X荧光光谱仪脉冲成形电路的设计

随着我国现代化程度的不断提高,对能源、矿产、化工、环境监测等提出了更高要求,而传统的取样然后送到有条件的实验室进行物理化学分析的方法因工作周期太长而不能满足现代化的分析测试要求。根据产品需要,研发现场X荧光光谱仪。该仪器主要应用于冶金、地质、矿物、石油、化工、医疗、刑侦、考古等领域,对粉末样、溶液样品进行半定量和定量分析,具有高灵敏、多元素的分析能力。

在当今众多的元素分析技术中,X射线荧光技术是一种应用最早、且至今仍广泛应用多元素分析技术,它具有现场、快速、无损、对环境不产生污染、日常消耗极小等特点。该仪器半导体探测器采用Amptek公司生产的Si-PIN XR-100CR,其具有如下特点:

(1)149eV的高分辨率;

(2)Si-PIN光敏二极管作为敏感元件;

(3)二级电制冷器;

(4)内置温度传感器;

(5)密封的探测铍窗,铍窗厚度为0.5mil,有效探测面积13mm2。

X荧光光谱仪在能谱测量时,所测的是核脉冲的峰顶幅度,但XR-100CR半导体探测器输出的信号无论是核脉冲信号的幅度还是信噪比都不能满足后级多道分析器的要求,所以在X荧光能谱测量系统中,成形电路的性能直接影响着整个仪器的能谱分辨率。为此,X荧光光谱仪对滤波成形电路提出了技术指标要求:

(1)半导体探测器输出幅度和成形电路输出幅度应严格保持线性关系,成形输出幅度最大为8V;

(2)抑制系统的噪声,使系统信噪比达到最佳;

(3)减小输入核脉冲的宽度,减少堆积和基线的变化,提高电路的计数率响应;

(4)成形后的输出波形应符合后续多道分析测量参数要求,成形时间设计为20μs,脉宽54μs;

(5)滤波成形电路应尽可能简单,增益0—10倍可调。

1　电路设计

根据X荧光光谱仪对成形电路的以上几点要求,设计成形电路原理图如图1。本电路主要包括极零相消、放大失调、Sallen-Key(以下简称S-K)有源积分、增益调节等电路。

1·1　极零相消电路

为了消除探测器输出的信号脉冲叠加现象,并使信号宽度变窄,提高电路计数率可采用一级CR微分电路。XR-100CR探测器输出的信号前沿非常快而后沿又非常慢,是按指数衰减的,在通过CR微分电路时,会产生下冲现象。利用极零相消技术,设计一个电路使其中一个零点或极点和另外一个极点或零点相抵消,就可消除脉冲下冲现象。该成形电路加入了一级CR极零相消电路来解决信号下冲,图1中的C1、R1、R0组成该电路的极零相消电路。其中,图1中C1、R1即为简单的CR微分电路,R0为可调电阻,消除脉冲的下降沿的下冲或上冲现象,调节R0到适合值可使脉冲下冲或上冲消除。