一種基于sdd探測器的x射線熒光分析系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于SDD探測器的X射線熒光分析 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)能量高于原子內(nèi)層電子結(jié)合能的高能X射線與原子發(fā)生碰撞時，驅(qū)逐一個內(nèi)層 電子而出現(xiàn)一個空穴，使整個原子體系處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)。外層電子躍迀至內(nèi)層空穴使 原子恢復(fù)到基態(tài)，此過程中所釋放的能量以輻射的形式放出，便產(chǎn)生了 X熒光。X熒光的能 量與入射的能量無關(guān)，它只等于原子兩能級之間的能量差。由于能量差完全由該元素原子 的殼層電子能級決定，故稱之為該元素的特征X射線，也稱熒光X射線或X熒光。
[0003] X射線熒光分析（XRF)技術(shù)利用被測樣品中元索受初級X射線激勵輻射二次特征 X射線（熒光），判斷和確定樣品成分和組成。它以分析速度快、可分析元素多、可分析濃度 范圍廣、可進(jìn)行非破壞分析、探測限低等特點(diǎn)而成為分析測試領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。X射線 熒光分析技術(shù)在產(chǎn)品和材料的無損檢測、人體醫(yī)檢、微電子電路光刻檢驗(yàn)等領(lǐng)域有廣泛的 應(yīng)用。另外，近年來隨著工業(yè)化的發(fā)展，國內(nèi)大氣污染問題日趨嚴(yán)重。在大氣重金屬元素的 檢測上，X射線熒光測量技術(shù)已比較成熟，比之傳統(tǒng)的電化學(xué)測量方法具有速度快、測量范 圍廣，樣品預(yù)處理簡單等優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 高性能的核探測器讀出系統(tǒng)是整個XRF的核心。XRF的核心探測器從常用的正比 計(jì)數(shù)器、閃爍體，向半導(dǎo)體探測器過渡。我國的X射線熒光分析儀多數(shù)依賴于進(jìn)口，無成熟 的本土化的XRF產(chǎn)品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于SDD探測器的X射線熒光分析系統(tǒng)，能夠有效產(chǎn) 生X射線熒光，并對X射線熒光光譜進(jìn)行分析，且能量分辨率高，噪聲低。
[0006] 本發(fā)明的基于SDD探測器的X射線熒光分析系統(tǒng)，包括熒光產(chǎn)生子系統(tǒng)、SDD探測 器和電子學(xué)讀出子系統(tǒng)，其中，熒光產(chǎn)生子系統(tǒng)用于產(chǎn)生X射線熒光，包括同位素激發(fā)源和 樣品，其中，同位素激發(fā)源出射的X射線與樣品表面的夾角小于全反射臨界角；
[0007] SDD探測器位于樣品表面正上方，接收樣品發(fā)出的X射線熒光，并將X射線熒光轉(zhuǎn) 換為電信號后輸出至電子學(xué)讀出子系統(tǒng)；
[0008] 電子學(xué)讀出子系統(tǒng)對SDD探測器的電信號進(jìn)行成形放大，并提取X射線熒光光譜； 其中，電子學(xué)讀出子系統(tǒng)包括前置放大器、成形放大模塊、MCA多道分析儀、高壓模塊、制冷 模塊和供電模塊；其中，前置放大器與SDD探測器連接，對SDD探測器產(chǎn)生的電信號進(jìn)行提 取放大；成形放大模塊與前置放大器連接，對前置放大器的輸出信號進(jìn)行高斯整形和放大； MCA多道分析儀與成形放大模塊連接，對成形放大模塊輸出的高斯信號進(jìn)行多通道AD采 集，提取X射線熒光的能譜分布送至計(jì)算機(jī)，用于分析；高壓模塊與SDD探測器連接，為SDD 探測器提供反偏工作電壓；制冷模塊與SDD探測器連接，為SDD探測器提供低溫工作環(huán)境； 供電模塊為前置放大器、成形放大模塊、高壓模塊和制冷模塊供電。
[0009] 進(jìn)一步地，所述同位素激發(fā)源采用第V類天然同位素放射源。
[0010] 進(jìn)一步地，能量在5keV以下X射線熒光選擇55Fe同位素激發(fā)源，能量在5keV以上 X射線熒光選擇^Cd同位素激發(fā)源。
[0011] 進(jìn)一步地，所述前置放大器采用高增益帶寬運(yùn)算放大器，高增益帶寬運(yùn)算放大器 的反向輸入端接SDD探測器的輸出正端，高增益帶寬運(yùn)算放大器的正向輸入端接地；高增 益帶寬運(yùn)算放大器的輸出電壓作為前置放大器的輸出正端，SDD探測器的輸出負(fù)端作為前 置放大器的輸出負(fù)端；高增益帶寬運(yùn)算放大器的反向輸入端和輸出端之間并聯(lián)一個負(fù)反饋 電容；其中，反饋電容為1~l〇pf，前置放大器的增益為10mV/keV±20%。
[0012] 進(jìn)一步地，所述成形放大模塊包括濾波成形子模塊和放大子模塊，其中，濾波成形 子模塊采用CR-(RC)m濾波方式將前置放大器的輸出電壓濾波整形成高斯脈沖，其中m多3， 高斯脈沖的上升沿時間處于200ns~2us之間；放大子模塊將濾波成形子模塊輸出的高斯 脈沖信號進(jìn)行放大，放大倍數(shù)為100~200。
[0013] 進(jìn)一步地，所述制冷模塊包括帕爾貼制冷器和PIC控制芯片，其中帕爾貼制冷器 的冷端貼在SDD探測器上，PIC控制芯片根據(jù)SDD探測器內(nèi)部的熱敏電阻的輸出信號，控制 調(diào)整帕爾貼制冷器的輸入電壓。
[0014] 有益效果：
[0015] (1)本發(fā)明的基于SDD探測器的電子學(xué)讀出子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)射線熒光光 譜進(jìn)行有效分析，且由于SDD探測器收集陽極電容不依賴于探測面積，能量分辨高。SDD探 測器的Be窗可以有效屏蔽背景光，本發(fā)明的熒光系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對1~30keV熒光光譜的有 效探測。
[0016] (2)本發(fā)明的熒光產(chǎn)生子系統(tǒng)采用天然同位素源作為激發(fā)源，具有攜帶方便，可以 現(xiàn)場測試等優(yōu)點(diǎn)。
[0017] (3)本發(fā)明的熒光產(chǎn)生子系統(tǒng)采用掠入射的方法產(chǎn)生熒光，入射X射線的穿透深 度只有幾個納米，來自于基體的噪聲信號大大降低，而信號由于表面駐波效應(yīng)得到了較大 的增強(qiáng)，因此可以有效提高信噪比。
【附圖說明】
[0018] 圖1為X射線熒光產(chǎn)生子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖2為電子學(xué)讀出子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖3為SDD工作原理圖。
[0021] 圖4為前置放大器原理圖。
[0022] 圖5為制冷模塊原理圖。
[0023] 圖6為濾波成形子模塊原理圖。
[0024] 圖7為不同X熒光能量下的輸出信號幅度響應(yīng)。
[0025] 圖8為Fe55福射源多道分析輸出能量分辨結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0027] 本發(fā)明提供了一種基于SDD探測器的X射線熒光分析系統(tǒng)，其中SDD探測器采用 美國Amptek公司成熟型號XR100產(chǎn)品，焚光產(chǎn)生系統(tǒng)和電子學(xué)讀出系統(tǒng)均為自主研發(fā)設(shè) 計(jì)。
[0028] 本發(fā)明的X射線熒光分析系統(tǒng)包括熒光產(chǎn)生子系統(tǒng)、SDD探測器和電子學(xué)讀出子 系統(tǒng)。
[0029] 其中，熒光產(chǎn)生子系統(tǒng)如圖1所示，包括同位素激發(fā)源和樣品，其中，激發(fā)源出射 的X射線與樣品表面的夾角Θ小于全反射臨界角，SDD探測器位于樣品表面正上方。X射 線照射樣品后，樣品產(chǎn)生X熒光，SDD探測器將入射的X射線熒光通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為微弱 的電信號。
[0030] 電子學(xué)讀出子系統(tǒng)如圖2所示，包括前置放大器、成形放大模塊、MCA多道分析 儀、高壓模塊、制冷模塊和供電模塊；其中，高壓模塊、制冷模塊、前置放大器與SDD探測器 連接，成形放大模塊與前置放大器和MCA分析儀連接，供電模塊為前置放大器、成形放大模 塊、高壓模塊和制冷模塊供電。
[0031] 其中，前置放大器用于對SDD探測器產(chǎn)生的微弱電信號進(jìn)行提取放大，成為可以 被整形的信號；成形放大模塊通過微分和積分電路對前置放大器輸出的微弱信號高斯整形 和進(jìn)一步放大；MCA多道分析儀對成形放大模塊輸出的高斯信號進(jìn)行多通道AD采集，給出 不同能譜的分布和能量分辨率，并提供給計(jì)算機(jī)，用于計(jì)算；高壓模塊為SDD探測器工作提 供必要的反偏工作電壓；制冷模塊為SDD探測器提供低溫的工作環(huán)境，提高探測能譜分辨 率。
[0032] 具體地，（1)同位素激發(fā)源的選擇
[0033] 采用第V類天然同位素放射源作為同位素激發(fā)源，具備較高的安全性，同時適合 于現(xiàn)場分析。同時，根據(jù)被測熒光的不同能譜范圍，5keV以下X射線熒光選擇55Fe同位素 源，5keV以上X射線熒光選擇1MCd同位素源。
[0034] 熒光產(chǎn)生子系統(tǒng)是采用X射線掠入射的方式照射在樣品上，從而產(chǎn)生X熒光，掠入 射熒光產(chǎn)生基本原理如下：
[0035] 根據(jù)X射線的散射理論，X射線在介質(zhì)中的復(fù)折射率η = 1- δ +i β。X射線在介 質(zhì)內(nèi)部隨傳播距離呈負(fù)指數(shù)衰減，由于X射線在介質(zhì)中的吸收系數(shù)β比較大，同時S非常 小，一般在10 4量級，這就決定了 X射線全反射的臨界角非常小，只能以掠入射的方式改變 入射方向。不同材料的臨界角Θ?？梢杂晒剑?)估算
[0037] 其中，Ρ為樣品密度，Ε為X光子的能量。
[0038] 掠入射產(chǎn)生熒光時，需要保證同位素的入射X光子小于全反射臨界角，探測器位 于樣品正上方。采用掠入射的方式，X光子在樣品中的穿透深度很淺，同時吸收較少，使得 基體的噪聲信號較少，同時有效避開了出射X射線的影響。
[0039] X射線熒光與入射X光子能量無關(guān)，是原子本身的特征X譜線，大體上可以由莫塞 萊定律判斷，即
[0041] 其中，v為熒光的頻率，z為樣品原子的序數(shù)，A和B均為常數(shù)，與原子序數(shù)無關(guān)，可 以通過實(shí)驗(yàn)測出。
[0042] (2) SDD探測器的工作原理
[0043] 娃漂移室探測器（Silicon Drift Detector, SDD)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示：在高純 η型硅片的背面（入射面）制作大面積均勻的p-n結(jié)，而在另外一面的中央制作點(diǎn)狀η型陽 極，在陽極周圍分布了 Ρ型漂移電極。工作時，器件兩面的ρ-η結(jié)加反向電壓，從而在器件 體內(nèi)產(chǎn)生一個