[发明专利]X射线检测器复位控制电路

说明书

本发明涉及一种X射线检测器复位控制电路。公开了用于对具有来自X射线检测器的输入和至ADC的输出的电荷灵敏前置放大器的电压进行复位的电子系统。增大前置放大器增益，以使得RMS ADC噪声小于代表性的数字X射线信号的1％。复位逻辑被配置为避免X射线计数丢失，并防止前置放大器输出超出ADC的允许输入范围。在前置放大器输出上升超过比ADC的最大允许输入低的高电平的情况下，开始复位。也可在检测到堆叠事件的情况下开始复位，只要这种复位不会导致前置放大器输出下降到低于ADC的最小允许输入即可。在每次复位时，从前置放大器移除已知的电荷量，且复位时间被连续调节以确保该电荷量不会漂移。

技术领域

本发明涉及用于检测X射线并生成相应的响应电子信号的诸如X射线荧光(XRF)仪等的X射线测量系统，，并且更特别地涉及电荷灵敏前置放大器的使用，其中必须周期性地复位前置放大器的输出电压。

背景技术

XRF仪通常包括X射线源、X射线检测器和相关电子器件。X射线检测器通常是能量色散的，其中每个入射的X射线产生电荷与该X射线的能量成比例的电子信号。检测器电子器件被设计为放大每个信号，以使信号变得大到足以准确地测量与该X射线的能量相对应的电荷。放大后的信号后续被数字化，并且数字值用于构建X射线谱，其中X射线谱是X射线能量与所接收到的具有该能量的X射线的数量的标绘图。这样的谱在与所测量的样本中的元素的特征X射线能量相对应的能量处呈现波峰。波峰的宽度是系统的能量分辨率的度量，而高分辨率是使得能够识别样本中的元素以及确定元素浓度的关键参数。

在X射线检测系统中，来自检测器的信号通常通过电荷灵敏前置放大器进行前置放大。电荷灵敏放大器具有这样的特性：响应于来自入射X射线的电荷的输入，电荷灵敏放大器的输出电压近似以阶梯函数上升。响应于后续的X射线信号，输出电压持续上升至越来越高的电压电平，其中每个电压阶梯的高度与相应的X射线的能量成比例。在现有技术的系统中，输出电压持续上升直到达到最高电压阈值且施加外部复位信号以使输出电压恢复为0或最低电压阈值。

为了确定每个X射线的能量，必须通过从紧邻电压阶梯之后的电压减去紧邻电压阶梯之前的电压来计算该电压阶梯的高度。如果电压在阶梯之前或之后近似恒定则该计算最为准确。

图2A和图2B是现有技术的典型系统的图示。图2A是现有技术的检测电路的示意图，该检测电路包括检测器4’、电荷灵敏前置放大器6’、模拟数字转换器(ADC)10’和谱生成器14’。检测器4’响应于每个入射X射线而生成电信号。电荷灵敏前置放大器6’的输出电压S-6’随着接收到每个X射线而上升，并且ADC 10’对输出电压S-6’进行数字化以生成ADC输出S-10’。谱生成器14’根据输出S-10’中的数字化阶梯高度来确定每个X射线的能量，并构建作为X射线能量与所接收到的具有该能量的X射线的数量的标绘图的谱。比较器30’将输出电压S-6’与最高阈值电压进行比较，该最高阈值电压是ADC 10’的最高允许输入电平。在输出电压S-6’达到最高阈值电压的情况下，比较器30’向复位电路32’发送复位信号S-30’，该复位电路将输出电压S-6’复位为最低阈值电压，该最低阈值电压是ADC 10’的最低允许输入电平。在典型的现有技术实现方式中，最高阈值电压可以是+2V，最低阈值电压可以是-2V。

图2B示出了ADC输出S-10’与时间的曲线图。最高ADC电平35’是最高阈值电压的数字等效值，且最低ADC电平34’是最低阈值电压的数字等效值。包括多个X射线信号的曲线的上升部分36’从最低ADC电平34’开始，并随着接收到X射线信号而上升，直到ADC输出达到最高ADC电平35’为止。通常ADC 10’是16位ADC，并且由于最低ADC电平34’和最高ADC电平35’之间的ADC输出S-10’表示了ADC 10’的整体范围，因而在该ADC范围内会有2¹⁶＝65536个最低有效位(LSB)。在典型的现有技术系统中，前置放大器6’的增益被设置为使得针对入射X射线的平均阶梯高度响应对应于约100～200个LSB，这意味着，通常约300-600个入射X射线将导致ADC输出从最低ADC电平34’上升至最高ADC电平35’。