基于虛擬儀器平臺的X射線熒光分析的軟件開發(fā)

潘文君 賴萬昌 楊中建

【摘要】基于LabWindows/CVI的虛擬儀器軟件平臺開發(fā)的X熒光分析軟件，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、譜數(shù)據(jù)光滑、自動尋峰、能量刻度、峰面積計算、元素識別、能對X熒光光譜進(jìn)行定性和定量分析，分析的結(jié)果以表格和數(shù)據(jù)的形式輸出。能實現(xiàn)基本的譜分析功能。

【關(guān)鍵詞】X熒光;Labwindows/CVI;軟件;虛擬儀器

Abstract：X-ray fluorescence analysis softwarebased onLabWindows/CVI virtual instrument software platform.This Spectrum analysis softwarecanrealize the calculation of energy spectrum datasuch asdataprocessing，spectra smoothing，peak automatic funding，and scaling ofenergyspectrum data，peak area calculation，element auto-identifying， qualitatively and quantitatively analyzing of the X-ray fluorescence spectroscopy.It can put out the results with forms and diagrams.The software can realize the basic function of the spectral analysis.

Key words：X fluorescence;Labwindows/CVI;Software;Virtua1 Instrument

在傳統(tǒng)的譜分析軟件中多采用VB或者VC等文本編程語言編譯而成[1]，但是在程序的編譯及實現(xiàn)的過程中，所有的信號處理和顯示都需要編譯相關(guān)的子程序，數(shù)學(xué)計算復(fù)雜，參數(shù)多，程序龐大而且調(diào)試非常的不容易。

Labwindows/CVI是由NI公司開發(fā)的，基于ANSI C的交換式虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，將功能強(qiáng)大的C語言與測控技術(shù)結(jié)合，具有靈活的編程方法，豐富的庫函數(shù)，適用與信號的分析和處理。本程序可以對IED-2000D型高精度XRF分析儀測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行定性和定量的分析，從而可以對多元素進(jìn)行快速的分析。

1.軟件系統(tǒng)構(gòu)成

本軟件是基于LabWindows/CVI平臺開發(fā)的，采用模塊化設(shè)計。根據(jù)軟件所要實現(xiàn)的功能把程序分成數(shù)個模塊，然后以各個模塊為單元進(jìn)行設(shè)計和調(diào)試，最后進(jìn)行封裝。軟件的模塊層次及要實現(xiàn)的功能見圖1。

圖1 譜分析軟件功能框圖

2.定性分析

2.1 譜數(shù)據(jù)光滑

為了減少能譜測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計漲落的影響，可靠地識別峰的存在，準(zhǔn)確確定峰的位置和能量，可對數(shù)據(jù)采用光滑技術(shù)，進(jìn)行譜線光滑是減少尋峰誤差的有效手段[2]。對于某些統(tǒng)計漲落較大的譜數(shù)據(jù)可重復(fù)多次光滑[3]。我們要求光滑后的譜線盡可能有原始譜線中有意義的各種特征，特別是峰位和峰面積不能產(chǎn)生明顯的變化，但是能減少出現(xiàn)假峰的可能性，并使峰面積計算有較高的精確度。一般的方法有算數(shù)滑動平均法、重心法、最小二乘多項式擬合法、傅里葉變換法、離散函數(shù)褶積滑動變換法等[4]。離散函數(shù)褶積滑動變換法能有效消除統(tǒng)計漲落和噪聲對譜數(shù)據(jù)的影響，因此本軟件采用離散函數(shù)褶積滑動變換法。其計算公式為：

其中半高寬H=4道，變換寬度W=7道。

每次數(shù)據(jù)處理完以后刷新譜線，經(jīng)過譜數(shù)據(jù)光滑得到了較好的結(jié)果，并在軟件界面上顯示出來。

2.2 自動尋峰

在能譜分析中最關(guān)鍵的是如何在譜數(shù)據(jù)中計算出各個峰的峰位，在定性分析中只有正確找到譜中峰得分位置才能確定被測樣品中是否存在某種元素。在譜線漂移不大的情況下，對于特定的某個儀器，其特定的峰位的位置大概是可以知道的，我們有多種尋峰方法，如簡單比較法，一階導(dǎo)數(shù)法，高斯擬合法，對稱零面積法。對稱零面積法對高基底譜上的弱峰識別能力最強(qiáng)[5]。對稱零面積變換法的基本思想是將面積為零的“窗”函數(shù)與實驗所得的譜數(shù)據(jù)進(jìn)行褶積變換，其中要求“窗”函數(shù)為對稱函數(shù)。對線性基底的褶積變換將為零，只有存在峰的地方不為零，所以對原始譜數(shù)據(jù)的對稱零面積變換反映了峰形的變換。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中為變換后的譜數(shù)據(jù)，是原始譜數(shù)據(jù)，為對稱零面積變換函數(shù)，W=2m+1 為窗寬（變換寬度）。對稱零面積變換函數(shù)：

在本軟件中采用高斯函數(shù)：

其中：f為找峰閾值或靈敏因子，為一正常數(shù)。為了使尋峰的靈敏度與實驗所測譜數(shù)據(jù)的統(tǒng)計性無關(guān)，一般采用變換譜的標(biāo)準(zhǔn)偏差為單位尋峰，當(dāng)變換譜與它的標(biāo)準(zhǔn)偏差之比出現(xiàn)某一正極值，且此極值超過某給定的數(shù)值f時，我們就認(rèn)為這是峰。其中W為窗寬，H為伴寬度，本軟件中選取W=11，H=4。如圖2所示。

圖2 能量刻度曲線面板

2.3 能量刻度

能量刻度是指建立儀器譜中道址與能量的相對應(yīng)關(guān)系，每一道就對應(yīng)一特定的能量，每道計數(shù)反應(yīng)當(dāng)前能量的X射線的強(qiáng)度。入射射線能量與道址成線性正相關(guān)關(guān)系，即E=a+b×CH。能量刻度就是根據(jù)兩組已知的能量和道址的值來計算出上式中的k，b。計算公式如下：

本軟件可以設(shè)定更改能量刻度，并且分別以圖形和數(shù)字的方式顯示能量刻度曲線。能量刻度設(shè)定面板如圖3所示。

圖3 能量刻度設(shè)定面板

2.4 元素識別

元素識別是進(jìn)行定性分析的最終目的。本軟件自帶一個元素信息庫，通過對譜數(shù)據(jù)尋峰，根據(jù)能量刻度把峰位轉(zhuǎn)換成射線能量E然后在元素信息庫逐一進(jìn)行能量對比查詢，在一定誤差范圍內(nèi)與此能量對應(yīng)元素就是該峰位所對應(yīng)的元素。通過匹配元素庫就可以在譜數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)樣品中含有有哪些元素，并在主界面上以彩色字體顯示出來，從圖4中就可以明顯看出來。

圖4 樣品數(shù)據(jù)圖形顯示面板

3.定量分析

準(zhǔn)確計算出樣品中元素含量X熒光分析的重要目的之一。要進(jìn)行定量分析，

重要的是準(zhǔn)確的計算出峰面積。計算峰面積的方法主要有以下兩種。1）直接法：首先要確定左右邊界的道址，在左右道址的范圍內(nèi)求出譜數(shù)據(jù)各道計數(shù)和，即峰的總面積，根據(jù)本底分布曲線求本底計數(shù)和，即本底面積，用峰總面積減去本底面積即為凈峰面積;2）函數(shù)擬合法。實際上直接法中的沃森-斯托林斯基峰面積法準(zhǔn)確度和精度都比較高，但是算法比較復(fù)雜，總峰面積法是Ge（Li）、Si（Li）譜儀使用最廣泛計算凈峰面積的方法之一，因此本軟件使用的是總峰面積法。根據(jù)各元素特征峰面積來計算元素含量。一般X射線熒光分析中采用的是相對測量法，如果我們事先測量多個不同含量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，利用特征峰面積和含量之間的函數(shù)關(guān)系式，通過該關(guān)系式就可以測出待測元素的含量。建立這種函數(shù)關(guān)系式的過程我們稱之為標(biāo)定，函數(shù)關(guān)系式就稱為標(biāo)定方程[6]。本軟件采用兩種方法計算待測元素含量：

1）計數(shù)率法：

其中a，b，c，d，e，f為標(biāo)定系數(shù)，為元素含量計算相關(guān)的五種元素。

2）特散比法：在實際應(yīng)用中有時需要特散比法計算含量，公式為：

其中為待測樣品中待測元素含量，為標(biāo)準(zhǔn)樣品待測元素特征X射線計數(shù)率。在軟件中有多種模式可供選擇，不同模式情況下的標(biāo)定系數(shù)可以修改并保存，以適用于不同的情況，提高元素含量計算的精確性。

4.初步應(yīng)用

我們利用為IED2000D型高精度XRF分析儀所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。我們用IED2000D型高精度XRF分析儀測量一樣品進(jìn)行測試得到了一些數(shù)據(jù)。然后利用本軟件進(jìn)行分析。我們通過軟件進(jìn)行能量刻度設(shè)置，定性分析結(jié)果顯示如圖4：從以上的圖4中我們可以在（下轉(zhuǎn)第126頁）（上接第123頁）樣品數(shù)據(jù)圖形顯示面板上看到樣品所含有的元素。用光標(biāo)可以計算出我們所選的區(qū)域的峰面積。對Fe和Sr元素分析，含量結(jié)果如表1和表2，從結(jié)果我們可以看出本軟件基本可以勝任X熒光分析和教學(xué)等應(yīng)用的需要。通過修改和完善本軟件的數(shù)據(jù)庫可以使分析的數(shù)據(jù)更加精確。本軟件具有操作操作簡單，使用方便的特點，我們可以利用菜單或者工具欄來進(jìn)行相應(yīng)的操作，甚至可以用快捷鍵來操作，軟件主界界面，顯示的信息豐富，界面美觀大方，能夠滿足不同人的需求。

5.結(jié)論

初步應(yīng)用表明，基于Labwindows/CVI虛擬儀器平臺的X熒光分析軟件的設(shè)計是完全可行的。在整個設(shè)計過程中充分利用了基于C語言的Labwindows/CVI方便，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能來完成對所得到的譜數(shù)據(jù)的分析和處理。其具有良好的用戶界面，靈活的使用方式。我們在進(jìn)一步研究的過程中功能將更加完善。

表1 Fe元素分析對比結(jié)果

表2 Sr元素分析對比結(jié)果

參考文獻(xiàn)

[1]孫曉云.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]林延暢.高靈敏度多元素現(xiàn)場X射線熒光探測系統(tǒng)的研制[D].四川：成都理工大學(xué)，2006.

[3]楊強(qiáng).嵌入式X 射線熒光數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的研制[D].四川：成都理工大學(xué)，2007.

[4]Martin JP，Zeilger R.Nuclear Instrument Methods，1978，489-492.

[5]尚鳳君 王海霞 周蓉生X 熒光譜分析中尋峰算法的探討及實踐[D].物探化探計算技術(shù)，2000，11（4）：367.

[6]賴萬昌.核輻射探測器與核電子學(xué)[M].四川：成都理工大學(xué)，2003.

項目來源：“863計劃”項目“高精度能譜探測儀器研發(fā)（2012AA061803）”。

作者簡介：潘文君（1981—），男，四川鄰水人，成都理工大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：核技術(shù)及應(yīng)用。