針對(duì)白云鄂博礦Nb元素識(shí)別的全數(shù)字化EDXRF仿真

江杰+王龍+杜永興+趙德勝

摘 要： 鈮元素是我國(guó)諸多行業(yè)的戰(zhàn)略性元素，但目前鈮元素過(guò)分依賴(lài)進(jìn)口，究其主要原因是國(guó)內(nèi)的鈮礦品位過(guò)低，批量開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益低下，同時(shí)化學(xué)分選對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的不可逆破壞。為了從源頭提高鈮礦的品位，設(shè)計(jì)了一種全新的X射線(xiàn)熒光信號(hào)處理方法，從而更加適用于快速地識(shí)別礦石中的鈮元素含量，單塊配制樣品在0.05～0.5 s的時(shí)間內(nèi)即可檢測(cè)出鈮元素的含量。并且解決了傳統(tǒng)熒光儀利用模擬系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理，而過(guò)分依賴(lài)電阻與電容導(dǎo)致的穩(wěn)定性，可重復(fù)性差、吞吐量低、彈道虧損嚴(yán)重、基線(xiàn)偏移較大等問(wèn)題。提出一種運(yùn)用全數(shù)字化方式進(jìn)行信號(hào)處理的思路，將熒光探測(cè)器發(fā)出的信號(hào)首先進(jìn)行數(shù)字化，保證信號(hào)的完整性，通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波、微分與量化等處理，可以得到準(zhǔn)確的譜線(xiàn)信號(hào)。通過(guò)對(duì)成分及含量已知的樣品進(jìn)行測(cè)試，證明結(jié)果準(zhǔn)確，各項(xiàng)指標(biāo)得到優(yōu)化。

關(guān)鍵詞： X熒光； 高速數(shù)據(jù)采集； 數(shù)字信號(hào)處理； 譜線(xiàn)成形

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.72?34； TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）18?0168?03

All?digital EDXRF simulation for Nb element identification in Bayan Obo

JIANG Jie1， WANG Long1， DU Yongxing1， ZHAO Desheng2

（1. School of Information Engineering， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014000， China；

2. Key Laboratory of Integrated Exploitation of Bayan Obo Multi?Metal Resources， Baotou 014010， China）

Abstract： Niobium is a strategic element in numerous industries of China， and depends on imports excessively. The main reason of the above?mentioned phenomenon is that the grade of niobium ore in China and economic benefit of batch exploitation are low， and the chemical separation causes serious irreversible damage to environment. In order to improve the grade of Nb ore essentially， a new X?ray fluorescence signal processing method was designed to identify the content of niobium element in ore rapidly， with which the content of niobium element in single?block prepared sample can be detected within 0.05?0.5 s. The problems of poor stability and repeatability， low throughput， severe ballistic losses and big baseline shift are solved， which is caused by over?reliance on resistance and capacitance while the analog system of the traditional luminoscope is used for signal processing. A thought of all?digital signal processing is proposed to digitize the signal emitted by fluorescence detector to ensure signal integrity. The digital signal is processed with filtering， differential and quantization to get the accurate spectral line signal. The samples with known composition and content were tested. The result proves that it is accurate and all the indicators have been optimized.

Keywords： X?ray fluorescence； high?speed data acquisition； digital signal processing； spectral line forming

0 引 言

鈮元素（Nb）因其獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于超導(dǎo)、高溫合金、醫(yī)療等領(lǐng)域。位于內(nèi)蒙古的白云鄂博礦[1]是世界上最大的Fe?REE?Nb礦[2]，其合理開(kāi)發(fā)與綜合利用問(wèn)題亟待解決。利用白云鄂博框中的鈮元素的分布不均勻這一特點(diǎn)，可以將Nb品位較高的礦石利用非化學(xué)手段分離并富集，那么鈮元素[3]的識(shí)別是其中的重要一環(huán)。X射線(xiàn)熒光是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型選礦手段，它可以無(wú)損地識(shí)別礦石中的元素種類(lèi)以及含量，但傳統(tǒng)的熒光識(shí)別技術(shù)主要依賴(lài)于傳統(tǒng)模擬電路，基線(xiàn)偏移較大，且穩(wěn)定性、分辨率以及速度等關(guān)鍵指標(biāo)受到嚴(yán)重制約。運(yùn)用數(shù)字化的信號(hào)處理[4]方式可以消除基線(xiàn)[5]漂移的影響，顯著提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可重復(fù)性以及抗干擾能力，相比模擬方式具有較大的優(yōu)勢(shì)。本文以探測(cè)器輸出的原始信號(hào)為基礎(chǔ)，建立數(shù)字化信號(hào)處理的模型，進(jìn)行了鈮元素識(shí)別的算法仿真，驗(yàn)證了該思路的可行性。endprint

1 測(cè)試方法

1.1 測(cè)試模型

當(dāng)X射線(xiàn)管產(chǎn)生原級(jí)射線(xiàn)照射到礦石上后，受激發(fā)后的樣品中每一種元素都會(huì)放射出X射線(xiàn)（次級(jí)射線(xiàn)），因?yàn)椴煌禺a(chǎn)生的射線(xiàn)能量不同，所以這些射線(xiàn)被探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)化為電階梯信號(hào)時(shí)其幅值會(huì)有相應(yīng)的差異，信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字化。隨后對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、濾波、成形、幅值量化[6?15]、譜線(xiàn)繪制等一系列的處理分析。最后以幅值大小為特征變量分辨出元素種類(lèi)信息，以同幅值信號(hào)數(shù)目為特征變量分辨出某一元素的含量。數(shù)據(jù)采集與處理的模型搭建如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集及處理模型

1.2 測(cè)試樣品

（1） 五氧化二鈮分析純。

（2） 五氧化二鈮與三氧化二鐵混合樣品。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，階梯信號(hào)的跳變時(shí)間在100 ns左右，所以要求采樣頻率至少應(yīng)為20 MHz，此處為了減少數(shù)據(jù)丟失，用40 MHz的采樣頻率一次性存儲(chǔ)2×106個(gè)數(shù)字量。因?yàn)閄熒光探測(cè)器的輸出中高頻噪聲影響非常明顯，并不適合直接做后期處理，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)首先需要進(jìn)行濾波處理，利用快速傅里葉變換（FFT）計(jì)算出有效信號(hào)與噪聲的頻率范圍。利用Matlab的Filter Design & Analysis Tool工具箱依據(jù)FFT計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)出參數(shù)適宜的FIR濾波器，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，可以有效去除噪聲干擾，使信號(hào)變得易于處理。

探測(cè)器輸出的信號(hào)為連續(xù)階梯信號(hào)，如果直接獲取階梯幅值信息，則會(huì)因測(cè)量基準(zhǔn)不統(tǒng)一，使實(shí)現(xiàn)難度增大且造成一定的誤差。因?yàn)橐阎總€(gè)階梯的上升時(shí)間是固定的，所以通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行微分處理，可以保證幅值差異及大小規(guī)律保持不變且所有信號(hào)的基準(zhǔn)點(diǎn)都會(huì)落在橫軸上。微分運(yùn)算表達(dá)式為：

[H=kdUdt] （1）

式中：dU為階梯幅值；dt為階梯上升時(shí)間；k為比例系數(shù)；H為不同階梯對(duì)應(yīng)的微分值。因dt為定值，所以H（微分結(jié)果）可以完整保存原來(lái)階梯的幅值信息，且所有微分結(jié)果都排布在橫軸，便于處理。

信號(hào)經(jīng)過(guò)微分后的結(jié)果在方波的頂端依然存在波動(dòng)，這對(duì)幅值量化產(chǎn)生較大的影響。因?yàn)榉讲ǖ母叨菻等于方波面積S除以方波寬度，所以計(jì)算出方波的面積S可以對(duì)方波頂端的波紋求平均，降低了測(cè)量誤差。此處用到了線(xiàn)性卷積的方法。通過(guò)調(diào)節(jié)卷積區(qū)間的大小可以得到等腰梯形，梯形的高度就是方波的面積。

幅值量化的過(guò)程即卷積結(jié)果的峰值檢測(cè)過(guò)程，經(jīng)過(guò)微分以及卷積處理后的信號(hào)在橫軸上離散排列，只需逐點(diǎn)檢測(cè)其大小，并認(rèn)為大于設(shè)定閾值的連續(xù)點(diǎn)中的最大值為有效信號(hào)的峰值，該峰值直接反映探測(cè)器輸出梯度信號(hào)的幅值。

隨后即可以把不同幅值的信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)，設(shè)最大幅值為Vmax，最小幅值為Vmin，則幅值區(qū)間為Vmin～Vmax，將此區(qū)間均分為2n個(gè)小的幅值區(qū)間，并在x軸上標(biāo)定0～2n的坐標(biāo)，則有：

[d=Vmax-Vmin2n] （2）

第i個(gè)區(qū)間內(nèi)的幅值大小為：

[Vmin+d?（i-1）

當(dāng)某一信號(hào)的高度位于第i個(gè)區(qū)間內(nèi)，則在橫坐標(biāo)x為i處y值（光子計(jì)數(shù)）加1，根據(jù)這一原則，則可將檢測(cè)到的元素依次歸入相應(yīng)的區(qū)間內(nèi)。以0～2n作為橫坐標(biāo)，各區(qū)間信號(hào)數(shù)目為縱坐標(biāo)，即可以繪制元素的譜線(xiàn)。

2 測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證

本次測(cè)試中，采用的探測(cè)器型號(hào)為KETEK公司的VIAMP H7，X射線(xiàn)管為MOXTEK公司的50 kV MAGNUM系列，管電壓設(shè)置為35 kV，管電流為2 μA。

2.1 信號(hào)濾波處理

濾波效果的好壞是數(shù)字化EDXRF實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。由數(shù)據(jù)分析可知，噪聲干擾的頻率遠(yuǎn)大于有效信號(hào)，所以Response Type（濾波器類(lèi)型）選擇Lowpass（低通），Design Method（設(shè)計(jì)方法）選擇FIR的equiripple法，采樣頻率為40 MHz，通帶截止頻率為140 kHz，阻帶截止頻率為2 MHz，通帶衰減為0.1 dB，阻帶衰減為60 dB。根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計(jì)出的濾波器Order（濾波器階數(shù)）為102。

運(yùn)用該濾波器對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，得到的濾波及成形效果如圖2所示。從圖2中可以看到，濾波后的信號(hào)階梯分辨效果理想，高頻噪聲信號(hào)得到了很好的抑制，信號(hào)成形結(jié)果明顯。成形效果細(xì)節(jié)如圖3所示。圖中就是將臺(tái)階信號(hào)處理成為梯形的結(jié)果。不僅去除了基線(xiàn)上的噪聲，同時(shí)得到了光子能量的相對(duì)大?。ㄌ菪胃叨龋?。

2.2 能量標(biāo)定

在濾波及信號(hào)成形效果理想的前提下，在此進(jìn)行了譜線(xiàn)繪制。橫坐標(biāo)0～2n取n=8，則橫坐標(biāo)被分為256個(gè)通道，采樣時(shí)間設(shè)置為0.5 s，繪制10組采樣數(shù)據(jù)的譜線(xiàn)累加效果圖，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，鈮元素的Kα與Kβ特征峰繪制明顯，通過(guò)與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)譜線(xiàn)（256道址）進(jìn)行對(duì)比，可以確定鈮元素特征峰所在的橫坐標(biāo)位置是正確的。據(jù)此可以認(rèn)定利用該方法進(jìn)行鈮元素的識(shí)別是可行的。

2.3 含量標(biāo)定

為了驗(yàn)證該方法能否正確反映鈮元素含量的定量關(guān)系，使用粉末壓片法配制了鈮元素含量分?jǐn)?shù)分別為1%，2%，…，10%的鈮鐵混合樣品，分別繪制采樣時(shí)間為0.5 s的譜線(xiàn)，計(jì)算出特征峰半峰寬（FWHM）面積。繪制半峰寬（FWHM）面積與質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)性曲線(xiàn)，如圖5所示。由圖5可知，元素含量與半峰寬面積之間具有很好的相關(guān)性。

圖5中的直線(xiàn)方程為y=2.690 91x+5.4，其線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)是0.971，實(shí)際工作中要求R值大于0.8。認(rèn)定利用該方法進(jìn)行元素定量識(shí)別是可行的。隨著Nb元素品位的增加，相對(duì)測(cè)量誤差降低，與識(shí)別高品位礦石目標(biāo)相匹配。

3 結(jié) 論

利用數(shù)字化的處理方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)模擬電路進(jìn)行元素識(shí)別，可以擺脫模擬器件對(duì)成形時(shí)間的束縛，極大提高測(cè)量效率，同時(shí)消除了彈道虧損與基線(xiàn)漂移的影響，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)樣品進(jìn)行定性與定量分析，證明了該方法的可行性。通過(guò)迅速地分析礦石中的Nb元素，從而在源頭提高Nb元素的品位，不僅對(duì)后續(xù)的富集過(guò)程提供了高品位原料，也對(duì)環(huán)境保護(hù)做出了積極的貢獻(xiàn)，有效地避免大量化學(xué)藥劑帶來(lái)的生態(tài)問(wèn)題。

本文的思路與方法為研制適用于白云鄂博礦的全數(shù)字化新型熒光礦石分選機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

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