自从一百多年前X射线被发现以来，人们发明了各种各样的检测技术。高能光子穿透物质的能力和由此发射出来的辐射可被检测到从而研究其物质成分，很快被社会各界意识到并应用于各个行业。这种技术被称为核能谱测量技术，而XRF光谱仪就是一种核能谱测量系统。根据之前几篇文章的介绍，想必大家对XRF光谱仪的应用有了一定了解吧。

那么光谱仪内部是如何构成的呢？光谱仪又是如何工作、对采集到的待测样品的信号进行一系列复杂处理，从而生成能谱图的呢？如果大家感到好奇的话，就请跟着我的脚步一起进入光谱仪内部吧。

如今主流的测量系统基本都是数字化处理系统，因此传统的模拟处理方式在此按下不表。而数字化的处理呢，简而言之就是对采集到的模拟信号经过ADC转换之后，在数字信号处理器件中对信号做处理、从而生成能谱图的过程。入射X射线经由探测器系统进行光电转换后，输出相对应的电压信号。而由于探测器产生的电信号幅度十分微小，需经由前置放大电路将信号放大后，传递给高速数模转换器（ADC）。由数模转换器将模拟的电信号转换成可供数字信号处理器件运算的数字信号，然后在数字信号处理器件中进行滤波、堆积判弃、峰值提取等数字运算，最终生成多道脉冲幅度分析能谱图，从而满足接下来对物质成分进行分析的要求。该系统也被称为多道脉冲幅度分析系统(MCA) 。

那么，探测器采集到的信号又是如何通过复杂的变换，变成了更为直观，更便于分析的能谱图的呢？接下来，让我为您一一介绍。

探测器产生的电荷由前置放大器收集之后，将来自探测器晶体的电荷脉冲转换为电压脉冲。半导体探测器的信号是一定数量的电荷，这产生了一个电流脉冲，持续时间在从10−9到10−5秒之间，具体多少则取决于探测器的类型和配置。现今常用的是电阻反馈型前置放大器。

由放大器输出的脉冲仍然是一种模拟信号，模拟信号是一种包含随时间变化的连续信号，脉冲幅度与入射辐射的能量成比例。对于数字脉冲处理，必须通过ADC以固定的时间间隔进行采样，以将其转换为数字信号。数字信号是一种用于表示数据的信号，它被视为一系列离散值；在任何给定时间，它只能取有限数量的值。转换过程通常由周期性的逻辑信号（时钟）触发，具有固定的采样频率。模拟-数字的转换通常包括四个过程：采样、保持、量化和编码。其中采样率要满足一定的条件才能保证不发生混叠，学习过信号与系统相关知识的朋友应该对此不陌生哈哈。总之，经过ADC的转换后，模拟数据顺利变成了能被计算机识别的数字数据。

接下来，就属于数字信号处理的领域了。咱们要通过广泛且深入的调研和严格的模拟仿真，选择合适的信号处理算法，将核脉冲信号中潜藏的有用信息给提取出来。其中具体的数字处理及功能，包括滤波成形（将负指数波成形为更易于提取的带平顶的波）、堆积判弃（将有堆积的脉冲抛弃掉，有效的脉冲提取出来）、峰值提取（将通过堆积判弃后的脉冲峰值提取出来）、能谱生成（脉冲计数并以多道的形式生成能谱图）。经过这几个模块的处理后，就可以顺利将核脉冲信号变为能谱图。当然，在处理过程中所面临的问题，绝不像展示出来的这么简单，比如，在算法的选取上，如何比较各个信号处理算法的优势，根据其特点设计堆积判弃方法；在算法的实现上，应该使用何种语言来设计实现；在硬件板卡的选取上，如何针对系统的性能和所需的逻辑资源做抉择。这些都会影响系统的性能和光谱仪的成本。

能谱生成模块，也是系统中的关键模块，同时对于理解核谱仪的工作原理很重要。数字能谱是指通过数字化技术处理和记录的能谱数据，可以提供关于粒子能量分布的详细信息。生成数字能谱后能够通过观察能谱中细微的特征和变化，从而更准确地测量和分析粒子的能量分布，并且利于保存和显示。而能谱生成的过程包括将提取的幅度信息按大小进行计数。能谱图展示了不同幅度范围内核脉冲的计数分布情况，为后续的数据分析和研究提供了重要的信息。

通过前面的接触和学习，相信大家对光谱仪内部的结构和工作原理有了一定的了解了吧！接下来将向大家展示团队目前最新的光谱仪系统的研究测试进展，便于大家更好的了解我们的产品。

最新的系统测试平台，使用的探测器 Si-PIN 探测器，基于超低噪声的 JFET（Junction-Gate Field-Effect Transistor，结型场效应管）电路及优异的铍窗技术研制而成，主要应用于手持式或台式 X 射线荧光光谱仪中，作为能量分辨的探测器。Si-PIN探测器有一个625μm厚的Si-PIN二极管，一个超低噪声的 JFET，多层准直器，前置放大器，并通过一个两级热电冷却器进行内部冷却。最终探测器与前置放大电路产生幅度范围为0-5 V的核脉冲信号，供后续处理分析。

在该测试中的系统，是根据尖峰脉冲成形算法的特点，设计出的双通道的尖峰-平顶混合滤波成形方法，流程如下图。在这个算法中，核脉冲信号经过两条通道处理。一路信号经过尖峰脉冲成形，获得尖峰脉冲的峰值时间，并将峰值时间的定位信息同时提供给平顶滤波成形通路。另一路信号则经过平顶脉冲成形，获得脉冲峰值的幅度均值。通过这种双通道的方法，可以充分发挥尖峰脉冲成形算法和平顶脉冲成形算法的优势，从而在不同的应用场景中提高数据处理的准确性和效率。

对YSBS41346_2014 _904L合金样品做测试，并与梯形滤波成形算法设计的系统做对比，测量出的元素含量与样本实际含量基本一致，且计数率峰值和分辨率等性能指标相较于传统方法有提升，证明了设计的系统性能的优越性。接下来，将对其进行更全面的测试，测试在不同环境下的抗干扰能力等。所以，科技的发展使得产品的迭代越来越快，同时，我们对于创新持之以恒的投入也使得产品在竞争激烈的市场中能够占有一席之地。让我们相信，光谱仪测量技术的持续发展能够在未来的社会中发挥越来越重要的力量！

实验对 YSBS41346_2014 _904L号合金样品做了测试，得到了归一化之后的能谱图，测量出的元素含量与样本实际含量一致，且计数率和分辨率等的性能指标相较于前代均有不错的提升。所以，科技的发展使得产品的迭代越来越快，同时，我们对于创新持之以恒的投入也使得产品在竞争激烈的市场中能够占有一席之地。让我们相信，光谱仪测量技术的持续发展能够在未来的社会中发挥越来越重要的力量！

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