能量色散X射線熒光光譜儀的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

楊偉清 張 磊 付曉光

（中國建筑材料科學(xué)研究總院，中國建筑材料檢驗(yàn)認(rèn)證中心有限公司，北京 100024）

1 X-熒光能譜儀簡介及硬件結(jié)構(gòu)

自上世紀(jì)80年代以來，隨著半導(dǎo)體材料和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了Si(Li) 探測器技術(shù)和能量色散分析技術(shù)，一種新的多元素分析儀器——能量色散x射線熒光光譜儀（簡稱為能譜儀）迅速發(fā)展起來，X射線能譜分析技術(shù)已成為表面分析中的常規(guī)分析技術(shù)，在催化化學(xué)、新材料研制、微電子、陶瓷材料等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

基于x射線能譜分析技術(shù)研發(fā)的能譜儀，激發(fā)源的高壓源體積小，功率高，可以提供高達(dá)50kv/1mA的功率。高壓加在光管上，產(chǎn)生的射線經(jīng)濾波片和準(zhǔn)直器，由X-123探測器接收，獲得的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算從而得到結(jié)果。本文將介紹能譜儀的控制系統(tǒng)，對(duì)控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)說明。

為了不同的檢測目的，有各種各樣的X熒光能譜儀, 包括便攜式熒光能譜儀可以在野外使用的簡易儀器和在實(shí)驗(yàn)室中使用的大型儀器，其工作原理是相同的。儀器主要包括四個(gè)部分：A. X-熒光激發(fā)源；B. X-熒光探測器；C. 樣品室及控制系統(tǒng)；D.信號(hào)處理、數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)。能譜儀硬件控制系統(tǒng)主要分為主控電路、檢測電路、電源電路、通訊電路等部分，以下介紹了能譜儀的硬件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)軟件。

1.1 主控電路

硬件電路需要實(shí)現(xiàn)檢測信號(hào)、數(shù)據(jù)處理、輸出控制等功能，要求能夠穩(wěn)定的進(jìn)行工作，同時(shí)需要具有一定的擴(kuò)展能力，以方便日后對(duì)儀器的功能改進(jìn)。在此選用了美國cygnal公司的c8051f單片機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)高速處理數(shù)據(jù)。這一系列單片機(jī)具有模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、溫度傳感器等元件，功能強(qiáng)大，既減少了外圍器件，同時(shí)便于擴(kuò)展。

X-熒光是波長極短的電磁波，為非可見光，需要使用探測器進(jìn)行探測，探測器可以將X-熒光電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。探測器的性能主要體現(xiàn)在對(duì)熒光探測的檢出限、分辨率、探測能量范圍的大小等方面。高壓源加在光管兩端，激發(fā)出的射線通過濾波器和準(zhǔn)直器，由探測器接收。由于不同元素激發(fā)出的能譜不同，因此需要根據(jù)不同的元素調(diào)整濾波器和準(zhǔn)直器。

一般的熒光能譜儀均是從事材料的平均成份分析，對(duì)材料中的夾雜物或不均勻材料或小顆粒的分析有很大的局限性。為了解決這一常見的問題，目前有一種非常成熟的能譜技術(shù)。這種能譜叫微束熒光能譜儀?？蓪?duì)微小區(qū)域入行有選擇的分析，又有對(duì)微小區(qū)域同時(shí)看察的可視系統(tǒng)?？赏ㄟ^精密樣品臺(tái)的移動(dòng)對(duì)樣品細(xì)小的區(qū)域入行成份分析。此次能譜儀的研制就采用了這種技術(shù)，加裝了一個(gè)微動(dòng)平臺(tái)。通過攝像頭的觀察調(diào)整微動(dòng)平臺(tái)，大大提高了系統(tǒng)的精度。

對(duì)光管高壓、探測器、微動(dòng)平臺(tái)等器件的控制，如圖1所示：

圖1 對(duì)光管高壓、探測器、微動(dòng)平臺(tái)等器件的控制

輸出電路由cpu輸出控制信號(hào)，經(jīng)過與門芯片75451B，控制繼電器輸出。由于準(zhǔn)直器、觀察板是直線行程，需要進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)，因此要求電機(jī)既能夠正轉(zhuǎn)，又能夠反轉(zhuǎn)，所以在此采用了雙繼電器輸出，每個(gè)繼電器既可以輸出電壓，又可以作為輸出地，從而使得只采用一個(gè)電機(jī)即解決了問題。其電路如圖2所示：

圖2 輸出電路

1.2 檢測電路

系統(tǒng)需要接收的信號(hào)有濾波器位置變化、準(zhǔn)直器位置變化及樣品臺(tái)是否到位等。由于濾波器的每個(gè)濾波片不同，準(zhǔn)直器的探測孔徑也不同，因此需要對(duì)不同的濾波片和準(zhǔn)直器進(jìn)行編號(hào)并定位。光電開關(guān)具有無接觸、精度高等優(yōu)點(diǎn)，并且一般都具有良好的回差特性，即使被檢測物在小范圍內(nèi)晃動(dòng)也不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器的輸出狀態(tài)，從而可使其保持在穩(wěn)定工作區(qū)，能夠安全可靠的檢測高速變化，所以在此用來檢測濾波器和準(zhǔn)直器的位置變化。

微動(dòng)平臺(tái)是否到位信號(hào)是開關(guān)量，易于檢測，但開關(guān)量信號(hào)容易對(duì)cpu產(chǎn)生干擾信號(hào)，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要加上光電隔離濾去干擾信號(hào)再進(jìn)入cpu。

1.3 電源、通訊電路

系統(tǒng)需要的電源有+12V,+5V,+3.3V,由于光電隔離電路的存在，因此+12V和+5V需要是兩個(gè)獨(dú)立的電源，因此采用了雙變壓器分別產(chǎn)生。+3.3V則直接由5V產(chǎn)生，需要為cpu提供數(shù)字電壓和模擬電壓。

系統(tǒng)用usb模塊取代了傳統(tǒng)的RS232，使得應(yīng)用更加方便。

2 控制系統(tǒng)軟件部分

放入樣品，啟動(dòng)電源。當(dāng)系統(tǒng)上電后，cpu初始化系統(tǒng)，給高壓提供電源，散熱風(fēng)扇打開，濾波器和準(zhǔn)直器回歸到初始位置，等待接收命令。測得的數(shù)據(jù)通過USB串口通訊傳到上位機(jī)。此控制算法，重點(diǎn)在于濾波片及準(zhǔn)直器的控制。設(shè)置起始位置后，通過光電檢測開關(guān)檢測并儲(chǔ)存運(yùn)行相應(yīng)的位置。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)軟件程序圖

3 X-熒光能譜儀的應(yīng)用

由于X-射線能譜儀的操作簡便，工作效率高，一般多元素樣品分析時(shí)間為2-3分鐘，儀器維護(hù)費(fèi)用低， 且儀器壽命長，比其他于元素分析儀器購置費(fèi)用低等突出的特點(diǎn)。故目前的在各個(gè)行業(yè)的化學(xué)分析專業(yè)均有應(yīng)用。近幾年特別是在冶金行業(yè)尤為突出。如黑色，有色金屬中的各種合金材料，貴金屬，冶金的各種原料，礦石，鐵合金類，爐渣，保護(hù)渣，耐火材料等均有良好的應(yīng)用實(shí)踐。

4 結(jié)論

此次研發(fā)的硬件控制系統(tǒng)，經(jīng)過測試，順利完成所需功能，在測試元素組成方面，特別是測量非金屬中所含的金屬元素，非常準(zhǔn)確。此類儀器，具有光明的應(yīng)用前景。

[1]曹利國 能量色散X射線熒光方法 成都科技大學(xué)出版社 1998

[2]能量色散X熒光分析儀的研制

[3]R.Tertian, F.claisse. Principle of Quantitative X-Ray Fluorescence Analysis. Heyden&Son Ltd.(1982)

[4]能量色散譜儀分析中的疑難問題 華東冶金學(xué)院學(xué)報(bào). Vol.12,No.2 (1996) 180-183