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关于商品化普及手持元素分析仪的设想
2026/01/16
原创
IP:重庆

看了KC的商品化能谱仪方案后我很赞同,于是和朋友有了一个更大胆的计划,制作一台民用级别千元内的手持式元素分析仪,对面也是一位很有研究的爱好者,具体方案如下:

我先说一下我的个人经历,拆解过EDX-700和一台HORIBA的2019年的电镜能谱仪,研读论文最终发现了一个惊人的事实,所有这些厂家包括AMPTEK的SDD系列,全部使用了一块集成了双栅极JFET和JET复位以及叉指电容的迷你IC,这个IC的代工厂符号是一个菠萝,很遗憾这两个晶圆都是在分类过程中丢失,因为实在过于小,小到风一吹就跑了。但是大致结构很符合数据手册和国内的计划,我根据AMPTEK公司的教程上“抄”了一款放大器,仿真结果如下:另外有一台AMPTEK公司的DP5多道分析仪和配套软件,可以在MCA成型之前测试能谱峰值

Image_1768541485109_253.jpgImage_1768541489632_190.jpgImage_1768541506038_895.jpg

X射线源使用所谓的除静电器,可以产生大约15keV的射线能量高压部分进行逆向工程后仿制,达到精确的能量调节和功率管理

探测器部分,滨松有在X射线能量单位的不少二极管,其中一种在淘宝似乎颇为便宜,PIN的缺点是结电容过大,而KC的能谱仪使用的SIPM也是不错的选择,但是也有例如设计电路参考很少的缺点,综上,可以使用SIPM这类单光子探测器和特殊的PIN来作为主要传感器获取能谱信号,这次为了追求高效率,可能会尝试自己封装制冷片也就是二级制冷SIPM,滨松有制冷的SIPM非常心动,但是原装的价格依旧惊人,加上二级制冷的成本,后期可能不会用这些方案,如果真的要做这个项目,制冷片大概几十块,TO的壳子找到厂家批发也就几块一个,除了人工成本(我是免费劳动力)也不算很贵的,目前最棘手的是,我需要一个10fF的积分电容或者说miller电容用于存储电荷,这个电容的大小和精度以及JFET共同影响了探测器的精度,最后可能需要使用介电常数低的离谱的材料自制一个“电容”,如果有国外的商品化的,麻烦立刻联系我,这对我的扫描电镜能谱至关重要。

#我手上有各个公司的SDD专利包含了工艺生产和用料,有实验条件的可以尝试自制SDD探测器,结电容超级小,收集率也很高

#另外雪崩光电二极管也就是APD,APD存在一个盖革模式,APD的主要缺点是进行了电荷放大,9不利于精确检测,从而痛失地位。

我研读了很多国产的核电子学放大电路,也包括了光电倍增管和各类探测器的不仅是硬件还包含ASIC和晶圆设计,这次的目的力求准确,尽可能廉价,功能丰富

#插句嘴,目前这个在申请三星的MPW流片服务,如果过了的话,价格能承受(毕竟最低工艺)的话(其实根本承受不了吧大概率)我可能会设计单独的放大电路,因为是按照晶圆面积收费的,反而SDD作为一个结构并不“复杂”的东西,有见过很一般的大学实验室就能做,期待有反馈吧。

[ 修改于9个月17天前 - 2026/01/16 14:15:08 ]
9个月17天前修改于 9个月17天前IP:四川
948605
1楼

XRF主要包含X光源和低能能谱仪两个组成部分。这两个部分都已经被研究很多,如果不用前沿技术的话,恐怕不太可能压缩到数千元这个级别,更别说千元以内。

比如,X光源可以考虑对碳纳米管冷阴极光源进行研究和商品化,用传统的热丝真空管无论如何价格都做不下来的。

探测器部分重要的是分辨率和稳定度,SSD的低能分辨率是1%起步的,而其它任何闪烁体方案都劣于10%。有爱好者使用准直Am-241源激励,用KC761CN做能谱,分析单一的较重金属元素勉强够用,但稍轻的元素或者两种以上元素,就很容易糊成一团。

做东西要抓住核心抓住重点,做出来就是一个时代的开启。

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1
zx-93970作者
9个月17天前IP:中国
948609
2楼
引用虎哥发表于1楼的内容
XRF主要包含X光源和低能能谱仪两个组成部分。这两个部分都已经被研究很多,如果不用前沿技术的话,恐怕不太可能压缩到数千元这个级别,更别说千元以内。比如,X光源可以考虑对碳纳米管冷阴极光源进行研究和商品...

确实,SDD这个东西我真的很喜欢,用过了就有一种天差地别的感觉,主要是sdd的漂移结构决定了收集效率也不错同时结电容极小,响应速度很快(FAST SDD系列产品),至于光管也是我在思考的,我以前还没听说过这类光管,我会仔细研究一下然后有机会试一下,毕竟手上有真空分子泵,无论是改造还是自制都是有机会的。SDD我有个朋友可能能有机会做出来几片,站内如果有做“光刻机”的那就更好了,我可以买个真空仓做成真空镀膜,这样虽然麻烦但是也能“量产”了

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zx-93970作者
9个月17天前IP:中国
948614
3楼
引用虎哥发表于1楼的内容
XRF主要包含X光源和低能能谱仪两个组成部分。这两个部分都已经被研究很多,如果不用前沿技术的话,恐怕不太可能压缩到数千元这个级别,更别说千元以内。比如,X光源可以考虑对碳纳米管冷阴极光源进行研究和商品...

发现一个问题,碳纳米管和冷场发射有一个很难办到的就是小型化,量产极其困难,但是暂时用除静电或者是市面上的那种热场发射会有优势就是光管足够廉价,研发费用很低,SDD的制造难度也是一点,很难压下来成本,主要是需要保持漂移环的掺杂浓度和尺寸

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9个月17天前修改于 9个月16天前IP:四川
948615
4楼
引用zx-93970发表于3楼的内容
发现一个问题,碳纳米管和冷场发射有一个很难办到的就是小型化,量产极其困难,但是暂时用除静电或者是市面上的那种热场发射会有优势就是光管足够廉价,研发费用很低,SDD的制造难度也是一点,很难压下来成本,主...

所谓CNTs体积大是因为目前多为研究型装置,那么当然是巨大的真空罐子。从原理上讲,它应该比传统光管小,特别是XRF这类对聚焦要求不高的场合。

我说这个意思是,一个东西曾经难以“普及”(准确的说是“出圈”,因为在XRF的刚需领域,其实它已经足够普及了),而现在想普及,首先需要了解难的原因,如果是价格高,那就要问问为什么高,有没有什么办法颠覆性的降低其价格——并且这种降低应该是技术创新驱动,而不能主要以牛马苦力为代价。

例如,由于高性能的SiPM成熟量产,单颗SiPM的总运用成本比PMT大致降低了一个数量级,以光电转换为前置技术的袖珍能谱仪才具备了普及的条件。

又比如,由于电子工业的多元化,出现了恰好能够移用到矢网领域的消费级芯片组,使简易矢网的成本降低了2个数量级,某些简易矢网(如nanoVNA)才得以普及。

但XRF所依赖的前置技术,到目前为止,并没有哪一种有数量级的成本下降,也没有找到某种方案能够搭上便宜消费品的快车,那么它的普及从何谈起呢?

实际上楼主想找的就是上述第二例的方法,即找到一种能搭上便宜消费品快车的方案,这当然是有可能的。我在上一个回帖中,只是建议也找找,或者创造第一例那样的机会。从您的回复来看,您对技术前沿缺少了解,建议多做些调研,找准关键研究方向,别往自己手搓SSD方面想(本质上并不能降低成本)。

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2
9个月16天前IP:广东
948622
5楼

老兄,你说的“关键器件”JFET和“fF级电容或密勒电容”是这个方案里非常不关键的部分。

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2
6个月3天前IP:广东
949848
6楼

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Field emission from vertically aligned graphene edges at the apex of the pencil lead

自动铅笔芯制作的冷阴极电子源,电压2.6kv束流强度1ua,1E-4Pa气压仍可工作。由0.5mm超高真空环境下加热到2000°C保温10分钟制成

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