專利名稱：一種基于單色器快速掃描控制系統(tǒng)的數據采集方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種采集XAFS譜的方法，尤其涉及一種基于單色器快速掃描控制系統(tǒng)的數據采集方法。
背景技術：
自從第一臺同步輻射光源興建以來，同步輻射技術已經成為科學研究上的一門重要的實驗技術。隨著同步輻射技術的發(fā)展，X射線吸收精細結構譜(XAFS譜)系統(tǒng)也得到了快速發(fā)展。XAFS譜需要兩方面的信息，一是單色光的能量值，一般取-200-1000eV，二是這個能量值對應的某種物質的吸收系數。同步輻射光束線站采用單色器獲得單色X射線，該單色器通過轉動兩塊晶體，改變布拉格角度，將入射的白光，變?yōu)槌錾鋾r的單色光。一定能量的單色光對應于單色器的一個角度位置，當單色器轉動到某一角度，就稱其轉動到某一能量點。當單色器轉動到一能量點時，通過ADC同步采樣當前的前電離室和后電離室的數據，取數毫秒內的平均值，該平均值即為該能量點對應的吸收系數，獲取XAFS譜的整個過程在幾秒到十幾秒完成。目前，XAFS譜已經成為了研究物質結構的重要實驗方法，發(fā)展新的實驗技術、利用新的實驗技術研究新型材料已經成為XAFS系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。于是一種新型單色器快速掃描控制系統(tǒng)就孕育而生了，以下簡稱為QXAFS系統(tǒng)。QXAFS系統(tǒng)作為X射線吸收精細結構譜(XAFS)光束線站發(fā)展新系統(tǒng)的首選目標，是因為QXAFS系統(tǒng)可與普通XAFS系統(tǒng)兼容硬件設備，不需要另外增加附屬的光學元件或實驗器件，即QXAFS系統(tǒng)與普通XAFS系統(tǒng)使用相同的硬件設備。如圖3所示，該系統(tǒng)由光束線站I和實驗站2組成，光束線站I包括單色器306、電機307、電機驅動器308、電機控制器309、電機控制器主機310和編碼器311。實驗站2包括前電離室301、后電離室302、高壓電源(圖中未示)、電流放大器303、ADC (模數轉換器)304和計算機305。與QXAFS系統(tǒng)不同的是，普通XAFS系統(tǒng)只能采用能量逐點掃描的方法采樣數據，如圖I所示，包括以下步驟步驟S101，系統(tǒng)初始化；步驟S102，單色器轉動到初始能量點；步驟S103，ADC初始化；步驟S104，ADC開始采樣；步驟S105，ADC停止采樣；步驟S106，計算采樣平均值，該平均值即為該能量點對應的吸收系數；步驟S107，判斷單色器是否轉動到終止能點，如果轉動到終止能量點，則執(zhí)行步驟S109，否則執(zhí)行步驟S108 ;步驟S108，單色器轉動到下一個能量點，并返回步驟S104 ;步驟S109，單色器停止轉動，同時ADC采樣結束。按照上述能量逐點掃描的方法，由于每個能量點的采樣時間需數秒，一個XAFS譜采樣需300-500個能量點，則測量一個XAFS譜需要20_60min，由于測量時間過長，大大制約了其在實驗中的廣泛使用。因此，目前需要開發(fā)一種基于QXAFS系統(tǒng)的數據采樣方法，以滿足實驗要求
發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于單色器快速掃描控制系統(tǒng)的數據采集方法，在單色器持續(xù)轉動的同時ADC持續(xù)采樣，可以快速獲取XAFS譜的能量值和對應的吸收系數，能大幅度節(jié)省采樣時間，提高測量效率，更為重要的是可以開展時間分辨的XAFS實驗。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供以下技術方案一種基于單色器 快速掃描控制系統(tǒng)的數據采集方法，用于快速獲取樣品的XAFS譜，所述XAFS譜由橫坐標為能量值、縱坐標為吸收系數的多個數據點構成，所述系統(tǒng)包括ADC、計算機和單色器，其特征在于，所述方法包括以下步驟步驟I，初始化所述系統(tǒng)，包括設定單色器的轉速w ;步驟2，所述計算機控制單色器轉動到初始能量點，并啟動ADC ；步驟3，所述計算機控制單色器以所述轉速w持續(xù)轉動，并控制ADC以恒定速度持續(xù)采樣，所述計算機根據預設的每份數據的采樣時間長度t同步分割所述ADC采樣的數據，求取每份數據的平均值，將第i個平均值作為所述XAFS譜的第i個數據點縱坐標對應的吸收系數，并根據式(I)計算所述第i個數據點橫坐標對應的能量值，第i個數據點對應的能量值=初始能量值土單位角度能量值X單色器轉過的角度 α (I)其中，初始能量值為單色器的初始能量點對應的能量值，單位角度能量值為單色器轉過每單位角度所對應的能量值，單色器轉過的角度a = w*t*i ；步驟4，所述單色器轉動到終止能量點后，所述計算機控制單色器停止轉動，同時控制ADC停止采樣。前述一種基于單色器快速掃描控制系統(tǒng)的數據采集方法，其中，所述每份數據的采樣時間長度t為2-50ms。前述一種基于單色器快速掃描控制系統(tǒng)的數據采集方法，其中，所述步驟3還包括在所述計算機上同步顯示所述XAFS譜。前述一種基于單色器快速掃描控制系統(tǒng)的數據采集方法，其中，所述步驟I包括設定所述ADC的數據采樣速度、工作方式以及清空所述ADC的緩存器。由此可見，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的基于QXAFS系統(tǒng)的數據采樣方法的最大不同點在于單色器的運行方式和ADC的采樣方式。普通XAFS系統(tǒng)采用能量逐點掃描的方式采樣數據，即單色器轉動到一個能量點，等待ADC采樣，采樣結束后求取XAFS譜在該能量點對應的數據信息，再轉動到下一個能量點，重復執(zhí)行上述過程，直到轉動到終止能量點。而本發(fā)明則采用能量持續(xù)掃描的方式采樣數據，即單色器持續(xù)轉動，ADC持續(xù)采樣，對采樣數據進行同步處理以獲得XAFS譜，并將XAFS譜同步輸出，直到單色器轉動到終止能量點。顯然，本發(fā)明的基于QXAFS系統(tǒng)的數據采樣方法提供了一種快速采集XAFS譜的簡單途徑，能大幅度節(jié)省采樣時間，提高測量效率，可在數秒或數十秒的尺度內研究一些緩慢變化的物理或化學過程，可以應用于諸如催化研究、化學過程研究、結構變化研究等很多方面。


圖I是現(xiàn)有技術的基于普通XAFS系統(tǒng)的數據采樣方法的流程圖；圖2是本發(fā)明的基于單色器快速掃描控制系統(tǒng)的數據采集方法的流程圖3是實現(xiàn)本發(fā)明的單色器快速掃描控制系統(tǒng)的硬件結構框圖；圖4A是根據本發(fā)明采樣的QXAFS譜與普通XAFS譜、標準XAFS譜的標準化對比圖；圖4B是根據本發(fā)明采樣的QXAFS譜與普通XAFS譜、標準XAFS譜的擴展邊部分的對比圖；圖4C是根據本發(fā)明采樣的QXAFS譜與普通XAFS譜、標準XAFS譜的k空間譜對比圖；圖4D是根據本發(fā)明采樣的QXAFS譜與普通XAFS譜、標準XAFS譜的R空間譜對比圖。
具體實施例方式下面結合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細說明本發(fā)明的技術方案。參閱附圖3，單色器快速掃描控制系統(tǒng)由光束線站I和實驗站2組成,光束線站I包括單色器306、電機307、電機驅動器308、電機控制器309、電機控制器主機310和編碼器311。實驗站2包括前電離室301、后電離室302、高壓電源(圖中未示)、電流放大器303、ADC304 和計算機 305。XAFS譜由縱坐標為吸收系數、橫坐標為能量值的多個數據點構成。本發(fā)明提供一種基于單色器快速掃描控制系統(tǒng)的數據采集方法，用于快速獲取該XAFS譜，如圖2所示，本方法包括以下步驟步驟S201，初始化所述系統(tǒng)，包括設定單色器306的轉速W，設定ADC304的數據采樣速度、工作方式以及清空ADC304的緩存器；步驟S202，計算機305控制單色器306轉動到初始能量點，并啟動ADC304 ；步驟S203，計算機305控制單色器306以恒定轉速w持續(xù)轉動、ADC304以恒定速度持續(xù)采樣，根據ADC304采樣的數據進行同步計算，獲得XAFS譜，并將該XAFS譜同步輸出，具體過程如下ADC304將采樣過來的數據放在ADC的緩存器里，計算機305每隔預設的每份數據的采樣時間t將數據取走，并且取平均；即根據預設的每份數據的采樣時間長度t分割ADC304采樣的數據，并求取每份采樣數據的平均值。每個平均值對應XAFS譜的一個數據點，將第i個平均值作為XAFS譜的第i個數據點對應的吸收系數。單色器306轉動到第i個數據點的時間設為Ti，由于本發(fā)明的單色器306以固定轉速轉動，其轉速w恒定，則單色器306轉到第i個數據點所轉過的角度a =w*Ti。又因為ADC304的采樣與單色器306的轉動始終保持同步，所以Ti也是ADC304采樣第i個數據點的時間，根據每份數據的采樣時間長度為t,可以得到Ti = t*i,則a = w*Ti = w*t*i。由于單色器306的初始能量值和單位角度能量值是已知的，初始能量值為單色器的初始能量點對應的能量值，單位角度能量值為單色器轉過每單位角度所對應的能量值。則可以得到XAFS譜的第i個數據點的能量值=初始能量值土轉過的能量值，其中，轉過的能量值=單位角度能量值X單色器轉過的角度α，且由前面可知，a = 所以XAFS譜的第i 個數據點的能量值=初始能量值土單位角度能量Xw*t*i。這樣,XAFS譜的第i個數據點對應的吸收系數和能量值都得到了，橫軸和縱軸便一一對應起來。
步驟S204，單色器306轉動到終止能量點后，計算機305控制單色器306停止轉動，并控制ADC304停止采樣。下面結合圖2和圖3介紹QXAFS系統(tǒng)采樣數據的具體過程首先，打開光源，讓光通過光束線站I上的單色器306，到達實驗站2上的前電離室301、樣品處和后電尚室302。然后，啟動QXAFS系統(tǒng)的采樣程序，計算機305發(fā)送命令使單色器306轉動，命令通過局域網傳到電機控制器主機310，電機控制器主機310將命令傳給電機控制器309，電機控制器309發(fā)命令給電機驅動器308，電機驅動器308發(fā)命令給單色器306的電機307，電機307轉動。計算機305發(fā)命令給單色器306的同時，發(fā)命令給ADC304，ADC304接到命令后，采樣來自前電離室301和后電離室302的信號，該信號從電離室出來，經過了電流放大器303放大后變成了電壓信號，進入了 ADC304。ADC304持續(xù)采樣的同時單色器306持續(xù)轉動，單色器306轉動過的能量點和ADC304采樣的數據始終保持同步。計算機305對ADC304采集的數據進行同步計算處理，得到XAFS譜，并將該XAFS譜同步輸出。當單色器306轉動到終止能量點時停止轉動，同時ADC304也停止采樣。本發(fā)明中，前電離室301和后電離室302,米用Oxford Danfysik公司的ICSpec型氣體電離室，腔內氣體可以在O. 5-2bar的氣壓范圍內調節(jié)，工作電壓為3000V。前電離室301和后電離室302引出的弱電流分別被兩個電流放大器303轉換成0-10V的電壓信號，通過同軸電纜線輸出到ADC304。電流放大器303采用Femital公司生產的DLPCA-200型號，可通過RS232接口遠程控制，工作方式可分為高速模式和低噪音模式兩種，增益從I X 103到1X1011可調，帶寬最高為500kHz。ADC304采用GSC公司生產的PMC66_16aiss8ao4型16位ADC，通過一塊PMC-PCI的轉接板插入到計算機305的PCI插槽上。PMC66_16aiss8ao4型ADC304可以2M的速率進行8通道同時采樣，輸入電壓可以有土 10V、±5V、±2. 5V三種選擇，ADC304自帶一個256k的FIFO緩存器，可以暫存由ADC304采樣通道轉換的數據，可以通過DMA (直接存儲器訪問)方式進行快速的數據傳輸。本發(fā)明中，單色器306由電機307驅動，電機307由電機驅動器308驅動，電機驅動器308則由安插在電機控制器主機310上的電機控制器309進行控制，電機控制器主機310通過網絡與計算機305進行通訊。計算機305包括數據存儲模塊、通信模塊、數據讀取模塊和數據處理模塊。數據存儲模塊用來保存當前的狀態(tài)參數和相應的處理結果，如時間、電機轉速和ADC304采樣的數據等；通信模塊用來與外圍設備進行通信，例如與電機控制器主機310通信；數據讀取模塊用來讀取ADC304采樣的數字信號；數據處理模塊用來將ADC采樣的數字信號進行處理，例如將ADC采樣的數據分割成若干份并求取每一份的平均值。下面詳細描述基于本發(fā)明的方法和基于現(xiàn)有技術的方法所進行的一系列對比測試，測試過程如下
基于本發(fā)明的QXAFS系統(tǒng)采樣Cu的K邊的數據信息，記為QXAFS譜。采樣條件為儲存環(huán)電子能量為3. 5GeV，流強為10mA，在前電離室301的入口處光子通量約為lX1010photons/s,電流放大器303的放大倍數為107V/A，樣品為10 μ m厚的Cu箔，ADC304的采樣頻率為500kHz，電流放大器303采用全寬帶模式(英文簡稱FBW)，單色器的電機轉動速度為1440arcsec/s,采樣時間為5s,設定每份數據的時間長度為2. 5ms,共記錄2000個
數據點。，基于現(xiàn)有技術的XAFS系統(tǒng)采樣Cu的K邊的數據信息，記為普通XAFS譜。采樣條件為儲存環(huán)電子能量為3. 5GeV，流強為10mA，在前電離室301的入口處光子通量約為lX1010photons/s,電流放大器303的放大倍數為107V/A，樣品為6 μ m厚的Cu箔，ADC304采樣頻率為500kHz，電流放大器303采用IOHz高頻濾波模式，在近邊區(qū)域每兩個點的能量間隔為O. 25eV，共記錄821個點，采樣時間為40分鐘。圖4A是基于本發(fā)明的QXAFS譜、現(xiàn)有技術的普通XAFS譜與標準XAFS譜的標準化 對比圖。圖4B是上述三者的擴展邊部分的對比圖，由對比可以看出，基于本發(fā)明的QXAFS譜與基于現(xiàn)有技術的普通XAFS譜相比，其形狀基本一致，在分辨率、信噪比方面的差別很小。圖4C是上述三者的k空間譜的對比圖，圖4D是上述三者的R空間譜的對比圖，由對比可以看出，經過傅立葉變換之后，其形狀基本相同，這證明基于本發(fā)明的QXAFS譜是準確的，且有較好的分辨率和信噪比，而且采樣時間大大縮短。因此在信噪比允許的情況下使用本發(fā)明的基于QXAFS系統(tǒng)的數據采樣方法，可以大幅度節(jié)省采樣時間，提高測量效率。以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據本發(fā)明申請的權利要求書及說明書內容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權利要求保護范圍。
權利要求
1.一種基于單色器快速掃描控制系統(tǒng)的數據采集方法，用于快速獲取樣品的XAFS譜，所述XAFS譜由橫坐標為能量值、縱坐標為吸收系數的多個數據點構成，所述系統(tǒng)包括ADC、計算機和單色器，其特征在于，所述方法包括以下步驟 步驟I，初始化所述系統(tǒng)，包括設定單色器的轉速w ; 步驟2,所述計算機控制單色器轉動到初始能量點，并啟動ADC ； 步驟3，所述計算機控制單色器以所述轉速w持續(xù)轉動，并控制ADC以恒定速度持續(xù)采樣，所述計算機根據預設的每份數據的采樣時間長度t同步分割所述ADC采樣的數據，求取每份數據的平均值，將第i個平均值作為所述XAFS譜的第i個數據點縱坐標對應的吸收系數，并根據式(I)計算所述第i個數據點橫坐標對應的能量值， 第i個數據點對應的能量值=初始能量值土單位角度能量值X單色器轉過的角度α (I) 其中，初始能量值為單色器的初始能量點對應的能量值，單位角度能量值為單色器轉過每單位角度所對應的能量值，單色器轉過的角度a = w*t*i ; 步驟4，所述單色器轉動到終止能量點后，所述計算機控制單色器停止轉動，同時控制ADC停止采樣。
2.如權利要求I所述的基于單色器快速掃描控制系統(tǒng)的數據采集方法，其特征在于，所述每份數據的采樣時間長度t為2-50ms。
3.如權利要求I所述的基于單色器快速掃描控制系統(tǒng)的數據采集方法，其特征在于，所述步驟3還包括在所述計算機上同步顯示所述XAFS譜。
4.如權利要求I所述的基于單色器快速掃描控制系統(tǒng)的數據采集方法，其特征在于，所述步驟I包括設定所述ADC的數據采樣速度、工作方式以及清空所述ADC的緩存器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于單色器快速掃描控制系統(tǒng)的數據采集方法，用于快速獲取XAFS譜，包括以下步驟步驟1，初始化所述系統(tǒng)，包括設定單色器的轉速w；步驟2，單色器轉動到初始能量點，并啟動ADC；步驟3，單色器以恒定轉速w持續(xù)轉動，ADC以恒定速度持續(xù)采樣，對ADC采集的數據進行同步處理，得到XAFS譜，并將該XAFS譜同步輸出；步驟4，所述單色器轉動到終止能量點后，單色器停止轉動，ADC停止采樣。本發(fā)明通過采用單色器持續(xù)轉動、ADC持續(xù)采樣的方式來快速獲取XAFS譜，不僅能大幅度節(jié)省采樣時間，提高測量效率，更為重要的是可以開展時間分辨的XAFS實驗。
文檔編號G01N23/00GK102621165SQ201210098360
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權日2012年4月5日
發(fā)明者姜政, 張碩, 李麗娜, 李炯, 王建強, 鄒楊, 顧頌琦, 高倩, 魏向軍, 黃宇營 申請人:中國科學院上海應用物理研究所