基于虛擬儀器平臺的X射線熒光分析的軟件開發

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的X熒光分析軟件，能實現數據處理、譜數據光滑、自動尋峰、能量刻度、峰面積計算、元素識別、能對X熒光光譜進行定性和定量分析，分析的結果以表格和數據的形式輸出。能實現基本的譜分析功能。

【關鍵詞】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的過程中，所有的信號處理和顯示都需要編譯相關的子程序，數學計算復雜，參數多，程序龐大而且調試非常的不容易。

Labwindows/CVI是由NI公司開發的，基于ANSI C的交換式虛擬儀器開發環境，將功能強大的C語言與測控技術結合，具有靈活的編程方法，豐富的庫函數，適用與信號的分析和處理。本程序可以對IED-2000D型高精度XRF分析儀測量的數據進行定性和定量的分析，從而可以對多元素進行快速的分析。

1.軟件系統構成

本軟件是基于LabWindows/CVI平臺開發的，采用模塊化設計。根據軟件所要實現的功能把程序分成數個模塊，然后以各個模塊為單元進行設計和調試，最后進行封裝。軟件的模塊層次及要實現的功能見圖1。

圖1 譜分析軟件功能框圖

2.定性分析

2.1 譜數據光滑

為了減少能譜測量數據的統計漲落的影響，可靠地識別峰的存在，準確確定峰的位置和能量，可對數據采用光滑技術，進行譜線光滑是減少尋峰誤差的有效手段[2]。對于某些統計漲落較大的譜數據可重復多次光滑[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生明顯的變化，但是能減少出現假峰的可能性，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、離散函數褶積滑動變換法等[4]。離散函數褶積滑動變換法能有效消除統計漲落和噪聲對譜數據的影響，因此本軟件采用離散函數褶積滑動變換法。其計算公式為：

其中半高寬H=4道，變換寬度W=7道。

每次數據處理完以后刷新譜線，經過譜數據光滑得到了較好的結果，并在軟件界面上顯示出來。

2.2 自動尋峰

在能譜分析中最關鍵的是如何在譜數據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，一階導數法，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[5]。對稱零面積變換法的基本思想是將面積為零的“窗”函數與實驗所得的譜數據進行褶積變換，其中要求“窗”函數為對稱函數。對線性基底的褶積變換將為零，只有存在峰的地方不為零，所以對原始譜數據的對稱零面積變換反映了峰形的變換。其數學表達式為：

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

在本軟件中采用高斯函數：

其中：f為找峰閾值或靈敏因子，為一正常數。為了使尋峰的靈敏度與實驗所測譜數據的統計性無關，一般采用變換譜的標準偏差為單位尋峰，當變換譜與它的標準偏差之比出現某一正極值，且此極值超過某給定的數值f時，我們就認為這是峰。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關系，每一道就對應一特定的能量，每道計數反應當前能量的X射線的強度。入射射線能量與道址成線性正相關關系，即E=a+b×CH。能量刻度就是根據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：

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

圖3 能量刻度設定面板

2.4 元素識別

元素識別是進行定性分析的最終目的。本軟件自帶一個元素信息庫，通過對譜數據尋峰，根據能量刻度把峰位轉換成射線能量E然后在元素信息庫逐一進行能量對比查詢，在一定誤差范圍內與此能量對應元素就是該峰位所對應的元素。通過匹配元素庫就可以在譜數據中發現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 樣品數據圖形顯示面板

3.定量分析

準確計算出樣品中元素含量X熒光分析的重要目的之一。要進行定量分析，

重要的是準確的計算出峰面積。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求出譜數據各道計數和，即峰的總面積，根據本底分布曲線求本底計數和，即本底面積，用峰總面積減去本底面積即為凈峰面積;2）函數擬合法。實際上直接法中的沃森-斯托林斯基峰面積法準確度和精度都比較高，但是算法比較復雜，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準物質，利用特征峰面積和含量之間的函數關系式，通過該關系式就可以測出待測元素的含量。建立這種函數關系式的過程我們稱之為標定，函數關系式就稱為標定方程[6]。本軟件采用兩種方法計算待測元素含量：

1）計數率法：

其中a，b，c，d，e，f為標定系數，為元素含量計算相關的五種元素。

2）特散比法：在實際應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，為標準樣品待測元素特征X射線計數率。在軟件中有多種模式可供選擇，不同模式情況下的標定系數可以修改并保存，以適用于不同的情況，提高元素含量計算的精確性。

4.初步應用

我們利用為IED2000D型高精度XRF分析儀所采集的數據進行測試。我們用IED2000D型高精度XRF分析儀測量一樣品進行測試得到了一些數據。然后利用本軟件進行分析。我們通過軟件進行能量刻度設置，定性分析結果顯示如圖4：從以上的圖4中我們可以在（下轉第126頁）（上接第123頁）樣品數據圖形顯示面板上看到樣品所含有的元素。用光標可以計算出我們所選的區域的峰面積。對Fe和Sr元素分析，含量結果如表1和表2，從結果我們可以看出本軟件基本可以勝任X熒光分析和教學等應用的需要。通過修改和完善本軟件的數據庫可以使分析的數據更加精確。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行相應的操作，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.結論

初步應用表明，基于Labwindows/CVI虛擬儀器平臺的X熒光分析軟件的設計是完全可行的。在整個設計過程中充分利用了基于C語言的Labwindows/CVI方便，強大的數據處理功能來完成對所得到的譜數據的分析和處理。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元素分析對比結果

表2 Sr元素分析對比結果

參考文獻

[1]孫曉云.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2010.

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

[3]楊強.嵌入式X 射線熒光數據處理系統的研制[D].四川：成都理工大學，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，2000，11（4）：367.

[6]賴萬昌.核輻射探測器與核電子學[M].四川：成都理工大學，2003.

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

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