江杰+王龍+杜永興+趙德勝

摘 要： 鈮元素是我國諸多行業(yè)的戰(zhàn)略性元素，但目前鈮元素過分依賴進口，究其主要原因是國內(nèi)的鈮礦品位過低，批量開采經(jīng)濟效益低下，同時化學(xué)分選對環(huán)境造成了嚴重的不可逆破壞。為了從源頭提高鈮礦的品位，設(shè)計了一種全新的X射線熒光信號處理方法，從而更加適用于快速地識別礦石中的鈮元素含量，單塊配制樣品在0.05～0.5 s的時間內(nèi)即可檢測出鈮元素的含量。并且解決了傳統(tǒng)熒光儀利用模擬系統(tǒng)進行信號處理，而過分依賴電阻與電容導(dǎo)致的穩(wěn)定性，可重復(fù)性差、吞吐量低、彈道虧損嚴重、基線偏移較大等問題。提出一種運用全數(shù)字化方式進行信號處理的思路，將熒光探測器發(fā)出的信號首先進行數(shù)字化，保證信號的完整性，通過對數(shù)字信號進行濾波、微分與量化等處理，可以得到準確的譜線信號。通過對成分及含量已知的樣品進行測試，證明結(jié)果準確，各項指標(biāo)得到優(yōu)化。

關(guān)鍵詞： X熒光； 高速數(shù)據(jù)采集； 數(shù)字信號處理； 譜線成形

中圖分類號： TN911.72?34； TP274 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）18?0168?03

All?digital EDXRF simulation for Nb element identification in Bayan Obo

JIANG Jie1， WANG Long1， DU Yongxing1， ZHAO Desheng2

（1. School of Information Engineering， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014000， China；

2. Key Laboratory of Integrated Exploitation of Bayan Obo Multi?Metal Resources， Baotou 014010， China）

Abstract： Niobium is a strategic element in numerous industries of China， and depends on imports excessively. The main reason of the above?mentioned phenomenon is that the grade of niobium ore in China and economic benefit of batch exploitation are low， and the chemical separation causes serious irreversible damage to environment. In order to improve the grade of Nb ore essentially， a new X?ray fluorescence signal processing method was designed to identify the content of niobium element in ore rapidly， with which the content of niobium element in single?block prepared sample can be detected within 0.05?0.5 s. The problems of poor stability and repeatability， low throughput， severe ballistic losses and big baseline shift are solved， which is caused by over?reliance on resistance and capacitance while the analog system of the traditional luminoscope is used for signal processing. A thought of all?digital signal processing is proposed to digitize the signal emitted by fluorescence detector to ensure signal integrity. The digital signal is processed with filtering， differential and quantization to get the accurate spectral line signal. The samples with known composition and content were tested. The result proves that it is accurate and all the indicators have been optimized.

Keywords： X?ray fluorescence； high?speed data acquisition； digital signal processing； spectral line forming

0 引 言

鈮元素（Nb）因其獨特的化學(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于超導(dǎo)、高溫合金、醫(yī)療等領(lǐng)域。位于內(nèi)蒙古的白云鄂博礦[1]是世界上最大的Fe?REE?Nb礦[2]，其合理開發(fā)與綜合利用問題亟待解決。利用白云鄂博框中的鈮元素的分布不均勻這一特點，可以將Nb品位較高的礦石利用非化學(xué)手段分離并富集，那么鈮元素[3]的識別是其中的重要一環(huán)。X射線熒光是近年來發(fā)展起來的新型選礦手段，它可以無損地識別礦石中的元素種類以及含量，但傳統(tǒng)的熒光識別技術(shù)主要依賴于傳統(tǒng)模擬電路，基線偏移較大，且穩(wěn)定性、分辨率以及速度等關(guān)鍵指標(biāo)受到嚴重制約。運用數(shù)字化的信號處理[4]方式可以消除基線[5]漂移的影響，顯著提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可重復(fù)性以及抗干擾能力，相比模擬方式具有較大的優(yōu)勢。本文以探測器輸出的原始信號為基礎(chǔ)，建立數(shù)字化信號處理的模型，進行了鈮元素識別的算法仿真，驗證了該思路的可行性。endprint

1 測試方法

1.1 測試模型

當(dāng)X射線管產(chǎn)生原級射線照射到礦石上后，受激發(fā)后的樣品中每一種元素都會放射出X射線（次級射線），因為不同元素產(chǎn)生的射線能量不同，所以這些射線被探測器接收并轉(zhuǎn)化為電階梯信號時其幅值會有相應(yīng)的差異，信號進入A/D轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)信號的數(shù)字化。隨后對數(shù)字信號進行存儲、濾波、成形、幅值量化[6?15]、譜線繪制等一系列的處理分析。最后以幅值大小為特征變量分辨出元素種類信息，以同幅值信號數(shù)目為特征變量分辨出某一元素的含量。數(shù)據(jù)采集與處理的模型搭建如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集及處理模型

1.2 測試樣品

（1） 五氧化二鈮分析純。

（2） 五氧化二鈮與三氧化二鐵混合樣品。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

進行數(shù)據(jù)采集時，階梯信號的跳變時間在100 ns左右，所以要求采樣頻率至少應(yīng)為20 MHz，此處為了減少數(shù)據(jù)丟失，用40 MHz的采樣頻率一次性存儲2×106個數(shù)字量。因為X熒光探測器的輸出中高頻噪聲影響非常明顯，并不適合直接做后期處理，存儲的數(shù)據(jù)首先需要進行濾波處理，利用快速傅里葉變換（FFT）計算出有效信號與噪聲的頻率范圍。利用Matlab的Filter Design & Analysis Tool工具箱依據(jù)FFT計算結(jié)果設(shè)計出參數(shù)適宜的FIR濾波器，通過對信號進行濾波，可以有效去除噪聲干擾，使信號變得易于處理。

探測器輸出的信號為連續(xù)階梯信號，如果直接獲取階梯幅值信息，則會因測量基準不統(tǒng)一，使實現(xiàn)難度增大且造成一定的誤差。因為已知每個階梯的上升時間是固定的，所以通過對信號進行微分處理，可以保證幅值差異及大小規(guī)律保持不變且所有信號的基準點都會落在橫軸上。微分運算表達式為：

[H=kdUdt] （1）

式中：dU為階梯幅值；dt為階梯上升時間；k為比例系數(shù)；H為不同階梯對應(yīng)的微分值。因dt為定值，所以H（微分結(jié)果）可以完整保存原來階梯的幅值信息，且所有微分結(jié)果都排布在橫軸，便于處理。

信號經(jīng)過微分后的結(jié)果在方波的頂端依然存在波動，這對幅值量化產(chǎn)生較大的影響。因為方波的高度H等于方波面積S除以方波寬度，所以計算出方波的面積S可以對方波頂端的波紋求平均，降低了測量誤差。此處用到了線性卷積的方法。通過調(diào)節(jié)卷積區(qū)間的大小可以得到等腰梯形，梯形的高度就是方波的面積。

幅值量化的過程即卷積結(jié)果的峰值檢測過程，經(jīng)過微分以及卷積處理后的信號在橫軸上離散排列，只需逐點檢測其大小，并認為大于設(shè)定閾值的連續(xù)點中的最大值為有效信號的峰值，該峰值直接反映探測器輸出梯度信號的幅值。

隨后即可以把不同幅值的信號區(qū)分開來，設(shè)最大幅值為Vmax，最小幅值為Vmin，則幅值區(qū)間為Vmin～Vmax，將此區(qū)間均分為2n個小的幅值區(qū)間，并在x軸上標(biāo)定0～2n的坐標(biāo)，則有：

[d=Vmax-Vmin2n] （2）

第i個區(qū)間內(nèi)的幅值大小為：

[Vmin+d?（i-1）

當(dāng)某一信號的高度位于第i個區(qū)間內(nèi)，則在橫坐標(biāo)x為i處y值（光子計數(shù)）加1，根據(jù)這一原則，則可將檢測到的元素依次歸入相應(yīng)的區(qū)間內(nèi)。以0～2n作為橫坐標(biāo)，各區(qū)間信號數(shù)目為縱坐標(biāo)，即可以繪制元素的譜線。

2 測試結(jié)果驗證

本次測試中，采用的探測器型號為KETEK公司的VIAMP H7，X射線管為MOXTEK公司的50 kV MAGNUM系列，管電壓設(shè)置為35 kV，管電流為2 μA。

2.1 信號濾波處理

濾波效果的好壞是數(shù)字化EDXRF實現(xiàn)的關(guān)鍵。由數(shù)據(jù)分析可知，噪聲干擾的頻率遠大于有效信號，所以Response Type（濾波器類型）選擇Lowpass（低通），Design Method（設(shè)計方法）選擇FIR的equiripple法，采樣頻率為40 MHz，通帶截止頻率為140 kHz，阻帶截止頻率為2 MHz，通帶衰減為0.1 dB，阻帶衰減為60 dB。根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計出的濾波器Order（濾波器階數(shù)）為102。

運用該濾波器對采集到的信號進行處理，得到的濾波及成形效果如圖2所示。從圖2中可以看到，濾波后的信號階梯分辨效果理想，高頻噪聲信號得到了很好的抑制，信號成形結(jié)果明顯。成形效果細節(jié)如圖3所示。圖中就是將臺階信號處理成為梯形的結(jié)果。不僅去除了基線上的噪聲，同時得到了光子能量的相對大?。ㄌ菪胃叨龋?。

2.2 能量標(biāo)定

在濾波及信號成形效果理想的前提下，在此進行了譜線繪制。橫坐標(biāo)0～2n取n=8，則橫坐標(biāo)被分為256個通道，采樣時間設(shè)置為0.5 s，繪制10組采樣數(shù)據(jù)的譜線累加效果圖，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，鈮元素的Kα與Kβ特征峰繪制明顯，通過與傳統(tǒng)標(biāo)準譜線（256道址）進行對比，可以確定鈮元素特征峰所在的橫坐標(biāo)位置是正確的。據(jù)此可以認定利用該方法進行鈮元素的識別是可行的。

2.3 含量標(biāo)定

為了驗證該方法能否正確反映鈮元素含量的定量關(guān)系，使用粉末壓片法配制了鈮元素含量分數(shù)分別為1%，2%，…，10%的鈮鐵混合樣品，分別繪制采樣時間為0.5 s的譜線，計算出特征峰半峰寬（FWHM）面積。繪制半峰寬（FWHM）面積與質(zhì)量分數(shù)之間的相關(guān)性曲線，如圖5所示。由圖5可知，元素含量與半峰寬面積之間具有很好的相關(guān)性。

圖5中的直線方程為y=2.690 91x+5.4，其線性相關(guān)系數(shù)是0.971，實際工作中要求R值大于0.8。認定利用該方法進行元素定量識別是可行的。隨著Nb元素品位的增加，相對測量誤差降低，與識別高品位礦石目標(biāo)相匹配。

3 結(jié) 論

利用數(shù)字化的處理方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)模擬電路進行元素識別，可以擺脫模擬器件對成形時間的束縛，極大提高測量效率，同時消除了彈道虧損與基線漂移的影響，通過對實測樣品進行定性與定量分析，證明了該方法的可行性。通過迅速地分析礦石中的Nb元素，從而在源頭提高Nb元素的品位，不僅對后續(xù)的富集過程提供了高品位原料，也對環(huán)境保護做出了積極的貢獻，有效地避免大量化學(xué)藥劑帶來的生態(tài)問題。

本文的思路與方法為研制適用于白云鄂博礦的全數(shù)字化新型熒光礦石分選機奠定了基礎(chǔ)。

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