CN117110343A - 元素分布探测装置、标定测试方法及元素分布探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种元素分布探测装置、标定测试方法及元素分布探测方法，元素分布探测装置包括：射线发生器，适用于向待检测目标发射X射线，以使待检测目标被激发生成特征X射线；多孔准直器，包括束状的多个射线通道，多个射线通道的一端朝向待检测目标，其中，射线通道被配置为允许相对于射线通道端面入射角度为零的特征X射线入射；探测器，包括像素层，像素层包括阵列式分布的多个像素，像素层与束状的多个射线通道垂直设置，像素适用于将特征X射线转化为电信号；数据处理单元，适用于根据电信号得到待检测目标的元素分布。
Description
技术领域
本发明涉及X射线荧光分析技术领域，尤其是涉及一种基于像素型碲锌镉、碲化镉等化合物半导体探测器的元素分布探测装置、标定测试方法及元素分布探测方法。
背景技术
在X射线荧光分析（X Ray Fluorescence，XRF）是一种无损、检测效率高的元素分析方法，在地质探矿、土壤污染检测、食品安全等领域的高原子序数元素检测方面具有广阔的应用前景。多数应用场合中，需要在户外对被测物的高原子序数元素进行无损快速检测，这要求装置小型轻量化、探测效率高、能量分辨率高；与此同时，为了获得元素在被测物中的空间分布，需要装置具备对被测物元素的特征X射线进行成像的能力。
目前常用于X射线荧光分析的探测器有闪烁体探测器和半导体探测器。由闪烁体探测器构成的X射线荧光分析装置分辨能力相对较低，容易受到温度变化的影响，其应用受到限制。随着半导体探测器的发展，由于半导体探测器具有高能量分辨率和工作性能稳定等优点，迅速成为X射线荧光分析装置中最广泛使用的探测器。
常用于X射线荧光分析的半导体探测器有：锂漂移硅(Si(Li))探测器、锂漂移锗(Ge(Li))探测器、高纯锗（HPGe）探测器、Si-PIN探测器和硅漂移（SSD）探测器等。其中Si(Li)探测器、Ge(Li)探测器和HPGe探测器，测量X射线时需要工作在液氮温度下，为此需要配置大体积的制冷装置，其应用受到限制（例如专利US5014287A公开的装置专门配置了一个液氮罐，以保证(Si(Li))探测器正常工作）。Si-PIN探测器和SSD探测器对低能X射线能够兼具探测效率和高能量分辨率，且可以采用帕尔贴元件等进行电制冷，无需液氮制冷，装置的体积和重量大大降低，因此在X射线荧光分析中应用较为广泛。由于硅的原子序数较低，对低能的X射线能够兼具探测效率和高能量分辨率，但对于高原子序数的元素（例如重金属元素），其特征X射线的能量可达数十甚至上百keV，对于此类硬X射线，Si-PIN探测器和SSD探测器的探测效率大大降低，其应用受到局限。
发明内容
为解决现有技术中的所述以及其他方面的至少一种技术问题，本发明提供一种元素分布探测装置、标定测试方法及元素分布探测方法，能够在室温下工作、无需制冷，具有空间成像能力，能够探测元素分布，且不受射线击中探测器深度的影响，精准度高。
根据本发明一个方面的发明构思，提供一种元素分布探测装置，包括：
射线发生器，适用于向待检测目标发射X射线，以使所述待检测目标被激发生成特征X射线；
多孔准直器，包括束状的多个射线通道，多个所述射线通道的一端朝向所述待检测目标，其中，所述射线通道被配置为允许相对于射线通道端面入射角度为零的特征X射线入射；
探测器，包括像素层，所述像素层包括阵列式分布的多个像素，所述像素层与束状的多个射线通道垂直设置，所述像素适用于将所述特征X射线转化为电信号；
数据处理单元，适用于根据所述电信号得到待检测目标的元素分布。
可选的，多个所述射线通道均为直线通道。
可选的，所述探测器还包括：
阳极像素电极，设置在所述像素层上，所述阳极像素电极在所述特征X射线作用下生成阳极信号；
半导体层，设置在所述阳极像素电极上；
阴极平面电极，与束状的多个射线通道垂直设置；
其中，所述数据处理单元根据所述阳极信号得到所述特征X射线的能谱，对能谱解析得到特征X射线的能量信息，特征X射线的能量信息与元素的原子序数相关，所述数据处理单元根据所述阳极信号的计数率获得元素的丰度信息。
可选的，所述阴极平面电极在所述特征X射线作用下生成阴极信号，所述数据处理单元通过所述阳极信号、所述阴极信号得到特征X射线击中探测器的深度信息，所述深度信息适用于对特征X射线作用不同深度下的增益进行标定测试，以消除不同深度下载流子收集效率差异导致的增益不同对能量分辨率的影响。
可选的，所述数据处理单元通过所述阳极信号、所述阴极信号得到特征X射线击中探测器的深度信息包括：
利用所述阴极信号与所述阳极信号的幅度比得到特征X射线击中在探测器的深度信息；或者利用所述阴极信号与所述阳极信号的触发时间差得到特征X射线击中在探测器的深度信息。
可选的，每个所述像素对应一个或多个所述射线通道。
可选的，所述半导体层包括碲锌镉化合物或碲化镉化合物。
根据本发明另一个方面的发明构思，还提供一种元素分布探测的标定测试方法，使用如前所述元素分布探测装置，标定测试方法包括操作：
利用X射线照射待标定测试目标，所述待标定测试目标被激发生成特征X射线；
利用多孔准直器对所述特征X射线进行准直处理；
探测器接收处理后的特征X射线，在阳极像素电极产生阳极信号，在阴极平面电极产生阴极信号，计算阴极信号与阳极信号幅度比C/A，或者计算阴极和阳极信号的触发时间差Δt，通过阴极信号与阳极信号幅度比C/A或者触发时间差Δt计算特征X射线击中在探测器的深度d，一个特征X射线作用于探测器产生的阳极信号和阴极信号记为同一事件；
将探测器深度等分为多个深度子区间，在不同的深度子区间下，对阳极信号幅度进行统计得到幅度谱，对幅度谱寻找特征峰并对特征峰进行高斯拟合得到特征峰的中心峰位值；
通过标准样品的已知能量的特征X射线或者放射源已知能量的γ射线进行标定测试，得到标定幅度谱，所述标定幅度谱包括至少两个标定特征峰；
根据至少两个所述标定特征峰和所述中心峰位值计算得到深度的增益参数，包括：
（1）；
其中，为特征X射线击中深度为d的能量，P为特征峰的中心峰位值，/>、/>为像素在击中深度为d的增益参数。
可选的，计算得到深度的增益参数之后还包括：
对像素层的每个像素接收到的信号进行计算，以获得不同像素不同深度区间下的增益参数。
根据本发明再一方面的发明构思，还提供一种元素分布探测方法，使用如前所述元素分布探测装置，探测方法包括：
利用X射线照射待标定测试目标，所述待标定测试目标被激发生成特征X射线；
利用多孔准直器对所述特征X射线进行准直处理；
探测器接收处理后的特征X射线，在阳极像素电极产生阳极信号，在阴极平面电极产生阴极信号，计算阴极信号与阳极信号幅度比C/A，或者计算阴极和阳极信号的触发时间差Δt，通过阴极信号与阳极信号幅度比C/A或者触发时间差Δt计算特征X射线击中在探测器的深度d，一个特征X射线作用于探测器产生的阳极信号和阴极信号记为同一事件；
利用阳极信号的幅度以及所述深度计算得到所述特征X射线的能量；
对所述特征X射线的能量进行统计得到所有像素的能谱；
对所述所有像素的能谱进行解谱得到特征峰，将所述特征峰与已知的元素特征X射线参数表进行比对，获得待标定测试目标的元素空间分布信息。
根据本发明提供的元素分布探测装置、标定测试方法及元素分布探测方法，采用像素型碲锌镉、碲化镉等化合物半导体探测器来实现X射线的探测，既能实现X射线的高分辨能量测量，还具有空间成像能力，利用阴极信号与阳极信号的比值对特征X射线的能量进行标定，降低了射线击中探测器深度对探测结果的影响，探测精度、准确性高。
附图说明
图1是根据本发明的示例性实施例的元素分布探测装置的结构示意图；
图2是根据本发明的示例性实施例的元素分布探测装置的原理示意图；
图3是图1所示的元素分布探测装置单个像素阳极和阴极的权重电势分布示意图；
图4是根据本发明的示例性实施例的元素分布探测的标定测试方法的流程图；
图5是根据本发明的示例性实施例的元素分布探测的元素分布探测方法的流程图。
上述附图中，附图标记含义具体如下：
1-射线发生器；
2-X射线；
3-待检测目标；
4-特征X射线；
5-多孔准直器；
6-探测器；
601-像素层；
602-阴极平面电极；
603-半导体层；
604-阳极像素电极；
7-信号采集组件；
8-数据处理单元。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。
在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
以碲锌镉（CdZnTe，简称CZT）和碲化镉（CdTe）为代表的化合物半导体材料有较宽的禁带和较高的原子序数，以其所制备的射线探测器具有可在室温下工作、能量分辨率高等优点，且对能量较高的X射线也具有很高的探测效率。对于高原子序数的元素所产生的20keV以上的特征X射线，碲化镉和碲锌镉等化合物半导体探测器相对于传统Si-PIN探测器和SSD探测器等半导体探测器在同样尺寸下拥有更高的探测效率，由于能在室温下工作且无需制冷，更适用于小型化便携式快速实时检测的应用。近年来，国内外在碲锌镉和碲化镉晶体的生长工艺、电极制备、读出电子学和能谱修正方法等方面都取得了很大的进展，尤其是像素型CdZnTe和CdTe探测器，解决了载流子中空穴俘获导致能量分辨率恶化的问题，在能量分辨率、射线成像方面具有最突出的优势，这些技术的进步大大拓宽了这两类探测器在X射线荧光分析上的应用前景。
图1是根据本发明的示例性实施例的元素分布探测装置的结构示意图；图2是根据本发明的示例性实施例的元素分布探测装置的原理示意图。
根据本发明一个方面的发明构思，提供一种元素分布探测装置，如图1及图2所示，探测装置包括：射线发生器1、多孔准直器5、探测器6和数据处理单元8。射线发生器1适用于向待检测目标3发射X射线2，以使待检测目标3被激发生成特征X射线4。多孔准直器5包括束状的多个射线通道，多个射线通道的一端朝向待检测目标3，其中，射线通道被配置为允许相对于射线通道端面入射角度为零的特征X射线4入射。探测器6包括像素层601，像素层601包括阵列式分布的多个像素，像素层601与束状的多个射线通道垂直设置，像素适用于将特征X射线4转化为电信号。数据处理单元8适用于根据电信号得到待检测目标3的元素分布。
在本实施例中，采用像素型碲锌镉、碲化镉等化合物半导体探测器来实现X射线的探测，既能实现X射线的高分辨能量测量，还具有空间成像能力，利用阴极信号与阳极信号的比值对特征X射线的能量进行标定，降低了射线击中探测器深度对探测结果的影响，探测精度、准确性高。
根据本发明的一些实施例，多个射线通道均为直线通道。可选的，多个射线通道的两端分别为两个与直线通道垂直的两个端面，其中，每个射线通道仅允许与端面大致垂直的特征X射线射入。
在本实施例中，待检测目标3在X射线2的照射下产生的特征X射线4是多角度、随机的。以待检测目标3表面上一点为例，在X射线2照射在该点时，该点产生的特征X射线4呈放射状向四周空间射出，其中，只有与该点垂直设置的射线通道，能够接收到该点产生的特征X射线4，基于此，可以获取到探测器接收到的特征X射线4对应的位置信息。对应的，多孔准直器的另一个端面与阴极平面电极602贴合设置，像素层601与阴极平面电极平行设置，其中，每个射线通道对应一个像素，或者每n个射线通道对应一个像素，n为大于1的自然数。也即，通过多孔准直器5可以获得像素产生的电信号对应的位置信息，对该电信号进行分析获得该点的元素分布和丰度信息，配合上述位置信息，即可完成元素分布的绘制。
具体的，探测器为像素型碲锌镉、碲化镉等化合物半导体探测器，用于将被测物产生的特征X射线转换为电信号，脉冲的幅度（电荷量）直接反映了不同元素的特征X射线的能量，脉冲的计数率则与元素的丰度有关。探测器的像素与多孔准直器的一个或多个射线通道对应，从而可获得被测物的特定空间位置的特征X射线能谱，即对被测物的元素成分的空间分布实现成像测量。
根据本发明的一些实施例，探测器还包括：阳极像素电极604、半导体层603和阴极平面电极602。阳极像素电极604设置在像素层601上，阳极像素电极604在特征X射线4作用下生成阳极信号。半导体层603设置在阳极像素电极604上。阴极平面电极602与束状的多个射线通道垂直设置。其中，数据处理单元8根据阳极信号得到特征X射线4的能谱，对能谱解析得到特征X射线4的能量信息，特征X射线4的能量信息与元素的原子序数相关，数据处理单元8根据阳极信号的计数率获得元素的丰度信息。
根据本发明的一些实施例，阴极平面电极602在特征X射线4作用下生成阴极信号，数据处理单元8通过阳极信号、阴极信号得到特征X射线4击中探测器6的深度信息，深度信息适用于对特征X射线4作用不同深度下的增益进行标定测试，以消除不同深度下载流子收集效率差异导致的增益不同对能量分辨率的影响。
根据本发明可选的一些实施例，探测器6的平面尺寸为，厚度为10mm，对能量范围为20keV-150keV的X射线探测效率接近100%，能够测量镉铅汞等重金属和镧系元素稀有元素的产生的特征X射线。
根据本发明可选的一些实施例，像素层的像素为阵列排布方式，阳极平面切分成16×16像素阵列，一个像素与多孔准直器的一个或多个准直孔对应，使得样品特定区域的发出的特征X射线才能进入特定的像素单元，从而可获得被测物的特定空间位置的特征X射线能谱，即对被测物的元素成分的空间分布实现成像测量。阴极为一个完整的平面，通过小型高压模块施加-2000V的负高压。
根据本发明的一些实施例，像素型电极将整个阳极平面切分成16×16像素阵列，阴极为一个完整的平面，实施例中像素电极为正方形，也可以为其他形状。在阴极平面加上负高压，使得整个探测器内部形成均匀的电场。射线击中探测器会产生载流子（电子-空穴对），电子在探测器电场的作用下进行漂移，在漂移过程中阳极像素会感应出电流脉冲信号，信号采集电路对电流脉冲信号经过积分放大成电压波形，其幅度正比于射线沉积在探测器中的能量。
根据本发明的一些实施例，阳极像素用于测量特征X射线的能量进而得知被测物的元素成分。对探测器阳极的感应信号进行处理获得特征X射线能谱，对能谱进行解谱分析得到入射特征X射线的能量，由于特征X射线的能量与元素的原子序数有关，可知对应被测物的元素。阴极信号与阳极信号共同确定射线击中探测器的深度信息，消除不同深度下电荷收集效率差异的影响，进一步提高能谱的能量分辨率。电子几乎是沿着指向阳极平面的电场线进行漂移，所以通过收集电子的阳极像素位置确定水平方向位置信息，阴极平面的信号用于跟阳极像素的信号确定在深度方向上的信息。即使同个像素在不同深度下，电荷收集效率会有差异导致X射线能谱的能量分辨率变差，通过算法对不同深度的电荷收集效率进行修正使得最终计算特征X射线能量更精确。
图3是图1所示的元素分布探测装置单个像素阳极和阴极的权重电势分布示意图。
根据本发明的一些实施例，如图3所示，利用Shockley-Ramo定理，电极感应信号的电荷量满足以下关系：，其中N是载流子的数目，e是电子电荷量，/>是载流子漂移起始点到终点的权重电势差。
从图3中可以看出，阳极像素的权重电势几乎只在靠近阳极的附近迅速上升为1，其余地方几乎为0，使得阳极感应信号几乎由电子漂移贡献，消除了空穴俘获严重导致能量分辨率恶化的影响。因此通过读出阳极的感应信号能够更加准确地测量入射的特征X射线能量。阴极表面正对着样品，特征X射线从探测器阴极表面入射，使得特征X射线作用于探测器的深度更加靠近阴极表面。
根据本发明的一些实施例，元素分布探测装置还包括信号采集组件，包括信号采集处理电路，用于接收探测器产生的电信号，将信号进行放大、滤波、以及模拟-数字转换，并在此基础上进行初步的数据处理。可选的，信号采集处理电路主要由专用集成电路ASIC、模拟数字转换器ADC、可编程逻辑器件FPGA以及相应的供电和时钟电路组成。ASIC每通道包含电荷灵敏前置放大器，滤波成形电路，峰值探测保持电路。每个像素的感应信号以及阴极平面的感应信号分别送入ASIC的不同通道，ASIC保持峰值信息通过总线输出到ADC进行数字化，FPGA用于控制ASIC以及ADC正常工作以及初步的计算。
根据本发明的一些实施例，数据处理单元用于接收信号采集处理电路所获得的数据，并利用处理器或单片机（以及可编程逻辑器件等）做进一步的计算处理，包括对特征X射线能谱进行解谱分析，得到被测物不同区域的元素成分。
根据本发明的一些实施例，数据处理单元8通过阳极信号、阴极信号得到特征X射线4击中探测器6的深度信息包括：利用阴极信号与阳极信号的幅度比得到特征X射线4击中在探测器6的深度信息；或者利用阴极信号与阳极信号的触发时间差得到特征X射线4击中在探测器6的深度信息。
根据本发明的一些实施例，半导体层603包括碲锌镉化合物或碲化镉化合物。
根据本发明的一些实施例，探测器6采用碲锌镉、碲化镉等化合物半导体材料，能够对高原子序数的元素所产生的20keV以上的硬X射线具有很好的响应效率；且其信号电极具有像素阵列型的结构，从而既具有高能量分辨，也具有成像测量能力。
在本实施例中，采用像素型碲锌镉、碲化镉等化合物半导体探测器来实现X射线的探测，既能实现X射线的高分辨能量测量，还具有空间成像能力。对比传统的Si-PIN探测器和硅漂移探测器等，对高原子序数的元素所产生的20keV以上的硬X射线特征峰也具有很好的响应；对比闪烁体探测器，具有更好的能量分辨率，且温度稳定性更好；对比高纯锗探测器，具有可在室温下工作、无需制冷等优点。该装置还具有结构简单、可实现小型轻量化等特点，在地质探矿、土壤污染检测、食品安全等领域的高原子序数元素如稀土、重金属等的检测方面具有广阔的应用前景。
图4是根据本发明的示例性实施例的元素分布探测的标定测试方法的流程图。
根据本发明另一个方面的发明构思，还提供一种元素分布探测的标定测试方法，使用如前所述的元素分布探测装置，如图4所示，标定测试方法包括操作S401~操作S406。
根据本发明的一些实施例，操作S401包括：利用X射线照射待标定测试目标，待标定测试目标被激发生成特征X射线。
根据本发明的一些实施例，操作S402包括：利用多孔准直器对特征X射线进行准直处理。
根据本发明的一些实施例，操作S403包括：探测器接收处理后的特征X射线，在阳极像素电极产生阳极信号，在阴极平面电极产生阴极信号，计算阴极信号与阳极信号幅度比C/A，或者计算阴极和阳极信号的触发时间差Δt，通过阴极信号与阳极信号幅度比C/A或者触发时间差Δt计算特征X射线击中在探测器的深度d，一个特征X射线作用于探测器产生的阳极信号和阴极信号记为同一事件。
根据本发明的一些实施例，操作S404包括：将探测器深度等分为多个深度子区间，在不同的深度子区间下，对阳极信号幅度进行统计得到幅度谱，对幅度谱寻找特征峰并对特征峰进行高斯拟合得到特征峰的中心峰位值。
根据本发明的一些实施例，操作S405包括：通过标准样品的已知能量的特征X射线或者放射源已知能量的γ射线进行标定测试，得到标定幅度谱，标定幅度谱包括至少两个标定特征峰。
根据本发明的一些实施例，操作S406包括：根据至少两个标定特征峰和中心峰位值计算得到深度的增益参数，包括：
（1）；
其中，为特征X射线击中深度为d的能量，P为特征峰的中心峰位值，/>、/>为像素在击中深度为d的增益参数。
根据本发明的一些实施例，计算得到深度的增益参数之后还包括：对像素层的每个像素接收到的信号进行计算，以获得不同像素不同深度区间下的增益参数。
根据本发明的一些实施例，在操作S403中，每个阳极像素产生感应信号时，阴极平面也会产生感应信号，一个特征X射线作用于探测器产生的阳极信号和阴极信号记为同一事例。第i个阳极信号的幅度为A i ，i为对应16×16探测器像素序号，编号从1到256，阴极平面信号幅度为C。计算阴极信号与阳极信号幅度之比C/A i ，C/A i 能够表征射线击中在探测器的深度d（归一化深度），d取值范围从0到1，越接近于1代表该事例特征X射线击中位置越靠近阴极，其中，
（2）。
根据本发明可选的一些实施例，在操作S404中，将探测器深度等分为多个深度子区间，在不同的深度子区间下，对阳极信号幅度进行统计得到幅度谱，对幅度谱寻找特征峰并对特征峰进行高斯拟合得到特征峰中心峰位值P。
在本实施例中，第i个像素特征X射线击中深度为d的能量E(i,d)与特征峰中心峰位值P满足以下关系：
（3）；
其中，k(i,d)和b(i,d)是第i像素在不同深度区间下的参数。
根据本发明的一些实施例，在操作S405中，通过标准样品的已知能量的特征X射线或者放射源已知能量的γ射线进行标定测试，得到幅度谱至少有两个特征峰，通过线性拟合公式（2）确定不同深度区间下的k(i,d)、b(i,d)的值。
根据本发明的一些实施例，对256个像素重复以上计算过程以确定不同像素不同深度区间下的k(i,d)、b(i,d)的值。
根据本发明的一些实施例，标定测试目的是确定幅度与探测器沉积能量关系（标定曲线），幅度与探测器沉积能量是线性关系。通过使用放射源放出已知能量的射线或者已知元素成分的标准样品产生的特征X射线，通过对能谱进行拟合得到峰位，进而绘制峰位与能量的关系（标定曲线）。通过绘制像素在不同深度下的能谱，对全能峰进行拟合可以得到不同深度下的标定曲线。以便于在测试未知样品时，通过标定曲线将电信号的幅度与能量对应，利用莫塞莱定律得知元素的特征X射线能量与原子序数之间的关系，即可得知未知样品的元素信息。
样品被X射线照射后会激发特征X射线，激发的特征X射线的方向是随机的。特定的阳极像素通过多孔准直器与样品的特定区域对应，特定方向的X射线通过多孔准直器的孔击中探测器的特定位置产生载流子漂移使得相应的像素产生感应信号，对单个像素产生的感应信号进行积分放大、滤波等处理，最终统计成特征X射线能谱，最终单个像素的特征X射线能谱对应在样品中的一块区域。通过对多个像素的特征X射线能谱进行解谱，加上每个像素对应的样品区域的关系就能得知整个样品元素的分布情况。
图5是根据本发明的示例性实施例的元素分布探测的元素分布探测方法的流程图。
根据本发明又一方面的发明构思，还提供一种元素分布探测方法，使用如前所述的元素分布探测装置，如图5所示，探测方法包括操作S501~操作S506。
根据本发明的一些实施例，操作S501包括：利用X射线照射待标定测试目标，待标定测试目标被激发生成特征X射线。
根据本发明的一些实施例，操作S502包括：利用多孔准直器对特征X射线进行准直处理。
根据本发明的一些实施例，操作S503包括：探测器接收处理后的特征X射线，在阳极像素电极产生阳极信号，在阴极平面电极产生阴极信号，计算阴极信号与阳极信号幅度比C/A，或者计算阴极和阳极信号的触发时间差Δt，通过阴极信号与阳极信号幅度比C/A或者触发时间差Δt计算特征X射线击中在探测器的深度d，一个特征X射线作用于探测器产生的阳极信号和阴极信号记为同一事件。
根据本发明的一些实施例，操作S504包括：利用阳极信号的幅度以及深度计算得到特征X射线的能量。
根据本发明的一些实施例，操作S505包括：对特征X射线的能量进行统计得到所有像素的能谱。
根据本发明的一些实施例，操作S506包括：对所有像素的能谱进行解谱得到特征峰，将特征峰与已知的元素特征X射线参数表进行比对，获得待标定测试目标的元素空间分布信息。
在本实施例中，通过各个阳极像素的电信号和阴极平面的电信号得到特征X射线击中探测器的位置信息，利用位置信息进行修正使最终计算得到的沉积能量与特征X射线击中的位置无关，消除了不同深度下电荷收集效率差异的影响，进一步提高了像素型碲锌镉探测器的能量分辨率，进一步提升对特征X射线的分辨能力。
采用像素型碲锌镉探测器的X射线荧光分析装置，该装置具有室温工作、结构简单、能量分辨率高、探测效率高、可实现小型轻量化等优点；对高原子序数的元素所产生的20keV-150keV硬X射线探测效率接近100%，能满足现场快速检测的需求；通过配合多孔准直器使用，能使像素单元与被测物特定空间位置对应；对各个像素的特征X射线能谱进行解析，得到被测物对应空间位置的所含元素成分数据。
下面结合一具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的描述，需要理解的是，该具体实施例仅是为了便于本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，而不应作为本发明保护范围的不恰当限定。
步骤一：通过操作S501~操作S503得到一个事例特征X射线击中探测器的深度d和第i个阳极像素信号的幅度为A i 。
步骤二：对于A i 可以使用对应像素i以及击中深度计算对应的入射特征X射线能量E，计算公式为：
（4）。
步骤三：统计大量事例的幅度通过步骤一和步骤二转换为能量进行分类统计得到不同像素的能谱。
步骤四：对第i个像素的能谱进行解谱，寻找特征峰，通过查询元素特征X射线参数表，即可得知第i个像素对应样品区域所含元素成分。对所有像素的能谱进行解谱，即可得知被测物的元素空间分布情况。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
还需要说明的是，在本发明的具体实施例中，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的尺寸、范围条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10%的变化、在一些实施例中±5%的变化、在一些实施例中±1%的变化、在一些实施例中±0.5%的变化。
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种元素分布探测装置，其特征在于，包括：
射线发生器，适用于向待检测目标发射X射线，以使所述待检测目标被激发生成特征X射线；
多孔准直器，包括束状的多个射线通道，多个所述射线通道的一端朝向所述待检测目标，其中，所述射线通道被配置为允许相对于射线通道端面入射角度为零的特征X射线入射；
探测器，包括像素层，所述像素层包括阵列式分布的多个像素，所述像素层与束状的多个射线通道垂直设置，所述像素适用于将所述特征X射线转化为电信号；
数据处理单元，适用于根据所述电信号得到待检测目标的元素分布。
2.根据权利要求1所述的元素分布探测装置，其特征在于，多个所述射线通道均为直线通道。
3.根据权利要求1所述的元素分布探测装置，其特征在于，所述探测器还包括：
阳极像素电极，设置在所述像素层上，所述阳极像素电极在所述特征X射线作用下生成阳极信号；
半导体层，设置在所述阳极像素电极上；
阴极平面电极，与束状的多个射线通道垂直设置；
其中，所述数据处理单元根据所述阳极信号得到所述特征X射线的能谱，对能谱解析得到特征X射线的能量信息，特征X射线的能量信息与元素的原子序数相关，所述数据处理单元根据所述阳极信号的计数率获得元素的丰度信息。
4.根据权利要求3所述的元素分布探测装置，其特征在于，所述阴极平面电极在所述特征X射线作用下生成阴极信号，所述数据处理单元通过所述阳极信号、所述阴极信号得到特征X射线击中探测器的深度信息，所述深度信息适用于对特征X射线作用不同深度下的增益进行标定测试，以消除不同深度下载流子收集效率差异导致的增益不同对能量分辨率的影响。
5.根据权利要求4所述的元素分布探测装置，其特征在于，所述数据处理单元通过所述阳极信号、所述阴极信号得到特征X射线击中探测器的深度信息包括：
利用所述阴极信号与所述阳极信号的幅度比得到特征X射线击中在探测器的深度信息；或者利用所述阴极信号与所述阳极信号的触发时间差得到特征X射线击中在探测器的深度信息。
6.根据权利要求4所述的元素分布探测装置，其特征在于，每个所述像素对应一个或多个所述射线通道。
7.根据权利要求3所述的元素分布探测装置，其特征在于，所述半导体层包括碲锌镉化合物或碲化镉化合物。
8.一种元素分布探测的标定测试方法，其特征在于，使用如权利要求1至7中任一项所述元素分布探测装置，标定测试方法包括操作：
利用X射线照射待标定测试目标，所述待标定测试目标被激发生成特征X射线；
利用多孔准直器对所述特征X射线进行准直处理；
探测器接收处理后的特征X射线，在阳极像素电极产生阳极信号，在阴极平面电极产生阴极信号，计算阴极信号与阳极信号幅度比C/A，或者计算阴极和阳极信号的触发时间差Δt，通过阴极信号与阳极信号幅度比C/A或者触发时间差Δt计算特征X射线击中在探测器的深度d，其中，一个特征X射线作用于探测器产生的阳极信号和阴极信号记为同一事件；
将探测器深度等分为多个深度子区间，在不同的深度子区间下，对阳极信号幅度进行统计得到幅度谱，对幅度谱寻找特征峰并对特征峰进行高斯拟合得到特征峰的中心峰位值；
通过标准样品的已知能量的特征X射线或者放射源已知能量的γ射线进行标定测试，得到标定幅度谱，所述标定幅度谱包括至少两个标定特征峰；
根据至少两个所述标定特征峰和所述中心峰位值计算得到深度的增益参数，包括：
（1）；
其中，为特征X射线击中深度为d的能量，P为特征峰的中心峰位值，/>，/>为像素在击中深度为d的增益参数。
9.根据权利要求8所述的标定测试方法，其特征在于，计算得到深度的增益参数之后还包括：
对像素层的每个像素接收到的信号进行计算，以获得不同像素不同深度区间下的增益参数。
10.一种元素分布探测方法，其特征在于，使用如权利要求1至7中任一项所述元素分布探测装置，探测方法包括：
利用X射线照射待标定测试目标，所述待标定测试目标被激发生成特征X射线；
利用多孔准直器对所述特征X射线进行准直处理；
探测器接收处理后的特征X射线，在阳极像素电极产生阳极信号，在阴极平面电极产生阴极信号，计算阴极信号与阳极信号幅度比C/A，或者计算阴极和阳极信号的触发时间差Δt，通过阴极信号与阳极信号幅度比C/A或者触发时间差Δt计算特征X射线击中在探测器的深度d，一个特征X射线作用于探测器产生的阳极信号和阴极信号记为同一事件；
利用阳极信号的幅度以及所述深度计算得到所述特征X射线的能量；
对所述特征X射线的能量进行统计得到所有像素的能谱；
对所述所有像素的能谱进行解谱得到特征峰，将所述特征峰与已知的元素特征X射线参数表进行比对，获得待标定测试目标的元素空间分布信息。
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