能量色散X射线荧光光谱仪的开发

X射线荧光分析方法因其具有对试样无损坏、多元素快速分析、准确性高、分析速度快、不污染环境等特点，适合直接用于生产的过程控制和检测中，具有广阔的市场前景和相当的研究意义。本文针对RoHS检测的需求，分析了X射线荧光分析技术的理论基础，明确了能量色散X射线荧光光谱仪的工作原理及相应光谱分析软件设计方法。为实现样品特征X射线的获取及光谱仪的自动控制，本文设计了光谱仪的整体硬件平台，主要包括光路系统和控制系统。光路系统负责激发样品并采集特征X射线，主要由X射线管、滤光片、准直器和Amptek X-123探测系统组成；基于嵌入式处理器STM32F103R8T6的控制系统实现对光路系统的控制以及与PC之间的通信。在分析了光路系统对分析条件的需求后，从功能完整性的角度设计了嵌入式系统的硬件组成。本文介绍了滤光片、准直器的选用原理，基于A3983驱动芯片和步进电机实现滤光片、准直器的自动更换；分析了X射线管的管电压和管电流对输出的X射线能量的影响，选择了LTC2704-16设计D/A电路实现对激发的X射线能量的控制。同时，设计了USB HUB等硬件电路，并基于Altium Designer完成了控制系统电路板PCB设计。在完成硬件平台设计后，为得到样品中元素类别和含量等信息，本文设计了荧光光谱的分析方法，包括定性分析和定量分析两部分，并基于Delphi进行了分析软件的开发。定性分析通过谱处理实现，首先采用Savitzky-Golay滤波法实现谱线的光滑，然后基于直线法和剥峰法实现谱线中本底信息的剥离，获得特征峰。通过二阶导数法寻峰实现谱线峰位置信息的获取，并基于能量刻度得到峰对应的能量信息。同时，通过高斯函数拟合特征峰以获得特征峰的面积，即元素特征X射线的强度。定量分析中建立了基本参数法数学校正模型来校正基体效应。最后，介绍了分析软件的应用效果，并结合硬件平台应用于具体测试。结果表明，光谱仪达到了预定了性能指标，自动化程度高，数据处理过程可视化、易操作，满足实际应用的要求。