[发明专利]一种用于X射线荧光光谱本底扣除的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种X射线荧光光谱本底扣除方法，属于光谱处理领域。

背景技术

能量色散X射线荧光(EDXRF)光谱仪从20世纪70年代初跨入分析仪器行业以来，就以其分析速度快、准确度高、对试样无污染等优点，在钢铁冶金、石油化工、地质矿产、文物鉴定、生物医学等诸多领域得到了广泛的作用。特别是欧盟RoHS指令的执行，使其得到了更广泛的应用。

能量色散X射线荧光光谱分析技术利用激发源产生X射线，照射到样品上，激发出样品中所含元素的特征X射线，探测器接受特征X射线并将其转化成电信号，之后由滤波放大电路处理并进行AD转换，转换结果存储在存储器中，存储器地址与AD转换结果数值相对应，之后将存储器中数值传送到上位机显示光谱。通过对光谱特征峰定位，可以得出样品中所含元素的种类，通过对特征峰面积的计算，与标样校正后即可得到样品中所含元素的含量。

但是在光谱产生的过程中存在很多干扰，除了高频噪声外，还有低频本底。本底的产生原因是多方面的，并且与仪器的配置有密切的关系。主要来源包括：(1)宇宙射线；(2)环境中的辐射；(3)探测器及放大滤波电路等电子元器件产生的堆积；(4)样品的辐射(对于放射性样品来说)；(5)样品、分光晶体及X射线光路中其他元件造成的二次辐射；(6)X射线管的原级X射线。前两种本底来源不可避免，其对本底的贡献约为2counts/s；对于探测器及放大器造成的本底，由于它们的能量较小，可以通过一定的设施滤除一部分。样品之间间隔的空气会散射X射线管中的连续谱、目标靶的特征X射线和其他射线，另外空气中氩气的特征X射线也会对本底构成一定影响。样品对原级X射线的散射及样品发射出的射线会造成部分甚至完全与特征X射线的光谱相重叠。晶状样品可能会将原级光谱中的特定的波长成分造成衍射。准直器也会散射、衍射并反射通过准直器的X射线，并且其自身的特征X射线也会被激发。这六条来源中，最后一条原级X射线中的连续谱是构成本底的主要成分。

精确扣除本底能够提高特征X射线荧光光谱净峰面积计算的准确性，本底扣除是XRF分析中关键的一步。为了扣除本底，除了在物理条件，即在产生荧光光谱的过程中尽量减少干扰外，软件算法也发挥着重要的作用。目前，用于本底扣除的方法有很多，top-hat滤波器，函数拟合法，剥峰法，仿真本底物理模型，傅立叶变换，和小波变换等。top-hat滤波器法是将原始光谱与top-hat滤波器相卷积，本底可以得到有效抑制，但是也会导致特征峰产生严重的畸变。函数拟合法是结合一些分析函数，利用线性或非线性最小二乘法对光谱进行拟合，可以同时估计本底和特征峰，常用来对本底进行拟合的函数有线性多项式、指数多项式和轫致辐射本底等，其中轫致辐射本底是对指数多项式的一种扩展。还有一种特殊的多项式拟合法，即正交多项式拟合法，正交意味着各个多项式之间无关，并且在计算完毕后如果再添加一个新的多项式进行拟合，则前面各项系数仍能保持不变。函数拟合法的问题是使用不同的模型往往具有不同的本底扣除效果，很难找到一个最优的方法。削峰法的思想是通过比较某通道计数和其周围通道计数值，削去变换比较快的部分，这种方法的主要缺点是多次迭代后，重叠峰会变成一个比较平滑的突起，很难去除。

可见这些方法均存在其局限性。常规本底扣除方法一般依赖于本底和特征峰分布在不同的频率段，即本底一般分布在低频信号段，而特征峰等有效信息则分布在较高频率段。可实际上特征峰也往往会呈现出低频特性。两者的频段常常有部分重合甚至完全覆盖。直接从频域入手，选择一个界限将两者分开的话，常常使得计算出的本底过大或过小，从而进一步引起特征X射线荧光光谱净峰面积的误差。

为了克服以上问题，研究者将小波分析用来进行光谱本底扣除。近年来小波分析作为一种时频局部化工具在信号处理、通信和光谱分析等很多领域发挥着重要作用。将小波分析应用于光谱分析领域，可以充分发挥其多分辨率分析特性，在高频时时间分辨率高，低频时频率分辨率高，可以对光谱进行更细致的解析。

大部分应用小波分析进行光谱本底扣除的算法都是利用其低频逼近来直接拟合本底，在一定程度上提高了本底拟合的准确性。可实际上利用小波变换扣除本底仍在一定程度上受到特征峰与本底频率段重合的限制，当二者重合时，很难找到一个合适的分解尺度进行分解。另外，直接用逼近来拟合本底时，常使扣除本底后的谱发生畸变，出现一些计数值小于零的无实际意义的点，尤其是在纯本底区域。