X荧光光谱、XRF（能量色散型X荧光光谱仪）X-123

图1。


图2。


图3. 6mm2/500µm（探测器有效面积/厚度）的探测器得到的⁵⁵Fe能谱。
 

1. X射线探头和前置放大器（前放）；
2. 数字脉冲处理器和多道分析器；
3. 电源和PC接口。

产品特性：
1. 紧凑的一体化设计；
2. 易操作；
3. 体积小（2.7 x 3.9 x 1英寸，7 x 10 x 2.5厘米）；
4. 低功耗（2.5W）；
5. 重量轻（180克，6.3盎司）；
6. USB和RS232通讯支持；
7. 可封装全系列的AMPTEK探测器。

应用范围：
1. X射线荧光谱仪；
2. 执行RoHS/WEEE标准检测的仪器；
3. 流程控制；
4. 艺术和考古；
5. X-123产品演示。

探测器：
1. Si-Pin半导体X射线探头；
2. 两级热电制冷；
3. 面积：6-25mm2；
4. 厚度：300-500µm；
5. 多层准直器。

典型性能参数：
1. 分辨率：在5.9keV能量出的半高全宽为145到230eV；
2. 适用能量范围：1-40keV；
3. 最大计数率：可达每秒两百万计数。
4. 实际的性能参数取决于不同的探测器和配置，可以为不同应用进行优化。

  X-123是代表Amptek 公司14年X射线探测器技术发展的集大成产品。我公司一直致力于生产小型、低功率、高性能、易操作的仪器，而X-123是该宗旨的集中体现——X-123包含有 XR100-CR型X 射线探测器及其电荷灵敏前放，带脉冲整形功能的数字脉冲处理器 DP5，多道分析器和数据接口以及PC5供电电源。用户仅需提供+5V直流输入和USB/RS232线缆和您的计算机通讯。

X-123产品介绍：
  Amptek公司专注于生产小型、低功耗、高性能和易操作的X射线光谱仪。X123将Amptek公司的高性能X射线光谱分析元件产品集成在一个独立的盒体内，这些元件包括：XR100CR探测器和前放，DP5数字脉冲处理器和多道分析器以及 PC5电源。这样的一体化系统更适合手持操作。而市场上销售的其它谱仪系统，仅前置放大器就比X123谱仪更大、更重，而且更耗能。而X123额外需要的只有两根线缆连接：电源线（+5V 直流电）和数据线（USB 或 RS232）。任何人都能利用X-123方便快捷地得到高质量的X射线能谱。
  该系统的核心部件是一个 Si-PIN光电二极管：X射线与硅作用，在硅中平均每损耗3.62 eV的 X射线能量便产生一个电子/空穴对，即为输入信号。
  探测器以及输入场效应管（FET）均安装在一个热电致冷器上，并与一个定制的电荷敏感前放相连。热电致冷技术的应用缓解了探测器和前放上的电子学噪声问题，其工作原理与大家比较熟知的空调制冷比较类似；电荷敏感前放则采用了一种新型的反馈技术，即通过高压连接向探测器输入复位脉冲。
  DP5是一个数字脉冲处理器，可代替现今大多数模拟信号系统中采用的成形放大器和多道分析器（MCA）。数字技术的应用改善了诸多关键参数：
1. 性能更佳，尤其是在高计数率时有更好的分辨率和性能；
2. 有更多的配置方案可选，因此使用范围较广，具有较大的灵活性；
3. 用户可利用RS-232 接口和配套软件控制，选择配置方案；
4. 稳定性和可重复性更好。
  DP5 将前放的输出信号数字化，并对信号进行实时处理，测定峰值（即数字化），然后将这些数值存储于寄存器中，并生成能谱图，最后谱图通过DP5的接口传送到用户的计算机上。Amptek DP5处理器主要有 6个功能模块来实现上述程序：
1. 模拟信号预滤波器；
2. 模数转换器（ADC）；
3. 数字脉冲整形器；
4. 脉冲选择逻辑单元；
5. 寄存器单元；
6. 硬件接口（包括一个微控制器）和配套软件。

  系统电源采用的是 Amptek公司的PC5模块（结构简单，单块电路板）。输入为电压约为+5V，电流为200mA的直流电。PC5中利用开关电源为数字处理器和前置放大器提供它们所需的直流低电压，同时它还包含了一个高压倍增器以产生探测器所需要的400V的高偏压，并闭环控制热电制冷器以提供达85℃的温差。另外在出厂前会针脚对配套探测器进行所有电源输出调试。
  整个系统被封装在一个7 x 10 x 2.5 cm3的铝盒中，探测器安装于加长管的前端。在标准配置下，仅需两条连接线：电源线（+5V 直流电）和数据线（USB 或 RS232）。当 X123 与其他仪器配合使用时，DP5电路板上还可集成更多的输入/输出：一个 MCA 门，一个缓存选择信号、同步输出和 SCA 输出。详情请联系Amptek公司或查阅DP5说明书。

图4. X-123架构和接线图。

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X-123参数说明：

系统性能
能量分辨率	在5.9 keV能量处半高全宽为145-230 eV。 具体数值因探测器、峰化时间和温度的不同而不同。
可探测能谱范围	在1.5-25keV能量范围中X射线探测效率>25%。 超过该能量范围则探测效率会有一定下降。
最大计数率	受峰化时间影响。开启堆积判弃功能时， 50%空载时间下推荐的最大计数率如下表。 DP5 峰化时间（µs） 2.4 6.4 25.6 成形时间（µs） 1.0 2.9 11.6 推荐的最大计数率 1.2x105 4.6x104 1.2x104
探测器和前放
探测器类型	Si-PIN，SDD或CdTe。
探测器面积	6 mm2-25 mm2。
探测器厚度	300 µm和500 µm。
铍窗厚度	1mil(25µm)或0.2mil(12.5µm)。
准直器	多层。
热电致冷	两级。
前放类型	AMPTEK公司为用户定制的可利用高压连接复位的前放。
脉冲处理器
增益	结合使用粗调和微调增益可获得从0.84到127.5连续可调的所有增益。
粗调增益	通过软件可选从1.12到102的共16个对数档：  1.12，2.49，3.78，5.26，6.56，8.39，10.10，11.31， 14.56，17.77，22.42，30.83，38.18，47.47，66.26，102.0。
微调增益	从0.75到1.25，通过软件可选，10bit精度。
最大刻度	增益为1时输入脉冲为1000 mV。
增益稳定性	<20 ppm/℃（典型情况）。
脉冲形状	梯形。
峰化时间	通过软件可选0.8到102µs间的24个峰化时间， 近似对数间隔，相当于0.4至45 µs的半高斯成形时间。
空载时间	总的空载时间为1.05倍的峰化时间，无转换时间。
脉冲对分辨时间 （快通道）	120 ns
多通道分析器
通道数	通过软件可选：8k，4k，2k，1k，0.5k或0.25k道。
预设值	时间，总计数，感兴趣能区（ROI）计数，单道计数。
数据传输
USB	全速2.0 （12Mbps）
串口	标准RS232接口（115.2k或57.6 k波特）
以太网	10BASE-T标准（10Mbps，双绞线）
电源
标准输入	一般情况下输入为+5 V，500mA直流电（2.5W）； 而电流和探测器温差ΔT强相关，300-800mA可变； 另外配有交流电源适配器。
输入电源范围	4 V-6 V（300-200 mA，最大500 mA）。
高压电源	内置倍增器，可达 400 V。
制冷器	闭环控制器，温差最大为ΔTmax =85℃。
常规参数和工作环境
工作温度	-20℃到+50℃。
保修期	1年。
典型寿命	视实际使用情况，一般为5至10年。
仓储和物流	长期存放：干燥环境下10年以上； 一般的仓储和物流：-20℃到+50℃，10%到90%的湿度，无凝结。
标准检测	符合RoHS标准。
	TUV认证： 认证编号：CU 72101153 01； 检测于：UL61010-1:2009 R10.08； CAN/CSA-C22.2 61010-1-04+GI1。
连线
USB	标准USB Mini接口
RS232	标准2.5 mm立体声耳机接口 尖端 发送数据 电脑DB9针脚2（DB25针脚3） 环 接收数据 电脑DB9针脚3（DB25针脚2） 套管 信号地 电脑DB9针脚5（DB25针脚7）
以太网	标准以太网连接器（RJ-45）
电源接口	Hirose Electric生产的MQ172-3PA(55)，配接插头：MQ172-3SA-CV。
其他线缆	16针接口（两排八脚，2 mm间距，Samtec产品编号ASP-135096-01） 和如下排线配套使用：Samtec产品编号TCMD-08-S-XX.XX-01； 上排为奇数针，下排为偶数针。右上为针1，右下为针2。 针号 名称 针号 名称 1 SCA1 2 SCA2 3 SCA3 4 SCA4 5 SCA5 6 SCA6 7 SCA7 8 SCA8 9 AUX_IN_1 10 AUX_OUT_1 11 AUX_IN_2 12 AUX_OUT_2 13 IO2 14 IO3 15 GND 16 GND
通讯控制接口软件/固件
ADMCA	X-123可利用Amptek公司的ADMCA显示和采集软件来控制： 能控制和设置X-123的各项参数，同时可以下载和显示数据； 支持感兴趣区域（ROI），标定，峰值搜索等； 包括一个接口程序，能与XRF-FP定量X射线分析软件包无缝连接。 在安装有Windows 98SE或更高版本的PC 兼容机上运行（仅32位），建议在 Windows XP PRO SP2或更高版本下运行。
DPP API	X-123自带有一个DLL数据库类型的应用程序接口程序，用户可以方便地根据自己的需要采用该数据库编写特定的代码来控制X-123，并集成到上级软件系统中；   另外AMPTEK还提供了VB，VC++上API使用的范例以及一个Pocket PC版的Window CE。
VB示例软件	基于VB的示例软件可在个人计算机上运行，而用户通过该软件可设置 X-123的参数，开始和中断数据采集以及保存数据文件。AMPTEK可提供用户源代码以方便修改。该软件仅为在没安装DPP API软件时，通过USB/RS232，使用基本指令控制X-123的范例，特别对于必须自行编写控制软件的非Windows平台系统有参考意义。

可选配件：
 1. 可定购其它厚度的铍窗（0.3 mil，即7.5 µm）；
2. 高通量应用中所需的整套准直器；
3. 真空配件；
4. OEM应用。

图5. X-123探测器加长管配置选项

 

图7. Si-PIN和SDD探测器的能量分辨率和峰化/成形时间关系曲线。


图8. 在不同的峰化时间下，能量分辨率和输入计数率（ICR）的关系曲线。


图9. 计数率输出效率，输入计数率（ICR）和输出计数率（OCR）的关系曲线。

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准直器的使用：
  为了提高能谱的质量，Amptek 生产的大部分探测器都带有内部准直器。探测器有效面元(active volume)边缘部分和X射线的相互作用会因不完全电荷收集产生一些小脉冲信号，进而影响测得的能谱数据。而且这些信号可能正处在用户所关心的元素所在的能量范围，降低了信噪比。而内部准直器则可以限制X射线只能打到有效面元内，这就避免了噪声信号的产生。不同类型的探测器中准直器的应用各有优点：
1. 提高峰本比（P/B）；
2. 消除边界效应；
3. 消除假尖峰信号。

真空应用：
  X-123可以在空气或真空度达 10^-8托的条件下使用。X-123通过一个标准的O圈刀口密封的接口和真空室连接，还可选用型号为EXV5/EXV9（5/9英寸长）的探测器真空加长管（如图5）。

探测效率曲线：

图10（线性坐标）. X-123对应的完全能量沉积的内禀探测效率。

图11（对数坐标）. 考虑各种效应后的收集效率，其中也包含了光电效应的概率影响。

  光电效应在低能段主导，而该效应对应了能量的完全沉积，但在超过40keV后，康普顿（Compton）散射效应逐渐显著，不是所有能量均沉积在探测器上。
  上面两图同时考虑了铍窗（包括保护层）对X射线透过率的影响以及光子与硅探测器之间的相互作用。曲线的低能部分由铍窗的厚度决定，而高能部分则取决于硅探测器的有效探测厚度。选用特定的铍窗，可使90%的能量为2到3keV的入射光子到达探测器；选用特定的探测器，可接收到90%的9到12keV 的光子。

传输效率文件：包含传输效率方面系数和常见问题解答的.zip格式文件，仅提供基本信息，不能作为定量分析依据。

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X-123的应用，RoHS/WEEE标准测试：
  2006年6月，RoHS/WEEE标准（电子电气设备废弃物和有害物质限制规定）规定了电子设备中某些物质（Cr VI，Pb，Cd，Hg，Br PBB/PBDE）的最高含量标准。通过 X射线荧光分析（XRF），X-123可应用于质量控制环节，检测设备是否符合RoHS/WEEE标准。用户可以快速、准确以及无损地检测特定元素的浓度，而公司可以核实供应商的标准并说明自己的标准。借助这个方便、小巧和易用的探测仪器，X-123向原始设备供应商（OEMs）和最终用户提供了一个强大的 X射线探测系统，它可以直接应用并投放市场。由于所有的连接都已在产品内部做好，用户所需只是+5V直流输入和USB/RS232线缆。
  X-123并未因小型化而牺牲性能。根据不同探测器类型和峰化时间，Fe的5.9keV能峰处的能量分辨率（半高全宽）可达145 eV至230 eV。X-123是封装好的一整套 X射线谱仪，是产品快速开发的完美选择，且为原始设备供应商（OEMs）提供了最快的投放市场速度。

图12. RoHS/WEEE应用中能谱示例。

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采用Si-PIN探测器的X-123 的典型测量结果：

图13. 109Cd样品的X射线荧光分析谱图（多元素）。
 

图14. 109Cd样品中铅的X射线荧光分析谱图。
 

图15. PC机主板的一些位置得到109Cd样品的 X射线荧光分析谱图。
 

图 16. 109Cd样品中所含若干元素的 X射线荧光分析谱图。

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机械部分
机械尺寸

图17. 装配硬件。


图18. 包含装配板和角铁的X-123。


图19. X-123装配板尺寸图。


图20. X-123所用角铁尺寸。
 

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完整的X射线荧光谱仪（XRF）系统：

图21. 完整的XRF系统。


图22. 已装配在MP1型底板上的X-123和Mini-X射线管。

完整的XRF系统包括：
1. X-123 X射线能谱计；
2. Mini-X型USB控制X射线管；
3. XRF-FP定量分析软件；
4. MP1型XRF装配底板。

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