X射线检测器复位控制电路制造技术

本发明专利技术涉及一种X射线检测器复位控制电路。公开了用于对具有来自X射线检测器的输入和至ADC的输出的电荷灵敏前置放大器的电压进行复位的电子系统。增大前置放大器增益，以使得RMS ADC噪声小于代表性的数字X射线信号的1％。复位逻辑被配置为避免X射线计数丢失，并防止前置放大器输出超出ADC的允许输入范围。在前置放大器输出上升超过比ADC的最大允许输入低的高电平的情况下，开始复位。也可在检测到堆叠事件的情况下开始复位，只要这种复位不会导致前置放大器输出下降到低于ADC的最小允许输入即可。在每次复位时，从前置放大器移除已知的电荷量，且复位时间被连续调节以确保该电荷量不会漂移。

X ray detector reset control circuit

The invention relates to a reset control circuit of X ray detector. An electronic system is disclosed for resetting the voltage of a charge sensitive preamplifier that has an input from an X ray detector and an output to the ADC. Increase the preamplifier gain, with digital X ray signal makes the RMS ADC noise less than representative of the 1%. The reset logic is configured to avoid the loss of X ray counts and to prevent the preamplifier output from exceeding the allowable input range of the ADC. The reset is started when the preamplifier output rises above the low level of the maximum allowable input of ADC. A reset may also be initiated when a stack event is detected, as long as the reset does not cause the preamplifier output to fall to a minimum allowable input below ADC. At each reset, the known amount of charge is removed from the preamplifier, and the reset time is continuously adjusted to ensure that the amount of charge does not drift.

【技术实现步骤摘要】
X射线检测器复位控制电路
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诸如X射线荧光(XRF)仪等的X射线测量系统，，并且更特别地涉及电荷灵敏前置放大器的使用，其中必须周期性地复位前置放大器的输出电压。
技术介绍
XRF仪通常包括X射线源、X射线检测器和相关电子器件。X射线检测器通常是能量色散的，其中每个入射的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为放大每个信号，以使信号变得大到足以准确地测量与该X射线的能量相对应的电荷。放大后的信号后续被数字化，并且数字值用于构建X射线谱，其中X射线谱是X射线能量与所接收到的具有该能量的X射线的数量的标绘图。这样的谱在与所测量的样本中的元素的特征X射线能量相对应的能量处呈现波峰。波峰的宽度是系统的能量分辨率的度量，而高分辨率是使得能够识别样本中的元素以及确定元素浓度的关键参数。在X射线检测系统中，来自检测器的信号通常通过电荷灵敏前置放大器进行前置放大。电荷灵敏放大器具有这样的特性：响应于来自入射X射线的电荷的输入，电荷灵敏放大器的输出电压近似以阶梯函数上升。响应于后续的X射线信号，输出电压持续上升至越来越高的电压电平，其中每个电压阶梯的高度与相应的X射线的能量成比例。在现有技术的系统中，输出电压持续上升直到达到最高电压阈值且施加外部复位信号以使输出电压恢复为0或最低电压阈值。为了确定每个X射线的能量，必须通过从紧邻电压阶梯之后的电压减去紧邻电压阶梯之前的电压来计算该电压阶梯的高度。如果电压在阶梯之前或之后近似恒定则该计算最为准确。图2A和图2B是现有技术的典型系统的图示。图2A是现有技术的检测电路的示意图，该检测电路包括检测器4’、电荷灵敏前置放大器6’、模拟数字转换器(ADC)10’和谱生成器14’。检测器4’响应于每个入射X射线而生成电信号。电荷灵敏前置放大器6’的输出电压S-6’随着接收到每个X射线而上升，并且ADC10’对输出电压S-6’进行数字化以生成ADC输出S-10’。谱生成器14’根据输出S-10’中的数字化阶梯高度来确定每个X射线的能量，并构建作为X射线能量与所接收到的具有该能量的X射线的数量的标绘图的谱。比较器30’将输出电压S-6’与最高阈值电压进行比较，该最高阈值电压是ADC10’的最高允许输入电平。在输出电压S-6’达到最高阈值电压的情况下，比较器30’向复位电路32’发送复位信号S-30’，该复位电路将输出电压S-6’复位为最低阈值电压，该最低阈值电压是ADC10’的最低允许输入电平。在典型的现有技术实现方式中，最高阈值电压可以是+2V，最低阈值电压可以是-2V。图2B示出了ADC输出S-10’与时间的曲线图。最高ADC电平35’是最高阈值电压的数字等效值，且最低ADC电平34’是最低阈值电压的数字等效值。包括多个X射线信号的曲线的上升部分36’从最低ADC电平34’开始，并随着接收到X射线信号而上升，直到ADC输出达到最高ADC电平35’为止。通常ADC10’是16位ADC，并且由于最低ADC电平34’和最高ADC电平35’之间的ADC输出S-10’表示了ADC10’的整体范围，因而在该ADC范围内会有216＝65536个最低有效位(LSB)。在典型的现有技术系统中，前置放大器6’的增益被设置为使得针对入射X射线的平均阶梯高度响应对应于约100～200个LSB，这意味着，通常约300-600个入射X射线将导致ADC输出从最低ADC电平34’上升至最高ADC电平35’。应注意的是，来自通常可用的高速16位ADC的均方根(RMS)噪声水平大约是3个LSB。由于入射X射线导致的ADC输出S-10’的平均阶梯是100～200个LSB，因此该噪声代表了信号的几个百分点。这对于适于现有技术系统的能量分辨率有非常显著的有害影响。再次参见图2B，可以看出在上升部分36’达到最高ADC电平35’的情况下，复位信号S-30’使得输出电压S-6’下降，造成了ADC输出S-10’的相应的下降部分37’。如图2B所示，下降部分37’的持续时间以及复位信号S-30’的相应持续时间是值近似为1微秒的复位时间tR’，这是ADC输出S-10’在其基本上整个范围内下降所需要的相对长的时间。对于复位时间tR’的持续时间，输出电压S-6’和ADC输出S-10’对来自检测器4’的信号不敏感，使得检测不到在复位时间tR’期间入射的任何X射线。此外，在复位时间tR’结束时，输出电压S-6’持续下降到最低阈值电压之下，由此产生持续了下冲(undershoot)时间39’的输出电压S-6’的下冲。对于下冲时间39’的持续时间，输出电压S-6’在ADC10’的最低可接受输入之下，因此ADC输出S-10’具有下冲值38’，该下冲值38’等于作为ADC输出S-10’的最低可能值的最低ADC电平34’。在下冲时间39’期间，ADC10’对来自检测器4’的信号不敏感，使得检测不到在下冲时间39’期间入射的任何X射线。应注意的是，在现有系统中，下冲时间39’可以是50-100微秒，在该时间期间，根据计数速率，多达5-10个X射线可能入射到检测器却检测不到。还应注意的是，在上升部分36’达到最高ADC电平35’时，复位信号S-30’是在没有考虑到在施加复位信号S-30’时来自入射X射线的信号是否正被处理的情况下而被施加的。例如，在入射X射线导致的ADC输出S-10’的阶梯式增加期间，上升部分36’很可能穿过最高ADC电平35’的阈值，在这种情况下，比较器30’在不知道该X射线的存在的情况下会施加复位信号S-30’，导致无法测量到该X射线的能量。比较器30’也不知道第二个X射线在第一个X射线的波峰时间期间到来的事件。这种事件已知为“堆叠”(pile-up)事件，并且在现有技术系统中，通过采用脉冲整形技术(例如通过高通滤波器)将来自前置放大器的电压阶梯转换为电压脉冲来管理这种事件。这种电压脉冲将会具有振幅等于原始阶梯高度的高速上升时间，但是该脉冲将会根据滤波器的时间常数特征而衰减。为了确定该振幅，衰减部分必须延伸至0，而在存在第二堆叠X射线事件的情况下，该计算可能变得不正确。错误的振幅计算导致给X射线分配了错误的能量，这将会导致谱能量分辨率变得更差。
技术实现思路
因此，本公开的一般目的在于通过更精确地复位前置放大器输出电压来改善具有电荷灵敏前置放大器的XRF分析器的分辨率。本公开的进一步的目的在于通过提高前置放大器的放大率来改善X射线检测系统的能量分辨率，从而将与每个X射线事件相对应的ADC阶梯高度中的LSB的数量提高至少10倍。本公开的进一步目的在于通过确保ADC始终保持在其灵敏工作范围内来避免X射线计数的丢失。本公开的进一步目的在于通过避免脉冲整形技术以及通过堆叠事件的正确处理来避免错误的能量测量。以上目的通过包括检测器、前置放大器、ADC、脉冲指示器、微复位电路和微复位决定模块的检测器复位控制电路来实现。根据本专利技术的一方面，提供一种用于X射线分析仪的X射线检测器复位控制电路，所述X射线分析仪被配置为感应和分析感应到的X射线事件的序列，所述X射线检测器复位控制电路包括：X射线检测器，其被配置为检测感应到的X射线事件，并发送表示所述X射线事件的检测器模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于X射线分析仪的X射线检测器复位控制电路，所述X射线分析仪被配置为感应和分析感应到的X射线事件的序列，所述X射线检测器复位控制电路包括：X射线检测器，其被配置为检测感应到的X射线事件，并发送表示所述X射线事件的检测器模拟电压响应信号；电荷灵敏前置放大器，其连接到所述X射线检测器，并被配置为放大所述检测器模拟电压响应信号并产生放大信号；模拟数字转换器即ADC，用于对所述放大信号进行数字化，所述ADC具有ADC输出电平并产生与所述X射线事件相对应的数字信号值的序列，所述数字信号值的序列导致所述ADC输出电平的阶梯状增高；以及微复位决定模块和微复位单元，其中所述微复位决定模块被配置为基于至少两个复位逻辑标准中的一个复位逻辑标准来得到用以触发复位的复位决定，并且所述微复位单元基于所述复位决定来进行所述复位，其中所述复位用于使所述ADC输出电平降低了电荷复位下降。

【技术特征摘要】
2016.03.28 US 15/082,6471.一种用于X射线分析仪的X射线检测器复位控制电路，所述X射线分析仪被配置为感应和分析感应到的X射线事件的序列，所述X射线检测器复位控制电路包括：X射线检测器，其被配置为检测感应到的X射线事件，并发送表示所述X射线事件的检测器模拟电压响应信号；电荷灵敏前置放大器，其连接到所述X射线检测器，并被配置为放大所述检测器模拟电压响应信号并产生放大信号；模拟数字转换器即ADC，用于对所述放大信号进行数字化，所述ADC具有ADC输出电平并产生与所述X射线事件相对应的数字信号值的序列，所述数字信号值的序列导致所述ADC输出电平的阶梯状增高；以及微复位决定模块和微复位单元，其中所述微复位决定模块被配置为基于至少两个复位逻辑标准中的一个复位逻辑标准来得到用以触发复位的复位决定，并且所述微复位单元基于所述复位决定来进行所述复位，其中所述复位用于使所述ADC输出电平降低了电荷复位下降。2.根据权利要求1所述的X射线检测器复位控制电路，其中，所述X射线检测器复位控制电路连接有谱生成器，所述谱生成器用于从所述ADC接收所述数字信号值的序列。3.根据权利要求1所述的X射线检测器复位控制电路，其中，还包括脉冲指示器，所述脉冲指示器用于产生表示所述X射线事件中的各X射线事件的高速脉冲定时信号。4.根据权利要求3所述的X射线检测器复位控制电路，其中，所述X射线检测器复位控制电路按照预定的波峰时间tp工作，所述波峰时间tp表示在相应的高速脉冲定时信号之后建立所述ADC输出电平所需的时间段。5.根据权利要求4所述的X射线检测器复位控制电路，其中，所述至少两个复位逻辑标准包括以下标准：a)高电平复位标准，其中对于所述高电平复位标准，所述ADC输出电平已超过高电平阈值，并且从最近的高速脉冲定时信号开始经过了所述波峰时间tp；以及b)堆叠复位标准，其中对于所述堆叠复位标准，所述X射线事件中的两个X射线事件的相应的高速脉冲定时信号处于所述波峰时间tp之内。6.根据权利要求4所述的X射线检测器复位控制电路，其中，在所述ADC输出电平已超过高电平阈值、并且从最近的高速脉冲定时信号开始经过了所述波峰时间tp之后，所述微复位决定模块触发所述复位。7.根据权利要求4所述的X射线检测器复位控制电路，其中，在所述波峰时间tp之内出现表示多于一个高速脉冲定时信号的堆叠事件的情况下，所述微复位决定模块触发所述复位。8.根据权利要求1所述的X射线检测器复位控制电路，其中，所述微复位决定模块还包括低电平阈值，并且所述微复位决定模块被配置为在所述AD...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·巴特亚尼，
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