数字多道技术在X荧光多元素分析仪中的应用

供稿|于海明，张伟，陈月红，白宏生，尹兆余，陈树军，周洪军，尚庆敏/ YU Hai-ming, ZHANG Wei, CHEN Yue-hong, BAI Hong-sheng, YIN Zhao-yu, CHEN Shu-jun, ZHOU Hong-jun, SHANG Qing-min

X 荧光多元素分析仪利用放射性同位素作为激发源激发物料产生荧光，并基于能量色散法对物料进行多元素分析或鉴别。物料中的元素在 X 射线下，产生不同能量的特征 X 射线，对被激发的 X 射线的能量和强度进行计算，即可测定物料中含有的元素及其含量。仪表省去了复杂烦琐的样品处理过程，直接对物料分析检测，快速给出分析结果，可参与、指导生产过程的自动化控制。该仪器操作简单，测量迅速，可以应用于有色、冶金、选矿、水泥、化工等行业。

X 射线能量和强度的获取方式将直接影响仪表的精度，因此在 X 荧光多元素分析仪中应用了国际前沿的数字多道技术，用来对不同元素激发出的 X 射线能量进行获取和刻度，便于后续算法对元素的鉴别和含量分析。

必要性

在 X 荧光多元素分析仪系统中，物料被激发的特征 X 射线的能量和强度分别代表了元素的种类和含量。多道脉冲幅度分析器就是用来处理 X 射线探测器的输出信号，检测出特征 X 射线的能量和强度，多道的检测精度和性能将直接影响元素的分析结果。多道已向着数字化的方向发展，用数字信号处理的方法对 X 荧光多元素分析仪探测器的信号进行脉冲成形、极/零补偿、基线恢复和幅度鉴别等。用数字信号处理的方法不但可以完成传统模拟多道的功能，而且比其具有更大的灵活性和通用性。数字多道技术具有线性高，稳定性高，没有温漂的影响，可以根据噪声的特点设计最佳滤波器，提高脉冲通过率和能量分辨率等优秀品质。数字多道技术自诞生起，就在生物医学、工业、电子测量等领域扮演了重要的角色。因此，在 X 荧光多元素分析仪中使用数字多道技术对提高和保证分析仪的性能是有重大意义的。

国内外现状

经过多年的发展，国际上 Amptek、Ortec、Canberra 等公司早已推出了多种性能的数字多道。

例如 Canberrac 的 Lynx Digital Spectrum Analyzer，其特性如下：

基于数字信号处理 (DSP) 技术的机架装一体化 MCA；支持两个 32K 道转换增益/谱内存组；提供卓越的计数率和温度稳定性；支持 10/100 Base-TX Ethernet、USB 和 RS-232 接口以及 TCP/IP 通信协议，提供快速、方便和标准的通信功能；提供完全互补的控制和信号输入/输出接口；提供 3 个 HVPS 范围，支持具有低、中或高偏移要求的探测器；具有先进的自动极/零、基线恢复和数字稳定功能；为符合定时应用提供可调的数字信号延迟；利用多回溯的模拟和数字示波器来确保设置和维修的方便；通过 Genie™2000/Apex® 软件支持所有特性；还可以通过内置的 web 服务器提供谱显示、获取控制、能量刻度和仪器设置功能。

例如 Amptek 的 DP5 Enhanced Digital Processor，其特性如下：

基于 F P G A 技术的便携式 MCA；0.84～127.5 倍的可调增益；增益稳定性小于 20×10-6/℃；成形时间 0.1～45 μs 可调；最大通过率 4×106 s-1(周期信号)。

具有堆叠抑制、上升时间辨别、门控等功能；支持 X 射线等的能谱分析；支持 10 Base-TX Ethernet、USB 和 RS-232 接口；具有单道分析功能；具有数字示波器功能，方便维护和调试。

目前，商业化的适合X荧光多元素分析的数字多道大都需要进口，价格昂贵。进口的数字多道不但技术上受制于人，而且大部分是实验室使用的，无法在线式多元素分析仪上应用，因而有必要开发一套高性能的数字多道系统。实现高分辨率、高速、高线性度和稳定性的系统。

数字多道设计

系统原理

如图1 是 X 荧光多元素分析仪中数字多道的系统框图。探测器输出的信号经过前置滤波器适配滤波，进入高速 ADC 采样，将信号数字化。数字化后的信号送入数字信号处理器中，进行数字脉冲成形，分别实现慢通道和快通道信号。慢通道信号用于脉冲幅度检测和基线估计。快通道用于脉冲时间信息检测，如：计数率统计、堆叠判断、触发判峰逻辑等。数字信号处理器将存储脉冲的能谱数据，由单片机读取并通过 RS485 总线发送给分析仪的工控机。

硬件构成

通过研究，目前国际上数字多道大多使用 DSP 或 FPGA 作为处理单元。采用 DSP 适合完成大量的算法计算，但是处理一个脉冲的时间较长，而且核信号是随机的，这样整体的通过率不高，速度受到限制。FPGA 可以完成并行计算，速度大大提高，但不适合实现复杂的算法。因而，采用 DSP+FPGA 的方式共同实现：FPGA 实现数据采集、缓存和控制，DSP 用于完成复杂的算法。核脉冲信号经高速 ADC 采集后，送入由 DSP 和 FPGA 组成的数字信号处理控制器中，最终由 DSP 计算，分别形成快、慢通道，快通道用于提取核信号的时间信息，慢通道被最优化用于核信号幅度的提取。采用以上硬件方案，通过率和算法灵活性都会有很大提高，可以满足 X 荧光多元素分析仪的指标要求。

图1 数字多道的系统框图

随着电子技术的发展，特别是转换时间只有几 ns 的快闪型 ADC 又称为全并行 ADC 的出现，它有着一定的转换精度和线性，又有很快的转换速度，非常适合用于数字多道，作为信号高速数字化的模数转换器。

算法

X 荧光多元素分析仪中的数字多道设计主要工作在于相关数字算法的研究和实现。

◆ 脉冲成形算法

X 荧光多元素分析仪中的数字多道采用梯形成形算法。梯形成形算法是将输入的信号滤波成形为等腰梯形，如图2 所示。梯形成形滤波具有内建滑尺的功能，可以改善 ADC 的微分非线性[2]。当梯形的平顶时间大于探测器电荷收集时间时，还具有对弹道亏损免疫的特性[3]，梯形成形还可以实现最佳滤波成形，滤除信号中的噪声。

图2 梯形脉冲

只需要在时域中构造一个满足梯形成形的系统函数 H (z) 的单位冲击响应序列 h (n)，由 h (n) 得到 FIR 滤波器，此滤波器就可以由探测器的信号得到等幅度的梯形信号。

◆ 基线估计与恢复

X 荧光多元素分析仪中微弱的核脉冲信号总是叠加在不稳定基线上，为了提高系统的能量分辨率，需要对信号的基线进行估计。构造一个如式 (1) 所示的滤波器，对信号的基线进行估计。

式中，N 是滤波因子。当 N 小于常数 Nc时，N 递增；当递增到 Nc时，N 等于 Nc。构造一个实现基线算法的恢复器模块，由估计得到的基线值反馈调节输入数字脉冲信号的基线，从而使基线稳定。

◆ 上升时间辨别算法

此算法用于判断探测器信号的上升沿时间，在 X 荧光多元素分析仪的探测器系统中可用于判断背景计数，提高分析仪的能谱峰背比。

◆ 堆叠判别及校正算法

在高计数率的时候，脉冲堆叠会对能谱的分辨率产生严重影响。在传统的模拟多道中，对于堆叠的脉冲，一般都采用堆叠抑制。在核脉冲信号数字处理过程中，借助数字技术，对于堆叠的脉冲可以进行校正，以提高 X 荧光多元素分析仪能谱的分辨率。

软件

X 荧光多元素分析仪的上位机编写软件实现虚拟示波器的功能，由硬件将数字多道中的信号进行缓存，传输于上位机，进行显示。虚拟示波器的功能有：用于对数字多道中的相关信号进行观察，便于数字多道参数的调节；在数字多道标定时，将相关信号的参数记录在软件中，在实际工作中由于探测器和电路的漂移等引起信号参数改变，通过虚拟示波器软件可以自动分析信号参数的变化，并给出相应的数字多道的参数调整方案，因此能保证 X 荧光多元素分析仪在多变的温度环境下可以长期稳定的运行。

结束语

本文介绍了数字多道技术在 X 荧光多元素分析中的应用。随着 X 荧光多元素分析仪在有色、冶金、采矿等领域的广泛应用，其性能也备受关注。数字多道技术采用了先进的电子电路技术和复杂的算法，完成了元素种类和含量分析的前端信号的采集和处理。数字多道技术保证了 X 荧光多元素仪的测量精度、工作可靠性和长期稳定性，从而使分析仪具有更广阔的市场和强大的竞争力。

[1]陈亚勇. MATLAB信号处理详解. 北京:人民邮电出版社, 2001

[2]敖奇, 魏义祥, 屈建石. 数字滤波器对 Flash ADC 性能改善的研究. 核电子学与探测技术, 2009(5):3

[3]肖无云, 魏义祥, 艾宪芸.数字化多道脉冲幅度分析中的梯形成形算法. 清华大学学报 (自然科学版), 2005, 45:6

[4]丁玉美, 高西全.数字信号处理 (第二版).西安:西安电子科技大学出版社, 2000