检测器信号处理电路制造技术

本发明专利技术涉及一种检测器信号处理电路。公开了用于对连同X射线检测器一起使用的电子放大和数字化系统的增益进行自动校准的电路。该校准基于以下操作：将预定脉冲注入电子系统，并且基于未放大的且使用高精度的参考用ADC进行数字化后的、这些脉冲的振幅的数字值以及相同脉冲的数字值来得出校准比。将所有的ADC以及用于控制脉冲发生器振幅的DAC称为单个共用参考电压。利用针对相同电路的替代实施例公开了针对增益的非线性的校准。

Detector signal processing circuit

The invention relates to a detector signal processing circuit. A circuit for automatically calibrating the gain of an electronic amplification and digitizing system used together with an X ray detector is disclosed. Following the calibration based on the predefined pulse injection electronic system, and no amplification and high precision reference based on ADC digital pulse amplitude, after these digital values and the same pulse digital values as calibration ratio. All ADC, and the DAC used to control the amplitude of the pulse generator, are referred to as a single common reference voltage. Nonlinear calibration for gain is disclosed using an alternative embodiment for the same circuit.

【技术实现步骤摘要】
检测器信号处理电路
本专利技术涉及用于检测X射线并生成相应的响应电子信号的X射线分析器，并且更特别地涉及通过使用脉冲发生器来提高X射线谱的能量标度的稳定性和精度的改进的信号处理电路。
技术介绍
诸如X射线荧光(XRF)或X射线衍射(XRD)仪器等的X射线分析器通常包括X射线源、X射线检测器和关联的电子器件。X射线检测器通常是能量色散的，其中各入射X射线产生电荷与该X射线的能量成比例的电子信号。检测器电子器件被设计成放大各信号，使得该信号变得足够大以准确地测量与X射线能量相对应的电荷。随后对放大后的信号进行数字化并且使用数字值来构造X射线谱。假设整个电子放大和数字化系统的增益保持恒定，则放大后的脉冲的数字值与关联的X射线的能量成比例，并且通过适当校准，可以确定X射线能量。在得知各X射线的能量的情况下，可以将由于多个X射线冲击检测器而产生的信号转换成谱，其中该谱是X射线能量相对于所接收到的具有该能量的X射线的数量的标绘图。这种谱在与被测样本内的元素的特征X射线能量相对应的能量处呈现峰。这些峰的位置、大小和宽度是使得能够识别样本内的元素并且确定这些元素的浓度的关键参数。为了确保测试结果准确且可重复，避免来自检测器的信号的电子漂移是重要的。信号漂移导致在不同的测量时间向相同能量的X射线分配谱中的不同能量。信号漂移可能会导致元素的误识别以及/或者这些元素的浓度的测量误差。电子放大和数字化系统的增益的漂移是信号漂移的主要来源。该漂移可能是由于电子系统的组件中的任意组件的不稳定性所引起的。例如，众所周知，电子组件的特性对温度敏感，并且该温度敏感性对于在长时间测量或一系列测量的过程中温度可能从冷启动起显著上升的紧凑型手持式XRF仪器而言特别重要。温度变化导致可变的电子增益，该可变的电子增益引起所测量到的X射线谱的能量标度的漂移。能量标度漂移包括单次测量期间的漂移、同一仪器上的不同测量之间的能量标度的漂移、以及在不同仪器上进行的相同或相似样本的不一致测量。针对现有实践中能量标度漂移的问题的一个解决方案是进行频繁的手动校准。可以通过使用从放射源发出的X射线或者使用从已知的靶材料发出的次级X射线使X射线检测器暴露至已知能量的X射线，来实现能量标度校准。在来自现有实践的一个示例中，使用来自含Fe和Mo这两个元素的不锈钢样本的Fe和Mo特征X射线来每隔几个小时重新校准能量标度。然而，与现有实践中所使用的校准方法无关地，必须中断X射线仪器的有用操作，这是不方便的，并且因此该校准方法经常被操作者忽略。在手持式仪器的情况下，必须经常手动将该仪器插入包含已知靶材料的对接坞。将来自该靶的X射线峰的已知能量与所测量到的能量进行比较，从而校准增益。由于频繁的手动校准不方便，因此连续校准之间的时间可能为数小时，其中在这段时间期间，可能发生显著的温度变化和由此发生的能量漂移，这导致XRF测量精度劣化。因此，在现有实践中需要对测量装置的正常操作造成最少中断或者不造成中断的自动且快速的校准方法。该校准方法应当是可编程的，以在各测量之后发生或者在所有测量的过程中连续地发生。另外，该校准方法会涉及整个电子放大和数字化系统。现有实践中的另一问题是放大并数字化后的信号中X射线能量的确定受到放大和数字化组件中的非线性的影响。非线性的主要影响是系统增益随着信号的振幅而改变。在如通常情况那样、使用电荷敏感前置放大器作为检测器信号的放大的一部分的情况下，该问题特别严重。电荷敏感放大器具有如下特性：响应于来自入射X射线的电荷的输入，该电荷敏感放大器的输出电压大致作为阶跃函数上升。响应于后续的X射线信号，输出电压继续上升为越来越高的电压电平，其中各电压阶跃的高度与相应X射线的能量成比例。输出电压继续上升，直到达到上限电压阈值为止并且施加外部复位信号以使输出电压恢复为零或下限电压阈值。由于给定能量的X射线可能在前置放大器输出电压处于下限阈值和上限阈值之间的任意电平的情况下到达，并且后续的放大和数字化系统的非线性使得根据前置放大器电压在该X射线到达时恰好处于何处来将不同的能量分配该至X射线，因此发生非线性的问题。尽管市售的X射线检测器可能经常将电荷敏感前置放大器并入检测器外壳内以使信号噪声最小化，但在现有实践中没有解决检测器放大和数字化中的非线性的影响。非线性影响通常对温度的依赖性弱，由此不存在非线性响应的显著漂移。特定仪器的一次校准可能足以补偿非线性影响。然而，在现有市场中缺乏用于进行校准以对非线性影响进行补偿的高效方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是缓解现有实践的问题、特别是针对检测器能量标度校准中的不准确和漂移的问题。通过以新颖方式应用注入到相同的电子放大和数字化系统中作为检测器信号的校准脉冲信号来进行能量标度的频繁校准，实现该目的。为了提高校准的稳定性，对于所有的数字化元件使用单个共用参考电压元件，并且使用该单个共用参考电压元件来设置校准脉冲信号的振幅。利用各仪器的一次校准来实现电子放大和数字化系统的非线性的校准。本专利技术的一个实施例是用于将信号脉冲和校准脉冲顺次地注入到电子放大和数字化系统中的电路。该电路包括检测器、一个或多个放大器、脉冲发生器、用于将检测器信号脉冲和校准脉冲顺次地注入到放大器中的切换器、参考用模数转换器(ADC)、处理用ADC、以及该参考用ADC、该处理用ADC和该脉冲发生器所用的共用参考电压。本专利技术的第二实施例是用于将信号脉冲和校准脉冲同时地注入到电子放大和数字化系统中的电路。该电路包括检测器、一个或多个放大器、脉冲发生器、参考用ADC、处理用ADC、脉冲鉴别器、以及该参考用ADC、该处理用ADC和该脉冲发生器所用的共用参考电压。本专利技术的第三实施例是用于使用基电压不断改变的校准脉冲来进行电子放大和数字化系统的非线性行为的一次校准的电路和方法。该电路包括一个或多个放大器、具有脉冲发生器切换器和两个数模转换器(DAC)的脉冲发生器、参考用ADC、处理用ADC、以及该参考用ADC、该处理用ADC和脉冲发生器的两个DAC所用的共用参考电压。本专利技术还提供一种检测器信号处理电路，其中检测器用于检测X射线分析仪器中的荧光X射线能量响应并且发送检测器响应信号，所述X射线分析仪器被配置为包括工作模式和校准模式，所述检测器信号处理电路包括：脉冲生成用脉冲发生器，用于提供具有脉冲振幅和脉冲发生器频率的校准脉冲；单个共用参考电压元件，用于提供参考电压信号；参考用模数转换器即参考用ADC，用于将所述校准脉冲转换成参考脉冲值；至少一个放大器，用于放大放大器输入，其中：所述放大器输入是所述校准脉冲和/或所述检测器响应信号，并且放大器输出分别提供放大脉冲电压和/或放大响应信号电压；处理用模数转换器即处理用ADC，用于提供针对所述放大脉冲电压和所述放大响应信号电压的数字化处理，以分别产生数字化的脉冲电压值和数字化的响应信号电压值；校准比计算部，用于计算所述脉冲电压值相对于所述参考脉冲值的校准比；以及能量标度校正部，用于计算所述响应信号电压值相对于所述校准比的工作模式比，并且基于所述工作模式比来校正所述荧光X射线能量响应。附图说明图1是根据本专利技术的顺次注入校准脉冲的检测器信号处理电路的示意图。图2是根据本专利技术的同时注入校准脉冲的检测器信号处理电路的示意图。图3A是根据本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种检测器信号处理电路，其中检测器用于检测X射线分析仪器中的荧光X射线能量响应并且发送检测器响应信号，所述X射线分析仪器被配置为包括工作模式和校准模式，所述检测器信号处理电路包括：脉冲生成用脉冲发生器，用于提供具有脉冲振幅和脉冲发生器频率的校准脉冲；单个共用参考电压元件，用于提供参考电压信号；参考用模数转换器即参考用ADC，用于将所述校准脉冲转换成参考脉冲值；至少一个放大器，用于放大放大器输入，其中：所述放大器输入是所述校准脉冲和/或所述检测器响应信号，并且放大器输出分别提供放大脉冲电压和/或放大响应信号电压；处理用模数转换器即处理用ADC，用于提供针对所述放大脉冲电压和所述放大响应信号电压的数字化处理，以分别产生数字化的脉冲电压值和数字化的响应信号电压值；校准比计算部，用于计算所述脉冲电压值相对于所述参考脉冲值的校准比；以及能量标度校正部，用于计算所述响应信号电压值相对于所述校准比的工作模式比，并且基于所述工作模式比来校正所述荧光X射线能量响应。

【技术特征摘要】
2016.02.05 US 15/017,2151.一种检测器信号处理电路，其中检测器用于检测X射线分析仪器中的荧光X射线能量响应并且发送检测器响应信号，所述X射线分析仪器被配置为包括工作模式和校准模式，所述检测器信号处理电路包括：脉冲生成用脉冲发生器，用于提供具有脉冲振幅和脉冲发生器频率的校准脉冲；单个共用参考电压元件，用于提供参考电压信号；参考用模数转换器即参考用ADC，用于将所述校准脉冲转换成参考脉冲值；至少一个放大器，用于放大放大器输入，其中：所述放大器输入是所述校准脉冲和/或所述检测器响应信号，并且放大器输出分别提供放大脉冲电压和/或放大响应信号电压；处理用模数转换器即处理用ADC，用于提供针对所述放大脉冲电压和所述放大响应信号电压的数字化处理，以分别产生数字化的脉冲电压值和数字化的响应信号电压值；校准比计算部，用于计算所述脉冲电压值相对于所述参考脉冲值的校准比；以及能量标度校正部，用于计算所述响应信号电压值相对于所述校准比的工作模式比，并且基于所述工作模式比来校正所述荧光X射线能量响应。2.根据权利要求1所述的检测器信号处理电路，其中，所述单个共用参考电压元件将所述参考电压信号提供至所述脉冲发生器、所述参考用ADC和所述处理用ADC。3.根据权利要求1所述的检测器信号处理电路，其中，所述校准模式与作为所述校准脉冲的放大器输入相关联，并且所述工作模式与作为所述检测器响应信号的放大器输入相关联。4.根据权利要求1所述的检测器信号处理电路，其中，所述参考用ADC能够与所述处理用ADC相比以更快的速度进行工作。5.根据权利要求1所述的检测器信号处理电路，其中，所述参考用ADC是24位ADC，并且所述处理用ADC是16位ADC。6.根据权利要求1所述的检测器信号处理电路，其中，所述脉冲发生器被配置成使得所述脉冲振幅接近所述检测器响应信号的典型振幅。7.根据权利要求1所述的检测器信号处理电路，其中，所述校准比计算部被配置为基于针对所述校准脉冲的多个连续脉冲的所述脉冲电压值相对于所述参考脉冲值的平均比，来计算所述校准比。8.根据权利要求1所述的检测器信号处理电路，其中，还包括校准模式控制器，所述校准模式控制器被配置为接收期望校准处理的选择并且执行所述期望校准处理。9.根据权利要求8所述的检测器信号处理电路，其中，所述期望校准处理包括以下步骤：a)选择在N次测量之后进行校准；b)选择所述校准模式并且计算所述校准比；c)选择所述工作模式，计算所述工作模式比，并且校正针对所述N次测量的所述荧光X射线能量响应；d)选择所述校准模式并且计算新的校准比；以及e)返回至步骤c)。10.根据权利要求8所述的检测器信号处理电路，其中，还包括时钟，所述时钟被配置为将定时信息发送至所述校准模式控制器，其中，所述期望校准处理包...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·巴特亚尼，P·哈德曼，
申请(专利权)人：奥林巴斯科技美国公司，
类型：发明
国别省市：美国,US