JP2005055399A - 蛍光ｘ線分析用信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 蛍光Ｘ線分析装置の検出器で得られる階段波状の信号の各段の高さ情報を、簡便な構成で且つ高い精度で取り出す。
【解決手段】 階段状電圧パルス信号DETを遅延部１０で所定時間遅延させ、遅延前後の信号の差を減算部１１で求める。差信号DIFでは、遅延時間の時間幅で各段の高さを波高値とするパルスが離散的に出現する。エッジ検出部１３は差信号DIFの立ち上がりエッジを検出し、タイミング制御部１４はこのエッジ検出後に所定時間間隔で所定点数の変換開始指示信号STRを生成する。Ａ／Ｄ変換器１５では変換開始指示信号STRに応じて信号レベルをサンプリングしてデジタル値に変換し、演算処理部１６は各段毎の複数のデジタル値を平均して各段の高さに対応したデータを算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蛍光Ｘ線分析装置に利用される信号処理装置に関し、更に詳しくは、蛍光Ｘ線分析装置の検出器により得られる階段状の電圧パルス信号から各段の高さに関する情報を取り出すための信号処理装置に関する。

蛍光Ｘ線分析装置は、固体試料、粉体試料又は液体試料に１次Ｘ線を照射し、該１次Ｘ線により励起されて放出される蛍光Ｘ線を検出することによって、その試料に含まれる元素の定性又は定量分析を行うものである。この蛍光Ｘ線分析装置は、波長分散型とエネルギー分散型の２つに大別される（例えば特許文献１など参照）。前者では、分光結晶とスリットとを組み合わせたＸ線分光器により特定波長の蛍光Ｘ線を選別した上で検出器で検出する構成を有する。一方、後者では、こうした波長選別を行わずに直接、蛍光Ｘ線を半導体検出器などで検出し、その後に検出信号をエネルギー（つまり波長）毎に分離する処理を行うという構成を有する。蛍光Ｘ線スペクトルを作成する場合、波長分散型では波長走査を行う必要があるのに対し、エネルギー分散型では同時に多数の波長の情報が得られるため、短時間で蛍光Ｘ線スペクトルを取得できるという特徴を持っている。

エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置では、検出器として例えばリチウムドリフト型Si半導体検出器などが利用され、その検出出力は前置アンプにより波形整形されて図４に示すような階段状の電圧パルス信号となる。この信号の階段の各段の高さＨ１、Ｈ２、…が試料に含まれる各元素のエネルギーつまり波長に対応している。そこで、蛍光Ｘ線スペクトルの作成や定性・定量分析等の各種のデータ処理を行うためには、上記階段状の信号から各段の高さに対応したデジタルデータを算出する必要がある。

こうした信号処理の一手法として、階段状の電圧パルス信号を一定時間間隔でサンプリングしてＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換し、その後にデジタル的な演算処理により各段の高さに対応したデータを計算するものがある。しかしながら、こうした方法で高い精度を得るには高い分解能のＡ／Ｄ変換器が必要となり、コストが高くつくという問題がある。また、各段の時間方向の長さは一定ではないため、段が長い場合にはサンプリング点数が必要以上に多くなって、結果的に、不要なデータを記憶しておくためのメモリ容量が増大したりデータ処理回路に不要な負荷を掛けたりすることになる。

一方、Ａ／Ｄ変換を行う前に、階段状電圧パルス信号の各段をその高さに比例したパルス信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器により各パルス毎にその波高値をデジタルデータに変換する構成も知られている（例えば特許文献２など参照）。こうした構成では、Ａ／Ｄ変換の対象となる信号のダイナミックレンジが小さくなるので、Ａ／Ｄ変換器の分解能を上記の場合ほど必要としないという利点がある。しかしながら、階段状の電圧パルス信号の各段の信号レベルは必ずしも安定しているとは限らないため、各段の高さに応じたパルス信号を生成する際に誤差が大きくなって分析精度を損なう可能性がある。

特開平１０−２０６３５６号公報 特開２０００−２８３９３３号公報（段落０００２及び図１）

本発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、その主な目的は、検出器で得られる階段状の電圧パルス信号の各段の高さを比較的低い同一の分解能で評価することができ、且つ各段の時間長に拘わらずデータ量を適宜に設定することができる蛍光Ｘ線分析用信号処理装置を提供することにある。また、本発明の他の目的とするところは、階段状の電圧パルス信号の各段の信号レベルが安定しない場合でも、そうした要因による誤差の影響を軽減して精度の高い分析を達成することができる蛍光Ｘ線分析用信号処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、蛍光Ｘ線分析の検出手段により得られる階段状の電圧パルス信号から各段の高さに関する情報を取り出すための蛍光Ｘ線分析用信号処理装置において、
a)前記電圧パルス信号を所定時間だけ遅延させる遅延手段と、
b)該遅延手段による遅延前後の信号の差分を算出する減算手段と、
c)該減算手段による差信号における各パルスの前側のエッジを検出するエッジ検出手段と、
d)前記差信号の各パルス期間について、前記エッジ検出時点を契機としそれぞれ所定時間間隔でｎ点ずつ信号レベルをデジタル信号に変換する信号変換手段と、
e)前記各パルス期間に対し、前記信号変換手段により取得されたｎ個のデジタル信号に基づいて対応する階段の高さに応じた値を算出する演算手段と、
を備えることを特徴としている。

発明の実施の形態及び効果

本発明に係る蛍光Ｘ線分析用信号処理装置では、階段状の電圧パルス信号の各段の中で最も段の時間長が短いものよりもさらに短い時間が遅延手段における所定時間として設定される。したがって、減算手段により遅延前後の信号の差分をとると、上記遅延時間に相当する時間長ずつ離散的に、各段の高さに対応する振幅（波高値）情報を有するパルスが出現する。エッジ検出手段はその各パルスの前側エッジを検出する。

信号変換手段はＡ／Ｄ変換機能を有し、上記各パルスのエッジを契機としそれぞれ所定時間間隔でｎ点ずつ信号レベルをデジタル信号に変換する。ここで、変換される信号レベルの位置は各パルスの範囲内、つまり前側のエッジから上記遅延時間の範囲内としておく。またｎは１以上であればよいが、１点のみの信号レベルを利用した場合、偶然、その位置の信号レベルが誤差の大きなものである可能性もある。したがって、好ましくはｎは２以上とするのがよい。そして、演算手段は、各パルス期間に対し、それぞれｎ個のデジタル信号に基づき、対応する階段の高さに応じた値を算出する。具体的には、ｎが２以上である場合、その２個以上のデジタル信号の平均値を計算すればよい。

この発明に係る蛍光Ｘ線分析用信号処理装置によれば、階段状の電圧パルス信号から各段の高さに対応する情報に変換された後にＡ／Ｄ変換が行われるので、Ａ／Ｄ変換の入力のダイナミックレンジが小さくて済み、分解能が比較的低く且つ同一であるＡ／Ｄ変換器を用いることができる。それによって、コストが比較的安価で済むとともに、変換後のデジタル信号のビット長が短いのでデータ処理における取り扱いが容易である。

また、階段状電圧パルス信号の各段の時間長とは無関係に遅延時間によって各段に対応したパルスのパルス幅が決まる。したがって、各段の時間長に拘わらず、各段に対する信号レベルのサンプリング点数（上記ｎ）とその時間間隔とを適宜に設定することで、演算手段で処理する際のデータ量を制御することができる。

更にまた、ｎを２以上とすることにより、階段状電圧パルス信号の各段の信号レベルの不安定性や雑音の混入などの影響を軽減し、各段の高さ情報を高い精度で取り出すことができる。それによって、蛍光Ｘ線分析装置の定量分析、定性分析の精度を向上させることができる。

以下、本発明の一実施例である蛍光Ｘ線分析用信号処理装置について図１〜図３を参照して説明する。図１は本実施例による信号処理装置の要部の構成図、図２及び図３は図１の装置の動作を説明するための波形図である。

上述したように蛍光Ｘ線分析装置の検出器（半導体検出器＋前置増幅器）から送られてくる階段状の電圧パルス信号ＤＥＴ（図３（ａ）参照）は、減算部１１の端子Ａに入力されるとともに遅延部１０に入力される。遅延部１０は入力を所定の遅延時間tdだけ遅延させるもので、遅延後の電圧パルス信号ＤＬＹ（図３（ｂ））が減算部１１の端子Ｂに入力される。減算部１１は端子Ａの入力から端子Ｂの入力を差し引いた波形を出力する。したがって、図３（ａ）に示す電圧パルス信号ＤＥＴが与えられると、減算部１１の出力は図３（ｃ）に示すような形状の差信号ＤＩＦとなる。すなわち、上記遅延時間tdに相当する時間幅を有し、且つ階段の各段の高さ情報を有するパルスが離散的に出現する。

ここで、仮に遅延時間tdが階段の各段の時間幅の最短のものよりも長かったとすると、差信号ＤＩＦにおいては隣接する段に対応したパルスが重なり合ってしまい、段の高さ情報を得ることができなくなる。そこで、遅延部１０の遅延時間tdは、階段の各段の時間幅の最短のものよりも短くなるように設定される。

差信号ＤＩＦはＡ／Ｄ変換器１５に入力されるのと並行してアンプ１２を介しエッジ検出部１３に入力される。アンプ１２で増幅される段階で負方向のパルス（図３（ｃ）で右端のパルス）は除去される。エッジ検出部１３は入力された信号の前側（この場合には立ち上がり）エッジのうち、外部から設定される検出レベルＶref以上のもののみについて検出して幅の狭いパルス信号をエッジ検出信号ＥＤＧとして発生する（図３（ｄ））。ここで、検出レベルＶrefを設けているのは、ノイズ等による不要なエッジを検出することを回避するためである。

このエッジ検出信号ＥＤＧ（図２（ａ））はタイミング制御部１４に入力され、タイミング制御部１４はクロック信号ＣＬＫ（図２（ｂ））を基準にして必要な信号を生成する。すなわち、本実施例におけるタイミング制御部１４では、エッジ検出信号ＥＤＧを受けた後に最初のクロック信号ＣＬＫの立ち上がりエッジで最初の変換開始指示信号ＳＴＲを生成し、その後にＴad時間間隔でｍ−１個の変換開始指示信号ＳＴＲを生成する（図２（ｃ））。ここで、Ｔad＝ｎ×（クロック信号ＣＬＫの１周期）とし、図２の例ではｎを３に設定している。また、ｍは３に設定している。但し、Ａ／Ｄ変換器１５から処理中ステータス信号ＢＳＹが入力されている場合にはＡ／Ｄ変換器１５は処理中であるので、新規の信号のサンプリングを行うことができないため、その状態が解除されるまで待機する。

上述したようにｍ＝３、ｎ＝３である場合には、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、エッジ検出信号ＥＤＧの立ち上がりエッジがあってから最初のクロック信号ＣＬＫの立ち上がりエッジで１個目の変換開始指示信号ＳＴＲを発生し、その後、クロック信号ＣＬＫの３周期毎に２個目及び３個目の変換開始指示信号ＳＴＲを発生する。

Ａ／Ｄ変換器１５はこうした変換開始指示信号ＳＴＲを受けると、そのときの信号レベルをサンプリングしてその値をデジタル値に変換する。したがって、図２（ｃ）、（ｄ）に例示するように、３個の変換開始指示信号ＳＴＲに対してＤ１，Ｄ２，Ｄ３なる３点においてパルスの信号レベルを反映したデジタルデータが得られる。演算処理部１６はこの３点のデータの平均値を計算する。すなわち、Ｄ１，Ｄ２１，Ｄ３の各位置におけるデータ値を[Ｄ１]，[Ｄ２]，[Ｄ３]としたとき、次式により平均値[Ｄ]を算出する。
[Ｄ] ＝（[Ｄ１]＋[Ｄ２]＋[Ｄ３]）／３
最終的に、この[Ｄ]がその段の高さ情報に対応した値となる。

但し、差信号ＤＩＦの各パルスの立ち上がりエッジに近い部分での信号レベルは安定性に欠ける場合がある。そこで、次のような条件の下で[Ｄ１]を限定し、これを逸脱した場合には正確に[Ｄ]が求まらないものと判断して[Ｄ]をゼロとする。
[Ｄ１]×０．７＞[Ｄ２]，[Ｄ３]
[Ｄ１]×１．３＜[Ｄ２]，[Ｄ３]

以上のようにして、簡便な構成で以て、階段状電圧パルス信号ＤＥＴの各段の高さに対応したデータを精度よく求めることができる。また、各段の時間幅とは無関係に各段のサンプリングの点数を一定にすることができるので、無駄なデータを取得することがない。

なお、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正を行うことができることは明らかである。

本発明の一実施例である蛍光Ｘ線分析用信号処理装置の要部のブロック構成図。 図１の装置の動作を説明するための波形図。 図１の装置の動作を説明するための波形図。 エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置の検出部から出力される電圧パルス信号の一例を示す波形図。

符号の説明

１０…遅延部
１１…減算部
１２…アンプ
１３…エッジ検出部
１４…タイミング制御部
１５…Ａ／Ｄ変換器
１６…演算処理部

Claims (2)

1. 蛍光Ｘ線分析の検出手段により得られる階段状の電圧パルス信号から各段の高さに関する情報を取り出すための蛍光Ｘ線分析用信号処理装置において、
   a)前記電圧パルス信号を所定時間だけ遅延させる遅延手段と、
   b)該遅延手段による遅延前後の信号の差分を算出する減算手段と、
   c)該減算手段による差信号における各パルスの前側のエッジを検出するエッジ検出手段と、
   d)前記差信号の各パルス期間について、前記エッジ検出時点を契機としそれぞれ所定時間間隔でｎ点ずつ信号レベルをデジタル信号に変換する信号変換手段と、
   e)前記各パルス期間に対し、前記信号変換手段により取得されたｎ個のデジタル信号に基づいて対応する階段の高さに応じた値を算出する演算手段と、
   を備えることを特徴とする蛍光Ｘ線分析用信号処理装置。
2. 前記ｎは２以上であって、前記演算手段はそのｎ個以上のデジタル信号の平均値を計算することを特徴とする請求項１に記載の蛍光Ｘ線分析用信号処理装置。

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