核監(jiān)測與分析技術(shù)

四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所2010碩士研究生課程核監(jiān)測與分析技術(shù)1課程主要內(nèi)容0.

前言X射線熒光分析技術(shù)射線無損檢測及工業(yè)CT技術(shù)Co-60數(shù)字輻射成像集裝箱檢測技術(shù)中子瞬發(fā)γ分析技術(shù)(PGNAA)毒品爆炸物檢測技術(shù)核電站監(jiān)測控制技術(shù)/環(huán)境放射性監(jiān)測技術(shù)放射性測井技術(shù)掃描電子顯微鏡技術(shù)(SEM)其它技術(shù)和應(yīng)用課程總結(jié)2核監(jiān)測分析技術(shù)組成核技術(shù)信息技術(shù)物理/數(shù)學(xué)原子核物理輻射探測核電子學(xué)輻射防護(hù)…軟件/硬件信號處理計(jì)算方法圖形圖像網(wǎng)絡(luò)通信…其它技術(shù)機(jī)械/材料機(jī)械設(shè)計(jì)外觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)工程…3核監(jiān)測的特點(diǎn)信號時(shí)間/幅度需要快電子學(xué)處理，計(jì)數(shù)率大的需要死時(shí)間校正，需要前置放大。隨機(jī)產(chǎn)生，非確定信號測量時(shí)間長，考慮統(tǒng)計(jì)誤差后處理復(fù)雜需解譜，轉(zhuǎn)換，校正，才能得到最終結(jié)果。輻射特性應(yīng)考慮防護(hù)半衰期，源的校準(zhǔn)、更換、報(bào)廢4核監(jiān)測分析儀器發(fā)展歷史早期，老三計(jì)代表產(chǎn)品：核子密度計(jì)、厚度計(jì)、料位計(jì)。中期，新三計(jì)代表產(chǎn)品：中子水分儀、灰分儀、X熒光分析儀。近期，新技術(shù)代表產(chǎn)品：集裝箱檢測成像、工業(yè)CT、核磁共振儀、毒品爆炸物檢測、中子瞬發(fā)γ多元(核)素分析(PGNAA)。5核監(jiān)測與分析技術(shù)發(fā)展趨勢陣列探測器與成像技術(shù)的應(yīng)用代表產(chǎn)品：集裝箱檢測成像核素與核素比分析方法的發(fā)展PGNAA，全反射TXRF，同步輻射SRXRF，質(zhì)子X射線熒光譜PIXE，X射線微熒光分析μ-XRF。新型核輻射探測器的應(yīng)用閃爍體探測器(NaI,BGO,GSO,LSO)，半導(dǎo)體探測器(Si-PIN，SDD)，化合物半導(dǎo)體探測器發(fā)展迅速(HgI2

，碲鋅鎘CdZnTe，CdZnSe)。儀表向數(shù)字化、高速采樣方向發(fā)展借助于電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展新的核儀器標(biāo)準(zhǔn)，NIM->CAMAC,FASTBus->VME,VXI->CPCI->xTCA?核電中的應(yīng)用/環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用中子探測，功率，運(yùn)行狀態(tài)，環(huán)境輻射監(jiān)測大科學(xué)工程BESIII，中微子探測，LHAASO，TANSUO。。。61-AX射線熒光分析技術(shù)X-RayFluorescenceAnalysisElementaryPrinciple基本原理7X射線熒光分析技術(shù)發(fā)展歷史1895年，倫琴(RoentgenWC)發(fā)現(xiàn)X射線。1913年，莫塞萊(Moseley)定律，布拉格(Bragg)定律。1948年，第一臺X射線熒光譜儀誕生。1955年，Sherman提出基本參數(shù)法方程，首次推導(dǎo)了X射線熒光理論強(qiáng)度和試樣濃度之間的關(guān)系。EDXRF、WDXRF的廣泛應(yīng)用。新技術(shù)：TXRF，SRXRF，PIXE，μ-XRF小型化、數(shù)字化、智能化8X射線熒光的產(chǎn)生軔致輻射(BremsstrahlungRadiation)高速運(yùn)動的電子與靶核相互作用(庫侖力)電子速度方向發(fā)生變化，能量減弱連續(xù)譜標(biāo)識輻射，特征X射線(CharacteristicRay)能級躍遷，外層電子向內(nèi)層空穴躍遷。線狀譜其能量帶有元素的特征信息產(chǎn)生空穴的方式電子激發(fā)帶正電粒子激發(fā)：質(zhì)子，α粒子電磁輻射激發(fā)：γ射線，X射線，同步輻射核衰變：α,β,γ,電子俘獲，內(nèi)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象從產(chǎn)生機(jī)制上定義X射線：X射線是電子在原子核附近加速或核外內(nèi)層電子躍遷時(shí)發(fā)射的電磁輻射。9特征X射線能量10常用低能γ和X射線源的主要特性同位素半衰期衰變類型光子能量/keV光子/衰變%典型的元素激發(fā)范圍55Fe2.73aECMnKX:5.896.4924.42.86釩或原子序數(shù)小于釩的元素238Pu87.74aαULX:11.6~20.310.9Ti~Y244Cm18.11aαPuLX:12.1~21.69.3Ti~Y241Am432.2aαNpLX:11.9~2126.459.539.542.535.7Mo~Tm109Cd462.6dECAgKX:22.0~25.688.099.823.61Cu~Np125I59.41dECTeKX:27.2~31.935.5140.583.66Mo~I153Gd241.6dECEuKX:40.9~48.597.4103.2120.127.619.6Mo~PrTm~Fr57Co271.8dEC14.4122.0136.58.6785.9410.33Hf~Cf11X射線光管Siegbahn標(biāo)識12電磁波譜電磁波的種類頻率/Hz在真空中的波長/m無線電波105~10123×103~3×10-4紅外線1012~3.9×10143×10-4~7.7×10-7可見光3.9×1014~7.5×10147.7×10-7~4×10-7紫外線7.5×1014~3×10154×10-7~10-7X射線3×1015~3×102010-7~10-12γ射線3×1018~3×102210-10~10-1413X射線的特點(diǎn)及效應(yīng)波長：0.01~10nm能量：124~0.124keV波粒二象性沿直線傳播不可見具有穿透能力具有光化作用具有熒光作用具有電離性質(zhì)具有生物效應(yīng)透射吸收反射，折射非散射效應(yīng)散射效應(yīng)電子對效應(yīng)光電效應(yīng)不相干散射相干散射反沖電子散射光子幾何光學(xué)物理光學(xué)光電子特征X射線俄歇電子14X射線與物質(zhì)相互作用光電效應(yīng)(Photoelectricabsorption)光子與束縛電子，在原子核的參與下光子消失，能量全部轉(zhuǎn)移給電子電子從原子中發(fā)射出來，成為自由電子瑞利散射(Rayleighscattering)彈性散射(elasticscattering)，或相干散射(Coherentscattering)方向改變，能量不變基本上發(fā)生在低能區(qū)和高Z材料中康普頓散射(comptonscattering)光子與核外電子，束縛松則易發(fā)生，可近似為光子與自由電子碰撞非彈散射(inelasticscattering)，或稱為非相干散射(Incoherentscattering)方向和能量都改變低Z材料易發(fā)生電子對效應(yīng)(electron/positronpaireffect)能量大于1.02Mev.15關(guān)于X射線的幾個有用概念質(zhì)量吸收系數(shù)：massabsorptioncoefficient單位質(zhì)量厚度上X射線被物質(zhì)吸收的幾率半吸收厚度當(dāng)X射線垂直通過物質(zhì)，強(qiáng)度被吸收一半時(shí)相應(yīng)物質(zhì)的厚度。臨界激發(fā)能臨界激發(fā)能在數(shù)值上等于軌道電子結(jié)合能。吸收限波長若以波長表示臨界激發(fā)能量，其物理意義是指激發(fā)給定原子中某一軌道殼層電子，并能產(chǎn)生特征X射線的最小波長。吸收躍遷因子：AbsorptionJumpfactor待測元素的原子吸收入射X射線光子后，逐出某一軌道電子的幾率。熒光產(chǎn)額:FluorescenceYield，ω當(dāng)原子中產(chǎn)生空穴時(shí)，產(chǎn)生X射線的幾率譜線分?jǐn)?shù):RelativeEmissionRate產(chǎn)生某特征X譜線的幾率，或某特征X譜線占該系特征譜線的強(qiáng)度分布。激發(fā)因子試樣中某待測元素的原子吸收入X射線光子后，發(fā)射出某條特征X射線熒光的幾率，它是吸收躍遷因子，熒光產(chǎn)額和譜線分?jǐn)?shù)三者的乘積。16莫塞萊(Moseley)定律莫塞萊詳細(xì)研究了不同元素的特征X射線，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確立了原子序數(shù)與X射線波長之間的關(guān)系：同一譜線X射線熒光頻率的平方根與元素的原子序數(shù)成正比：對元素周期律的發(fā)展起了重要作用。雖然有一定的近似性，但仍然正確揭示了元素的原子結(jié)構(gòu)、X射線能量以及元素周期表上元素排列次序之間的內(nèi)在聯(lián)系。X射線熒光方法正是研究原子結(jié)構(gòu)的重要手段。為X射線光譜定性分析奠定了基礎(chǔ)。17布拉格(Bragg)定律X射線的衍射現(xiàn)象起因于相干散射的干涉作用，當(dāng)兩個波長相等位相差固定和振動于同一平面內(nèi)的相干散射沿著同一方向傳播時(shí)，在不同的相位差條件下，這兩種散射波或者相互增強(qiáng)(同相)，或者相互減弱(異相)，這種振動的疊加現(xiàn)象，稱為振動的干涉或波的干涉，由于干涉的結(jié)果，在某些方向?qū)a(chǎn)生衍射的極大值。dABCDθθθ121’2’二束光線的光程差CBD=CB+BD=2ABsinθ=2dsinθ如果這些射線是同相的，即其光程差是波長的整數(shù)倍：1、n=1，衍射強(qiáng)度最強(qiáng)，滿足上式，才能得到最大強(qiáng)度；2、λ必須小于或等于2d；3、n不能大于2d/λ18X射線熒光的探測感光膠片(Photographicfilm)能量沉積，使鹵化銀還原感光。閃爍計(jì)數(shù)器(ScintillatorCounter)根據(jù)X射線和某些物質(zhì)作用可產(chǎn)生可見熒光的原理設(shè)計(jì)；激發(fā)閃爍體-退激時(shí)發(fā)出可見光-光電倍增管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并信號放大閃爍體的光子總產(chǎn)額和入射的X射線光子能量成正比，所以輸出信號能甄別入射光子的能量；NaI，CsI，ZnS等。正比計(jì)數(shù)器(ProportionalCounter)輻射使氣體電離，形成電子-離子對；電子在兩極電壓作用下繼續(xù)碰撞產(chǎn)生更多離子對(雪崩現(xiàn)象)；每次雪崩的全部電荷被收集，得到一個單獨(dú)的脈沖；在一定電壓下脈沖幅度和入射X射線光子能量成正比；流氣式FPC，封閉式SPC半導(dǎo)體探測器(Semiconductor)輻射產(chǎn)生電子-空穴對，且所需能量低，有更好的分辨率。Si(Li)，HPGe,Si-PIN，HgI2

，CdZnTe，STJ(SuperconductingTunnelJunction，超導(dǎo)隧道節(jié))19波長色散(WDXRF)和能量色散(EDXRF)高分辨高功耗大體積高價(jià)格20能譜的獲取脈沖高度分布PHD(PulseHeightDistribution)無論從哪種探測器和放大器輸出的脈沖幅度都有一個統(tǒng)計(jì)分布，電脈沖的平均高度也就是電信號能量的平均值正比于入射X射線光子的能量脈沖高度分析PHA(PulseHeightAnalyzer)選擇脈沖信號在某一高度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行測量，不受區(qū)間外信號干擾。它利用選定上、下甄別器及反符合電路，將各脈沖分開，只有幅度介于兩個電平間的脈沖才可通過甄別器，進(jìn)行計(jì)數(shù)測量。多道分析器MCA(Multi-channelAnalyzer)建立電壓脈沖幅值與道址的對應(yīng)關(guān)系，道址號與X光子能量間存在對應(yīng)關(guān)系，在不同的道址上記錄X光子的數(shù)目，得到X射線的能譜。21能譜獲取示意tVChannel/ECounts12345實(shí)測波形實(shí)測能譜22EDXRF結(jié)構(gòu)框圖23X射線熒光分析的應(yīng)用定性分析確定所含元素的種類，Z。半定量分析無需標(biāo)樣即可對各種未知物進(jìn)行近似定量。定量分析確定成分的精確含量，%，需要用一組與未知樣相同類型的標(biāo)樣以建立校正曲線。應(yīng)用領(lǐng)域冶金、化工、建材、地質(zhì)、醫(yī)藥、食品、環(huán)境、考古…24定性分析的過程能量刻度標(biāo)準(zhǔn)源樣品測量峰位識別元素識別核數(shù)據(jù)庫刻度過程測量過程25半定量分析的過程絕對測量測試樣測量譜分析強(qiáng)度各種校正濃度不需要或僅需要較少的標(biāo)樣；標(biāo)樣可以與樣品差別很大；需要譜儀的參數(shù)；各種物理參數(shù)；樣品的形態(tài)參數(shù)；26定量分析的過程相對測量標(biāo)準(zhǔn)樣測量刻度曲線測試樣測量譜分析強(qiáng)度濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品的獲得是個問題。27EDXRF實(shí)例1024ADC28X射線能譜實(shí)例12kV+4kV兩次激發(fā),2048ADC,Philips29制樣設(shè)備烘干；打磨；壓片/熔融稱樣使用0.01%精度的天平，依次稱量四硼酸鋰、生料粉、溴化鋰并倒入坩鍋并混合。樣品的組成：生料粉：0.7克四硼酸鋰（稀釋劑）：7克溴化鋰（脫模劑）：0.05克熔融機(jī)各工作階段的時(shí)間設(shè)置預(yù)加熱時(shí)間：約20～30分鐘加熱時(shí)間：約2分鐘熔融時(shí)間：3分鐘搖擺時(shí)間：10（6）分鐘靜止時(shí)間：3分鐘冷卻時(shí)間：30秒30XRF技術(shù)的發(fā)展全反射X射線熒光：TXRF(TotalReflectionX-rayFluorescence)一種特殊幾何激發(fā)條件下的能量色散技術(shù)。基本消除了原級X射線在反射體上的散射，提高了峰背比；原級X射線對樣品的激發(fā)效率提高了，探測器可近距離垂直放置，可以大大提高探測效率。分析靈敏度達(dá)到10-15g量級，108原子/cm2;基體效應(yīng)小或無基體效應(yīng)同步輻射X射線熒光：SRXRF(SynchrotronX-rayFluorescence)帶電粒子在環(huán)形同步加速器內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，切線方向同步發(fā)出的電磁輻射。輻射強(qiáng)度高，遠(yuǎn)大于X射線管，102~1013倍波長范圍寬，利用單色器可選擇所需要的波長作為單色光源；是一種偏振光；發(fā)射不連續(xù)，具有時(shí)間結(jié)構(gòu)的脈沖光；可精確計(jì)算同步輻射光譜的分布和亮度，可作為標(biāo)準(zhǔn)光源；上海光源(SSRF)是一臺高性能的第三代同步輻射光源，于2009年4月29日建成。質(zhì)子激發(fā)X射線發(fā)射(分析)：PIXE(ProtonInducedX-rayEmission)質(zhì)子激發(fā)X射線截面大，軔致輻射小靈敏度可到10-16g質(zhì)子束直徑小，可由靜電透鏡或電磁透鏡聚焦，進(jìn)行微米級分析會產(chǎn)生瞬發(fā)γ射線和質(zhì)子的盧瑟福散射，可結(jié)合分析微區(qū)X射線熒光分析:μXRF(MicroX-rayFluorescence)微米級的空間分辨率用光學(xué)的方法聚焦X射線，目前單毛細(xì)管或多毛細(xì)管聚焦斑點(diǎn)可低于10μm直徑。31IntroducingX-RayFluorescence

X-rayfluorescence(XRF)spectrometryisawidelyusednon-destructiveanalyticalmethodforbothqualitativeandquantitativedeterminationofallbuttheverylowatomicnumberelements(Z>4)withdetectionlimitsdowntothelowpartpermillionlevel.UniqueadvantagesofXRFareitswidedynamicrange(ppmupto%(m/m)),highprecision(0.1%)anditsminimalrequirementforsamplepreparation.XRFistypicallyemployedfortheroutineandnon-routineanalysisofawiderangeofproductsinvariousforms,suchasferrousandnon-ferrousalloys,oils,slagsandsinters,oresandminerals,thinfilmsandothers.32XRFSpectrometry

InXRFspectrometry,boththeradiationusedtoirradiatethesampleaswellasthedetectedradiationareX-rays.X-raysareelectromagneticradiationhavinganenergyrangefromabout0.1keVto250keV.ConventionalXRFspectrometryisconfinedtotheregionfrom0.5keVto50keV.TherearefourmodesthroughwhichX-raysinteractwithatoms:photoelectricabsorption,radiationlesstransition(theAugereffect),elasticscattering(Rayleighscattering)andinelasticscattering(Comptonscattering).ThedesiredinteractioninXRFspectrometryisphotoelectricabsorption.InthismodetheX-rayisentirelyabsorbedbytheelementandleavesitinanexcitedstate.Duringrelaxation,theelementreleasesanX-ray,whichislowerinenergyandcharacteristicfortheelement-thisbeingthebasisforXRFspectrometry.

Inshort,theenergyofthedetectedX-rayisdistinctiveforacertainelementwhilethenumberofX-raysdetectedisameasurefortheelement’sconcentration.Besideselectromagneticradiationitisalsopossibletousechargedparticles(electrons,protons,alphaparticles,etc.)toexcitetheelementsinthesampleandhence,togeneratetheX-rayspectrum.Thesealternativemeansofexcitationeachhavetheirindividualadvantages(anddrawbacks).33問題思考X射線和γ射線有什么區(qū)別？產(chǎn)生X射線的機(jī)制和原理是什么？X射線熒光為什么能作定性分析和定量分析？放射源激發(fā)和X光管激發(fā)原級X射線各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？X光管高壓10KV，可得到的X射線最大能量是多少keV？若采用1024多道探測，則每道對應(yīng)的能量范圍是多少eV？為什么WDXRF(wavelength-dispersiveXRF)的分辨率比EDXRF(energy-dispersiveXRF)高？X射線能譜(spectrum/spectra)是怎么測量到的？341-BX射線熒光分析技術(shù)定量分析QuantitativeAnalysis35定量分析定義從測量的X熒光譜中得到試樣中待測元素的濃度或含量。Al：1.5%Si：14.3%Ca：45.6%Fe:1.9%11141611141115……能譜數(shù)據(jù)能譜圖？Concentration36定量分析的一般步驟1、譜分析：得到譜峰的凈強(qiáng)度(Intensity)；2、強(qiáng)度濃度轉(zhuǎn)換：得到濃度(Concentration)或表征濃度；3、濃度校正(可選)：得到修正后的濃度；I->C'C'->C37譜分析方法/譜分解方法剝譜法：先找出一種能分析的核素，扣除，再從剩余譜中找出另一種核素，扣除，…曲線擬合法：假定能譜在峰區(qū)的譜形可以用一個預(yù)先規(guī)定的函數(shù)來表示，例如：本底函數(shù)：峰形函數(shù)：38濃度強(qiáng)度轉(zhuǎn)換方法一次函數(shù)(常用)二次函數(shù)優(yōu)點(diǎn)：簡單，容易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)：需要標(biāo)樣，且標(biāo)樣對測量影響較大；刻度時(shí)和測試時(shí)測量條件相同；測量范圍不能太大；沒有考慮基體效應(yīng)修正。39例：用matlab實(shí)現(xiàn)擬和化學(xué)分析值C相對強(qiáng)度值I0.783.37441.433.97071.374.21341.744.54651.914.55251.694.33902.515.21261.424.20352.844.69581.303.94521.364.13811.364.05711.914.42042.014.8595C=[0.78,…]';I=[3.3744,…]';plot(I,C,'x');K=polyfit(I,C,1);If=3:0.01:6;Cf=K(2)+K(1)*If;holdonplot(If,Cf);40定量分析的難點(diǎn)儀器穩(wěn)定性：相對測量尤其重要束流不穩(wěn)峰位漂移本底的干擾：x光管連續(xù)譜的背景重疊峰的解譜：Z靠近，低分辨探測器基體效應(yīng)(MatrixEffects)物理效應(yīng)：顆粒度，不均勻性，表面結(jié)構(gòu)化學(xué)效應(yīng)：化學(xué)態(tài)，如價(jià)態(tài)，配位和鍵性吸收增強(qiáng)效應(yīng)(absorptionandenhancement)：共存元素的影響，元素質(zhì)量吸收系數(shù)的差異C為待測元素的濃度，下標(biāo)i是待測元素；K為儀器校正因子；I是測得的待測元素X射線熒光凈強(qiáng)度；M用作元素間吸收增強(qiáng)效應(yīng)校正；S與樣品的物理、化學(xué)形態(tài)有關(guān)。41吸收增強(qiáng)效應(yīng)(absorptionandenhancement)吸收原級X射線吸收特征X射線二次熒光(增強(qiáng))綜合質(zhì)量吸收系數(shù)濃度相對強(qiáng)度10010000abc曲線a為濃度與強(qiáng)度為線性關(guān)系；曲線b的強(qiáng)度低于線性關(guān)系(正吸收)，為基體對原級X射線的吸收大于待測元素的吸收，因此待測元素強(qiáng)度增長較慢，一般在重元素基體的輕元素中發(fā)生；曲線c的強(qiáng)度高于線性關(guān)系(負(fù)吸收)，待測元素的強(qiáng)度在低含量范圍內(nèi)隨含量增加迅速上升，隨著待測元素含量增高，曲線的斜率變小,一般在輕基體中的重元素會出現(xiàn)?；蚨螣晒庠鰪?qiáng)。原級X射線42水泥生料樣品中的吸收增強(qiáng)效應(yīng)43校正方法/基體效應(yīng)修正方法原理：依據(jù)X射線熒光強(qiáng)度的理論公式(Sherman方程)，在公式所用的幾何因子、各種基本參數(shù)(熒光產(chǎn)額、質(zhì)量吸收系數(shù)、吸收躍遷因子和譜線分?jǐn)?shù))、晶體衍射效率和探測器的探測效率均準(zhǔn)確的情況下，可以通過測得試樣中諸組分的純元素強(qiáng)度，計(jì)算出試樣中各組分的含量。計(jì)算方法：迭代法。特點(diǎn)：只能用于吸收增強(qiáng)效應(yīng)的校正；可用非相似標(biāo)準(zhǔn)樣；只需較少的標(biāo)準(zhǔn)樣；分析濃度范圍大，結(jié)果準(zhǔn)確性好；

但需要基本參數(shù)準(zhǔn)確；基本參數(shù)法(Fundamentalparameters)影響系數(shù)法/α系數(shù)法(Influencecoefficients)理論影響系數(shù)法：

建立在Sherman方程基礎(chǔ)上，由已知或假設(shè)組分濃度的試樣，以理論公式計(jì)算出“精確”的理論影響系數(shù)。只能用于吸收增強(qiáng)效應(yīng)的校正。計(jì)算方法：多種方法推導(dǎo)或計(jì)算出系數(shù)。經(jīng)驗(yàn)影響系數(shù)法：

不是建立在Sherman方程基礎(chǔ)上，依據(jù)一組標(biāo)準(zhǔn)樣品，根據(jù)所給出的組分參考值和測得的強(qiáng)度，使用線性或非線性回歸的方法求得影響系數(shù)。計(jì)算方法：多元回歸。特點(diǎn)：需要較多樣品；包含了多種效應(yīng)的影響，不僅僅是吸收增強(qiáng)效應(yīng)；參數(shù)沒有明確物理意義；44一次熒光和二次熒光adttl1l2ψ1ψ2IλPidt1t1ijψ1ψ2IλSijt2dt2drrdχ試樣組成分析元素?zé)晒庀鄬?qiáng)度/%一次二次三次20%Ni-80%FeNi100//20%Fe-80%NiFe7030/20%Cr-40%Fe-40%NiCr7622(14%Fe+8%Ni)228Ni，26Fe，24Cr，所以Ni對Fe有增強(qiáng)，Ni和Fe對Cr有增強(qiáng)。45一次熒光計(jì)算公式一次熒光(primaryfluorescence)46二次熒光公式二次熒光(secondaryfluorescence)[]úú?ùêê?é￠￠+￠￠=￠￠úú?ùêê?é￠+￠=￠=￠￠+￠￠￠+￠=òjSSSjSSSijjijjjjjjabsSSiiijieeEedCeeeICGSllllllllmmmmmmmmmlllllmmm,,,,,,min,,1ln11ln1)/(5.0)(47定量分析分類從樣品制備劃分：粉末壓片法、熔融法、固體試樣法、薄試樣法；按基體校正方法劃分：實(shí)驗(yàn)校正法、影響系數(shù)法、基本參數(shù)法，這些方法又可互相滲透；實(shí)驗(yàn)校正法有：校正曲線法、內(nèi)標(biāo)法、比例常數(shù)法、標(biāo)準(zhǔn)加入法、標(biāo)準(zhǔn)稀釋法等。其它數(shù)學(xué)方法：ANN、PLS。48定量計(jì)算/基體校正方法定量計(jì)算/基體校正理論計(jì)算基本參數(shù)法理論影響系數(shù)L-T方程deJongh方程C-Q方程COLA方程Rousseau基本算法經(jīng)驗(yàn)系數(shù)濃度校正模式強(qiáng)度校正模式實(shí)驗(yàn)校正校正曲線法內(nèi)標(biāo)法標(biāo)準(zhǔn)加入法比例常數(shù)法標(biāo)準(zhǔn)稀釋法其它方法偏最小二乘法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)用多次熒光理論公式，迭代計(jì)算49OLAM網(wǎng)絡(luò)譜分解原理單質(zhì)譜學(xué)習(xí)濃度教師信號Al(100,0,0,0)Si(0,100,0,0)Ca(0,0,100,0)Fe(0,0,0,100)a1aiapc1cjcm輸入層輸出層…………W11WijWpm相對強(qiáng)度充分利用了單質(zhì)譜的形狀，并假設(shè)混合譜是由單質(zhì)譜按比例疊加而成。適合對重疊譜進(jìn)行分解。50OLAM網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型測試時(shí)學(xué)習(xí)時(shí)其中：Y：輸出矩陣，強(qiáng)度或相對強(qiáng)度W：權(quán)重矩陣，記錄學(xué)習(xí)結(jié)果X：輸入矩陣，能譜T：教師矩陣，期望輸出L：學(xué)習(xí)矩陣，已知期望輸出的輸入偽逆矩陣的計(jì)算是一個重點(diǎn)PesudoInverseMatrixMoore-PenroseMatrixMatlab中計(jì)算偽逆矩陣：A+=pinv(A)偽逆矩陣性質(zhì)51OLAM分解殘差=0.036漏學(xué)習(xí)判斷：op<0.1552反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能譜a1aiapb1btbhc1cjcm輸入層隱層輸出層………………W11V11WitWphVtjVhm相對強(qiáng)度修正后濃度53例：matlab實(shí)現(xiàn)前向反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)%backpropagationmatrixeffectcorrected%P=P/100;P是強(qiáng)度輸入矩陣,4*14,4個輸入單元，分別對應(yīng)Al,Si,Ca,Fe14個樣品。%P是由OLAM得出的相對強(qiáng)度，范圍在0-1之間。%T=T/100;T是濃度目標(biāo)矩陣，4*14，4個輸出單元，分別對應(yīng)Al,Si,Ca,Fe14個樣品。loaddataPt.matRange=[0,1;0,1;0,1;0,1];net=newff(Range,[4,6,4]);net.trainParam.show=100;net.trainParam.lr=0.05;net.trainParam.epochs=30000;net.trainParam.goal=1e-6;[net,tr]=train(net,P,T);a=sim(net,P);54訓(xùn)練收斂曲線55實(shí)際采用定量分析方法1：比率法+校正曲線法Ri=峰凈面積/譜總面積Ci=Ki*Ri

+Bi計(jì)算各峰凈面積計(jì)算比率Ri最小二乘刻度測量多個標(biāo)樣未知樣譜計(jì)算比率計(jì)算濃度刻度過程測量過程刻度曲線或Ri=峰凈面積/峰凈面積和比率法可減少和消除系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，如電壓和X光管電流的不穩(wěn)定56實(shí)際采用定量分析方法2：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法+校正曲線法OLAM網(wǎng)絡(luò)計(jì)算相對強(qiáng)度OLAM網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)(單質(zhì)譜)計(jì)算樣品譜相對強(qiáng)度Ii最小二乘刻度未知樣譜OLAM計(jì)算計(jì)算濃度刻度過程測量過程刻度曲線a1aiapc1cjcm輸入層輸出層…………W11WijWpm相對強(qiáng)度57實(shí)際采用定量分析方法3：比率法+L-T-P方法計(jì)算各峰凈面積計(jì)算比率Ri最小二乘刻度測量多個標(biāo)樣刻度過程未知樣譜計(jì)算比率計(jì)算濃度測量過程刻度曲線Lucas-Tooth-PriceLucas-Tooth-Pyne系數(shù)多，需要標(biāo)準(zhǔn)樣品也多，否則效果差58定量計(jì)算方法比較能譜(spectra)濃度(concentrations)譜分析強(qiáng)度濃度轉(zhuǎn)換濃度校正譜分析強(qiáng)度濃度轉(zhuǎn)換能譜濃度轉(zhuǎn)換大多數(shù)方法校正曲線法PLS方法59各種方法比較定量計(jì)算/基體校正理論計(jì)算基本參數(shù)法理論影響系數(shù)L-T方程deJongh方程C-Q方程COLA方程Rousseau基本算法經(jīng)驗(yàn)系數(shù)濃度校正模式強(qiáng)度校正模式實(shí)驗(yàn)校正校正曲線法內(nèi)標(biāo)法標(biāo)準(zhǔn)加入法比例常數(shù)法標(biāo)準(zhǔn)稀釋法其它方法偏最小二乘法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)修正吸收增強(qiáng)效應(yīng)需較少標(biāo)準(zhǔn)樣品綜合修正，需較多標(biāo)準(zhǔn)樣品應(yīng)用較早，需作實(shí)驗(yàn)比較新穎，計(jì)算復(fù)雜OLAM適合譜分解智能發(fā)展方向60EGSnrc程序框架MAINHOWFARAUSGABHATCHSHOWERELECTRPHOTON用戶程序EGS4系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)記錄結(jié)果、運(yùn)行信息物質(zhì)數(shù)據(jù)61X光管模擬幾何近似62X光管出射譜譜模擬結(jié)果63樣品激發(fā)模擬幾何近似64樣品譜的模擬結(jié)果65Transformationof

IntensitiesIntoConcentrationsOncethenetpeakareasarederivedusingspectrumevaluationsoftwaretheintensitiesneedtobetransformedintoelementconcentrations.Unfortunately,theintensityofanelement’scharacteristicpeakisnotasimplelinearfunctionoftheelement’sconcentration.Theprimaryradiationemittedbythesourceisabsorbedbythesample.Afterexcitation,partofthecharacteristicX-raysemittedbyagivenelementisabsorbedbyotherelementsinthesample.Atthesametime,partoftheemittedintensityisduetoexcitationbycharacteristicradiationemittedbyotherelementswithinthespecimen.Thelatterisreferredtoastheenhancementeffectorsecondaryfluorescence(whileprimaryfluorescencereferstoexcitationbytheradiationofthesource).Themorecomplicatedprocesswherebytheprimaryemissionofoneelementinducesanenhancementinasecondelement,whichinturnleadstoexcitationofathirdelement-beingtheelementofinterest-iscalledtertiaryfluorescence.Theoccurrenceoftheseabsorptionandenhancementphenomenaisgenerallyknownasthematrixeffect.Asaresult,characteristicpeakintensityofanelementisafunctionofboththeelement’sconcentrationandtheconcentrationoftheotherelementsinthesample.

66Fundamentalparametersmethodandinfluence(alpha)coefficientsmethod

Besidessomemethodsemployingsimplelinearregressionwhichcanonlybeusedifthematrixeffectisconstantintheanalyzedconcentrationrange,twoapproachesexisttotakethematrixeffectintoaccount:thefundamentalparametersapproachandtheapproachbasedoninfluence(alpha)coefficients.

Fundamentalparametersarethemassabsorptioncoefficients,absorptionjumpratios,fluorescenceyields,lineemissionprobabilities,characteristicX-rayenergiesandothers.Amajorproblemisthattheexpressionsinvolvemultipleintegrals,andhencecannotbeappliedeasilyinpractice.Anotherproblemistherequirementtoaccuratelyknowthespectraldistributionoftheincidentbeam.

Influencecoefficientsquantifymatrixeffectsindividually,i.e.thematrixeffectofelementj,thematrixeffectofelementk,…onanalytei.Theconcentrationofanelementicanthenbewrittenasafunctionofitscharacteristiclineintensity,correctedfortheconcentrationsofotherelementsbyinfluencecoefficients.Ingeneralthecoefficientmethodsrequiremorestandardsthanthefundamentalparametersmethod.67問題思考在某X射線熒光分析中，激發(fā)源采用X光管，探測器采用正比計(jì)數(shù)器。請描述X光管出射的一個X光子從產(chǎn)生、激發(fā)樣品特征X射線、被探測器收集、到產(chǎn)生能譜的過程(越詳細(xì)越好)，并畫出能譜圖。實(shí)際中需要對一個宋代的瓷器進(jìn)行X射線熒光檢測，以分析瓷器表面的主要成分及含量，便于建立瓷器的指紋數(shù)據(jù)庫。請?jiān)O(shè)計(jì)一個檢測方案，并說明將采用什么定量計(jì)算方法。X射線熒光分析的特點(diǎn)是什么？有什么優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？實(shí)際中還有哪些地方可用到X射線熒光分析技術(shù)？在常規(guī)X熒光定量分析中，為什么吸收增強(qiáng)效應(yīng)(absorptionandenhancementeffect)不可避免？人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificialneuralnetwork)能夠分析核譜的原理是什么？定量分析中，相對測量法和絕對測量方法的區(qū)別是什么？681-CX射線熒光分析技術(shù)Designandimplementationofhardware硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)69信號的隨機(jī)性核輻射探測器輸出信號的幅度、時(shí)間、單位時(shí)間內(nèi)平均出現(xiàn)的脈沖數(shù)都是隨機(jī)的在脈沖幅度上按高斯統(tǒng)計(jì)分布在時(shí)間間隔(0,t)中的脈沖個數(shù)按泊松分布脈沖形狀在理想情況下，可看成沖擊函數(shù)，探測器輸出電流脈沖i(t)，可簡化表示為一個強(qiáng)度變化的隨機(jī)沖擊序列it70核輻射探測器信號輸出特點(diǎn)核輻射探測器都能產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電流i(t)，在電路分析時(shí)，可把它等效為電流源；該輸出電流i(t)有具有一定的形狀，即有一定的時(shí)間特性，所以可用于時(shí)間分析；如在輸出電容上去幾分電壓信號Vc(t)，則Vc(t)正比于E，可做射線能量測量。對氣體探測器其中：N：產(chǎn)生的電子-離子對數(shù)F：法諾因子A：氣體放大倍數(shù)E：射線能量w：平均電離能71幾種探測器輸出幅度比較探測器類別單位能量(MeV)所產(chǎn)生的電子電荷數(shù)在10pF電容上輸出幅度值(V/MeV)氣體探測器電離室=20~40eVn=3×104(無氣體放大)4.8×10-4正比計(jì)數(shù)器=20~40eVn=107（有氣體放大）0.16半導(dǎo)體探測器鍺(77K)=2.96eVn=3×1054.8×10-3硅(室溫)=3.62eV閃爍探測器設(shè)NaI(Tl)3000光子/MeV.光電倍增系數(shù)M=3×105n=1081.672幾種探測器的分辨能力比較探測器類別能量分辨率(相應(yīng)能區(qū))時(shí)間分辨/s空間分辨/mm氣體探測器電離室3~5%(0.1MeV)1%(5.3MeV)，帶電粒子10-2~10-5正比計(jì)數(shù)器14~20%(5.9keV)10-6~10-71半導(dǎo)體探測器高純鍺0.14%(1.33MeV)10-7~10-80.5Ge(Li)0.1%(1.33MeV)3%(5.9keV)閃爍探測器閃爍體+光電倍增管7~8%(0.662MeV)10~12%(122keV)45~55%(5.9keV)10-7~10-10573γ射線半導(dǎo)體探測器的選用略表γ能區(qū)間探測器條件500eV~30keVSi(Li)電荷前置放大器致冷；室溫保存與低溫使用30keV~10MeVGe(Li)低溫保存與使用30keV~10MeVHPGeN型可室溫保存，低溫使用。實(shí)際上還是低溫保存，低溫使用效果更好30keV~10MeVP型30keV~1.5MeVCdTe,CdZnTe室溫有較高的能量分辨和較高的探測效率74X射線與低能γ輻射探測器類型X探測器主要特點(diǎn)、用途氣體電離探測器X射線正比計(jì)數(shù)管云母窗有機(jī)蓋革-彌勒管使用簡便，形狀多樣，價(jià)格便宜，阻止本領(lǐng)差，時(shí)間與幅度分辨差，用于X射電熒光分析(X射線正比計(jì)數(shù)管)半導(dǎo)體探測器Si(Li)探測器FWHM160eV@5.9keV，室溫儲存，77K低溫使用。理想的X射線探測器，用于X射線熒光分析和X射線能譜測量HPGe探測器FWHM180eV@5.9keV，工藝簡單，周期短，低溫77K工作和存放，器件本身可構(gòu)成面壘型薄窗結(jié)構(gòu)GaAs探測器FWHM2.9keV@5.9keV(室溫)；640eV(130K)HgI2探測器用于能量高于20keV以上的X射線熒光分析，KX射線的測量，探測效率高，F(xiàn)WHM=200~295eV@5.9keV(室溫)閃爍探測器鈹窗NaI(Tl)阻止本領(lǐng)高，響應(yīng)時(shí)間快LiI(Eu)阻止本領(lǐng)高，響應(yīng)時(shí)間快CsI(Na)阻止本領(lǐng)高，響應(yīng)時(shí)間快塑料閃爍體阻止本領(lǐng)高，響應(yīng)時(shí)間快玻璃閃爍體阻止本領(lǐng)高，響應(yīng)時(shí)間快LaCl3(Ce)用于X射線成像和測量γ射線能譜LaBr3(Ce)用于X射線成像和測量γ射線能譜75EDXRF的結(jié)構(gòu)框圖(NIM標(biāo)準(zhǔn))高壓：由測量樣品的吸收限確定，一般在幾~幾十KV中壓：500~800VDC低壓：±6V，±12V，±24V76主要組成部分激發(fā)源放射源激發(fā)，X光管激發(fā)探測器前置放大器提高系統(tǒng)信噪比減少外界干擾的相對影響合理布局，便于調(diào)節(jié)和使用實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換和匹配主放大器成形放大脈沖幅度多道分析器采樣保持幅度甄別模數(shù)變換道寬均衡存儲電路控制電路數(shù)據(jù)獲取和處理77激發(fā)源用于產(chǎn)生X射線來照射樣品以激發(fā)樣品元素的特征X射線。目前用于EDXRF的激發(fā)方式主要為以下兩種：X射線管激發(fā)特點(diǎn)：連續(xù)譜，“干凈”的源，可以做到高強(qiáng)度、低能量、低功耗，易屏蔽；穩(wěn)定性受高壓電源影響

放射性同位素源激發(fā) 特點(diǎn)：線狀譜，穩(wěn)定性好； 工作或停機(jī)時(shí)均需屏蔽，具有半衰期激發(fā)源78探測器 探測器的作用是將核輻射信號轉(zhuǎn)換為電信號，針對EDXRF而言，主要包括正比計(jì)數(shù)器、Si（Li）探測器、Si（PIN）探測器、SDD(Silicondriftdiode)探測器。 選擇探測器的依據(jù)：探測效率能量分辨率計(jì)數(shù)率（counts/s)壽命價(jià)格工作條件

79探測器-正比計(jì)數(shù)器輸出信號幅度：1~100mV探測效率：較高能量分辨率：15%左右計(jì)數(shù)率：10~100k/S工作能量范圍：1~40keV工作高壓：500~800VDC壽命：109~1010計(jì)數(shù)工作溫度：室溫80探測器-Si(Li)探測器輸出信號幅度：V探測效率：較高能量分辨率：~160eV計(jì)數(shù)率：1~10k/S工作能量范圍：2~20keV工作高壓：~120VDC壽命：長工作溫度：-196℃，需要液氮制冷81探測器-Si(PIN)探測器輸出信號幅度：V探測效率：較高能量分辨率：~200eV計(jì)數(shù)率：1~10k/S工作能量范圍：1~30keV工作高壓：~120VDC壽命：長工作溫度：室溫，電制冷82探測器-SDD探測器輸出信號幅度：V探測效率：較高能量分辨率：~150eV計(jì)數(shù)率：10~100k/S工作能量范圍：0.1~30keV工作高壓：~120VDC壽命：長工作溫度：室溫83正比計(jì)數(shù)器與半導(dǎo)體探測器能譜比較84前置放大器-電荷靈敏放大電路A0前置放大器的作用是將探測器輸出的微弱電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號前置放大器原理圖85前置放大器-輸出信號特點(diǎn)信號幅度?。ㄍǔＪ莔v量級）脈沖尾部約為80us長，容易造成脈沖堆積峰形頂部很尖，這樣會帶來顯著的彈道虧損前放輸出信號中疊加了白噪聲，降低了信號的信噪比前置放大器實(shí)際輸出信號86主放大器-功能主放大器（成形放大器）的作用：提高信號的信噪比：成形放大器也可以看成濾波器，它在頻域里是濾去各種頻帶外噪聲的頻率成分，而在時(shí)域里就是確定信號的形狀改變輸出脈沖的波形：成形脈沖要足夠窄，以滿足系統(tǒng)計(jì)數(shù)率的要求、減少信號堆積；頂部要比較平坦,減少彈道虧損，保證幅度分析儀的測量精度對信號進(jìn)一步放大87主放大器-設(shè)計(jì)要求

通常認(rèn)為，單極性、高斯形的脈沖具有較理想信噪比，同時(shí)峰形的頂部也較為平坦，是較為理想的脈沖波形；但是高斯形脈沖在實(shí)際電路中是無法實(shí)現(xiàn)的，只能用其它的方法去逼近它，成形為半高斯峰或準(zhǔn)高斯峰。 這里用

CR－(RC)2成形電路得到的脈沖波形來逼近高斯峰。88主放大器-設(shè)計(jì)時(shí)，89主放大器-設(shè)計(jì)

成形放大器中需要確定的參數(shù)是和，決定了極零點(diǎn)是否完全相消，值則決定了成形脈沖的形狀；若選擇不當(dāng)會造成極零相消不完全。即整個放大電路為3重實(shí)極點(diǎn)時(shí)，

當(dāng)時(shí)間常數(shù)的選擇：電路的成形脈沖的信噪比最好。此時(shí)放大電路的沖擊響應(yīng)函數(shù)為：

90主放大器-輸出波形主放大器輸出脈沖是準(zhǔn)高斯峰主放大器輸出脈沖寬度約2us主放大器將輸入脈沖放大了400～500倍主放大器輸出波形91多道－功能及結(jié)構(gòu)多道即脈沖幅度多道分析器，由閾值甄別電路、采樣保持電路、AD變換器、道寬均衡電路、存儲器及相關(guān)時(shí)序控制電路組成。多道將成形脈沖模擬信號數(shù)字化為某一道值并記錄在存儲器中，為后續(xù)譜處理及譜分析提供原始數(shù)據(jù)。92多道－采樣保持電路 對于能量色散X熒光分析儀，區(qū)分不同能量的特征X射線的是靠鑒別其脈沖幅度的大小，因此，需設(shè)計(jì)專門的采樣及保持電路對脈沖幅度值（即峰值）進(jìn)行準(zhǔn)確地檢測并在ADC變換之前保持此脈沖幅度值。 峰值采樣及保持電路的工作時(shí)序?yàn)椋翰蓸与娐凡蓸拥矫}沖的峰值時(shí)，就會自動地加以保持，并產(chǎn)生觸發(fā)信號啟動ADC進(jìn)行變換；ADC變換時(shí)，要產(chǎn)生信號封鎖模擬信號的輸入，避免影響ADC變換；ADC變換完畢后，要產(chǎn)生信號清除采樣及保持的峰值，允許模擬信號輸入，以進(jìn)行下一個峰值的采樣。93多道－閾值甄別電路

閾值鑒別電路用來甄別輸入模擬信號的脈沖幅度，只將閾值范圍內(nèi)感興趣的模擬信號送給ADC進(jìn)行模數(shù)變換，而忽略掉閾值范圍以外的不感興趣的模擬信號。 這樣，處于閾值范圍外的信號就不會占用ADC的變換時(shí)間，從而可以減少系統(tǒng)的死時(shí)間，特別在強(qiáng)噪聲時(shí)尤為明顯。94多道－采樣保持及閾值甄別電路實(shí)例95多道－ADC

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件。

ADC分類并行比較型：速度最快分級流水型

逐次逼近型：性價(jià)比較高

積分型

Σ-Δ型：精度最高96多道－ADC參數(shù)主要參數(shù)：輸入電壓：0~3V、0~5V、0~10V轉(zhuǎn)換時(shí)間：us、ms分辨率：8位、10位、12位、16位積分非線性：±1LSB、±2LSB微分非線性：±1LSB、±2LSB97ADC-積分非線性(INL)積分非線性表示了ADC器件在所有的數(shù)值點(diǎn)上對應(yīng)的模擬值和真實(shí)值之間誤差最大的那一點(diǎn)的誤差值，也就是輸出數(shù)值偏離線性最大的距離。單位是LSB(最低有效位)。例如，一個12bit的ADC，INL值為1LSB，那么，對應(yīng)基準(zhǔn)4.095V，測某電壓得到的轉(zhuǎn)換結(jié)果是1000b，那么，真實(shí)電壓值可能分布在0.999V到1.001V之間。

98ADC-微分非線性DNL理論上說，模數(shù)器件相鄰兩個數(shù)據(jù)之間，模擬量的差值都是一樣的。就好比疏密均勻的尺子。但實(shí)際上，相鄰兩刻度之間的間距不可能都是相等的。所以，ADC相鄰兩刻度之間最大的差異就叫微分非線性DNL，也稱為差分非線性。例如，如果對于12bit的ADC，其INL＝8LSB，DNL＝3LSB，在基準(zhǔn)電壓為4.095V時(shí)，測得A電壓對應(yīng)讀數(shù)為1000b，測得B電壓對應(yīng)讀數(shù)為1200b。那么就可以判斷出，B點(diǎn)電壓值比A點(diǎn)高出197mV到203mV，而不是準(zhǔn)確的200mV。

99多道－ADC參數(shù) 選擇ADC的主要考慮是轉(zhuǎn)換速度和分辨率的問題。

ADC的轉(zhuǎn)換速度影響著多道的計(jì)數(shù)率。ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間在整個模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中占主要部分，縮短ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間將提高多道的計(jì)數(shù)率。

ADC的分辨率決定了對模擬量的量化精度。參考電壓確定后，即確定了能區(qū)分的最小模擬量的值；顯然，這也決定著多道的能量分辨率。 此外，ADC的線性（包括積分非線性和微分非線性）也是需要考慮的重要因素。ADC的積分非線性反應(yīng)了實(shí)測幅度響應(yīng)和理想幅度響應(yīng)的偏差程度，它會影響變換結(jié)果的準(zhǔn)確度，帶來能量計(jì)算的誤差；而微分非線性反映了道寬的不均勻性，它會帶來峰形的歧變或假峰。引起微分非線性的因素主要有數(shù)字干擾和隨機(jī)干擾。100多道－ADC參數(shù)選擇

根據(jù)X熒光分析儀的應(yīng)用場合，ADC的精度應(yīng)該根據(jù)譜儀的設(shè)計(jì)道數(shù)來選取，而ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間主要根據(jù)譜儀設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)率要求來選擇。 假設(shè)多道的總道數(shù)為2048道，那么至少應(yīng)該選取12位的ADC才能滿足分辨率的要求 假設(shè)設(shè)計(jì)的平均計(jì)數(shù)率約為5KCPS，考慮到特征X射線產(chǎn)生在時(shí)間上服從泊松分布，為了減少計(jì)數(shù)的丟失，把系統(tǒng)的計(jì)數(shù)率設(shè)計(jì)為50KCPS，每個核事件的處理時(shí)間不大于20us。考慮到AD變換前后數(shù)據(jù)處理時(shí)間，ADC的變換時(shí)間應(yīng)小于10us。

101多道－道寬均衡器道寬均衡器電路由計(jì)數(shù)器、DAC、模擬加法器和數(shù)字加法器構(gòu)成。

102多道-道寬均衡器道寬的不均勻性嚴(yán)重影響模數(shù)變換器的微分非線性。數(shù)字干擾是指數(shù)字電路的狀態(tài)變化對道寬不均勻性產(chǎn)生的影響。在線性放電型模數(shù)變換器中，數(shù)字干擾是道寬不均勻的主要原因。主要產(chǎn)生干擾的電路是地址寄存器電路?；邷y量技術(shù)：用一根刻度不準(zhǔn)確的尺子去測量一段棒的長度，如果多次測量，每次測量用不同的起點(diǎn)，然后對多次測量的結(jié)果求平均，則其結(jié)果要比一次測量要精確得多。把模數(shù)變換器的功能看作是用來測量輸入脈沖幅度的一把尺子，但是它的’道寬’刻度不均勻，因此要用不同的起點(diǎn)來測量輸入脈沖幅度。這可以在輸入脈沖上疊加一個ΔV的電壓電平，經(jīng)過模數(shù)變換之后，再減去相應(yīng)ΔV的數(shù)碼。ΔV取得不同，則起點(diǎn)測量就不同，最后再取平均值，這樣可以使道寬不均勻性減小。103多道－道寬均衡器 設(shè)數(shù)字為M，其變化為ΔM，在每次變換以前，在地址寄存器的前x位預(yù)先放置一個數(shù)碼M0，M0在0~(2x-1)中周期性變化(或隨機(jī)變化)，若從0變化到(2x-1)，則第M道道寬的數(shù)字干擾是原來第M道到第(M+2x-1)道數(shù)字干擾的平均值。即:

同理，第M+1道的數(shù)字干擾的平均值為:

則第M道和第M+1道數(shù)字干擾的平均值之差為:

假設(shè)第M道和第M+1道的數(shù)字干擾之差為整個道址區(qū)間任意兩道數(shù)字干擾之差的最大值，那么很明顯，經(jīng)過道寬均衡以后，道寬一致性改善了2x倍。104多道－數(shù)據(jù)存儲電路數(shù)據(jù)存儲電路的功能是把每一個量化的脈沖幅度值記錄到相應(yīng)的存儲單元，并把原存儲單元的計(jì)數(shù)值加1?？梢姡瑪?shù)據(jù)存儲電路必須能夠記錄所有的道，所以道數(shù)和每道的字長之積就是所需數(shù)據(jù)存儲單元的字節(jié)數(shù)；并且數(shù)據(jù)存儲電路能夠完成每一道計(jì)數(shù)值累加的功能，因此需設(shè)置一個計(jì)數(shù)器，在控制電路的控制下，先把原存儲單元的計(jì)數(shù)值讀入計(jì)數(shù)器，在控制計(jì)數(shù)器加1，最后將結(jié)果存回原存儲單元，完成累加功能。這種完成將存儲單元的計(jì)數(shù)值加1操作的稱為RAM＋1操作，其電路稱為RAM＋1電路。 存儲單元可以在多道上單獨(dú)添加存儲芯片，也可以利用計(jì)算機(jī)內(nèi)存區(qū)域。利用計(jì)算機(jī)的內(nèi)存區(qū)域時(shí)，需要在ADC與計(jì)算機(jī)之間使用接口電路進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)交換。目前較成熟的方法有多次去無規(guī)電路和DMA傳輸。

105多道－控制電路 多道的各個部分并不是完全獨(dú)立的，而是互相關(guān)聯(lián)、協(xié)同工作的整體。多道是否能正常工作，除了各個器件的因素外，控制電路的設(shè)計(jì)也是很重要的?？刂齐娐钒〞r(shí)序控制電路和組合控制電路。在多道中，控制電路能夠接受計(jì)算機(jī)的命令對上下閾值進(jìn)行設(shè)定；控制電路可以控制峰值采樣及保持電路的工作；并可以在峰值檢測信號和閾值判別信號的觸發(fā)下啟動ADC變換、鎖存變換結(jié)果、完成道寬均衡和RAM＋1操作等一系列時(shí)序邏輯控制。

106多道－時(shí)序圖107利用CPLD/FPGA設(shè)計(jì)硬件電路

CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）

FPGA（FieldProgrammableGateArray）

FPGA/CPLD是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一項(xiàng)技術(shù)，毫不夸張的講，F(xiàn)PGA/CPLD能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU，下至簡單的74電路，都可以用它來實(shí)現(xiàn)。FPGA/CPLD如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言（HDL）自由的設(shè)計(jì)一個數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真，我們可以事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。在印刷電路板完成以后，利用FPGA/CPLD的在線修改能力，還可以隨時(shí)修改設(shè)計(jì)而不必改動硬件電路。使用FPGA/CPLD來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，減少印刷電路板的面積，提高系統(tǒng)的可靠性。108CPLD和FPGA的結(jié)構(gòu)性能比較

CPLDFPGA集成規(guī)模?。ㄗ畲髷?shù)萬門）大（最大達(dá)百萬門）單元粒度大（乘積項(xiàng)結(jié)構(gòu)）?。ú檎冶斫Y(jié)構(gòu)）互連方式集總總線分段總線、長線、專用互連編程工藝EPROM、EEPROM、FLASHSRAM編程類型ROM型RAM型，須與存儲器聯(lián)用信息固定可實(shí)時(shí)重構(gòu)觸發(fā)器數(shù)目少多邏輯單元功能強(qiáng)弱傳輸延遲確定，可預(yù)測不確定，不可預(yù)測加密性能可加密不可加密適用場合邏輯型系統(tǒng)數(shù)據(jù)型系統(tǒng)109CPLD和FPGA設(shè)計(jì)流程110CPLD仿真實(shí)例111CPLD時(shí)序邏輯控制和組合邏輯控制的系統(tǒng)框圖CPLD系統(tǒng)框圖112EDXRF系統(tǒng)硬件的發(fā)展趨勢小型化

集成電路的發(fā)展，元器件功能增強(qiáng)智能化

使用簡單，接口豐富

通用化算法豐富，多場合、用途使用113FPGAAfield-programmablegatearray(FPGA)isanintegratedcircuitdesignedtobeconfiguredbythecustomerordesigneraftermanufacturing—hence"field-programmable".TheFPGAconfigurationisgenerallyspecifiedusingahardwaredescriptionlanguage(HDL),similartothatusedforanapplication-specificintegratedcircuit(ASIC)(circuitdiagramswerepreviouslyusedtospecifytheconfiguration,astheywereforASICs,butthisisincreasinglyrare).FPGAscanbeusedtoimplementanylogicalfunctionthatanASICcouldperform.Theabilitytoupdatethefunctionalityaftershipping,partialre-configurationoftheportionofthedesignandthelownon-recurringengineeringcostsrelativetoanASICdesign,offeradvantagesformanyapplications.AnAltera

StratixIVGXFPGAAFPGAprogramming/evaluationboard114ASICAnapplication-specificintegratedcircuit(ASIC)isanintegratedcircuit(IC)customizedforaparticularuse,ratherthanintendedforgeneral-purposeuse.Forexample,achipdesignedsolelytorunacellphoneisanASIC.IntermediatebetweenASICsandindustrystandardintegratedcircuits,likethe7400orthe4000series,areapplicationspecificstandardproducts(ASSPs).Asfeaturesizeshaveshrunkanddesigntoolsimprovedovertheyears,themaximumcomplexity(andhencefunctionality)possibleinanASIChasgrownfrom5,000gatestoover100million.ModernASICsoftenincludeentire32-bitprocessors,memoryblocksincludingROM,RAM,EEPROM,Flashandotherlargebuildingblocks.SuchanASICisoftentermeda

SoC(system-on-a-chip).DesignersofdigitalASICsuseahardwaredescriptionlanguage(HDL),suchasVerilogorVHDL,todescribethefunctionalityofASICs.Field-programmablegatearrays(FPGA)arethemodern-daytechnologyforbuildingabreadboardorprototypefromstandardparts;programmablelogicblocksandprogrammableinterconnectsallowthesameFPGAtobeusedinmanydifferentapplications.Forsmallerdesignsand/orlowerproductionvolumes,FPGAsmaybemorecosteffectivethananASICdesigneveninproduction.Thenon-recurringengineeringcostofanASICcanrunintothemillionsofdollars.115問題思考某些核信號探測中，為什么要使用前置放大器？測量系統(tǒng)的最大計(jì)數(shù)率與那些因素有關(guān)？采用X光管激發(fā)的熒光分析系統(tǒng)，為什么使用前需要預(yù)熱？主放大器的主要作用是什么？FPGA的優(yōu)點(diǎn)是什么?116參考資料1復(fù)旦大學(xué)，清華大學(xué)，北京大學(xué)合編.原子核物理實(shí)驗(yàn)方法(上)[M].北京：原子能出版社，1985.王芝英.核電子學(xué)技術(shù)原理[M].北京：原子能出版社，1989.曹利國.能量色散X射線熒光方法[M].成都：成都科技大學(xué)出版社，1998.吉昂，陶光儀，卓尚軍.X射線熒光光譜分析[M].北京：科學(xué)出版社，2003.梁鈺.X射線熒光光譜分析基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.肖倫.放射性同位素技術(shù)[M].北京：原子能出版社，2005.羅立強(qiáng)，詹秀春，李國會.X射線熒光光譜儀[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.丁洪林.核輻射探測器[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2010.http://http://1172-A、射線無損檢測技術(shù)Radiationnondestructivetestingtechnology118有損檢測和無損檢測有損檢測：破壞性，可靠性低抽樣，統(tǒng)計(jì)學(xué)，<100