本发明属于光谱仪技术领域，涉及一种x射线荧光光谱仪的关键部件，特别涉及一种用于波谱能谱复合型x射线荧光光谱仪的x射线探测系统。
背景技术：
x射线荧光光谱仪的原理是：被分析样品通过x射线的激发产生x射线荧光，通过对x射线荧光的分光、检测、计数及分析确定被测样品中元素的种类和含量。根据分光方式的不同，x射线荧光光谱仪可分为波长色散荧光光谱仪和能量色散荧光光谱仪两类，波谱能谱复合型x射线荧光光谱仪(以下简称wedxrf光谱仪)结合上述两类仪器的优点，实现波谱能谱一体化。
wedxrf光谱仪由样品交换系统、x射线发生系统、分光系统、x射线探测系统、数据处理系统及状态监控系统组成。其中，样品交换系统将样品移动到测样位置；x射线发生系统产生x射线激发样品产生x射线荧光；分光系统将激发产生的复合x射线荧光筛选为待测元素的特征x射线荧光；x射线探测系统将待测元素的特征x射线荧光的能量和强度转变为数字化的电信号；数据处理系统将数字化的电信号换算成为元素百分含量；状态监控系统对wedxrf光谱仪所需的环境变量(流量、温度、真空)进行实时监控。
其中，x射线探测系统作为wedxrf光谱仪的核心部件，其性能及稳定性直接影响待测元素的特征x射线荧光的能量和强度的探测效率，进而决定整机仪器的性能及稳定性。本申请人的在先申请‘用于wedxrf光谱仪的部件控制及信号探测系统’，(申请号201610827613.1，申请日2016.09.14)公开了一种用于wedxrf光谱仪的部件控制及信号探测系统，但是没有涉及该光谱仪的x射线探测系统。
现有技术中的x射线探测系统，均采用单独用能谱探测模式或单独用波谱探测模式，单独用能谱分布分析扫描方式速度快，但灵敏度低，轻元素(被测元素原子序数大于mg)探测能力不能满足应用需要；单独用波谱分布分析扫描模式速度慢，但灵敏度高，能获得轻元素的准确信息。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于wedxrf光谱仪的x射线探测系统，可根据用户需求选择能谱探测、波谱探测或波谱能谱复合探测，通过能谱测量、波谱测量探测器的结合，以实现对待测样品的特征x射线荧光的能量和/或强度的探测，并最终实现wedxrf光谱仪对被测样品中元素种类及含量的分析。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明的设计思想在于，系统根据用户需求选择能谱测量或波谱测量，当选择能谱测量时，系统施加恒定高压于si半导体探测器，将x射线激发样品产生的x射线荧光转化为幅度正比于入射x射线能量的电脉冲信号，通过第一前置放大电路5预放大后输入到脉冲处理电路将信号整形及进一步放大，最终送至数字处理电路进行分析。当选择波谱测量时，系统根据被测元素原子序数的不同选择闪烁计数器或正比计数器，并施加数字可调的高压于计数器，将分光系统筛选的待测元素的特征x射线荧光转化为幅度正比于特征x射线荧光能量的电脉冲信号，通过第二前置放大电路9或第三前置放大电路10预放大后输入到脉冲处理电路将信号整形及进一步放大，最终将信号送至数字处理电路进行分析，以实现wedxrf光谱仪对被测样品元素种类和含量分析的功能。
本发明提供一种用于波谱能谱复合型x射线荧光光谱仪的x射线探测系统，该x射线探测系统可选择性地进行能谱测量和/或波谱测量，它包括pc机1、探测器运动装置2、并联的能谱测量探测器和波谱测量探测器、多个高压电路、多个前置放大电路和一个脉冲处理电路11；其中：
pc机1分别与探测器运动装置2和各高压电路连接通讯，探测器运动装置2控制能谱测量探测器和波谱测量探测器的测量位置，多个高压电路分别施加高压于各个探测器并产生幅度正比于入射x射线能量的电脉冲信号，各个探测器的出端有前置放大电路预放大探测器产生的电脉冲信号，不同探测器的输出信号输入同一脉冲处理电路11进行选择及统一化处理。
所述能谱测量探测器为si半导体探测器3，波谱测量探测器为闪烁计数器6和/或正比计数器7；
pc机1分别与探测器运动装置2、恒定高压电路4和数字可调高压电路8连接通讯；
探测器运动装置2将si半导体探测器3、闪烁计数器6或正比计数器7移动到便于探测x射线的测量位置；
恒定高压电路4、数字可控高压电路8分别施加高压于被移动到测量位置的si半导体探测器3、闪烁计数器6或正比计数器7；
si半导体探测器3、闪烁计数器6和正比计数器7产生幅度正比于入射x射线能量的电脉冲信号，并分别通过第一前置放大电路5、第二前置放大电路9和第三前置放大电路10将所述电脉冲信号进行预放大；
同时，脉冲处理电路11根据被移动到测量位置的si半导体探测器3、闪烁计数器6或正比计数器7，将输入切换到相应探测器通道，并对输入的预放大后的电脉冲信号整形及进一步放大；
整形和放大后的电脉冲信号进入数字处理电路12进行分析并显示，最终实现对被测样品元素种类和含量的分析。
所述波谱测量探测器中，闪烁计数器6用于被测元素原子序数大于mg时的波谱重元素测量；正比计数器7用于被测元素原子序数不大于mg时的波谱轻元素测量。
所述第二前置放大电路9与第三前置放大电路10的预放大倍数不同。
所述探测器运动装置2包括与pc机1通讯的探测器运动装置通讯单元、探测器运动装置主控芯片单元、电机控制单元和机械运动装置单元；
pc机1通过探测器运动装置通讯单元与探测器运动装置主控芯片单元通讯，将探测模式波谱或能谱参数下发到电机控制单元，电机控制单元控制机械运动装置单元将si半导体探测器3、闪烁计数器6或正比计数器7移动到测量位置。
探测器运动装置主控芯片单元由一片可编程控制器构成，通过对其编程可实现所需的各项功能；与pc机1通讯的探测器运动装置通讯单元由一片以太网总线控制器构成，通过配置可实现探测器模式的配置；电机控制单元由电机驱动电路构成，通过配置可以驱动机械运动装置单元将相应探测器运动到便于探测x射线的位置。
所述数字可调高压电路8包括与pc机1通讯的数字可调高压电路通讯单元、数字可调高压电路主控芯片单元、数模转换单元和高压模块单元；
pc机1通过数字可调高压电路通讯单元与数字可调高压电路主控芯片单元通讯，将正比计数与闪烁计数的高压配置参数下发到数模转换单元，数模转换单元实现两路0-5v可变模拟电压输出，高压模块单元的其中一路模拟电压升压至0-1500v作为闪烁计数高压输出，另外一路模拟电压升压至0-2500v作为正比计数高压输出，最终实现闪烁计数和正比计数高压的数字化控制。
数字可调高压电路主控芯片单元由一片可编程控制器构成，通过对其编程可实现所需的各项功能；与pc机1通讯的数字可调高压电路通讯单元由一片以太网总线控制器构成，通过配置可实现高压参数的配置；数模转换单元由参考电压配置电路和一片多路输出da芯片构成，通过配置可输出多路0-5v可调的模拟电压；高压模块单元由多块数字控制高压模块构成，通过配置可输出多路0-2500v可调的高压。
所述脉冲处理电路11包括输入切换单元、信号整形单元和信号放大单元；
电路上电之后，输入切换单元根据被移动到测量位置的si半导体探测器3、闪烁计数器6或正比计数器7，选择第一前置放大电路5、第二前置放大电路9或第三前置放大电路10其中一路的输出信号输入到信号整形单元，对信号进行滤波及基线恢复等处理，信号放大单元将输入信号放大到合适幅度后进入数字处理电路12。
输入切换单元由一片多路选择器构成，通过设置可实现对si半导体探测器、闪烁计数器或正比计数器输出信号的切换；信号整形单元及信号放大单元由多片运放及电容电阻构成，通过对电容电阻参数的配置可实现对探测器输出信号的整形及放大。
所述数字处理电路12包括模数转换单元、滤波成形单元、峰值采样单元和多道分析单元。
电路上电之后，模数转换单元将脉冲处理电路11输出的信号转换成数字信号，滤波成形单元对转换后的数字信号进行滤波并成形，峰值采样单元对滤波后的信号峰值进行提取，多道分析单元对提取的信号进行脉冲高度分析，最终将光谱数据以曲谱的形式显示在pc机1。
模数转换单元由一片高速并行ad构成，滤波成形单元、峰值采样单元及多道分析单元由均可编程逻辑器件fpga通过硬件编程实现。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明x射线探测系统可以根据用户需求选择单能谱探测、单波谱探测或波谱能谱复合探测，结合两种探测的优点，实现wedxrf光谱仪整机的波谱能谱一体化；系统针对探测能谱的si半导体探测器、探测重元素的闪烁计数器以及探测轻元素的正比计数器设计不同放大倍数的前置放大电路，并采用同一脉冲处理电路对不同探测器的输出信号进行选择及统一化处理，实现三种探测方式的灵活切换，为wedxrf光谱仪节省硬件资源的同时提高了wedxrf光谱仪测试的灵活性及探测范围的广度；系统可根据用户需求实时控制数字可调高压电路输出0-1500v/0-2500v高压施加到闪烁计数器和正比计数器，使得pc机可以实时数字化精确控制探测系统的高压，进而控制探测系统的输出信号幅度，提高wedxrf光谱仪整机测试的实时性及准确性。
本发明实现了wedxrf光谱仪整机的波谱能谱一体化，提高了wedxrf光谱仪测试范围的广度；实现了wedxrf光谱仪探测方式的灵活切换，提高了wedxrf光谱仪整机测试的灵活性；实现了探测系统输出信号幅度的数字实时控制，提高了wedxrf光谱仪整机测试的实时性及准确性；同时节省了wedxrf光谱仪硬件成本。
本发明x射线探测系统实现了波谱能谱一体化，具有探测范围广、实时性高、自动化程度高等显著优点，可广泛应用于有同样需求的仪器中，使仪器既能进行常规的整体样品分析，又可以提供波谱能谱复合扫描的样品元素分布分析，同时实现能谱快速扫描及波谱对重点区域精细扫描，结合能谱扫描与波谱扫描两种模式的优点，不仅能迅速准确的寻找到待测量目标区，也能为该微区成长或形成的周围环境提供重要信息，用现代科学手段实现从成熟的整体分析到现代微区分析的平稳过渡。
附图说明
图1为本发明用于wdxrf光谱仪的x射线探测系统的系统组成示意图；
图2为探测器运动装置2的结构示意图；
图3为数字可调高压电路8的结构示意图；
图4为脉冲处理电路11的结构示意图；
图5为数字处理电路12的结构示意图。
其中的附图标记为：
1pc机2探测器运动装置
3si半导体探测器4恒定高压电路
5第一前置放大电路6闪烁计数器
7正比计数器8数字可调高压电路
9第二前置放大电路10第三前置放大电路
11脉冲处理电路12数字处理电路
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，本发明用于波谱能谱复合型x射线荧光光谱仪的x射线探测系统包括pc机1、探测器运动装置2、si半导体探测器3、恒定高压电路4、第一前置放大电路5、闪烁计数器6、正比计数器7、数字可调高压电路8、第二前置放大电路9、第三前置放大电路10、脉冲处理电路11和数字处理电路12。
pc机1分别与探测器运动装置2、恒定高压电路4和数字可调高压电路8连接通讯。
探测器运动装置2将si半导体探测器3、闪烁计数器6或正比计数器7移动到便于探测x射线的测量位置。
恒定高压电路4或数字可控高压电路8施加高压于被移动到测量位置的si半导体探测器3、闪烁计数器6或正比计数器7。
si半导体探测器3、闪烁计数器6和正比计数器7产生幅度正比于入射x射线能量的电脉冲信号，并分别通过第一前置放大电路5、第二前置放大电路9和第三前置放大电路10将所述电脉冲信号进行预放大；
同时，脉冲处理电路11根据被移动到测量位置的si半导体探测器3、闪烁计数器6或正比计数器7，将输入切换到相应探测器通道，并对输入的预放大后的电脉冲信号整形及进一步放大；
整形和放大后的电脉冲信号进入数字处理电路12进行分析并显示，最终实现对被测样品元素种类和含量的分析。
第二前置放大电路9与第三前置放大电路10的预放大倍数不同。
如图2所示，所述探测器运动装置2包括与pc机1通讯的探测器运动装置通讯单元、探测器运动装置主控芯片单元、电机控制单元和机械运动装置单元。
探测器运动装置主控芯片单元由一片可编程控制器构成，通过对其编程可实现所需的各项功能；与pc机1通讯的探测器运动装置通讯单元由一片以太网总线控制器构成，通过配置可实现探测器模式的配置；电机控制单元由电机驱动电路构成，通过配置可以驱动机械运动装置单元将相应探测器运动到便于探测x射线的位置。
电路上电之后，根据用户需求，pc机1通过探测器运动装置通讯单元与探测器运动装置主控芯片单元通讯，将探测模式波谱或能谱参数下发到电机控制单元，电机控制单元控制机械运动装置单元将si半导体探测器3、闪烁计数器6或正比计数器7移动到测量位置，便于后续测量。
如图3所示，所述数字可调高压电路8包括与pc机1通讯的数字可调高压电路通讯单元、数字可调高压电路主控芯片单元、数模转换单元和高压模块单元。
数字可调高压电路主控芯片单元由一片可编程控制器构成，通过对其编程可实现所需的各项功能；与pc机1通讯的数字可调高压电路通讯单元由一片以太网总线控制器构成，通过配置可实现高压参数的配置；数模转换单元由参考电压配置电路和一片多路输出da芯片构成，通过配置可输出多路0-5v可调的模拟电压；高压模块单元由多块数字控制高压模块构成，通过配置可输出多路0-2500v可调的高压。
电路上电之后，根据用户需求，pc机1通过数字可调高压电路通讯单元与数字可调高压电路主控芯片单元通讯，将正比计数与闪烁计数的高压配置参数下发到数模转换单元，数模转换单元实现两路0-5v可变模拟电压输出，高压模块单元实现其中一路模拟电压升压至0-1500v作为闪烁计数高压输出，另外一路模拟电压升压至0-2500v作为正比计数高压输出，最终实现闪烁计数和正比计数高压的数字化控制。
如图4所示，所述脉冲处理电路1包括输入切换单元、信号整形单元和信号放大单元。
输入切换单元由一片多路选择器构成，通过设置可实现对si半导体探测器、闪烁计数器或正比计数器输出信号的切换；信号整形单元及信号放大单元由多片运放及电容电阻构成，通过对电容电阻参数的配置可实现对探测器输出信号的整形及放大。
电路上电之后，输入切换单元根据被移动到测量位置的si半导体探测器3、闪烁计数器6或正比计数器7，选择第一前置放大电路5、第二前置放大电路9或第三前置放大电路10其中一路的输出信号输入到信号整形单元，对信号进行滤波及基线恢复等处理，信号放大单元将输入信号放大到合适幅度后进入数字处理电路12。
如图5所示，所述数字处理电路12包括模数转换单元、滤波成形单元、峰值采样单元和多道分析单元。
其中，模数转换单元由一片高速并行ad构成，滤波成形单元、峰值采样单元及多道分析单元由均可编程逻辑器件fpga通过硬件编程实现。
电路上电之后，模数转换单元将脉冲处理电路11输出的信号转换成数字信号，滤波成形单元对转换后的数字信号进行滤波并成形，峰值采样单元对滤波后的信号峰值进行提取，多道分析单元对提取的信号进行脉冲高度分析，最终将光谱数据以曲谱的形式显示在pc机1。
本发明的工作过程如下：
系统上电工作后，pc机1根据用户需求选择能谱测量或波谱测量，当选择能谱测量时，探测器运动装置2将si半导体探测器3移动到便于探测x射线的测量位置，恒定高压电路4施加高压于si半导体探测器3并产生幅度正比于入射x射线能量的电脉冲信号，第一前置放大电路5预放大si半导体探测器3产生的电脉冲信号，同时，脉冲处理电路11将输入切换到能谱通道并对输入信号整形及进一步放大，最终进入数字处理电路12进行分析并显示；
当选择波谱测量且被测元素原子序数不大于mg时，探测器运动装置2将正比计数器7移动到便于探测分光后的特征x射线荧光的位置，pc机1通过数字可调高压电路8施加0-2500v可调高压于正比计数器7，产生幅度正比于特征x射线荧光能量的电脉冲信号，第三前置放大电路10预放大正比计数器7产生的电脉冲信号，同时脉冲处理电路11将输入切换到正比计数通道并对输入信号整形及进一步放大，最终进入数字处理电路12进行分析并显示；
当选择波谱测量且被测元素原子序数大于mg时，探测器运动装置2将闪烁计数器6移动到便于探测分光后的特征x射线荧光的位置，pc机1通过数字可调高压电路8施加0-1500v可调高压于闪烁计数器6，产生幅度正比于特征x射线荧光能量的电脉冲信号，第二前置放大电路9预放大闪烁计数器6产生的电脉冲信号，同时脉冲处理电路11将输入切换到闪烁计数通道并对输入信号整形及进一步放大，最终进入数字处理电路12进行分析并显示，最终实现对被测样品元素种类和含量的分析。