一种QXAFS电子学设备

一种qxafs电子学设备
技术领域
1.本发明涉及现代物质结构分析方法
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同步辐射实验方法，尤其涉及专用于快速x射线吸收精细结构(quick x
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ray absorption fine structure，qxafs)电子学设备。


背景技术：

2.xafs实验方法是探测物质局域结构的强有力工具，且具有元素选择性、不依赖于长程有序、对痕量元素敏感等特点，是同步辐射装置中应用最广泛、用户使用最多、成果产出最丰富的实验方法之一。
3.常规的xafs数据采集采用逐点扫描(step
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step)的步进模式，如图1所示。入射x射线经过双晶单色器后，变成能量可调的单色光；在样品的前后以及侧面，摆放有电离室探测器，以及后续的一些电子学设备，包括弱电流放大器、vf转换器(vf converter)和数字脉冲计数器(counter)，主要用于采集和记录接收到的x射线强度。实验过程中，通过逐点改变单色器的角度，获得相应能量的单色光，然后记录每个探测器的读数。由于考虑到机械稳定性，以及不同设备之间的通讯延迟，因此，在实际的程序控制中，需要设置适当的等待时间，导致采集一个完整的xafs谱需要15分钟左右。
4.近年来，由于原位实验技术的发展，尤其是在催化、能源、材料等领域，对动态实验表征技术的需求越来越迫切。步进模式显然已经不满足实际研究的需要，为此我们发展了一种基于快速扫描(quick scanning)的时间分辨xafs实验系统，采用周期性往返双向扫描的方式，可连续不断地进行xafs数据采集，且每个谱的采集时间缩短至秒量级。该系统为表征原位条件下物质结构的动态演变过程，提供了不可或缺的实验手段。
5.同时，采集时间的缩短，必然导致数据信噪比的下降。在某些情况下，我们需要在二者之间进行权衡。另外，原位实验的时间尺度不统一，快的数秒，慢的要几个小时才能完成。为此我们设计出了两种不同的实验模式：连续扫描和多梯形扫描，时间分辨能力可以从数秒到分钟量级，以适应不同的实验需求。
6.导致常规的步进模式采集时间较长的原因主要有以下几点：
7.(1)连续的走走停停，对机械稳定性要求较高，每次电机停止运动后，需要等待一定时间才能进行数据采集，否则由机械振动导致的x射线强度波动较大；
8.(2)根据不同设备间的通讯延迟，需要在程序中设置相应的等待时间；
9.(3)一般采用从低能量向高能量的单向扫描，在电机回程时，不进行数据采集。
10.专利号为201310125282.3的专利申请文件提供了一种智能电子学设备、qxafs系统及数据采集和电机控制方法。虽然也可以实现快速扫描功能，但是存在以下不足：
11.(1)扫描过程的加速段、减速段和匀速段需要预先配置并存储在指定的寄存器内，由于寄存器存储容量限制，导致扫描的点数有限，不能实现完整的周期性往返双向扫描过程。
12.(2)采集的数据也是预先存储在fifo寄存器内，存储的数据点有限，只能采用加和平均的方式合并数据，实验过程的一些细节会丢失，而且数据堆积后，一次性读出需要花费
数秒的时间。
13.(3)输出时，没有将已发送给电机的脉冲数目与采集数据同步输出，对于后期能量坐标(由脉冲数目计算得到)的校正带来困难，有可能导致与实际坐标不一致，谱形发生移动或变形。


技术实现要素：

14.本发明的目的在于解决由于寄存器容量的限制，只能采用分段式地实现以适当的较快速度在一定角度范围内往复扫描，周期性地连续改变入射x射线的能量的功能。
15.为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种qxafs电子学设备，包括：测量电路、数据采集模块、数据缓存模块、逻辑控制模块、电机控制模块和数据传输模块；
16.所述测量电路对qxafs实验中x射线探测器所产生的x射线强度的电流信号进行采集和处理，所述电流信号被处理为数字信号后发送给所述数据采集模块；
17.所述数据采集模块将所述数字信号存储到所述数据缓存模块；所述数据缓存模块与所述逻辑控制模块连接，所述逻辑控制模块与所述数据传输模块连接；
18.所述电机控制模块根据指令产生电机控制信号，控制电机驱动器进行转动；
19.所述数据传输模块通过所述逻辑控制模块从所述数据缓存模块中获取数字信号，并传输给计算机组件；
20.所述逻辑控制模块控制数据采集、数据传输以及电机控制模块，使得电机转动与数据采集保持同步关系。
21.可选的，所述测量电路包括四个通道；
22.第一通道用于采集qxafs实验中前电离室的第一电流信号，所述前电离室的电流信号表示x射线未穿过样品之前的射线强度；
23.第二通道用于采集qxafs实验中后电离室的第二电流信号，所述后电离室的电流信号表示x射线穿过样品之后的射线强度。
24.第三通道用于采集qxafs实验中荧光电离室的第三电流信号，所述荧光电离室的电流信号表示样品与x射线发生相互作用后产生的x射线荧光强度；
25.第四通道用于采集标准样品的透射信号。
26.可选的，测量电路的四个通道是通用通道，所述通用通道根据实际测量要求进行定义。
27.可选的，所述前电离室与所述第一通道之间设置有第一电流放大器，以将所述第一电流信号进行放大；
28.所述后电离室与所述第二通道之间设置有第二电流放大器，以将所述第二电流信号进行放大。
29.可选的，所述测量电路包括数模转换模块，所述数模转化模块用于将电流信号转化为数字信号。
30.可选的，还包括：命令缓存模块，所述命令缓存模块与所述逻辑控制模块连接；
31.所述计算机组件通过所述数据传输模块、逻辑控制模块，向所述命令缓存模块下发采谱命令；
32.指令以电机转动一步为基本命令，配合其他指令可以实现可编程的qxafs采集。
33.可选的，数据传输模块与所述计算机组件通过标准tcp/ip协议进行传输。
34.可选的，还包括时钟模块，所述时钟模块用于统一电机驱动器发生转动的时间与采集电流信号的时间。
35.可选的，包括多套电子学设备，所述多套电子学设备同时工作，所述时钟模块用于保证每个电子学设备时钟同步工作。
36.可选的，所述测量电路包括四路adc信号输入通道，每一路所述adc信号输入通道的采样精度为16bit，采样率最高为10mhz。
37.本发明实施例提供了一种qxafs电子学设备，通过构建测量电路、数据采集模块、数据缓存模块、逻辑控制模块、电机控制模块和数据传输模块之间的信息交互，可实现秒至分钟量级的xafs谱的测量，并已经经过实验验证，取得了非常好的实验结果。该系统的目的，一方面为表征原位实验的动态变化过程提供强有力的实验支持；另一方面，提供较为灵活的可编程实验模式，以适应不同时间尺度的研究需求。
附图说明
38.图1为本发明背景技术中常规的xafs数据采集采用逐点扫描(step
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step)的步进模式的结构图；
39.图2为本发明具体实施方式提供的一种qxafs电子学设备的结构图；
40.图3为本发明具体实施方式提供的一种qxafs电子学设备的详细结构图；
41.图4为本发明具体实施方提供的一种快速扫描xafs系统的实际测试结果图。
具体实施方式
42.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
43.图2为本发明具体实施方式提供的一种qxafs电子学设备的结构图。参考图2，qxafs电子学设备，包括：测量电路1、数据采集模块2、数据缓存模块3、逻辑控制模块4、电机控制模块5和数据传输模块6。
44.所述数据采集模块2、数据缓存模块3、逻辑控制模块4、电机控制模块5和数据传输模块6可以集成在现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array，fpga)上。
45.fpga器件属于专用集成电路中的一种半定制电路，是可编程的逻辑列阵，能够有效的解决原有的器件门电路数较少的问题。fpga的基本结构包括可编程输入输出单元，可配置逻辑块，数字时钟管理模块，嵌入式块ram，布线资源，内嵌专用硬核，底层内嵌功能单元。由于fpga具有布线资源丰富，可重复编程和集成度高，投资较低的特点，在数字电路设计领域得到了广泛的应用。fpga的设计流程包括算法设计、代码仿真以及设计、板机调试，设计者以及实际需求建立算法架构，利用eda建立设计方案或hd编写设计代码，通过代码仿真保证设计方案符合实际要求，最后进行板级调试，利用配置电路将相关文件下载至fpga芯片中，验证实际运行效果。
46.qxafs电子学设备采用集成化设计，将多个设备的功能按照模块化集成在一起，大大节省了空间和成本。同时采用统一的高精度时钟，提高时间同步性和可靠性，避免多个设
备之间的通讯延迟问题，从而提高实验效率。
47.所述测量电路1对qxafs实验中x射线探测器所产生的x射线强度的电流信号进行采集和处理，所述电流信号被处理为数字信号后发送给所述数据采集模块2。
48.所述数据采集模块2将所述数字信号存储到所述数据缓存模块3；所述数据缓存模块3与所述逻辑控制模块4连接，所述逻辑控制模块4与所述数据传输模块6连接。
49.所述电机控制模块5根据指令产生电机控制信号，控制电机驱动器进行转动。将所述电机控制信号发送给所述电机控制模块5的通道可以理解为fpga的步进电机控制输出通道。电机控制输出通道，主要用于控制电机驱动器进行转动。
50.这样的设计可以提高xafs实验的时间分辨能力，实现精确控制单色器的扫描方向和速度，使其以适当的较快速度在一定角度范围内往复扫描，周期性地连续改变入射x射线的能量。现有技术的智能电子学设备，由于寄存器容量的限制，只能采用分段式地实现这一功能，如果每一次扫描的参数不一致时，则每次结束后，还需要重新写入新的配置文件，才能开始下一次扫描过程。
51.所述数据传输模块6通过所述逻辑控制模块4从所述数据缓存模块3中获取数字信号，并传输给计算机组件7。
52.本发明实施例提供了一种qxafs电子学设备，通过构建测量电路1、数据采集模块2、数据缓存模块3、逻辑控制模块4、电机控制模块5和数据传输模块6之间的信息交互，可实现秒至分钟量级的xafs谱的测量，并已经经过实验验证，取得了非常好的实验结果。该装置的目的，一方面为表征原位实验的动态变化过程提供强有力的实验支持；另一方面，提供较为灵活的可编程实验模式，以适应不同时间尺度的研究需求。
53.图3为本发明具体实施方式提供的一种qxafs电子学设备的详细结构图。参考图3，所述测量电路1包括第一通道11和第二通道13；
54.所述第一通道11用于采集qxafs实验中前电离室的第一电流信号，所述前电离室的电流信号表示x射线穿过样品前的射线强度；
55.所述第二通道13用于采集qxafs实验中后电离室的第二电流信号，所述后电离室的电流信号表示x射线穿过样品后的射线强度。
56.所述测量电路1包括第三通道12；第三通道12用于采集qxafs实验中荧光电离室的第三电流信号，所述荧光电离室的电流信号表示样品与x射线发生相互作用后产生的x射线荧光强度。
57.所述测量电路1包括第四通道，第四通道用于采集标准样品的透射信号，图中未示出。
58.所述测量电路1包括数模转换模块，所述数模转化模块用于将电流信号转化为数字信号。
59.测量电路的四个通道是通用通道，所述通用通道根据实际测量要求进行定义。
60.测量电路1包括4路adc信号输入通道。每路adc的采样精度为16bit，采样速率最高为10mhz，保证了足够高的测量精度和足够快的采集速度。adc是analog
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to
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digital converter的简称，中文名称为模拟数字转换器，简称“模数转换器”，是一种用于将模拟形式的连续信号转换为数字形式的离散信号的设备。一个模拟数字转换器可以提供信号用于测量。典型的模拟数字转换器将模拟信号转换为表示一定比例电压值的数字信号。然而，有
一些模拟数字转换器并非纯的电子设备，例如旋转编码器，也可以被视为模拟数字转换器。
61.这样的设计可以在快速扫描的同时，需要快速地采集探测器的数据。现有技术提供的数据采集使用积分电路方案，即vf转换器+脉冲计数器，通过长时间的积分(大于0.1秒)有效地抑制电子学噪声，但是该方案不适合快速数据采集(单个数据点的采样时间小于1毫秒)。
62.4路adc信号输入通道和1路步进电机控制输出通道都由fpga芯片进行控制。fpga的高度实时性和定时精度，保证了电机状态数据和测量数据的严格一致。解决了如下问题：为获得xafs实验谱，需要同时确定每个数据点的入射x射线能量(即单色器角度)和吸收系数值(由探测器数据换算得到)。在步进模式中，单色器的运动控制和数据采集是分离的，即在数据采集时单色器的电机处于静止状态。但在快速扫描过程中，单色器的运动和数据采集是同步进行的。二者之间的时间同步性，需要统一的时钟进行控制，且输出时需要同步输出脉冲数目和采集的数据，否则会导致谱的扭曲。
63.在上述实施例的基础上，所述前电离室与所述第一通道11之间设置有第一电流放大器，以将所述第一电流信号进行放大；所述后电离室与所述第二通道13之间设置有第二电流放大器，以将所述第二电流信号进行放大。
64.在上述实施例的基础上，fpga还可以包括命令缓存模块8，所述命令缓存模块8与所述逻辑控制模块4连接；所述计算机组件7通过所述数据传输模块6、逻辑控制模块4，向所述命令缓存模块8下发采谱命令；所述命令缓存模块8根据所述采谱命令产生第二脉冲信号，所述电机控制模块5根据所述第二脉冲信号控制所述电机驱动器进行转动。
65.在上述实施例的基础上，fpga还可以包括还包括时钟模块9，所述时钟模块9用于统一电机驱动器发生转动的时间与采集电流信号的时间。
66.qxafs电子学设备集成了信号测量和步进电机驱动功能，采谱过程完全参数化、命令化。通过设置不同参数和不同命令，采谱过程可实现全程在线可编程，不局限于某几种的采谱模式，用户可以根据不同需求编写不同命令，从而实现任意模式采谱，大大提高了设备的适应性和灵活性。
67.在上述实施例的基础上，数据传输模块6与所述计算机组件7通过标准tcp/ip协议进行传输。采用完全基于硬件描述语言(verilog)设计的tcp协议栈，减少了fpga资源占用率，降低了电子学设备造价，提高了数据传输带宽和数据传输距离。这样的设计解决了在快速扫描过程中，会产生大量的实验数据，如何实时传输和保存这些大数据的问题。
68.qxafs电子学设备的测量数据采用全部读出的模式，为每一个给驱动电机发出的脉冲进行编号，脉冲编号和adc的采样值严格按照时间先后顺序进行打包、缓存，所有数据全部传输给计算机组件7。由于整个采谱过程中完整保留了所有测试数据，为后期采谱数据的分析提供了非常高的灵活性。
69.qxafs电子学设备数据通讯采用全双工的工作模式，在数据采集期间，不但可以把数据传输给计算机组件7，同时还能接收计算机组件7下发的新的采谱命令并放入命令缓存器等待执行。通过边执行命令边接收新命令的模式，可以大大增加设备可执行命令的数量，大大扩展设备长时间持续采谱的能力。
70.具体的，快速扫描xafs系统采用步进电机驱动单色器转动，每输入一个脉冲信号，步进电机转子就转动一个角度，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比，电机转速与脉冲
频率成正比。qxafs采谱过程采用完全参数化、命令化设计，将每一个驱动电机转动的脉冲作为一个基本命令单元，每个脉冲的参数可通过命令配置。通过将每个脉冲作为基本命令单元的方式，整个电机转动过程可以做到完全可编程，实现电机转动的任意控制，从而可以实现任意的采谱模式，大大扩展了设备的适应性和灵活性。电子学指令如表一：
71.指令1电机等待时间指令2段指令重复指令3段指令重复结束指令4单指令重复指令5可执行指令结束指令6全局复位指令7通道使能指令8初始化结束指令9开始测量
72.表一
73.通过单指令循环、段指令循环等命令，可以大大压缩指令数量，避免过多相同指令的下发。
74.所有的指令接收、存储和执行都在fpga内实现。在fpga内设计一个双口ram作为指令的存储空间，同时设置一个寄存器用来标记指令是否完全下发完毕。在pc机上生成所有需要下发的指令，然后通过tcp协议下发给电子学设备。如果采谱模式比较简单，所需的指令数量小于fpga内指令存储空间，pc机一次下发所有命令，并在寄存器标记指令下发完毕，电子学接到开始测量指令后，逐条执行指令存储器中的指令，直到所有指令执行完毕。如果采谱模式比较复杂，无法一次下发所有指令，pc机先下发fpga指令存储空间数量的指令，不标记指令下发完毕寄存器，直接发送开始测量指令。电子学设备在接收到开始测量指令后开始逐条执行指令，并同时检查指令发送完毕寄存器。如果寄存器未被标记，则开始计算指令执行条数，如果已经执行指令条数达到指令存储空间一半时，向pc机发送继续下发指令请求以及可发送指令数量，pc机接到请求后，根据请求的指令数量下发后续的指令，并根据所有指令是否发送完毕来判断是否需要标记指令发送完毕寄存器。fpga在发送请求和接收新指令同时继续执行指令存储器中剩余指令。电子学设备如果检测到指令发送完毕寄存器被标记，则不再向pc机发送继续发送请求。由于指令的执行时间远远大于指令下发的时间，所以可以保证fpga内指令执行的连续性。通过这种边执行指令边接收指令的全双工模式，可以大大增加设备的可执行命令数量，扩展设备长时间持续采谱的能力。
75.具体的，在北京同步辐射装置1w1b实验站，采用5微米厚的cu标样进行测试，使用连续扫描模式，电机扫描速度5000pps，往返双方向采集。连续运行两个周期，如图4所示，共四个谱(curun1
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4)，每个谱的采集时间约为8.1秒。将其与步进扫描的xafs谱(cu foil
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step，约12分钟)，进行对比，观察二者的曲线，发现它们几乎完全重合，充分说明了qxafs电子学设备的实际效果。并与智能电子学终端测试结果(cu foil
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qscan，约17秒)相比，数据完全重合，但是qxafs电子学设备的时间分辨要快一倍。
76.qxafs电子学设备具有非常强的适应性和灵活性，adc采集和步进电机驱动功能，皆由fpga芯片编程控制，采谱过程完全参数化、命令化，可根据研究的需要，通过配置不同
的参数，实现连续扫描、多梯形扫描等实验模式。
77.虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。