孟 源，唐 琳，2

（1.成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610106；2.成都理工大學(xué) 數(shù)學(xué)地質(zhì)四川省重點實驗室，四川 成都 610059）

0 引 言

核技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展已成為推進(jìn)新技術(shù)、新材料、新工藝不斷取得創(chuàng)新發(fā)展的動力之一，而X 射線光譜測量技術(shù)是利用X 射線熒光進(jìn)行物質(zhì)中元素定性、半定量分析的重要手段。X 射線熒光光譜法廣泛應(yīng)用于工業(yè)水泥生產(chǎn)、礦區(qū)礦產(chǎn)元素測量、大氣重金屬含量檢測、藥品成分分析、地質(zhì)研究、測井等方面[1?3]。隨著電子制作工藝的發(fā)展，探測器的能量分辨率到達(dá)更高水平，與之相對應(yīng)的后端電子學(xué)測量系統(tǒng)的優(yōu)化研究也取得了一些研究成果[4?6]。

X 射線產(chǎn)生的根源是高能粒子與待測樣品中的原子發(fā)生相互作用，原子由激發(fā)態(tài)退激到基態(tài)的過程中外層電子向內(nèi)躍遷填補空穴，多余的能量就會以特征X 射線的形式放出[7?8]。X 射線探測從本質(zhì)上來說是根據(jù)探測器接收到穿透物質(zhì)后射線的強度來實現(xiàn)的[9]。本文采用高性能硅漂移探測器（Fast SDD）用于X 射線的探測，探測器輸出的弱電流信號強度與透射的射線強度成正比，因此在X 射線光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中對脈沖信號幅度的分析也就為介質(zhì)材料成分的識別以及含量的計算提供了理論依據(jù)。本文提出的X 射線光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以FPGA 作為數(shù)據(jù)處理核心單元完成對數(shù)字脈沖信號的甄別和成形處理。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

X 射線光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括測量裝置和數(shù)字脈沖信號處理器（DPP）兩部分，其總體框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

首先，X 光管發(fā)出X 射線照射待測樣品，激發(fā)樣品產(chǎn)生X 熒光，隨后探測器接收熒光，入射光子與探測器相互作用產(chǎn)生電子?空穴對，施加在探測器兩端的電壓使得電子?空穴向相反方向運動，到達(dá)兩極進(jìn)行收集，進(jìn)而產(chǎn)生弱電流信號。探測器輸出的弱電流信號幅度小，抗干擾能力也不強，不適合傳輸，因此絕大部分半導(dǎo)體探測器都在探測器后端集成了相應(yīng)的前置放大器，弱電流信號經(jīng)前置放大器進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換成更加適合在DPP 中傳輸?shù)碾妷盒盘朳10]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 前端調(diào)理電路

前放輸出的電壓信號是一系列不斷堆積上升的周期性階躍信號，每個階躍信號的脈沖幅度只有幾百毫伏，在進(jìn)行數(shù)字化之前需要經(jīng)過主放電路將幅度放大到高精度ADC 的處理范圍內(nèi)。但前放輸出的階躍信號是堆積上升的，每個階躍脈沖上都疊加了一定的直流成分，如果直接對這樣的信號進(jìn)行放大處理很容易導(dǎo)致信號溢出，損失掉部分脈沖信息。因此，在進(jìn)行模擬信號數(shù)字化之前階躍信號必須經(jīng)過前端電路進(jìn)行信號整形與放大[11?12]。前端電路如圖2 所示，前端調(diào)理電路包括了CR 微分整形電路、主放電路、偏置調(diào)節(jié)電路以及程控增益放大電路四個部分[13]。CR 微分整形電路不僅能夠濾除周期性階躍信號中的直流成分，還可以將階躍脈沖整形為如圖2 所示的負(fù)指數(shù)脈沖。為了提高測量精度，本文系統(tǒng)將通過三級放大電路將負(fù)指數(shù)脈沖的幅度放大到ADC 芯片的輸入電壓區(qū)間內(nèi)。在三級放大電路中，第一級主放電路采用AD829 線性放大芯片，該芯片能夠?qū)π盘栠M(jìn)行±1～±20 倍放大。為了對主放輸出信號進(jìn)行偏置調(diào)節(jié)，二級放大電路采用AD8005 芯片作為偏置調(diào)節(jié)器，反相端連接主放電路的輸出信號，正向端接偏置電壓。偏置電壓由單片機（MCU）通過外部串行總線（SPI）發(fā)送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號提供。

第三級放大電路采用程控增益放大，如圖3所示，雖然也是通過DAC 和放大器來實現(xiàn)增益放大，但它區(qū)別于主放電路和偏置調(diào)節(jié)電路。該電路選用了一款低功耗、電流輸出型可編程ADC 來進(jìn)行增益控制，采用SPI 總線與MCU 進(jìn)行通信，其外部基準(zhǔn)電壓管腳（VREF）由偏置調(diào)節(jié)電路的輸出電壓提供，該電壓信號的幅度決定了AD5543的最大輸出電流。電流輸出管腳接入高速、低噪聲運算放大器AD829芯片的反向輸入端。

圖2 前端電路

圖3 程控增益放大電路

2.2 ADC 電路

探測器輸出信號經(jīng)前端調(diào)理電路整形、放大之后幅度范圍為0～2 V，本文系統(tǒng)選用高精度ADC 芯片AD9235?20，該芯片分辨率為12 位，采樣頻率最高可達(dá)20 MSPS，采用單端3.3 V 的供電方式，輸入信號幅度范圍為0～2 V 與前端調(diào)理電路的輸出范圍一致，在X 射線光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中起到了模擬信號數(shù)字化的作用。AD9235?20 芯片能夠支持差分輸入和單端輸入兩種方式，為了抑制共模干擾，提高測量系統(tǒng)性能，本系統(tǒng)采用的是差分輸入模式，ADC 配置電路如圖4 所示。

2.3 FPGA 算法處理單元

本 文 系 統(tǒng) 采 用Xilinx 公 司Spartan ? 3 系 列 的XC3S400 型FPGA，其內(nèi)部資源包括多電壓多標(biāo)準(zhǔn)的Select I/O 口、充足靈活的邏輯資源、層級Select RAM 存儲構(gòu)架、4 個數(shù)字時鐘管理器。在X 射線光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中FPGA 的主要職責(zé)是對ADC 數(shù)字化的離散負(fù)指數(shù)脈沖序列進(jìn)行實時緩存、數(shù)字梯形成形、脈沖幅度甄別，并將甄別出的脈沖幅度信息存入雙口RAM 中等待MCU 讀取。FPGA 內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖4 ADC 配置電路

圖5 FPGA 內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

3.1 系統(tǒng)功能測試

X 射線光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能測試環(huán)節(jié)中其測量裝置包含的源、樣、探分別選擇的是科頤維KYW2000A 型X 光管、自制鐵礦樣品以及AMPTEK 公司的Fast SDD。其中，X 光管的額定管壓為50 kV，額定管流為0～1 mA；探測器的有效探測面積為25 mm2，厚度為500 μm，鈹窗為0.5 mil，陽極靶材選用Ag 靶[13?14]；鐵礦樣品中元素成分較為復(fù)雜，既包含鎂、硅等輕元素，也包含鍶、錫等重元素。在進(jìn)行功能測試時，多道譜分析的道址為2 048，采用重元素模式和輕元素模式切換的方式進(jìn)行連續(xù)測量。重元素模式下設(shè)置管壓為49.0 kV，管流196.1 μA，輕元素模式下設(shè)置管壓為15.7 kV，管流39.2 μA。鐵礦樣品在不同模式下得到的譜圖如圖6所示。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

在確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)了基本功能的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就成了關(guān)注的另一個重要指標(biāo)。在進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性測試時，測量對象依舊采用自制的鐵礦樣品，如前文所述該樣品中既包含重元素Se、Sn 等，也包含輕元素Mg、Si、Ti、Fe 等，因此在做穩(wěn)定性測試時依然采用重元素模式和輕元素模式切換測量的方式，每種元素每次測量時間為100 s，兩種模式切換完成一次測量的時間大約是5 min，如此連續(xù)測量5 個工作日，獲取到1 359 組數(shù)據(jù)。

圖6 不同模式下的譜圖對比

受統(tǒng)計漲落和測量系統(tǒng)本身存在的干擾影響，在測量得到的譜圖6 中，每種元素的特征峰都存在一定的寬度，因此在元素含量分析中，往往會取一定道址范圍內(nèi)的計數(shù)率之和來計算樣品中的元素含量，而這個計數(shù)率之和也被稱為峰面積。在X 射線光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性測試環(huán)節(jié)中，以每種元素的峰面積作為分析對象對測量得到的1 359 組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，系統(tǒng)的穩(wěn)定性由每種元素被測量得到的含量的穩(wěn)定性決定，而元素含量的穩(wěn)定性也就等價于元素特征峰峰面積的穩(wěn)定性，下面取鐵元素和鍶元素的測量結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，其結(jié)果如下。

圖7 是鐵礦樣品測量1 359 次得到的鐵元素含量正態(tài)分布結(jié)果。由圖7 中可以看出，鐵元素含量的平均值μ約為14.617，其正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差σ約為0.014 642。由此可以計算出在1 倍標(biāo)準(zhǔn)差μ±σ范圍內(nèi)的分布測量數(shù)據(jù)個數(shù)為924，占總測量數(shù)據(jù)的比例為67.99%；在2 倍標(biāo)準(zhǔn)差μ±2σ范圍內(nèi)的測量數(shù)據(jù)個數(shù)為1 301，占總測量數(shù)據(jù)的比例為95.73%；在3 倍標(biāo)準(zhǔn)差μ±3σ范圍內(nèi)的測量數(shù)據(jù)個數(shù)為1 356，占總測量數(shù)據(jù)的比例為99.78%。

圖7 Fe 元素含量正態(tài)分布

圖8 是鐵礦樣品測量1 359 次得到的鍶元素含量正態(tài)分布結(jié)果。由圖8 中可以看出，鍶元素含量的平均值μ約為5.704 5，其正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差σ約為0.009 089。由此可以計算出在1 倍標(biāo)準(zhǔn)差μ±σ范圍內(nèi)的分布測量數(shù)據(jù)個數(shù)為925，占總測量數(shù)據(jù)的比例為68.06%；在2 倍標(biāo)準(zhǔn)差μ±2σ范圍內(nèi)的測量數(shù)據(jù)個數(shù)為1 309，占總測量數(shù)據(jù)的比例為96.32%；在3 倍標(biāo)準(zhǔn)差μ±3σ范圍內(nèi)的測量數(shù)據(jù)個數(shù)為1 355，占總測量數(shù)據(jù)的比例為99.71%。

圖8 Sr 元素含量正態(tài)分布

根據(jù)正態(tài)分布的3σ原則可知，樣本落在1σ區(qū)間內(nèi)的概率約為68%，落在2σ區(qū)間內(nèi)的概率約為96%，落在3σ區(qū)間內(nèi)的概率約為99%。通過鐵元素和鍶元素含量正態(tài)分布結(jié)果的分析可知，每種元素在各個置信區(qū)間內(nèi)的分布概率都近似等于該區(qū)間的理論概論，這就說明測量結(jié)果是符合正態(tài)分布的，同時也可以得出，整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計的基于FPGA 的X 射線光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能好、速度快、結(jié)構(gòu)簡單且具有較強的數(shù)據(jù)處理能力，用于Fast SDD 后端取得了良好的測量效果。此外，本文系統(tǒng)還具有體積小、噪聲小、功耗低、輸出信號穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，最重要的是該系統(tǒng)不僅可用于Fast SDD輸出信號的處理，也可以很好地兼容其他探測器，具有一定的應(yīng)用價值。