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1、第七届全国核仪器及其应用学术会议暨全国第五届核反应堆用核仪器学术会议论文集P r o c e e d i n g s o f t h e7 t h N a t i o n a l C o n f e r e n c e o H N u c l e a r I n s t r u m e n ta u d I t s A p p l i 明t i o n t h e5 t hN u c l e a rR f a c t o rI n s t r u m e n tC o R f e r e B c e便携式管激发x 荧光分析系统杨强。，赖万昌，葛良全( 成都理丁大学成都8 t 0 0 5 9 )
2、楫妥本文介目r 甚于A 眺7 体系结柯的使携式管擞发X 荧光分折系统蹬”丁x 光管控制电镕并进行r 卅步应用。x 射线管撒发耀靛m 光子的能量和强度连续W * 实验表岍通过杖置台适的参教对下同含量的各种元素均县有较好的擞发效率。* 键到：X 射线营：荧光骨析：便扭式： 心在实现现场物质成分快速、无损分析中，X 荧光分析方法得到了广泛的推广应用。国外一些知名公司相继都推出了x 射线荧光分忻仪器及其相应的配套处理软件。便携式现场应用对仪器的体积、功耗等性能指标上都提出了更加严格的耍求。同时在测量中、低原子序数元素和环境保护方面，采用x 光管作为激发装置比传统放射源激发具有突出的优势。对此，本文提出
3、基于 删7 体系结构采用x 光管作为荧光分析镦发源的便携式x 射线荧光分析系统。1 系统结构便携式x 荧光分析系统分为控制台和探测器两个部分。控制台包含放大器、多道缓存器、输入输出设备以及存储设备等扑设，其控制核心是嵌入式A R M 7 微处理芯片L P C 2 1 4 8 ，控制器通过S P I 总线控制光管的管压、管流等参数同时读取X 射线管的状态形成闭环控制回路。探头部分由探铡器和x 射线管以及高压发生模块组成。光管放出的X 射线在样品表面形成特征x 射线返回到探测器表面后形成信号，系统原理框幽见幽l 。幽1X 荧光分析系统原理框图F i 9 1P r i n c i p ed i a
4、g r a m o f X - r a ya n a l y s i sS y s t e m资助m I z l ：国家8 6 3 计划( 编号；2 0 ( 1 6 A A 0 9 2 2 1 9芋蜜翌裂翟斟 凰瞽一2 工作原理2 1 探测器 探测器选择的是s 卜P I N 半导体x 射线撩测器型号为X R l O O C R 。该产品曾安装在1 9 9 7 年美国P a t h f i n d e r 号飞船上，于1 9 9 7年4 月完成对火星表面岩石、士壤成分的服位分析任务。该型号产品将S l - P I N 半导体，电致冷装置和电荷灵敏放大器集成在一起，在室温F 即可获得好的技术指标，
5、对”F e 源59 k e Y 能量射线的能量分辨率达到1 8 2 e v 左右探测器结构如图2 所示。22 x 射线管便携式X 荧光分析系统的澈发源采 E d i X 系列x 射线管。E d i X 型x 射线管是瑞士c O 砸t 公司专为手持式x 射线荧光分析 仪设计的一体化微型x 射线源。它可应用于电子产品、玩具、珠宝内的重金属检测同时也可应用于土壤污染检测、矿石半定图2S i P I N 探测器结构图F i g 2S t r u c t u r eo fS i “P I ND e t e c t o r量检女j 等不同应用领域。具有体积小、重量轻、宽电源范围、控制筒便等特点。其工作电压
6、范国从65 到1 7V 均可适应，控制方式采用模拟信号输入，可检铡光管工作状态具体技术特性见表I 。表1 光管技术参数I n p u tV o l t a g e65 1 7 V D cX - r a yw i n d o wm a t e r i a lT a r g e tT u b eV o l t a g ei O k V 一4 0 k VT u b eC u r r e n t5 2 0 0 uAA m b i e n to p e r a t i n gt e m p e r a t u r e一1 0 。c + 5 0 H i g hV o l t a g eC o n t r
7、o l0 4 4 V D Cf o r 旷4 0 k VI V D C = I O k VC u r r e n tC o n t r o lO 8 V b Cf o r0 2 0 0 p I V C - 2 5p 图3X 光管发射谱( 4 0 k V ，spA )F i g3T u b e O u t p u tS p e c t r u ma t 4 0 k V , 5 Ax 射线管的靶材料是银，其发出的初节，必须 殳计相应的控制电路。E D i X级x 射线谱如罔3 所示。从圈中可以看出，4 0 4 一A G 一5 0 0 一E 型X 射线管的管压管流是光通过一个I O 针的接口采用模拟
8、量控制电管的发射谱中除了银的K 系特征x 射线外压调节范围是0 吖，电流调节范围是还存在铁的K 系特征x 射线。同时，光管0 8 v 。控制电路结构框图如图4 所示。发射谱线的能量是从0e V E _ ，e V 连续分由基准游产生的基准电压通过一个数布的，其发射光谱强度的最大值所对应的字电位器A D 5 2 6 2 产生调节电压数字电位能量约为垃大发射能量的t 3 。因此，为器的状态由A P , M 微控制器控制，谰节电压了得到较高的激发效率、提高荧光产额，x经过跟随、放人后经过一个保护电路接八光管发射光谱的能量应该大于特激发元素X 光管的控制引脚。光管的状态利用 特征x 射线能量的3 倍。控
9、制器自带的A D 转换器读取。2 3x 光管控制电路设计x 射线管的管压和管流可咀根据需求调圉4x 光管电源控制电路原理框圈F i g 4P r i n c i p ed i a g r a mo fT u b eC o n t r o lx 射线管的管电压、电流控制中需要动电压，再逐步提高至设定值。3 ) 停止光注意以下几点：1 ) E D I X 光管发出的射线管应先将管压、管流置为“O 再发出关能量最低不能低于l O k e V ；2 ) 光管管压、闭命令。光管控制程序的软件流程图如图管流控制采用“累加法”，即先加到最低启5 。( 画至卜F 砸三墨婴叵壶丑一一一t T i = e r酗5
10、 光管控制程序流程刨F i g5F r a m e * o r ko fT u b eC o t r o2 4 信号采集电路S i P I N 探测器输出的信号幅度只有毫伏级，不能直接川来分析需要将信号进行放人、整形。放大电路采用两级放大的设计思路，即在靠近探洲器端加一级前置放大此部分电路由A D 8 4 4 集成圃移叁一一固运算放人器实现：鲐前嚣_ 豉犬后的信号再转换使用，I E 路原理幽如崮6经过主放人器0 1 4 ：6 7 进行二级艘上以供 D3 初步应用图6 艘太电路结构图F i g6A r “p l i f i e rC i r c u i tS t r u c t u r e利用研
11、制的便携式管馓发x 荧光分析仪对钒矿样品进行了初步测量并与用“P u 源测量的结果进行了对比分析。在同时间相同测量条件下，光管对于轻元素的激发效率要高于放射社；，元素雌背比、计数率明显提高。 但是由于光管发出的是连续谱，仪器谱的本底计数也相应增加。x 射线管与蝴P u 源测量的仪器谱如嘲7 、国8所示。，图j 。光管钒矿样目幢谱辈F l g8 留X 8 - r a P u y - 2 f 3 8 l u o 源r e 钒s c 矿e n 样c e 测s 量p e 谱c t 线r u mb y晦7x 。8 yf l “e s c e s p 。t “b yT u b e ”P u 一2 3 84
12、 总结便携式管激发X 茕光分析系统采用S i P I N 半导体探测器利用X 射线管作为激发源，设计了X 射线管的控制电路芹进行了实测。x 光管激发源发射光子能量、愠度连续u 调通过致置合理的测量参数，能够获得比传统激发源更蚶的激发效果。在测量中，轻元素及环境保护方面具有突出的优势，值得推应用。磐专空mi车丹，E D i X + 【型管 ：量邑触x 荧光* 析中的f E 目f 究，口川成都理T 人# ，2 0 0 82陈光：饶益：陈酶挥，X 射线# l 营【U 流控“女往“ f f E ，棱 b 了学，撵测技术2 0 0 8 ( 4 3扬“幔 止舯线甏数掘* 理系统的研叫川，m 嚣g 工 学，
13、2 0 0 74马m 红：葛垒；艘万日，x 射线荧光分析倥m 靶自动控制系统的设计物探化探计算技木，2 0 0 6 ( 1 )5稹月昌：葛a 全是永鹂等现场高是域崖X 射线荧光探矿技术的研究，地质与勘探2 0 0 4 ( 1 )6 谢忠信射线光带分析北京，科学 I ；版祉，1 9 8 2Ap o r t a b l et u b ee x c i t i n gX r a yf l u o r e s c e n c ea n a l y s i ss y s t e mY A N GQ i a n gL A IW a n c h a n gG EL i a n g q u a n( C h
14、e n g D uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y , C h e n g d u6 1 0 0 5 功A b s t r a c t ! A r t i c l ei n t r o d u c e dap o r t a b l et u b ee x c i t i n gX - r a yf l l l O l t e s c g n c ea n a l y s i ss y s t e mw h i c hi sb e do na f l na r c h i t e c t u r eA l s o ，w ed e s i g
15、n e dT u b ec o n t r o lc i r c u i ta n df i n i s h e dp r e l i m i n a r ya p p l i c a t i o nT h ee n e r g ya n dt h ei n t e n s i t yo f t b ep h o t o nc a nb ea d j u s t e dc o n t i n u o u s l yb yu s i n g t h e t u b eE x p e r i m e n t ss h o w t h a th i g he x c i t a t i o ne f f i c i e n c yo b t a i n e db ys e t t i n gt h ea p p r o p r i a t en n e no f t h et u b ef o rt h ev a r i o u se l e m e n t sK e yW o r d s ：X r a yT u b e ；F l u o r e s c e n c ea n a l y s i s ；P o r t a b l e ；A R M9
