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1、对无公害蔬菜生长环境的检测仪器的设计摘 要蔬菜是最为为重要的的日常食食物，对对维持人人体正常常生理功功能和增增进健康康具有不不可替代代的作用用。随着现现代工业业迅速发发展以及及化肥、农农药等农农用物资资的大量量施用，蔬蔬菜产地地环境质质量和其其品质受受到严重重影响。射线探测器器的能量量分辨本本领是能能量色散散X荧光分分析实现现高灵敏敏度多元元素分析析的关键键。本文将将具有高高能量分分辨率的的电致冷冷SI-PINN半导体体探测器器应用于于携带式式X荧光光仪，并并设计、研研制了与与探测器器相配套套的电子子线路单单元和应应用软件件。通过最最佳“源源样探”几几何参数数论证，设设计了基基于同位位素激发发
2、源的“对对称边源源”激发发装置，有有效提高高X荧光探探测的“峰背比比”，进一一步提高高分析灵灵敏度;设计并并制作了了“无变压压器式高高压偏置置电源”和“开关型型温控致致冷电源源”，提高高系统信信噪比并并降低了了静态功功耗。本设计计是在深深入了解解单片机机原理的的基础上上进行的的。整个系统的的设计符符合环境境监测仪仪器的基基本要求求。在缺乏乏试验条条件的实实际情况况下，对对系统关关键参数数进行了了分析和和整定。这对提提高作物物品质，进一步步推广无无公害蔬蔬菜种植植、促进进农业的的可持续续发展具具有重要要意义。关键词：单单片机，无无公害蔬蔬菜，土土壤环境境，X射射线荧光光分析，数数据采集集DESI
3、GGN OOF TTHE ENVVIROONMEENTAAL MMEASSUREEMENNT DDEVIICE TO THEE GRROWTTH OOFPOLLUTIION-FREEE VVEGEETABBLESSABSTRRACTTVegettablles aree neecesssarry ffoodd inn peeoplless daailyy liife, whhichh arre aadvaantaageoous to peooplees phyysioologgicaal ffuncctioons andd heealtth. Witth tthe devveloopmeents
4、s off moodemm inndusstryy,annd tthe usiing of a llargge nnumbber of cheemicc feertiilizzerss annd ppestticiide madde tthe quaalitty oof vvegeetabbless annd tthe envviroonmeent of veggetaablees bbasees aare beccomiing worrse.As thhe eenerrgy ressoluutioon aabillityy foor XX-raay ddeteectoor iis sso i
5、impoortaant forr hiigh sennsittivee muultii-ellemeent anaalyssis usiing Eneergyy-diispeersiive X-rray Fluuoreesceencee(EDXXRF)metthodd.The SI-PINN tyype theermooeleectrricaallyy coooleed ssemiiconnducctorr deetecctorr iss addaptted in a pporttablle XXRF anaalyzzer.Thee reelatted eleectrroniics uniit
6、s forr SII-PIIN ddeteectoor aand thee apppliicattionn sooftwwaree arre ddesiigneed aand devveloopedd.Affterr thhe ooptiimizzatiion geoomettry parrameeterrs oof souurce-sammplee-deetecctorriss caalcuulatted andd diiscuusseed,aan iisottopee exxcittatiion souurce bassedBallancce SSidees sstruucturre ex
7、ccitaatioon ssourrce devvicee iss deesiggnedd.Thhis schhemee iss fooundd ouut tto bbe eeffeectiive forr immproovinng tthe peaak-tto-bbackkgrooundd raadioo off XRRF.AAnd thee deetecctinng ssenssitiivitty iis iimprroved as welll; Traansfformmer-lesss hhighh vooltaage biaas ccirccuitt annd ttempperaatu
8、rre ffeeddbacck sselff-addjusstabble volltagge sswittchiing reggulaatorr foor eelecctriic-ccooller aree deevellopeed.TThesse ccirccuitts ccan impprovve tthe perrforrmannce of siggnall-too-nooisee raadioo,reeliaabillityy,annd rreduuce powwer connsummptiion of thee enntirre ssysttem.Thee deesiggn iis
9、bbaseed oon tthe in-deppth unddersstanndinng oof tthe bassic priinciiplee off MCCU(Miccro Conntroolleer UUnitt).The ddesiignoof tthe whoole sysstemm off ennvirronmmenttal monnitoorinng eequiipmeent is in linne wwithh thhe bbasiic rrequuireemennts.In thee abbsennce of thee acctuaal eexpeerimmenttal c
10、onndittionns,tthe keyy paarammeteers of thee syysteem ppropposeed ssetttingg thhe rrighht aapprroacch.TThiss deesiggn iis mmeanninggfull too immproove thee quualiity of farrm ccropps,ffurttherr prromooteppolllutiion-freee vvegeetabbless annd kkeeppingg aggriccultturaal ssusttainnablle ddeveeloppmenn
11、t.Key wwordds:MMCU(Miccro Conntroolleer UUnitt)，polllutiion-freeeveegettablles，ssoill ennvirronmmenttal，XXRF(X-rray Fluuoreesceencee annalyysiss)，datta aacquuisiitioon目 录1绪论- 1 -1.1 土土壤中有有毒元素素的来源源- 11 -1.2 影影响土壤壤中有害害元素有有效性的的因素- 2 -1.3 土土壤中有有害元素素对人的的危害- 3 -1.4 本本文背景景- 44 -2论文主要要任务和和意义- 6 -2.1 现现场X荧光分
12、分析技术术与仪器器的研究究现状- 6 -2.1.11 国外外研究现现状- 6 -2.1.22 国内内研究现现状- 8 -2.2 对对X荧光探探测系统统的技术术要求- 9 -2.3 论论文选题题及研究究意义- 9 -2.4 论论文的主主要任务务- 110 -3 基本原原理及整整体设计计方案1113.1 XX荧光分分析的基基本原理理- 111 -3.2 信信号放大大调理电电路的原原理- 12 -3.3 数数据处理理单元的的原理- 133 -3.3.11 复位位电路- 166 -3.3.22 外部部时钟电电路- 17 -3.3.33 驱动动电路- 188 -4无公害蔬蔬菜生长长环境检检测仪硬硬件系统
13、统204.1 探探测器选选择- 19 -4.1.11 X射线线荧光探探测器- 199 -4.1.22激发源源的选择择- 221 -4.1.33前端结结构的选选择- 22 -4.1.44激发源源在前端端的布置置- 223 -4.2 信信号处理理电路的的设计- 244 -4.2.11 成型型放大电电路- 24 -4.2.22 脉冲冲调理电电路- 25 -4.2.33 甄别别及A/DD装换器器触发电电路- 26 -4.3 单单片机外外围电路路设计- 277 -4.3.11 键盘盘的选择择- 227 -4.3.22 显示示单元的的设计- 288 -4.3.33 A/D转换换单元在在系统中中的位置置-
14、330 -4.4 系系统工作作条件的的保障- 322 -4.4.11 高压压偏置电电源的设设计- 32 -4.4.22 开关关型温控控致冷电电源的设设计与实实现- 34 -5无公害蔬蔬菜生长长环境检检测仪软软件系统统395.1 编编程语言言的选择择- 337 -5.1.11 汇编编与C语言的的优缺点点- 337 -5.2 数数据采集集有关软软件设计计- 339 -5.2.11主程序序设计- 400 -5.2.22中断程程序设计计- 442 -5.2.33显示流流程图- 433 -结论- 444 -致谢- 445 -参考文献550附录A系统统硬件原原理图551附录B 系系统软件件设计5531绪论
15、当今世界越越来越多多的人为为追求健健康而不不断的努努力着。但是现现代化进进程中大大规模工工业的建建设，滥滥垦滥伐伐及化肥肥农药的的过量使使用却对对我们提提出越来来越严峻峻的挑战战。生活周周围的“绿色”也越来来越多的的被人们们所关注注。蔬菜的的安全卫卫生得到到了人们们的最新新诠释蔬菜菜制品要要安全卫卫生，其其生产加加工的过过程，其其原材料料的生长长环境也也更为人人们所关关注，以以便从根根本上保保证食品品对人们们健康的的“绿色”。土壤环环境有毒毒元素的的快速检检测成了了困扰人人们的新新难题。1.1土壤壤中有毒毒元素的的来源造成土壤中中大量有有毒元素素积淀的的原因有有很多，总总结归纳纳起来，主主要有
16、以以下几个个方面：(1)污水水灌溉和和污泥使使用造成土壤污污染危害害最大、作作用最直直接的是是污水灌灌溉。长期施施用污水水、污泥泥的土壤壤，土壤壤中铜、锌锌、铅含含量高于于背景值值34倍，铬、镍镍、砷高高于背景景值的00.51倍多多，镉元元素高于于背景值值10倍倍，而汞汞竟高达达背景值值的1225倍1。(2)城市市垃圾农农用目前大多数数城市的的工业废废弃物和和生活垃垃圾没有有完全分分开堆放放，近郊郊的菜农农又多有有就近施施用垃圾圾肥的习习惯，而而垃圾本本身就含含有较多多的重金金属和有有机物，如如福州市市检测的的16个个垃圾样样品中，除除镉外，铬铬、铅、汞汞、砷、各各种氯、氟氟化物的的含量均均明
17、显高高于菜园园土对应应元素的的平均值值。(3) 大大气污染染及尾气气排放各工厂特别别是一些些冶炼厂厂排放的的废气飘飘尘也是是农作物物受污染染的原因因之一。废气飘飘尘中一一般含有有大量的的镉、锌锌、铜等等重金属属元素，其其影响的的范围在在主风向向可达110kmm，严重重污染范范围约111000m。汽车尾气的的污染元元素主要要是Pbb。由于含含铅汽油油的使用用，汽车车尾气含含铅量可可达200-50微微克/升升，行驶驶在公路路上的汽汽车，其其排放废废气中的的铅沉降降造成公公路两侧侧的土壤壤及生长长植物的的铅污染染。(4)含重重金属肥肥料和农农药的使使用农药和化学学肥料的的使用是是防治病病虫害、除除草
18、和提提高单产产的重要要措施。但醋酸酸苯汞、氯氯化乙汞汞、信石石等农药药和杀虫虫剂中含含有的汞汞、砷等等有害金金属以及及Zn、BB等微肥肥的使用用，便进进入土壤壤，逐渐渐在土壤壤中富集集，产生生污染。1.2影响响土壤中中有害元元素有效效性的因因素植物根系从从土壤中中吸收重重金属，并并在体内内积累，受受多种因因素的影影响，主主要有：(1)重金金属在土土壤环境境中的总总量和赋赋存形态态土壤中重金金属总含含量被认认为是控控制植物物中重金金属含量量的基本本因素，也也是唯一一恒定的的因素。但是重重金属在在土壤环环境中的的赋存形形态才是是决定其其危害的的关键因因素。一般水水溶态简简单离子子、简单单络离子子最
19、容易易为植物物所吸收收，而吸吸附交换换态络合合态次之之，难溶溶态则暂暂时不被被植物吸吸收。(2)土壤壤特性的的影响在土壤中只只有溶解解性的和和可交换换态形式式的离子子可直接接被作物物吸收。而土壤壤条件的的改变控控制着有有效金属属离子的的浓度。这些土土壤参数数包括PPH值、可可交换阳阳离子容容量（ccanoon eexchhangge ccapaacitty）有有机物含含量、碳碳酸盐含含量、水水和Fee/Mnn氧化物物、氧化化还原能能力、DDOC和和温度等等，而对对生长在在一定土土壤中的的植物来来说，其其种类和和栽培技技术也是是影响植植物组织织中各污污染因子子浓度的的因素。金属的的生物有有效性最
20、最终随土土壤种类类而变。(3)根际际环境对对重金属属的影响响根际微区由由于根系系分泌物物（植物生生长过程程中通过过根系向向生长基基质中释释放出的的一组种种类繁多多的物质质）的存在在，在物物理、化化学、生生物特性性方面产产生有异异于土体体现象。重金属属发生酸酸碱反应应、氧化化还原反反应、络络合、离离解反应应，以及及吸附解解吸行为为，导致致重金属属形态变变化，从从而改变变其生物物有效性性和生物物毒性。由于根根分泌物物的分子子量低，可可以在土土壤中移移动，导导致根区区微生物物活性增增强。可溶性性根分泌泌物通过过络合阳阳离子，可可能会成成为金属属载体，促促进根附附近金属属的可溶溶性。(4)有机机质对土
21、土壤中重重金属的的活化作作用有机质对土土壤中重重金属的的吸附作作用有着着深刻的的影响，它它可改变变溶液重重金属的的存在状状态，或或改变吸吸附体的的表面性性质而影影响重金金属的吸吸附。有机质质能增加加或抑制制重金属属的吸附附，或对对吸附不不产生明明显作用用1。张敬锁锁等研究究了在土土壤中施施入有机机肥可减减缓Cdd污染对对作物的的危害，指指出有机机质有很很大的比比表面积积，对CCd2+有强烈烈的吸附附作用，更更主要是是有机质质分解产产生的腐腐殖酸可可与土壤壤中的CCd2+形成鳌鳌合物沉沉淀。有机质质也可与与Cd22+形成高高稳定性性的可溶溶性物质质，能大大大提高高土壤中中Cd22+浓度，但但不增
22、加加植物的的吸收，而而形成小小分子的的可溶性性络合物物时，却却能提高高植物对对Cd的的吸收。利用有有机质作作为Cdd污染土土壤的改改良剂时时，应值值得注意意。1.3土壤壤中有害害元素对对人的危危害如上所述重重金属、氰氰化物、氯氯化物等等有毒元元素对环环境的危危害是人人们日益益关注的的问题，因因为重金金属离子子和一些些农用产产品中难难降解的的有害物物质会进进入到动动物的食食物链中中，通过过自然富富集作用用威胁着着我们的的健康。这些有有毒物质质对人群群健康的的危害是是多方面面、多层层次的，其其毒理作作用表现现为：造造成生殖殖障碍，影影响胎儿儿正常发发育，威威胁儿童童和成人人身体健健康等，最最终降低
23、低人口身身体素质质，阻碍碍了人口口的可持持续发展展。在这些些有毒元元素中重重金属对对人的健健康拥有有更大的的危害，主主要表现现在以下下的几个个特性5：(1)土壤壤中中的的重金属属虽只有有微量浓浓度，但但其毒性性具有长长期持续续性。土壤中中某些重重金属可可在微生生物作用用下，转转化为毒毒性更强强的有机机化合物物。例如，土土壤中的的无机汞汞可在微微生物作作用下转转化为毒毒性更强强的甲基基汞。(2)生物物可大量量富集，构构成食物物链，危危害人类类。生物从从环境中中摄取重重金属，并并经体内内或某些些器官中中高度富富集，其其富集倍倍数可达达成千上上万倍，陆陆生农作作物，水水中动植植物都有有这种现现象。然
24、后通通过食物物进入人人体，在在人体的的某些器器官中积积蓄起来来构成慢慢性中毒毒，严重重危害人人体健康康。这种生生物富集集、生物物浓缩、生生物放大大的特性性是重金金属污染染的突出出特点。(3)重金金属无论论采用何何种处理理方法或或微生物物都不能能降解，只只不过改改变其化化合价和和化合物物种类。土壤中中OH、Cll、SOO42、NHH4+、有机酸酸、氨基基酸、腐腐植酸等等，都可可以同重重金属生生成各种种配合物物，使重重金属在在土壤中中的含量量增大。为蔬菜无公公害生产产提供科科学依据据，我们们主要对对蔬菜基基地土壤壤中砷（As）、铬（Cr）、镉（Cb）、铅（Pb）和汞（Hg）等5种种重金属属含量进进
25、行了检检测分析析，他们们的主要要危害有有：砷（As）：砷具具有积累累性中毒毒特点，对对人有致致癌作用用。在人体体内，三三价砷的的毒性是是五价砷砷的600倍。但是，在在生物体体内，砷砷在生物物体内可可以发生生甲基化化作用。不同价价态的砷砷之间可可以互相相转化，并并且无机机 生生成毒性性更大的的三甲基基砷，应应引起高高度重视视。铬（Cr）： 铬铬是低富富集毒物物，在土土壤环境境中通过过食物链链再引起起人体的的中毒现现象目前前发现的的并不多多，这主主要是因因为铅在在土壤中中是难溶溶态化合合物，而而铬在土土壤中主主要以三三价铬形形式存在在有关，而而铬的毒毒性主要要由六价价铬引起起的，其其主要表表现为呼
26、呼吸道疾疾患和肠肠胃道疾疾患。镉（Cb）：进入入人体的的镉，一部部分与血血红蛋白白结合，一一部分与与低分子子金属硫硫蛋白结结合，然然后随血血液分布布到内脏脏部位，最最后主要要富集于于肾和肝肝中。其中毒毒症状主主要表现现为动脉脉硬化性性肾萎缩缩或慢性性球体肾肾炎等。此外，食食入过多多的镉，可使使镉进入骨骨质取代代部分钙钙，引起起骨骼软软化和变变形，严严重者引引起自然然骨折而而死亡。日本曾曾对一“骨骨痛病”死死者解剖剖，发现现全身竟竟有1222处骨骨折，身身长缩短短30cmm，骨灰灰中含镉镉123331114772mgg/kgg，比对对照者高高1500多倍。此外，不不少研究究者还发发现镉有致突突变
27、、致致癌和致致畸作用用，以及及引起高高血压，肺肺气肿等等病症。铅（Pb）：是重重金属污污染中毒毒性较大大的一种种，一旦旦进入人人体将很很难排除除。人体摄摄入过量量的铅，会会引起中中枢神经经系统损损伤，出出现疲惫惫、头疼疼、痉挛挛、精神神障碍等等；可损害害骨髓造造血系统统，导致致贫血；可作用用于心血血管系统统，导致致动脉硬硬化、心心肌损害害；胃肠肠铅中毒毒则表现现为胃肠肠钻膜出出血、肠肠管痉挛挛。汞（Hg）：通过过食物链链进入人人体的无无机汞盐盐，主要要贮藏于于肝肾和和脑内，二二价汞与与酶蛋白白的疏基基结合，抑抑制多种种酶的活活性，使使细胞的的代谢发发生障碍碍，二价价汞还能能引起神神经功能能紊乱
28、和和性机能能减退。而进入入人体的的甲基汞汞危害更更重，它它能破坏坏脑血管管组织，引起一系列中枢神经中毒症状，如手、足、唇麻木和刺痛，语言失常，听觉失灵等脑动脉硬化症（水俣病）患者的典型症状。此外，甲基汞还可导致流产、死产、畸胎或先天性痴呆儿等6。1.4本文文背景本设计是在在面对土土壤中有有毒元素素检测中中设备系系统庞大大，专业业行太强强以及样样品处理理较繁琐琐的情况况下提出出的。其有待待实现生生产真正正的无污污染绿色色食品，尤尤其，对对蔬菜生生产环境境中多种种有毒元元素实现现信息的的定量采采集。目前，针对对土壤环环境监测测的方法法多种多多样，其其主要有有一下几几种，以以供比较较：(1)分光光光
29、度法法可见或紫外外分光光光度法都都可用于于测定溶溶液中物物质的含含量。测定标标准溶液液（浓度已已知的溶溶液）和未知知液（浓度待待测定的的溶液）的吸光光度，进进行比较较，由于于所用吸吸收池的的厚度是是一样的的。也可以以先测出出不同浓浓度的标标准液的的吸光度度，绘制制标准曲曲线，在在选定的的浓度范范围内标标准曲线线应该是是一条直直线，然然后测定定出未知知液的吸吸光度，即即可从标标准曲线线上查到到其相对对应的浓浓度。它操作作简单，定定量性好好，适应应于试验验室使用用。(2)电化化学法电化学法是是近年来来发展较较快的一一种方法法，它以以经典极极谱法为为依托，在在此基础础上又衍衍生出示示波极谱谱、阳极极
30、溶出伏伏安法等等。电化学学法的检检测限较较低，测测试灵敏敏度较高高，值得得推广应应用。(3)原子子吸收反反光光度度法原子吸收分分光光度度法也称称原子吸吸收光谱谱法，简简称原子子吸收法法，该方方法具有有测定快快速、干干扰少、应应用范围围广、可可在同一一试样中中分别测测定多种种元素的的特点。原了吸吸收法包包括石墨墨炉原子子吸收法法，火焰焰原子吸吸收法，以以及其他他一些不不同前处处理条件件下使用用原子吸吸收分光光光计的的方法。传统的化探探方法进进行异常常发现、查查证，需需要经过过“野外采采样样品运运输样品加加工与缩缩分化学分分析”等过程程之后，才才能得到到野外采采样点元元素的含含量信息息。X荧光光分
31、析技技术作为为一种现现场快速速分析方方法，也也曾在金金矿、铜铜矿和多多金属矿矿等勘查查中得到到应用。目前已已经商品品化的便便携式XX荧光探探测系统统的分析析灵敏度度（主要指指检出限限指标）、精确确度、长长期稳定定性和可可同时分分析元素素种类等等指标均均达不到到地质普普查工作作的需求求。而且这这些仪器器的读数数均为XX荧光计计数，需需由熟练练掌握XX荧光分分析方法法的专家家或技术术人员，通通过较复复杂的换换算才能能得到目目标测量量元素的的含量，使使用不够够方便。因此，没没有得到到大量的的推广与与运用。本文宜采用用半导体体作为检检测元器器件，基基于原子子荧光法法实现具具有快速速检测和和快速分分析，
32、操操作简单单使用方方便的系系统设计计。这对进进一步提提升蔬菜菜生长环环境优化化具有重重要意义义。2论文主主要任务务和意义义本文是在无无公害蔬蔬菜种植植大规模模推广开开来的大大背景下下展开的的。无公害害蔬菜种种植牵动动着每一一个关心心高生活活质量切切实得到到保障的的有识之之士的心心。在国家家制定相相关检测测标准后后，他们们一直在在为得到到一种可可靠的环环境检测测方法而而努力。看着一一套套检检测通过过的仪器器设备奔奔赴无公公害蔬菜菜种植的的前线，欣欣慰之余余他们又又为仪器器繁琐的的工作程程序所困困扰，为为检测过过程中复复杂专业业的预处处理过程程所牵绊绊，更为为一种神神圣的责责任所鞭鞭策。所以，一一
33、种简便便实用的的检测方方法很快快得到推推广，那那就是，基基于原子子受激发发光产生生特征XX射线理理论及荧荧光分析析的检测测方法。2.1现场场X荧光分分析技术术与仪器器的研究究现状现场X荧光光分析技技术以其其能实现现多元素素现场快快速、无无损分析析的特点点，在天天文学、考考古学、地地学和环环境科学学等领域域得到广广泛的应应用55。广阔的的应用领领域与美美好的应应用前景景，又促促进了XX荧光探探测仪器器设备的的发展。X荧光分析析方法根根据对不不同元素素的特征征X射线线的区分分方式，可可分为波波长色散散X荧光光分析（WDXXRF）和能量量色散XX荧光分分析（EDXXEF）。由于波波长色散散X荧光光仪
34、中，采采用衍射射晶体以以一定角角度进行行衍射色色散，配合光光栅使某某一波长长范围的的射线落落到探测测器上，从从而实现现对不同同元素的的特征X射线（不同波波长）的区分分测量。波长色色散X荧荧光仪的的色散机机构（主要包包括衍射射晶体、光光栅及其其角度控控制装置置等）的体积积较大，而而且结构构精密，使使用和运运输中必必须严格格防震。因此，对对现场XX荧光分分析领域域，不论论是国内内外，主主要是采采用能量量色散XX荧光方方法。通常，各类类便携式式X荧光光探测系系统（指能量量色散XX荧光探探测系统统,下同同）由以下下几部分分组成：用于激激发元素素特征XX射线的的激发源源，用于接接收特征征X射线线并转换换
35、成电信信号的探探测器，进行信信号放大大与处理理的电子子线路以以及相关关的方法法技术软软件。2.1.11国外研研究现状状从X射线探探测器来来看，在在国际市市场上形形成了以以闪烁计计数器为为X射线线探测器器的仪器器、以正正比计数数器为XX射线探探测器的的商品化化仪器和和以室温温高能量量分辨的的半导体体探测器器为X射射线探测测器的三三类仪器器。80年年代末以以来，由由于室温温半导体体探测器器的性能能和对XX射线的的能量分分辨本领领的改善善，便携携式X荧荧光探测测系统对对大部分分元索的的分析检检出限大大大降低低，可达达（1001000）g/gg而且能能实现多多达二十十余种元元素同时时分析的的能力，测测
36、量时间间约为11 44分钟。美国BAIIRD公公司研制制的TNN90000型便便携式XX荧光分分析仪，以以HgII2为X射射线探测测器，以以1099Cd, 555Fe, 2441AMM为X射射线激发发源，重重8.66kg；可可测元素素种类范范围为SSU，且且可实现现多达226种元元素的同同时分析析，采用用基本参参数校正正方法，现现场测量量时，可可直接读读取土壤壤中多种种元素的的含量，检检出限约约（301000）g/gg；又如如美国NNITOON公司司生产的的“Insspecctorr”油画测测铅仪，重重量仅llkg左左右，可可连续工工作188小时，可可在15秒钟钟内定量量检测出出油画中中的铅含
37、含量；还还有日本本精工电电子纳米米科技株株式会社社的SEEA2000型能能量色散散X荧光光分析仪仪，采用用室温电电致冷半半导体探探测器和和X射线线管激发发装置，探探头中内内置用于于观察实实际样品品探测面面的CCCD摄像像头。整机重重量约55kg，工工作时需需外接计计算机和和12VV直流电电源66。上述这些技技术成熟熟、商品品化的多多元素XX荧光探探测系统统，基本本上都采采用能常常温状态态工作（电致冷冷）的HggI2探测器器。HgII2探测器器的能量量分辨率率（对5.9keeV的XX射线的的FWHHM）为25503300eeV，已已经能够够胜任在在组成元元素种类类相对固固定的合合金分析析领域、或
38、或其它组组成元素素种类较较少的样样品分析析领域的的分析工工作。但是，对对于组成成元素种种类多、基基体情况况变化复复杂的地地质样品品的分析析，相邻邻元素的的特征XX射线谱谱峰的相相互干扰扰较严重重的情况况，对探探测器的的能量分分辨率指指标提出出更高的的要求。1997年年，意大大利学者者就发表表了采用用室温电电致冷SSI-PIIN半导导体探测测器研制制的X荧荧光探测测系统的的文章。19997年77月，美美国在“Patthfiindeer”火星登登陆器上上使用了了基于SSI-PIIN探测测器的现现场X荧荧光分析析设备，远远程采集集火星上上岩石、土土壤的多多元素含含量信息息。在当时时的技术术条件下下，
39、SII-PIIN半导导体探测测器的能能量分辨辨率（对5.9keeV的XX射线的的FWHHM）可以达达到1996eVV。而20001年年，该探探测器的的能量分分辨率己己经可以以达到1158eeV。从“Patthfiindeer”火星登登陆器发发回的火火星岩石石现场分分析X射射线谱可可以看出出7，该探探测器能能较好分分辨出中中等原子子序数元元素的KK系特征征X射线线谱峰。但尚未未查阅到到国际上上有基于于SI-PIIN半导导体探测测器的、针针对地质质、矿产产勘查领领域的现现场多元元素X荧荧光探测测系统产产品的信信息。从激发源来来看，大大多便携携式X荧荧光探测测系统均均采用放放射性同同位素激激发源，采
40、采用的同同位素源源的种类类包括555Fee, 2238PPu, 2411Am和和1099Cd等等。个别型型号也采采用X射射线管激激发源。从电子线路路来看，国国外便携携式仪器器均实现现微机化化。均采用用基于多多道脉冲冲幅度分分析器的的多道XX射线谱谱分析技技术，并并具有数数据现场场处理的的能力。而配套套的方法法技术软软件一般般是针对对实际应应用对象象而开发发，目前前还没有有某一个个产品配配套能同同时包含含适合地地质样品品分析、合合金分析析和古艺艺术品分分析等齐齐全数据据库的全全能软件件。而且这这些X荧荧光分析析应用软软件均属属商业机机密，用用户不能能获得软软件原代代码并根根据具体体应用领领域进行
41、行有针对对性的改改造，从从而制约约进口仪仪器在国国内的应应用。2.1.22国内研研究现状状1976年年，我国国自行研研制了第第一台便便携式XX射线荧荧光仪。在200世纪770年末末至800年代中中期，在在原地质质矿产部部科技司司的支持持下，又又先后研研制了以以闪烁计计数器为为X射线线探测器器的三种种型号的的便携式式仪器（HYXX-1，HHYX-2，HHYX-3型）。这些仪仪器一次次测量只只能确定定一种元元素的含含量，其其分析元元素的检检出限一一般为（5010000）g/gg。20世世纪900年代以以正比计计数器为为X射线线探测器器的HYYX-44型携带带式X射射线荧光光仪投入入实际应应用，该该
42、仪器一一次测量量可同时时确定224种种元素的的含量。近年来来，国内内也开始始了室温温电致冷冷半导体体探测器器为X射射线探测测器的便便携式XX荧光探探测设备备的研究究工作11,12，并己己经取得得初步的的成果。我国研制的的便携式式X荧光光仪的激激发源大大多采用用2388Pu和和2411Am放放射性同同位素源源，2338Puu用于激激发较低低原子序序数元素素的K系系特征XX射线和和高原子子序数的的L系XX射线，如如VA，MnnK，FeeK，NiiK，CuuK，ZnnK和PbbL等；2241AAm用于于激发较较高原子子序数的的K系XX特征射射线，如如：AggK，SnnK，SbbK和BaaK等。目前，
43、国国内也开开始有基基于X射射线管激激发源的的携带式式科研样样机88，但但体积和和功耗与与采用同同位素激激发源的的X荧光光探测系系统相比比还是偏偏大。而且固固有的散散射本底底高，分分析检出出限相对对较高。在电子线路路上，大大多数便便携式仪仪器也实实现了微微机化。其中，大大部分仪仪器只是是实现多多道脉冲冲信号采采集控制制的微机机化，并并未提供供现场多多道谱数数据处理理的功能能。或者只只提供基基本的谱谱线光滑滑、寻峰峰、求峰峰面积等等基本谱谱数据处处理功能能，不能能在测量量现场直直接输出出多种元元素的含含量结果果。另外，大大多仪器器在电子子线路上上并未针针对实际际应用领领域，进进行深入入的研究究与开
44、发发。如在有有关引进进SI-PIIN探测测器进行行新型XX荧光探探测设备备的研制制的相关关文献中中，尚未未见有针针对该探探测器，进进行高稳稳定性、低低噪声、小小体积高高压偏置置电源的的研制的的文献；未见针针对该探探测器，进进行有利利于降低低系统功功耗、提提高系统统稳定性性等性能能的温控控致冷方方案的研研究资料料；未见针针对该探探测器，专专门设计计小体积积（袖珍型型）、高性性能的成成形放大大器与多多道分析析器的报报道。综上所述，国国际上已已经有对对基于SSI-PIIN半导导体探测测器的高高灵敏度度多元素素现场XX荧光探探测系统统进行开开发研究究的文献献，但并并未实现现商品化化。2.2对XX荧光探
45、探测系统统的技术术要求本论文开发发的高灵灵敏度现现场X射射线荧光光探测系系统，主主要面向向蔬菜种种植基地地的土壤壤环境检检测的应应用领域域，对原原生土壤壤和处理理后的土土壤样品品进行多多元素定定量、半半定量测测定。因此要要求仪器器除了具具有容易易携带、高高稳定性性、低功功耗和容容易操作作等技术术特点外外，还应应该具有有高灵敏敏度、多多元素快快速分析析的能力力。为了达达到以上上目标，具具体的技技术要求求是：(1) 需需要使用用具有高高能量分分辨本领领的X射射线探测测器，以以便能精精确地分分辨出各各种元素素特征XX射线。分析中中等原子子序数元元素时，要要求X射射线探测测器的能能量分辨辨率（FWHH
46、M）应达到到20002550eVV（对5.9keeV XX射线）；分析轻轻元素（如All、Sii、P、SS、K、CCa等）时，由由于其特特征X射射线的能能量较低低（1.003.5keeV），相邻邻元素的的特征XX射线相相隔很近近，所以以要求XX射线探探测器的的能量分分辨率（CFWWHM）至少应应达到11802000eV（对5.9keeV XX射线）；(2) 轻轻便、灵灵活、高高效的XX射线激激发源装装置；(3) 需需要体积积小，而而且更精精密的、稳稳定性更更高的、能能与高能能量分辨辨率高的的X射线线探测器器相匹配配的信号号成形放放大器，以以保证整整套测量量系统具具有高的的能量分分辨率；(4)
47、需需要高效效能电源源变换电电路，以以便尽可可能提高高电池的的效率；(5) 需需要建立立能满足足现场分分析要求求的数理理模型，开开发出适适合现场场原位分分析的XX荧光分分析配套套应用软软件。综上所述，在在本文设设计预期期实现指指标如下下：(1) 系系统体积积小、重重量轻，单单人能够够轻松携携带于操操作；(2) 便便于非技技术专业业人员操操作；(3) 单单次测量量能完成成5至66种主要要元素或或相关土土壤化学学场指示示元素的的定量分分析，具具有现场场数据处处理能力力，能直直接输出出目标元元素含量量结果的的能力；(5) 输输出结果果精确度度高的目目标。2.3论文文选题及及研究意意义生态仍然是是制约当
48、当今世界界可持续续发展的的一大问问题。随着中中国科学学技术水水平的广广泛提高高，我国国对物化化探方法法、手段段和设备备提出新新的要求求。传统的的化探方方法进行行异常发发现、查查证，需需要经过过“野外采采样样品运运输样品加加工与缩缩分化学分分析”等过程程之后，才才能得到到野外采采样点地地质体相相关主要要元素、次次主要元元素的含含量信息息。根据交交通情况况与实际际工作部部署情况况，该周周期一般般为13个月月。采用这这种传统统的方法法进行异异常查证证工作，其其工作周周期之长长已经大大大制约约土壤环环境检测测的进展展与效果果。X荧光光分析技技术作为为一种现现场快速速分析方方法，也也曾在金金矿、铜铜矿和多多金属矿矿等勘查查中得到到应用。目前，已已经商品品化的便便携式