表示能量为E的次级X射线的计数， ε1表示能量为E的次级X射线在1cm空气中的衰减效率，由实验测得。

优选的，进行基体效应修正的具体步骤为：假定标准矿石样品中元素 i的浓度为A%，计算模块计算的元素 i的浓度为B%，B为A的B/A倍，元素 i的最终浓度为计算模块计算的元素浓度B%除以B/A。

本发明还提供了一种采用上述X射线探测器的在线矿石成分分析方法，其具体步骤为：

S1、发射能量连续可调的X射线至待测矿石样品，不同能量的X射线与待测矿石样品发生相互作用，激发产生不同能量的次级X射线；

S2、通过X射线探测器探测次级X射线，对其进行放大整形后并进行分类，得到不同能量次级X射线的计数及能量；

S3、将次级X射线能量与已知元素对应的X射线能量进行匹配，根据匹配的X射线能量得到次级X射线发生概率及其对应元素；

S4、根据次级X射线在空气中的衰减效率修正次级X射线的计数，在修正后的次级X射线能量谱上寻峰，并求取每个峰的峰面积；

S5、根据峰面积和元素次级X射线发生概率计算矿石样品中元素含量 P _i ，元素含量 P _i 表示为：

式中， I _i 为元素 i的强度， A _i 为元素 i的峰面积， ε _i 为元素 i次级X射线发生概率， ε _j 为X射线探测器对元素 i次级X射线的本征探测效率；根据上述公式计算各元素含量；

S6、利用标准矿石样品测量结果对计算的元素含量进行基体效应修正得到矿石样品中各元素的最终元素含量。

优选的，步骤S4中，修正次级X射线的计数的具体方法为：假设次级X射线的能量为E，修正后的次级X射线的计数表示为：y=x/ ε1，其中，y表示修正后的次级X射线的计数，x表示能量为E的次级X射线的计数， ε1表示能量为E的次级X射线在1cm空气中的衰减效率，由实验测得。

优选的，步骤S6中，进行基体效应修正的具体步骤为：假定标准矿石样品中元素 i的浓度为A%，计算模块计算的元素 i的浓度为B%，B为A的B/A倍，元素 i的最终浓度为计算模块计算的元素浓度B%除以B/A。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

（1）本发明X射线探测器，采用PIN结构，PIN结构能够吸收大量的光子，并转换为载流子形成光电信号，因此感光和探测辐射的灵敏度非常高，探测X射线时，能够快速准确地探测到X射线。

（2）本发明X射线探测器，在探测X射线时，对PIN结构制冷，使其保持在稳定的低温（零下35°至零下20°）状态下，可以有效减小漏电流的产生，降低噪声。

（3）本发明X射线探测器，半导体PIN结构被很薄的轻元素材料制成的真空保护窗封装，真空保护窗与半导体PIN结构之间设为真空，该封装是为了使得PIN结构在低温（零下35°至零下20°）下不会遇到空气凝结产生水珠。探测X射线时，X射线通过真空保护窗后，照射在半导体PIN结构上产生光电信号并由输出模块输出，实现对X射线的探测。

（4）本发明在线矿石成分分析设备，包括的X射线探测器采用PIN结构，PIN结构能够吸收大量的光子，并转换为载流子形成光电信号，因此感光和探测辐射的灵敏度非常高，能够快速准确地探测到X射线激发待测矿石样品产生的次级X射线，提高矿石成分分析的效率和准确性。

（5）本发明在线矿石成分分析设备，对X射线激发源-矿石样品-X射线探测器的相对位置进行限定，X射线激发源与X射线探测器呈角度45°-135°设置，能够确保待测矿石样品能够被X射线有效激发，使激发产生的次级X射线能够被X射线探测器充分吸收。

（6）本发明在线矿石成分分析设备，样品容纳装置采用自主设计，包括旋转件、放置于旋转件内的样品容器以及与旋转件连接的驱动件，通过驱动件驱动旋转件转动，可实现样品容器每隔一定时间旋转一定角度，对待测矿石样品进行多点测量取平均值，解决样品内部各个元素分布不均匀导致的测量偏差，使得测量结果更加准确。

（7）本发明在线矿石成分分析设备，设有计数修正模块，根据X射线在空气中的衰减效率对次级X射线的计数进行修正，同时，设有含量修正模块，利用标准矿石样品测量结果对计算的元素含量进行基体效应修正，使分析设备脱离真空泵的控制，实现在空气中的直接使用，从而能够直接应用于产线，简化矿石成分分析操作流程。

（8）本发明在线矿石成分分析设备，还设有显示模块和物联网模块，通过显示模块能够显示分析得到的矿石中各元素及各元素的含量值，通过物联网模块，能够将分析得到的矿石中各元素及各元素的含量值传输至外部数据监测平台（例如：本单位云平台、第三方平台等），根据成分分析结果实现矿石分级/脱泥等作业的控制，改变矿石加工产业目前的生产方式，提高生产效率。

（9）本发明在线矿石成分分析方法，采用具有PIN结构的X射线探测器探测X射线激发待测矿石样品产生的次级X射线，PIN结构能够吸收大量的光子，并转换为载流子形成光电信号，因此感光和探测辐射的灵敏度非常高，能够快速准确地探测到X射线激发待测矿石样品产生的次级X射线，提高矿石成分分析的效率和准确性。

（10）本发明在线矿石成分分析方法，根据X射线在空气中的衰减效率对次级X射线的计数进行修正，同时，利用标准矿石样品测量结果对计算的元素含量进行基体效应修正，使矿石成分分析脱离真空泵的控制，实现在空气中的直接使用，从而能够直接应用于产线，简化矿石成分分析操作流程。

附图说明

图1为本发明实施例所述X射线探测器的结构示意图；

图2为本发明实施例所述在线矿石成分分析设备的结构框图；

图3为本发明实施例所述样品容纳装置的结构简图；

图4为已知元素及元素对应X射线能量示意图。

图中，01、真空保护窗，02、输出模块，03、真空层，04、P层，05、本征半导体层，06、N层，1、存储模块，2、样品容纳装置，201、旋转件，202、样品容器，203、驱动件，204、控制模块，3、激发单元，301、高压电源，302、可控X射线激发源，4、X射线探测器，5、信号处理单元，501、信号放大器，502、多道脉冲幅度分析器，6、匹配模块，7、计数修正模块，8、寻峰模块，9、计算模块，10、含量修正模块，11、上位机，12、显示模块，13、物联网模块，14、外部软件监测平台。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

实施例1：参见图1，本发明实施例提供了一种X射线探测器，包括PIN结构、封装在PIN结构外侧的真空保护窗01和与PIN结构连接输出模块02，在PIN结构与真空保护窗01之间设有真空层03；所述PIN结构包括P层04、本征半导体层05和N层06，本征半导体层05位于P层04和N层06之间，真空层03位于P层04和真空保护窗01之间；真空保护窗为由轻元素材料（例如：B或C元素等）制作而成、厚度≤100um的薄层；输出模块02与PIN结构的P层04连接，用于输出PIN结构经X射线照射产生的光电信号。

具体地，P层为在衬底上注入B离子形成的P型半导体层，N层为在衬底上注入P离子形成的N型半导体层。

采用本发明实施例上述X射线探测器探测X射线时，对PIN结构制冷，使其保持在稳定的低温（零下35°至零下20°）状态下，X射线通过真空保护窗后，照射在PIN结构上产生光生载流子形成光电信号并由输出模块输出。需要说明的是，对PIN结构制冷，使其保持在稳定的低温状态下，可以有效减小漏电流的产生，降低噪声。具体地，采用电制冷方式获得低温条件，与传统的液氮制冷探测器相比，使用简便。

需要说明的是，在X射线的探测过程中，由于康普顿效应的存在，探测到的光谱中可能存在连续的康普顿平台，也可能在平台的某些位置出现假的光谱峰，对谱线形成污染。因为康普顿散射形成的污染峰的能量并不固定，为了消除污染信号，在探测X射线时，采用两个X射线探测器，这两个X射线探测器分别与X射线管呈成45-135度，也就是说，两个X射线探测器与X射线管的夹角要相等，被探测样品的特征X射线可以被两个X射线探测器探测，探测完成后，首先比较两个X射线探测器的谱线，如果两个X射线探测器在相同位置探测到谱线，则信号为真，如果只有一个X射线探测器探测到信号，而另一个探头在相同位置没有探测到信号，则该信号被剔除，不予使用。

本发明实施例上述X射线探测器，采用半导体PIN的结构，通过在P型和N型半导体之间增加一层本征半导体层，以展宽耗尽层，提高转换效率，进而提高X射线探测器的转换效率和相应速率，以提高X射线探测的探测效率和准确性。本发明实施例上述X射线探测器具有良好的能量分辨，半高宽140eV（59keV处），此处具有较宽的能量线性范围。

实施例2：参见图2，一种采用实施例1所述X射线探测器的在线矿石成分分析设备，包括：

存储模块1，存储有矿石中的已知元素及元素对应X射线能量（例如：参见图4，图4中给出了部分元素对应的X射线能量）和X射线发生概率；

样品容纳装置2，用于放置待测矿石样品；

激发单元3，设于样品容纳装置上方，用于输出能量连续可调的X射线，以使X射线与待测矿石样品发生相互作用，激发产生次级X射线；

X射线探测器4，设于样品容纳装置上方，与激发单元呈角度45°-135°设置，用于探测次级X射线；

信号处理单元5，用于对X射线探测器探测的次级X射线进行放大整形后并进行分类，得到次级X射线的计数及能量；

匹配模块6，用于将次级X射线能量与已知元素对应的X射线能量进行匹配，以根据匹配的X射线能量得到次级X射线发生概率及其对应元素；

计数修正模块7，用于根据次级X射线在空气中的衰减效率修正次级X射线的计数；

寻峰模块8，在修正后的次级X射线能量谱上寻峰，并求取每个峰的峰面积；

计算模块9，根据峰面积和元素次级X射线发生概率计算矿石样品中元素含量 P _i ，元素含量 P _i 表示为：

式中， I _i 为元素 i的强度， A _i 为元素 i的峰面积， ε _i 为元素 i次级X射线发生概率， ε _j 为X射线探测器对元素 i次级X射线的本征探测效率；

含量修正模块10，用于利用标准矿石样品测量结果对计算模块计算的元素含量进行基体效应修正得到矿石样品中各元素的最终元素含量。

需要说明的是，X射线探测器的本征探测效率为X射线探测器已知的参数。X射线探测器与激光单元之间的角度可以根据实际需求进行选择。可以是45°，也可以是135°，还可以是60°、90°、120°等。X射线探测器与激光单元呈角度设置，一方面能够确保待测矿石样品能够被X射线有效激发，另一方面能够使激发产生的次级X射线能够被X射线探测器充分吸收。

具体地，修正次级X射线的计数的具体方法为：假设次级X射线的能量为E，修正后的次级X射线的计数表示为：y=x/ ε1，其中，y表示修正后的次级X射线的计数，x表示能量为E的次级X射线的计数， ε1表示能量为E的次级X射线在1cm空气中的衰减效率，由实验测得。

具体地，进行基体效应修正的具体步骤为：假定标准矿石样品中元素 i的浓度为A%，计算模块计算的元素 i的浓度为B%，B为A的B/A倍，元素 i的最终浓度为计算模块计算的元素浓度B%除以B/A。例如：标准矿石样品中元素钾的浓度为10%，计算模块计算的元素钾的浓度为15%，是真实浓度的1.5倍，那么在测量非标准样品时，计算的浓度到除以1.5。标准矿石样品中元素钙的浓度为10%，计算模块计算的元素钙的浓度为13%，是真实浓度的1.3倍，那么在测量非标准样品时，计算的浓度到除以1.3。

具体地，本实施例中，在能量谱上寻峰后，采用积分求取每个峰的峰面积。由于通过积分求取能量谱上峰面积为现有已知技术，此处不再对积分求取峰面积的具体过程进行赘述。

继续参见图2，在本实施例一具体实施方式中，上述在线矿石成分分析设备还包括上位机11，所述存储模块1、匹配模块6、计数修正模块7、寻峰模块8、计算模块9、含量修正模块10均设于上位机内；所述上位机11内还设有显示模块12和物联网模块13，显示模块12和物联网模块13分别与含量修正模块10连接，显示模块12用于显示最终元素含量，物联网模块13用于与外部软件监测平台14连接。通过显示模块能够显示分析得到的矿石中各元素及各元素的含量值，通过物联网模块，能够将分析得到的矿石中各元素及各元素的含量值传输至外部数据监测平台（例如：本单位云平台、第三方平台等），根据成分分析结果实现矿石分级/脱泥等作业的控制，改变矿石加工产业目前的生产方式，提高生产效率。

具体地，在本实施例一具体实施方式中，所述样品容纳装置为样本杯或样品盘。

参见图3，在本实施例另一具体实施方式中，所述样品容纳装置包括：旋转件201，所述激发单元3与X射线探测器4位于旋转件201上方；样品容器202，放置于旋转件201内；驱动件203，其输出轴与旋转件底部轴接。具体地，样品容器采用样品杯或样品盘，旋转件为铅盒，驱动件为电机。

需要说明的是，通过驱动件驱动旋转件转动，使样品容器中的样品随之旋转，能够实现对样品进行多点测量取平均值，解决样品内部各个元素分布不均匀导致的测量偏差，使得测量结果更加准确。

还需要说明的是，旋转件采用铅盒，测量时间内，铅盒保持旋转，可以使得铅盒内矿石样品均匀被激发，最终获得整批样品含量的平均值，减小误差。

具体地，继续参见图2，在本实施例一具体实施方式中，所述样品容纳装置还包括与所述驱动件203连接的控制模块204，所述控制模块204设于所述上位机11内，用于控制驱动件在每隔设定时间T驱动旋转件旋转设定角度α，以便X射线探测器对待测矿石样品进行多点探测取平均值。例如：设定时间T=60s，设定角度α=180度，样品容器采用样品盘，控制模块根据设定时间控制驱动件每隔设定时间60s驱动样品盘旋转180度，实现对样品的自动多点测量控制。需要说明的是，设定时间T和设定角度α可以根据实际需求进行设定，不限于设定时间为60s、设定角度180度。

继续参见图2，本实施例中，所述激发单元3包括：

高压电源301，用于输出不同电压的高压；

可控X射线激发源302，与高压电源301电连接，用于根据高压电源输出的不同高压输出能量连续可调的X射线，以使X射线与待测矿石样品发生相互作用，激发产生次级X射线。

具体地，高压电源和可控X射线激发源采用现有市面上已知的高压电源和可控X射线激发源。通过调节高压，使可控X射线激发源输出能量连续可调的X射线，可激发矿石样品中的组成元素，以实现多元素测定的任务。

继续参见图2，本实施例中，所述信号处理单元5包括：

信号放大器501，用于对X射线探测器4探测的次级X射线进行放大整形；

多道脉冲幅度分析器502，用于将放大后的次级X射线进行模数转换，并进行分类，得到次级X射线的计数及能量。

具体地，信号放大器和多道脉冲幅度分析器采用现有市面上已知的信号放大器和多道脉冲幅度分析器。

本实施例上述在线矿石成分分析设备进行矿石成分分析时，其具体工作原理如下：

高压电源输出不同的电压的高压进而使可控X射线激发源输出能量连续可调的X射线至待测矿石样品，不同能量的X射线与待测矿石样品发生相互作用，激发产生不同能量的次级X射线。X射线探测器探测次级X射线，并发送至信号放大器，通过信号放大器对探测的次级X射线进行放大整形后，由多道脉冲幅度分析器进行模数转换并进行分类，得到不同能量次级X射线的计数及能量。匹配模块将次级X射线能量与存储模块中存储的已知元素对应的X射线能量进行匹配，根据匹配的X射线能量得到次级X射线发生概率及其对应元素。技术修正模块根据次级X射线在空气中的衰减效率修正次级X射线的计数，在修正后的次级X射线能量谱上寻峰，并求取每个峰的峰面积。计算模块根据峰面积和元素次级X射线发生概率计算矿石样品中元素含量 P _i 。含量修正模块利用标准矿石样品测量结果对计算的元素含量进行基体效应修正得到矿石样品中各元素的最终元素含量。矿石中各元素及各元素的含量值通过显示模块进行显示，并通过物联网模块将分析得到的矿石中各元素及各元素的含量值传输至外部数据监测平台（例如：本单位云平台、第三方平台等），根据成分分析结果实现矿石分级/脱泥等作业的控制，改变矿石加工产业目前的生产方式，提高生产效率。

本实施例上述在线矿石成分分析设备，采用具有PIN结构的X射线探测器探测X射线激发待测矿石样品产生的次级X射线，PIN结构能够吸收大量的光子，并转换为载流子形成光电信号，因此感光和探测辐射的灵敏度非常高，能够快速准确地探测到X射线激发待测矿石样品产生的次级X射线，提高矿石成分分析的效率和准确性。

本实施例上述在线矿石成分分析设备，还设有计数修正模块，根据X射线在空气中的衰减效率对次级X射线的计数进行修正，同时，设有含量修正模块，利用标准矿石样品测量结果对计算的元素含量进行基体效应修正，使分析设备脱离真空泵的控制，实现在空气中的直接使用，从而能够直接应用于产线，简化矿石成分分析操作流程，节约了人力及时间成本，大大提高了生成效率。

实施例3：本实施例提供了一种采用实施例1所述X射线探测器的在线矿石成分分析方法，其具体步骤为：

S1、发射能量连续可调的X射线至待测矿石样品，不同能量的X射线与待测矿石样品发生相互作用，激发产生不同能量的次级X射线。

S2、通过X射线探测器探测次级X射线，对其进行放大整形后并进行分类，得到不同能量次级X射线的计数及能量。

S3、将次级X射线能量与已知元素对应的X射线能量（例如：参见图4，图4中给出了部分元素对应的X射线能量）进行匹配，根据匹配的X射线能量得到次级X射线发生概率及其对应元素。

S4、根据次级X射线在空气中的衰减效率修正次级X射线的计数，在修正后的次级X射线能量谱上寻峰，并求取每个峰的峰面积。

具体地，修正次级X射线的计数的具体方法为：假设次级X射线的能量为E，修正后的次级X射线的计数表示为：y=x/ ε1，其中，y表示修正后的次级X射线的计数，x表示能量为E的次级X射线的计数， ε1表示能量为E的次级X射线在1cm空气中的衰减效率，由实验测得。

具体地，本实施例中，在能量谱上寻峰后，采用积分求取每个峰的峰面积。由于通过积分求取能量谱上峰面积为现有已知技术，此处不再对积分求取峰面积的具体过程进行赘述。

S5、根据峰面积和元素次级X射线发生概率计算矿石样品中元素含量 P _i ，元素含量 P _i 表示为：

式中， I _i 为元素 i的强度， A _i 为元素 i的峰面积， ε _i 为元素 i次级X射线发生概率， ε _j 为X射线探测器对元素 i次级X射线的本征探测效率；根据上述公式计算各元素含量。需要说明的是，X射线探测器的本征探测效率为X射线探测器已知的参数。

S6、利用标准矿石样品测量结果对计算的元素含量进行基体效应修正得到矿石样品中各元素的最终元素含量。

具体地，进行基体效应修正的具体步骤为：假定标准矿石样品中元素 i的浓度为A%，计算模块计算的元素 i的浓度为B%，B为A的B/A倍，元素 i的最终浓度为计算模块计算的元素浓度B%除以B/A。例如：标准矿石样品中元素钾的浓度为10%，计算模块计算的元素钾的浓度为15%，是真实浓度的1.5倍，那么在测量非标准样品时，计算的浓度到除以1.5。标准矿石样品中元素钙的浓度为10%，计算模块计算的元素钙的浓度为13%，是真实浓度的1.3倍，那么在测量非标准样品时，计算的浓度到除以1.3。

在本实施例一具体实施方式中，X射线的激发源与探测次级X射线的X射线探测器呈角度45°-135°设置在待测矿物样品上方。一方面能够确保待测矿石样品能够被X射线有效激发，另一方面能够使激发产生的次级X射线能够被X射线探测器充分吸收。需要说明的是，X射线探测器与激发源（如：可控X射线激发源等）之间的角度可以根据实际需求进行选择。可以是45°，也可以是135°，还可以是60°、90°、120°等。

在本实施例一具体实施方式中，还可以通过改变待测矿石样品的角度实现对矿石样品的多角度测量（即多点测量）。具体地，通过旋转盛放待测矿石样品的样品容器，使矿石样品随着样品容器旋转，实现对矿石样品进行多点测量取平均值，解决样品内部各个元素分布不均匀导致的测量偏差，使得测量结果更加准确。对样品容器旋转时，可以通过每隔设定时间T驱动样品容器旋转设定角度α的方式实现对样品容器旋转的自动控制，节省人力成本。例如：设定时间T=60s，设定角度α=180度，根据设定时间60s驱动样品容器旋转180度，实现对样品的自动多点测量控制。需要说明的是，设定时间T和设定角度α可以根据实际需求进行设定，不限于设定时间为60s、设定角度180度。

本实施例上述在线矿石成分分析方法，采用具有PIN结构的X射线探测器探测X射线激发待测矿石样品产生的次级X射线，PIN结构能够吸收大量的光子，并转换为载流子形成光电信号，因此感光和探测辐射的灵敏度非常高，能够快速准确地探测到X射线激发待测矿石样品产生的次级X射线，提高矿石成分分析的效率和准确性。

本实施例上述在线矿石成分分析方法，根据X射线在空气中的衰减效率对次级X射线的计数进行修正，同时，利用标准矿石样品测量结果对计算的元素含量进行基体效应修正，使分析设备脱离真空泵的控制，实现在空气中的直接使用，从而能够直接应用于产线，简化矿石成分分析操作流程，节约了人力及时间成本，大大提高了生成效率。

上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种在线矿石成分分析方法，其特征在于，其具体步骤为：

S1、发射能量连续可调的X射线至待测矿石样品，不同能量的X射线与待测矿石样品发生相互作用，激发产生不同能量的次级X射线；

S2、通过X射线探测器探测次级X射线，对其进行放大整形后并进行分类，得到不同能量次级X射线的计数及能量；在探测X射线时，采用两个X射线探测器，两个X射线探测器分别与X射线激发单元呈成45-135度，两个X射线探测器与X射线激发单元的夹角相等，首先比较两个X射线探测器的谱线，若两个X射线探测器在相同位置探测到谱线，则信号为真，若未探测到谱线，则该信号被剔除，不予使用；X射线探测器包括PIN结构和封装在PIN结构外侧的真空保护窗，在PIN结构与真空保护窗之间设有真空层，所述PIN结构包括P层、本征半导体层和N层，本征半导体层位于P层和N层之间，真空层位于P层和真空保护窗之间；

S3、将次级X射线能量与已知元素对应的X射线能量进行匹配，根据匹配的X射线能量得到次级X射线发生概率及其对应元素；

S4、根据次级X射线在空气中的衰减效率修正次级X射线的计数，在修正后的次级X射线能量谱上寻峰，并求取每个峰的峰面积；修正次级X射线的计数的具体方法为：假设次级X射线的能量为E，修正后的次级X射线的计数表示为：，其中，y表示修正后的次级X射线的计数，x表示能量为E的次级X射线的计数，表示能量为E的次级X射线在1cm空气中的衰减效率，由实验测得；

S5、根据峰面积和元素次级X射线发生概率计算矿石样品中元素含量，元素含量表示为：

式中，为元素的强度，为元素的峰面积，为元素次级X射线发生概率，为X射线探测器对元素次级X射线的本征探测效率；根据上述公式计算各元素含量；

S6、利用标准矿石样品测量结果对计算的元素含量进行基体效应修正得到矿石样品中各元素的最终元素含量；进行基体效应修正的具体步骤为：假定标准矿石样品中元素的浓度为A%，计算模块计算的元素的浓度为B%，B为A的B/A倍，元素的最终浓度为计算模块计算的元素浓度B%除以B/A。

2.如权利要求1所述的在线矿石成分分析方法，其特征在于，X射线探测器还包括与PIN结构连接输出模块；输出模块与PIN结构的P层连接，用于输出PIN结构经X射线照射产生的光电信号；真空保护窗为由轻元素材料制作而成、厚度≤100um的薄层。

3.如权利要求1所述的在线矿石成分分析方法，其特征在于，采用在线矿石成分分析设备，在线矿石成分分析设备包括：

存储模块，存储有已知元素及元素对应X射线能量和X射线发生概率；

样品容纳装置，用于盛放待测矿石样品；

激发单元，设于样品容纳装置上方，用于输出能量连续可调的X射线，以使X射线与待测矿石样品发生相互作用，激发产生次级X射线；

X射线探测器，设于样品容纳装置上方，与激发单元呈角度45°-135°设置，用于探测次级X射线；

信号处理单元，用于对X射线探测器探测的次级X射线进行放大整形后并进行分类，得到次级X射线的计数及能量；

匹配模块，用于将次级X射线能量与已知元素对应的X射线能量进行匹配，以根据匹配的X射线能量得到次级X射线发生概率及其对应元素；

计数修正模块，用于根据次级X射线在空气中的衰减效率修正次级X射线的计数；

寻峰模块，在修正后的次级X射线能量谱上寻峰，并求取每个峰的峰面积；

计算模块，根据峰面积和元素次级X射线发生概率计算矿石样品中元素含量，元素含量表示为：

式中，为元素的强度，为元素的峰面积，为元素次级X射线发生概率，为X射线探测器对元素次级X射线的本征探测效率；

含量修正模块，用于利用标准矿石样品测量结果对计算模块计算的元素含量进行基体效应修正得到矿石样品中各元素的最终元素含量。

4.如权利要求3所述的在线矿石成分分析方法，其特征在于，在线矿石成分分析设备还包括上位机，所述存储模块、匹配模块、计数修正模块、寻峰模块、计算模块、含量修正模块均设于上位机内；所述上位机内还设有显示模块和物联网模块，显示模块和物联网模块分别与含量修正模块连接，显示模块用于显示最终元素含量，物联网模块用于与外部软件监测平台连接。

5.如权利要求4所述的在线矿石成分分析方法，其特征在于，所述样品容纳装置包括：

旋转件，所述激发单元与X射线探测器位于旋转件上方；

样品容器，放置于旋转件内，用于盛放待测矿石样品；

驱动件，其输出轴与旋转件底部轴接；

控制模块，设于所述上位机内，与所述驱动件连接，用于控制驱动件在每隔设定时间T驱动旋转件旋转设定角度α，以便X射线探测器对待测矿石样品进行多点探测取平均值。

6.如权利要求5所述的在线矿石成分分析方法，其特征在于，所述激发单元包括：

高压电源，用于输出不同电压的高压；

可控X射线激发源，与高压电源电连接，用于根据高压电源输出的不同高压输出能量连续可调的X射线，以使X射线与待测矿石样品发生相互作用，激发产生次级X射线；

所述信号处理单元包括：

信号放大器，用于对X射线探测器探测的次级X射线进行放大整形；

多道脉冲幅度分析器，用于将放大后的次级X射线进行模数转换，并进行分类，得到次级X射线的计数及能量。

Images