檢測器信號處理電路的製作方法

2023-12-04 21:38:22 2

本發明涉及用於檢測x射線並生成相應的響應電子信號的x射線分析器，並且更特別地涉及通過使用脈衝發生器來提高x射線譜的能量標度的穩定性和精度的改進的信號處理電路。

背景技術：

諸如x射線螢光(xrf)或x射線衍射(xrd)儀器等的x射線分析器通常包括x射線源、x射線檢測器和關聯的電子器件。x射線檢測器通常是能量色散的，其中各入射x射線產生電荷與該x射線的能量成比例的電子信號。檢測器電子器件被設計成放大各信號，使得該信號變得足夠大以準確地測量與x射線能量相對應的電荷。隨後對放大後的信號進行數位化並且使用數字值來構造x射線譜。假設整個電子放大和數位化系統的增益保持恆定，則放大後的脈衝的數字值與關聯的x射線的能量成比例，並且通過適當校準，可以確定x射線能量。在得知各x射線的能量的情況下，可以將由於多個x射線衝擊檢測器而產生的信號轉換成譜，其中該譜是x射線能量相對於所接收到的具有該能量的x射線的數量的標繪圖。這種譜在與被測樣本內的元素的特徵x射線能量相對應的能量處呈現峰。這些峰的位置、大小和寬度是使得能夠識別樣本內的元素並且確定這些元素的濃度的關鍵參數。

為了確保測試結果準確且可重複，避免來自檢測器的信號的電子漂移是重要的。信號漂移導致在不同的測量時間向相同能量的x射線分配譜中的不同能量。信號漂移可能會導致元素的誤識別以及/或者這些元素的濃度的測量誤差。

電子放大和數位化系統的增益的漂移是信號漂移的主要來源。該漂移可能是由於電子系統的組件中的任意組件的不穩定性所引起的。例如，眾所周知，電子組件的特性對溫度敏感，並且該溫度敏感性對於在長時間測量或一系列測量的過程中溫度可能從冷啟動起顯著上升的緊湊型手持式xrf儀器而言特別重要。溫度變化導致可變的電子增益，該可變的電子增益引起所測量到的x射線譜的能量標度的漂移。能量標度漂移包括單次測量期間的漂移、同一儀器上的不同測量之間的能量標度的漂移、以及在不同儀器上進行的相同或相似樣本的不一致測量。

針對現有實踐中能量標度漂移的問題的一個解決方案是進行頻繁的手動校準。可以通過使用從放射源發出的x射線或者使用從已知的靶材料發出的次級x射線使x射線檢測器暴露至已知能量的x射線，來實現能量標度校準。在來自現有實踐的一個示例中，使用來自含fe和mo這兩個元素的不鏽鋼樣本的fe和mo特徵x射線來每隔幾個小時重新校準能量標度。然而，與現有實踐中所使用的校準方法無關地，必須中斷x射線儀器的有用操作，這是不方便的，並且因此該校準方法經常被操作者忽略。在手持式儀器的情況下，必須經常手動將該儀器插入包含已知靶材料的對接塢。將來自該靶的x射線峰的已知能量與所測量到的能量進行比較，從而校準增益。由於頻繁的手動校準不方便，因此連續校準之間的時間可能為數小時，其中在這段時間期間，可能發生顯著的溫度變化和由此發生的能量漂移，這導致xrf測量精度劣化。

因此，在現有實踐中需要對測量裝置的正常操作造成最少中斷或者不造成中斷的自動且快速的校準方法。該校準方法應當是可編程的，以在各測量之後發生或者在所有測量的過程中連續地發生。另外，該校準方法會涉及整個電子放大和數位化系統。

現有實踐中的另一問題是放大並數位化後的信號中x射線能量的確定受到放大和數位化組件中的非線性的影響。非線性的主要影響是系統增益隨著信號的振幅而改變。在如通常情況那樣、使用電荷敏感前置放大器作為檢測器信號的放大的一部分的情況下，該問題特別嚴重。電荷敏感放大器具有如下特性：響應於來自入射x射線的電荷的輸入，該電荷敏感放大器的輸出電壓大致作為階躍函數上升。響應於後續的x射線信號，輸出電壓繼續上升為越來越高的電壓電平，其中各電壓階躍的高度與相應x射線的能量成比例。輸出電壓繼續上升，直到達到上限電壓閾值為止並且施加外部復位信號以使輸出電壓恢復為零或下限電壓閾值。由於給定能量的x射線可能在前置放大器輸出電壓處於下限閾值和上限閾值之間的任意電平的情況下到達，並且後續的放大和數位化系統的非線性使得根據前置放大器電壓在該x射線到達時恰好處於何處來將不同的能量分配該至x射線，因此發生非線性的問題。

儘管市售的x射線檢測器可能經常將電荷敏感前置放大器併入檢測器外殼內以使信號噪聲最小化，但在現有實踐中沒有解決檢測器放大和數位化中的非線性的影響。非線性影響通常對溫度的依賴性弱，由此不存在非線性響應的顯著漂移。特定儀器的一次校準可能足以補償非線性影響。然而，在現有市場中缺乏用於進行校準以對非線性影響進行補償的高效方法。

技術實現要素：

本發明的目的是緩解現有實踐的問題、特別是針對檢測器能量標度校準中的不準確和漂移的問題。通過以新穎方式應用注入到相同的電子放大和數位化系統中作為檢測器信號的校準脈衝信號來進行能量標度的頻繁校準，實現該目的。為了提高校準的穩定性，對於所有的數位化元件使用單個共用參考電壓元件，並且使用該單個共用參考電壓元件來設置校準脈衝信號的振幅。利用各儀器的一次校準來實現電子放大和數位化系統的非線性的校準。

本發明的一個實施例是用於將信號脈衝和校準脈衝順次地注入到電子放大和數位化系統中的電路。該電路包括檢測器、一個或多個放大器、脈衝發生器、用於將檢測器信號脈衝和校準脈衝順次地注入到放大器中的切換器、參考用模數轉換器(adc)、處理用adc、以及該參考用adc、該處理用adc和該脈衝發生器所用的共用參考電壓。

本發明的第二實施例是用於將信號脈衝和校準脈衝同時地注入到電子放大和數位化系統中的電路。該電路包括檢測器、一個或多個放大器、脈衝發生器、參考用adc、處理用adc、脈衝鑑別器、以及該參考用adc、該處理用adc和該脈衝發生器所用的共用參考電壓。

本發明的第三實施例是用於使用基電壓不斷改變的校準脈衝來進行電子放大和數位化系統的非線性行為的一次校準的電路和方法。該電路包括一個或多個放大器、具有脈衝發生器切換器和兩個數模轉換器(dac)的脈衝發生器、參考用adc、處理用adc、以及該參考用adc、該處理用adc和脈衝發生器的兩個dac所用的共用參考電壓。

本發明還提供一種檢測器信號處理電路，其中檢測器用於檢測x射線分析儀器中的螢光x射線能量響應並且發送檢測器響應信號，所述x射線分析儀器被配置為包括工作模式和校準模式，所述檢測器信號處理電路包括：脈衝生成用脈衝發生器，用於提供具有脈衝振幅和脈衝發生器頻率的校準脈衝；單個共用參考電壓元件，用於提供參考電壓信號；參考用模數轉換器即參考用adc，用於將所述校準脈衝轉換成參考脈衝值；至少一個放大器，用於放大放大器輸入，其中：所述放大器輸入是所述校準脈衝和/或所述檢測器響應信號，並且放大器輸出分別提供放大脈衝電壓和/或放大響應信號電壓；處理用模數轉換器即處理用adc，用於提供針對所述放大脈衝電壓和所述放大響應信號電壓的數位化處理，以分別產生數位化的脈衝電壓值和數位化的響應信號電壓值；校準比計算部，用於計算所述脈衝電壓值相對於所述參考脈衝值的校準比；以及能量標度校正部，用於計算所述響應信號電壓值相對於所述校準比的工作模式比，並且基於所述工作模式比來校正所述螢光x射線能量響應。

附圖說明

圖1是根據本發明的順次注入校準脈衝的檢測器信號處理電路的示意圖。

圖2是根據本發明的同時注入校準脈衝的檢測器信號處理電路的示意圖。

圖3a是根據本發明的同時注入校準脈衝的放大電壓值的示例性圖。

圖3b是根據本發明的同時注入校準脈衝的鑑別出的信號值的示例性圖。

圖3c是根據本發明的同時注入校準脈衝的鑑別出的校準值的示例性圖。

圖4是根據本發明的順次校準的示意流程圖。

圖5是根據本發明的同時校準的示意流程圖。

圖6示出例示非線性對增益和放大電壓值的影響的圖。

圖7示出例示根據本發明的使用校準脈衝信號來校準非線性影響的圖。

圖8是根據本發明的用於校準非線性的電路的示意圖。

圖9是示出非線性校準所用的示例性脈衝序列的圖。

圖10是示出非線性校準所用的替代示例性脈衝序列的圖。

具體實施方式

注意，在以下說明中，使用術語「電壓」來指定模擬信號，並且使用術語「值」來指定數字量。還注意，在說明書和附圖中，使用無尖括號的符號來表示模擬量，並且使用具有尖括號的符號來表示數字量。例如，校準脈衝的模擬電壓為p，並且其數位化等效值為。

圖1是順次注入校準脈衝的檢測器信號處理電路1a的示意例示。電路1a包括檢測器10，其中該檢測器10產生表示入射x射線的能量e的檢測器響應信號s-10。在這裡所呈現的實施例中，檢測器10包括可以併入檢測器10的外殼內的電荷敏感前置放大器(未示出)，並且響應信號s-10包括其高度表示能量e的輸出電壓的階躍。電路1a還包括脈衝發生器12和切換器20，其中該脈衝發生器12產生具有脈衝振幅p的校準脈衝信號s-12。可選地，通過校準模式控制器21從時鐘19接收定時信息來控制切換器20的位置。校準模式控制器21可以將切換器20設置為將檢測器響應信號s-10輸入至放大器18的工作模式、或者將校準脈衝信號s-12輸入至放大器18的校準模式。要理解，放大器18可以表示包括一個或多個前置放大器、放大器或其它放大裝置的一個或多個信號放大元件。具有增益g1的放大器18產生放大電壓s-18，其中該放大電壓s-18在切換器20選擇檢測器響應信號s-10的情況下等於放大響應信號電壓g1e，並且在切換器20選擇校準脈衝信號s-12的情況下等於放大脈衝電壓g1p。實際上，增益g1不是恆定的，而是可能根據諸如電阻器等的內部放大器組件的溫度而發生漂移的變量。

將放大電壓s-18輸入至作為能夠以高數據速率進行數位化的快速模數轉換器(adc)的處理用adc22。理想地，處理用adc22的增益應為1，這意味著處理用adc22的輸出應剛好是處理用adc22的模擬輸入的數字等效值。然而，實際上，任何adc的增益均是可以根據包括adc組件的參考電壓和溫度的值的各種因素而改變的變量。特別地，通常僅可利用具有相對低的解析度(諸如在典型實施例中為16位等)的諸如處理用adc22等的快速adc。這種adc的增益漂移的規格可能如30～50ppm那樣大。因此，為了確保電路1a所得出的能量標度的準確性和再現性，重要的是校準過程應考慮到處理用adc22的增益的任何漂移。如果處理用adc22的增益為g2，則來自處理用adc22的數位化輸出是放大電壓值s-22，其中該放大電壓值s-22的值依賴於放大器18的增益g1與處理用adc22的增益g2的乘積。

放大電壓值s-22的值還依賴於切換器20的位置。在切換器20選擇檢測器響應信號s-10的情況下，放大電壓值s-22等於響應信號電壓值。在切換器20選擇校準脈衝信號s-12的情況下，放大電壓值s-22等於脈衝電壓值。以下將量g1g2稱為整體增益g，其中g＝g1g2是包括放大組件和數位化組件這兩者的電子系統的整體增益。

電路1a還包括路由器23，其中該路由器23經由信號s-23與切換器20進行通信。由此，路由器23能夠在切換器20選擇校準脈衝信號s-12的情況下，將放大電壓值s-22路由至放大校準電壓值s-22a，並且在切換器20選擇檢測器響應信號s-10的情況下，將放大電壓值s-22路由至放大工作電壓值s-22b。放大校準電壓值s-22a等於，並且放大工作電壓值s-22b等於。

校準脈衝信號s-12還被輸入至參考用adc16，其中該參考用adc16輸出數字參考脈衝值s-16。數字參考脈衝值s-16等於作為脈衝振幅p的數位化值的。參考用adc16不必是快速adc，這是因為參考用adc16僅需以相對低的速率對參考脈衝進行數位化。因此，參考用adc16被選擇為具有優良漂移規格的高解析度adc。在實施例中，參考用adc16具有24位的解析度和小於2ppm的漂移規格。

應當注意，來自脈衝發生器12的脈衝的振幅優選被選擇成脈衝振幅與平均檢測器響應信號s-10大致相同。來自脈衝發生器12的脈衝的頻率優選被選擇成校準模式中的脈衝到達時間與工作模式中的檢測器響應信號s-10的平均到達時間大致相同。脈衝振幅和頻率的這些條件被選擇成校準脈衝最準確地模仿包括放大組件和數位化組件這兩者的整個電子系統的增益和線性性能。

電路1a還包括單個共用參考電壓元件14，其中該參考電壓元件14經由信號s-14a用作脈衝發生器12所用的電壓參考、以及經由信號s-14b用作處理用adc22所用的參考並且經由信號s-14c用作參考用adc16所用的參考。

應當注意，電路1a的設計的新穎方面其中之一是連接s-14a、s-14b和s-14c全部共用作為參考電壓14的相同信號。

電路1a還包括校準比計算部24，其中該校準比計算部24提供校準比的值。使用數字參考脈衝值s-16和放大校準電壓值s-22a來計算校準比，其中該校準比等於將放大校準電壓值s-22a(等於)除以數字參考脈衝值s-16(等於)所得到的值。可以在校準時間內針對多個脈衝計算校準比，並且可以獲得平均值。來自校準比計算部24的結果是與整體增益g的數字表示相等的增益值s-24。

其中，和是相對於校準時間進行平均的。

應當注意，本發明的重要新穎方面是使用校準比計算部24來計算包括放大組件和數位化組件這兩者的整個電子系統的整體增益g。該計算是基於利用兩個不同的電子路徑所獲得的來自脈衝發生器12的數位化校準脈衝的比較。第一個路徑是：使用參考用adc16來對校準脈衝信號s-12進行數位化而不進行任何放大。第二個路徑是：在切換器20選擇校準脈衝信號s-12的情況下，這些校準脈衝由放大器18進行放大，然後由處理用adc22進行數位化。重要的是，處理用adc22和參考用adc16使用相同的參考電壓14，由此參考電壓中的任何漂移在處理用adc22和參考用adc16這兩者中均引起相同的增益漂移，並且該漂移通過利用校準比計算部24進行相除而抵消。此外，參考用adc16與處理用adc22相比具有大得多的準確度和低得多的漂移，使得可以使用參考用adc16的輸出作為針對整個電子系統的增益的校準參考。

還應當注意，校準比計算部24所進行的計算可以在任何時間將切換器20設置成選擇校準脈衝信號s-12時進行。校準時間可以是可以短至100msec的任何選擇值，因此可以在x射線儀器的有用操作的中斷最少的情況下頻繁地進行校準。

在儀器測量操作期間，在切換器20設置成選擇檢測器響應信號s-10的情況下，能量標度校正部26使用增益值s-24和放大工作電壓值s-22b這兩者來計算校正後的能量值s-26。校正後的能量值s-26等於將放大工作電壓值s-22b(等於)除以增益值s-24(等於)所得到的值。該計算的結果是作為檢測器響應信號s-10的校正後的數字表示的校正後的能量值s-26。

針對與各入射x射線相對應的各檢測器信號計算校正後的能量值s-26，並且使用該校正後的能量值s-26來構造能量譜，其中該能量譜是x射線能量相對於入射到檢測器上的具有該能量的x射線的數量的標繪圖。校正後的能量值s-26是考慮到放大電子器件和數位化電子器件中的實質上所有漂移的校準後的能量值，並且可以通過使用校準模式控制器21對切換器20的操作進行編程來如期望那樣頻繁地進行校準。每當針對校準的需求被認為合適時，還可以通過操作者致動按鈕或虛擬按鈕(圖1中未示出)來手動發起切換器20的操作。

圖2是同時注入校準脈衝的替代檢測器信號處理電路1b的示意例示。電路1b包括與圖1所示的電路1a中的組件等同的組件，其中兩個明顯的不同之處除外。電路1a和1b之間的第一個不同之處是在電路1b中不存在切換器20。第二個不同之處是電路1a中的路由器23被電路1b中的脈衝鑑別器28替換。

在電路1b中，檢測器響應信號s-10和校準脈衝信號s-12這兩者同時且連續地注入到放大器18中。因此，放大電壓s-18包括放大響應信號電壓g1e和放大脈衝電壓g1p這兩者的混合。同樣，放大電壓值s-22包括響應信號電壓值和脈衝電壓值的混合。將放大電壓值s-22輸入至脈衝鑑別器28，其中該脈衝鑑別器28的功能是使放大電壓值s-22內所包含的響應信號電壓值和脈衝電壓值分離。分離出脈衝電壓值為鑑別出的校準值s-28a，並且分離出檢測器響應信號值為鑑別出的響應值s-28b。以下將結合圖3a～3c來說明脈衝鑑別器28的操作方法。電路1b的後續操作與電路1a的操作相同，即校準比計算部24提供校正後的能量值s-26的校準所使用的校準比s-24。然而，應當注意，在電路1b的情況下，校準貫穿每個測量操作連續地發生，而不會使測量操作中斷或減慢。

圖3a、3b和3c示出脈衝鑑別器28的操作。圖3a示出包括檢測器響應和校準值的混合的放大電壓值s-22的圖。通常，檢測器響應引起放大電壓值s-22的值的上升，這是因為檢測器10併入有電荷敏感前置放大器(未示出)，其中在該電荷敏感前置放大器中，來自連續響應的電荷累積，從而引起上升電壓。另一方面，校準脈衝源自於不存在電荷敏感放大器的脈衝發生器12，使得各校準脈衝引起放大電壓值s-22的值初始上升然後下降。圖3a示出具有各個初始上升值36a和38a、各個平坦區域36b和38b以及各個下降值36c和38c的兩個校準脈衝36和38。脈衝鑑別器28可以利用檢測器響應值中所不存在的下降值36c和38c來區分校準脈衝。可選地，脈衝鑑別器28可以使用從脈衝發生器12獲得的定時信號(未示出)來區分校準脈衝。使用任一鑑別方法，脈衝鑑別器28識別校準脈衝36和38，並且去除校準脈衝36和38以產生如圖3b所示的鑑別出的響應值s-28b。使用來自所去除的校準脈衝的信息來產生如圖3c所示的鑑別出的校準值s-28a。

圖3b示出如何使用鑑別出的響應值s-28b來得出針對入射到檢測器10上的各x射線的放大能量信號。在圖3b中，可以通過上升值31、32和33來識別針對三個入射x射線的響應。上升值31、32和33的大小分別與量1、2和3相對應。能量標度校正部26使用這些量以及從校準比計算部24所獲得的增益值s-24的知識，來將校正後的能量值s-26分配至這三個x射線中的各x射線。在測量期間這樣獲得所有入射x射線的能量值，並且累積計數以獲得能量譜。

圖3c例示示出校準脈衝36和38的鑑別出的校準值s-28a。脈衝36和38的振幅分別與量1和2相對應。校準比計算部24使用這些量和參考脈衝值s-16來計算增益值s-24。1和2的不同值可以表示電子系統的整體增益已改變，並且在能量標度校正部26處可自動發生校正。可選地，代替針對每個連續校準脈衝向增益應用校正，可以在能量標度校正部26中應用校正之前針對包括多個脈衝的平均時間對增益的值進行平均。這種平均化可能有利於降低增益的測量中的噪聲，並且在本發明的範圍內。

圖4示出根據本發明的順次校準處理40的示意流程圖。以下參考圖4和圖1來說明處理40。處理40從步驟402開始，並且在步驟404中，經由校準模式控制器21進行與要在一次或多次測量之後還是要在指定間隔的操作時間之後進行校準有關的操作者選擇。如果選擇了一次或多次測量之後的校準，則處理40進入步驟410。在步驟412中，校準模式控制器21將切換器20設置為校準模式，並且在步驟414中，進行校準。步驟414的校準包括校準比計算部24所進行的校準比的計算，其中可以針對許多脈衝對該校準比進行平均。在這裡所呈現的典型實施例中，校準脈衝頻率可以為500khz，並且步驟414中進行平均的時間可以為100msec。在本實施例中，校準結束時的增益值s-24是約50,000個脈衝的平均值。利用符號來表示增益值s-24。

在步驟415中，校準模式控制器21將切換器20設置為工作模式，並且在步驟416中，使用步驟414中所得出的的值來校正能量標度。在步驟417中，利用校正後的能量標度來進行一次或多次測量，並且在指定次數的測量完成時，在步驟418中，該系統準備好進行新的校準，並且處理返回至步驟404。

如果在步驟404中、選擇了指定間隔的工作時間之後的校準，則處理40進入步驟420。在步驟421中，操作者經由校準模式控制器21選擇連續校準之間的時間間隔t。在步驟422中，校準模式控制器21將切換器20設置為校準模式，並且在步驟423中，以與以上針對步驟414所述相同的方式進行校準。在步驟424中，校準模式控制器21將切換器20設置為工作模式，並且在步驟425中，使用步驟423中所得出的的值來校正能量標度。在步驟426中，執行測量，直到時鐘19表示時間t已到期或者測量完成(無論哪個先發生均可)為止。步驟427測試測量是否完成，並且如果測量沒有完成，則處理返回至步驟422以進行新的校準。如果測量完成，則處理返回至步驟404。

可以看出，選擇如步驟420～428所述的指定間隔的工作時間之後的校準允許在單次測量的過程中發生一個或多個新的校準。這對於特別長時間的測量而言可能是有用的。時間間隔t的設置依賴於存在穩定的環境溫度的程度(環境越不穩定，時間間隔t應當設置得越短)。在典型實施例中，時間間隔t可被設置為10～100秒，並且如果校準時間約為100msec，則即使校準正以足夠的頻率發生以避免電子增益的任何漂移風險，儀器操作也沒有明顯中斷。

可以理解，對於按照時間間隔的校準或按照測量操作的校準的這兩個實施例，可以通過自動觸發或者通過操作者的手動觸發來發起校準切換。實現的所有這些變化均在本發明的範圍內。

圖5示出根據本發明的同時校準處理50的示意流程圖。以下參考圖5和圖2來說明處理50。處理50從步驟502開始，並且在步驟504中，啟動脈衝發生器12以在開始儀器的實際操作之前進行初始校準。以初始校準時間進行初始校準，其中該初始校準時間足夠大以允許校準比計算部24通過針對大量脈衝進行平均來計算增益值s-24。在實施例中，初始校準時間可以為100msec～1秒。

在步驟506中，通過激活x射線源並使x射線指向樣本來開始測量。在步驟508中，測量繼續進行，使得將檢測器響應信號s-10和校準脈衝信號s-12這兩者輸入至放大器18，隨後輸入至處理用adc22和脈衝鑑別器28。在步驟510中，脈衝鑑別器28將校準脈衝和檢測器響應分別分離為鑑別出的校準值s-28a和鑑別出的響應值s-28b。在步驟512中，計算校準比24，並且在進行平均的平均時間之後，將利用符號表示的更新增益值s-24提供至能量標度校正部26。在步驟514中，能量標度校正部26使用步驟512中所得出的的值來將能量標度更新為能量標度的最近更新值。在步驟516中，檢查測量是否完成。如果測量沒有完成，則處理50循環回至步驟508並且測量不中斷地繼續。

應當注意，步驟508～步驟516所需的時間幾乎完全取決於平均時間，其中在本實施例中該平均時間約為100msec。結果，貫穿測量，每100msec更新能量校準。在實施例中，脈衝發生器12的脈衝頻率可以為50khz，這與如結合圖4所述的處理40中所使用的脈衝頻率相比是1/10。在處理50中使用更低的校準脈衝頻率的原因是：由於同時處理校準脈衝和檢測器信號這兩者，因此存在校準脈衝和檢測器信號在時間上如此緊密地一致而使得可能無法區分這兩者的風險。可以通過降低校準脈衝頻率來降低這種緊密一致的概率。然而，在50khz的頻率處，在100msec內對5,000個脈衝進行平均，其中該100msec足以獲得可靠的更新增益值s-24以供在下一100msec的測量間隔內使用。

如果在步驟516中測量完成，則在步驟518中儀器準備好進行下一測量，並且處理循環回至步驟502處的開始。

應當注意，處理50的同時校準方法對於x射線計數率低的測量而言特別有用。這種測量很長，並且頻繁的校準對於確保考慮到測量過程中的增益漂移而言至關重要。

如上所述，圖1和2中的電路1a和1b以及圖4和5中的處理40和50全部與放大和數位化電子器件的整體增益的校準有關。然而，沒有考慮到非線性影響。現在參考圖6，並且繼續參考圖1，在圖6中示出例示非線性對示例性檢測器響應信號63的影響的圖，其中在電荷敏感前置放大器電壓為v1時，x射線到達檢測器10。檢測器響應信號s-10中的階躍函數增量代表x射線的能量e。

在放大電壓值s-22相對於檢測器響應信號s-10的圖上，利用線64和65分別示出在x射線到達之前和之後的檢測器響應信號s-10的電壓(分別為v1和v1+e)。線61示出完全線性的放大和數位化電子系統的行為，其中增益g等於如圖所示的線的斜率。然而，如果增益不是線性的，則利用線62的斜率來表示實際增益，並且儘管線61的斜率是線62的斜率的平均，但線62上的任何特定點處的斜率均可能與線61的斜率不同，因此增益可能不同。

在圖6的上部所示的增益相對於檢測器響應信號s-10的圖中，線66是線61的斜率且表示完全線性系統的恆定增益，並且線68是線62的斜率且表示非線性系統的不斷變化的增益。線66是線68的平均值。量表示線性增益和非線性增益之間的差，並且要理解，是檢測器響應信號s-10的變化函數。

應當注意，為了清楚地例示非線性的影響，線62與線性增益線61的偏差和線68與線66的偏差相對於可用電子系統的實際非線性已被大幅放大。同樣，階躍函數e的大小相對於檢測器響應信號s-10和放大電壓值s-22的整體範圍已被大幅放大。

表示由於檢測器響應信號63所引起的檢測器響應信號s-10的變化的線64和65分別在線64b和65b處與線61相交。線64和65分別在線64a和65a處與線62相交。如果電子系統增益呈線性(對應於線61)，則利用由符號l表示的線65b和64b的值之間的差來給出放大電壓值s-22的變化。另一方面，如果電子系統增益呈非線性(對應於線62)，則利用由符號nl表示的線65a和64a的值之間的差來給出放大電壓值s-22的變化。可以看出，nl小於l，並且這是因為在圖的相關部分中，線62的斜率小於線61的斜率。然而，如果輸出電壓v1不同，則線61和62的斜率可能不同，並且在一些情形中，nl可能大於l。

圖7是示出通過使用校準脈衝信號來校準非線性影響的解決方案的圖。為了對非線性影響進行校準，使用以下結合圖8所述的電路1c來將脈衝注入到放大和數位化系統中。在圖7所示的校準脈衝信號s-12相對於放大電壓值s-22的圖中，非線性響應線62與如圖6所示的檢測器響應信號s-10相對於放大電壓值s-22的圖的情況相同。這是因為，校準脈衝和檢測器響應信號被注入到相同的放大和數位化系統中，因此非線性增益影響不變。

圖7示出在不同時間(分別為t和t』)注入到放大和數位化系統中的兩個示例性校準脈衝73和73』。脈衝73和73』分別具有下限脈衝電壓v1、v1』和上限脈衝電壓v2、v2』。脈衝73和73』具有相同的脈衝高度p，這意味著v2–v1＝v2』–v1』＝p。在校準脈衝信號s-12相對於放大電壓值s-22的圖上，利用線74、74』和75、75』來分別表示下限電壓v1、v1』和上限電壓v2、v2』。線74和75分別在線74a和75a處與線62相交，並且由於脈衝73所引起的放大電壓值s-22的變化是利用符號表示的線74a和75a上的值之間的差。線74』和75』分別在線74a』和75a』處與線62相交，並且由於脈衝73』所引起的放大電壓值s-22的變化是利用符號表示的線74a』和74b』上的值之間的差。應當注意，g是脈衝73的電壓為v1和v2的情況下的放大和數位化系統的增益，g』是脈衝73』的電壓為v1』和v2』的情況下的放大和數位化系統的增益，並且g和g』由於系統的非線性而有所不同。還注意，實際上，脈衝高度p相對於檢測器響應信號s-10和放大電壓值s-22的整個範圍而言非常小。因此，可以假定線62針對這種小範圍呈線性，因此在電壓v1和v2之間或者在電壓v1』和v2』之間，不存在增益的變化。

圖8是電路1c的示意例示，其中該電路1c是圖1所示的電路1a的替代實施例，並且用於在製造校準階段期間對非線性進行一次校準。非線性的該校準處理放大器18和adc22這兩者所呈現的固有非線性，並且在製造級僅進行一次。

還應當注意，圖6～10中的關於針對非線性的校準的說明是與關於圖1～5所描述的板上儀器增益校準相獨立的改進校準處理。非線性校準的結果優選是各儀器特有且可由各特定儀器在該儀器的整個壽命期間使用的(以下所述的)查找表。

圖8示出作為與圖1和2所示的脈衝發生器相同的脈衝發生器的脈衝發生器12，其中該脈衝發生器12包括低電平數模轉換器(dac)82、高電平dac84和脈衝發生器切換器86。脈衝電壓控制器87產生較低脈衝電壓值和較高脈衝電壓值。將較低脈衝電壓值輸入至低電平dac82，並且經由信號s-14a使用參考電壓14作為較低脈衝電壓值的參考，dac82在信號s-82處產生較低脈衝電壓v1。將較高脈衝電壓值輸入至高電平dac84，並且經由信號s-14a使用參考電壓14作為較高脈衝電壓值的參考，dac84在信號s-84處產生較高脈衝電壓v2。將信號s-82和s-84輸入至按操作者定義頻率進行工作的脈衝發生器切換器86，以使該脈衝發生器切換器86的輸出在信號s-82和s-84之間切換，由此在信號s-12處產生具有較低脈衝電壓v1和較高脈衝電壓v2的脈衝。

信號s-12與同圖1的電路1a和圖2的電路1b有關地論述的校準脈衝信號s-12相同。電路1c的其餘部分以與電路1a和1b相同的方式進行工作，即，將校準脈衝信號s-12輸入至放大器18和處理用adc22，並且還將校準脈衝信號s-12輸入至參考用adc16。利用校準比計算部24計算校準比，並且在平均時間之後，輸出作為與較低脈衝電壓v1和較高脈衝電壓v2相對應的增益的、利用符號表示的增益值s-24。將增益值s-24和v1的值輸入至查找表生成器88。然後，如以下結合圖9所述，脈衝電壓控制器87改變較低脈衝電壓v1的值，並且校準比計算部24計算由於電子增益的非線性因而可能不同於先前值的新的增益值s-24。將v1和增益值s-24的新的值輸入至查找表生成器88。這樣，通過改變v1的值並且計算增益值s-24的相應值，查找表生成器88可以構建增益值s-24和v1的相應值的表，其中該表涵蓋放大電壓值s-22的完整範圍並且包含如期望那麼多的校準點。在針對期望校準點的數據獲取已完成的情況下，查找表生成器88計算所有校準點的平均增益值，並且將該錶轉換成針對各校準點的增益值與平均增益值之間的差的表。因此，查找表生成器88的最終結果是包括的多個值和v1的相應值的表。

應當注意，在將切換器20設置為校準模式並且添加了脈衝電壓控制器87和查找表生成器88的情況下，電路1c等效於電路1a。在省略了檢測器響應信號s-10並且添加了脈衝電壓控制器87和查找表生成器88的情況下，電路1c還等效於電路1b。因此，通過添加脈衝電壓控制器87和查找表生成器88，電路1c可用於進行非線性的校準，而與x射線儀器是配置有電路1a還是電路1b無關。注意，在圖8中存在檢測器10，但該檢測器10在非線性的校準期間不工作。

圖9示出作為脈衝電壓控制器87和脈衝發生器12所產生的用來校準非線性的一系列脈衝序列的校準脈衝信號s-12的實施例。脈衝序列92包括如下脈衝，其中這些脈衝具有較低脈衝電壓v1、較高脈衝電壓v2和脈衝高度p並且持續校準時間t0。在電路1c中使用脈衝序列92的情況下，校準比計算部24針對時間t0對校準比進行平均，以產生表示為的較低脈衝電壓v1處的增益值s-24。在實施例中，校準時間t0是100msec並且脈衝頻率是50khz，使得脈衝序列92包括5,000個脈衝。在脈衝序列92之後是脈衝序列92』，其中該脈衝序列92』包括如下脈衝，其中這些脈衝具有較低脈衝電壓v1』、較高脈衝電壓v2』和脈衝高度p並且持續校準時間t0。在電路1c中使用脈衝序列92』的情況下，校準比計算部24針對時間t0對校準比進行平均，以產生表示為的較低脈衝電壓v1』處的增益值s-24。在脈衝序列92』之後是脈衝序列92」，其中該脈衝序列92」包括如下脈衝，其中這些脈衝具有較低脈衝電壓v1」、較高脈衝電壓v2」和脈衝高度p並且持續校準時間t0。在電路1c中使用脈衝序列92」的情況下，校準比計算部24針對時間t0對校準比進行平均，以產生表示為的較低脈衝電壓v1」處的增益值s-24。增益值、和分別是不同的較低脈衝電壓v1、v1』和v1」處的增益的測量值，因此這些增益測量值考慮到增益相對於輸入電壓的非線性。

將增益值、和和相應的較低脈衝電壓值、和輸入至如圖8所示的查找表生成器88。在圖9中僅示出三個不同的較低電壓和相應的增益值，但根據本發明可以獲得的相對應的較低電壓和增益值的數量不限。通過持續使較低脈衝電壓針對檢測器響應信號s-10的預期變化的整個範圍按小增量改變，由放大和數位化系統的非線性增益特性形成校準映射。實際上，校準針對儀器的整個範圍再現如圖6和7所示的線62和68。

在輸入來自檢測器響應信號s-10的儀器的後續操作中，能量標度校正部26使用來自查找表生成器88的表而考慮到由於電荷敏感前置放大器的不同輸出電平所引起的非線性。參考圖1和2，可以看出，利用符號表示的增益值s-24沒有經受非線性變化，這是因為來自脈衝發生器12的脈衝的較低脈衝電壓沒有改變。然而，利用符號表示的放大電壓值s-22經受依賴於與檢測器10相關聯的電荷敏感前置放大器的輸出電壓的非線性變化。因此，能量標度校正部使用等式(2)的以下變形來校正x射線的能量：

其中，δg是根據接收到x射線時電荷敏感前置放大器的電壓v1從查找表生成器88中的表得出的。

在圖9所示的脈衝序列92、92』和92」中，脈衝高度p保持恆定。然而，除依賴於較低脈衝電壓外，放大和數位化系統的非線性增益還可以依賴於脈衝高度。圖10示出校準脈衝信號s-12的替代實施例，其中該校準脈衝信號s-12包括全部具有相同的較低脈衝電壓v1但分別具有不同的脈衝高度p1、p2和p3的脈衝序列96、97和98。在實施例中，p1可以表示預期檢測器響應信號s-10的電壓範圍的底部附近的脈衝高度，p3可以表示預期檢測器響應信號s-10的電壓範圍的頂部附近的脈衝高度，並且p2可以表示約中間範圍的脈衝高度。在脈衝序列96、97和98之後是脈衝序列96』、97』和98』，其中這些脈衝序列96』、97』和98』全部具有相同的較低脈衝電壓v1』，並且分別具有脈衝高度p1、p2和p3。以與結合圖9所述相同的方式，通過持續使較低脈衝電壓針對檢測器響應信號s-10的預期變化的整個範圍按小增量改變，由放大和數位化系統的非線性增益特性形成校準映射。然而，對於圖10的脈衝序列，針對較低脈衝電壓的各值，存在三個增益值，其中這三個增益值各自針對低脈衝高度、中脈衝高度和高脈衝高度。實際上，校準針對儀器的整個範圍產生如圖6和7所示的線62和68的三個版本，並且可以通過在針對低脈衝高度、中脈衝高度和高脈衝高度所測量到的校準數據之間進行外推來確定針對任何脈衝高度的正確校準。在輸入來自檢測器響應信號s-10的儀器的後續操作中，考慮到由於電荷敏感前置放大器的不同輸出電平以及由於不同的x射線能量這兩者所引起的非線性。

應當注意，由於非線性對溫度的依賴性弱，因此僅需要針對儀器非線性的一次校準。可以在將儀器交付給客戶之前在工廠中方便地進行該校準。另一方面，儀器的實際增益經受漂移，並且需要應用這裡結合圖1～5所述的增益校準方法。參考圖6，圖1～5的增益校準方法被設計成校正線61的斜率或線61的水平，而結合圖6～10所述的非線性校準是線62相對於線61的偏差、或者等效地是線68相對於線66的偏差的確定。可以以良好的準確度假定：即使在線61的斜率改變時，線62相對於線61的偏差也保持恆定。在操作期間發生增益漂移的情況下，隨著增益改變，線62繞著圖的原點樞轉，但線62的形狀不變。同樣，可以以良好的準確度假定：即使在線66的水平改變時，線68相對於線66的偏差也保持恆定。在操作期間發生增益漂移的情況下，隨著增益改變，線66在圖中向上向下移動，但線66的形狀不變。

如結合圖6～10所述的用以校準放大和數位化電路的非線性的能力是本發明的重要新穎方面。

另一新穎方面是如結合圖4和5所述的將非線性校準與系統增益的自動校準相組合。

又一新穎方面是使用單個共用參考電壓14作為處理用adc22、參考用adc16以及低電平dac82和高電平dac84這兩者所用的電壓參考。

儘管已經與本發明的特定實施例有關地說明了本發明，但可以理解，可以基於本發明的教導設想各種設計，並且所有這些設計均在本發明的範圍內。