CN101243522B

CN101243522B - 用于定位x射线透镜的设备和方法以及包含所述设备的x射线装置

Info

Publication number: CN101243522B
Application number: CN2006800303099A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·博伊曼
Original assignee: UNISANTIS EUROP GmbH
Current assignee: Unisantis Europ GmbH
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2006-08-17
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2026-08-17
Also published as: ATE423382T1; EP1758132A1; EP1758132B1; WO2007022917A1; CN101243522A; JP2009505111A; DE602005012824D1; US20090220054A1; US7769136B2

Abstract

一种用于对准X射线透镜(28)的定位技术。定位设备(16)包括透镜安装部件(44)和定位部件(42)。定位部件(42)包括具有大体与X射线源(12)的X射线发射部分(36)(“热点”)重合的旋转中心的至少一个测角器台(64、66)。如果需要，一个或多个测角器台(64、66)以及一个或多个额外的移动台(60、62)的设置有助于X射线透镜(28)的调节并使该调节更直观。

Description

用于定位X射线透镜的设备和方法以及包含所述设备的X射线装置

技术领域

本发明涉及一种用于X射线透镜(也称为“Kumakhov透镜”)的定位设备和定位方法。本发明还涉及一种X射线装置，例如，包括X射线透镜和用于X射线透镜的定位设备的X射线光谱仪或X射线衍射计。

背景技术

在二十年前通常所说的X射线透镜的出现已经为轻型、便携式X射线装置打下了基础，所述装置与冶金、地质学、化学、法医实验以及海关检查的领域中的宽光谱的应用不同。通过与传统的光学透镜改变可见或接近可见的光子的方向相似的方式，X射线透镜改变X射线辐射带中的电磁辐射的方向，并因此可以用于校准或集中X射线束。

X射线透镜传统地由多个毛细管形成。每个毛细管将在其前端捕捉的X射线通过总的外反射引导到相对端。此规则只要前端的入射角不超过临界角即可应用。如果超过临界角，则X射线在毛细管内不能再捕捉到。在此情况下，毛细管变为可透过X射线。

最初，X射线透镜是具有大约达到几米的尺寸的庞大装置。这些大尺寸主要是由于需要保持各个毛细管在适当位置的单独的支撑结构造成。当认识到如果利用玻璃拉制技术使X射线透镜由一个或多个玻璃毛细管束产生则该支撑结构可以省略时，X射线透镜的工业应用变得切实可行。通过将毛细管覆盖物(capillary mantle)熔化在一起可以不使用单独的支撑结构。

目前，X射线透镜的工业应用包括便携式X射线光谱仪、轻型X射线衍射计以及许多其它的小型装置。这种装置典型地包括X射线源(例如，X射线管)、X射线透镜和检测器。从X射线源发射的X射线通过X射线透镜集中在样品上的微小点上。检测器检测从样品发射回的X射线，并产生可以用于例如光谱分析的输出信号以确定样品中所包括的化学元素。

为了提高X射线装置的效率，X射线透镜必须精确地与X射线装置的轴线对准。如果未正确地对准X射线透镜，则由X射线透镜捕捉的X射线的通量可能会由于入射角对于过多的X射线超过临界角的情况而造成急剧下降。

在过去，即使对于经验非常丰富的操作者，X射线透镜的对准也是繁重的任务。通过传统的定位机构在一个方向上的调节经常涉及同时在另一个方向上的调节(误调)。这些相关性阻碍了X射线透镜的直观对准，并且需要许多单独的调节步骤。

因此，需要一种有助于X射线透镜的调节的定位设备和定位方法。另外，需要一种包括用于X射线透镜的定位设备的X射线装置。

发明内容

根据本发明的第一方面提供了一种用于对准X射线透镜的定位设备。所述定位设备包括透镜安装部件和包括至少一个测角器台(goniometerstage)的定位部件，至少一个测角器台具有与X射线源的X射线发射部分大体重合的旋转中心。

在测角器台中，旋转中心在测角器机(goniometer mechanic)的外部。在本情况下，旋转中心选择为与X射线源的X射线发射部分基本重合。典型地，测角器机包括弯曲的导向结构。由于弯曲的中心点“未定”且至少靠近X射线发射部分，所以安装在测角器台上的任何物体(例如，X射线透镜)都绕着X射线发射部分旋转。该方法有助于透镜对准。

在一个实例中，定位部件包括用于将X射线透镜绕第一轴倾斜的第一测角器台、以及用于将X射线透镜绕第二轴倾斜的第二测角器台。第二轴可以垂直于第一轴延伸。第一轴和第二轴可以选择为使得所述第一轴和所述第二轴在与X射线源的X射线发射部分接近重合的点处彼此相交。

两个测角器台可以相对于X射线源布置成一个在另一个的后面。由于这种布置，第一测角器台可以具有距离X射线发射部分的第一距离，而第二测角器台可以具有距离X射线发射部分不同于第一距离的第二距离。因此，两个测角器台可以相对于第一倾斜轴和第二倾斜轴之间的交叉点具有不同的半径。

在一个变化例中，第一测角器台实际上独立于第二测角器台。换言之，第一倾斜轴可以与第二倾斜轴分离。为此，可以设置用于第一测角器台和第二测角器台的单独的致动机构。

根据本发明的第一变化例，由X射线源产生的X射线在至少一个测角器台外部通过定位部件。根据第二变化例，至少一个测角器台具有内部X射线通道。内部X射线通道可以延伸通过至少一个测角器台的中心。可供选择地，内部X射线通道可以相对于至少一个测角器台的中心偏心延伸。

除了至少一个测角器台外，定位部件还可以包括一个、两个或更多个移动台。在一个实例中，定位装置包括具有第一移动轴的第一移动台以及具有第二移动轴的第二移动台。第二移动轴可以倾斜延伸，或优选地垂直于第一移动轴延伸。第一移动轴和第二移动轴优选布置在大约以直角与X射线透镜的纵向轴相交的平面中。

除了第一和第二移动台外，还可以设置具有第三移动轴的第三移动台。第三移动轴可以相对于第一和第二移动轴垂直延伸。

同测角器台一样，移动台可以布置成一个在另一个之后。在从X射线源发射的X射线的方向上，一个或两个移动台可以布置在一个或两个测角器台的上游或下游。

第一移动台和第二移动台每一个都可以设置有单独的致动机构，并因此实际可以彼此独立(也独立于至少一个测角器台)。因此，可以分离定位设备的所有单独的定位轴。在一种可能的情形中，该分离意味着沿第一轴的移动独立于绕垂直于第一轴的第二轴的倾斜(包括所有的排列变化)。

定位设备还可以包括用于将定位设备连接到X射线源的外罩的第一接口件。另外，或在另一可供选择的实施例中，定位设备可以包括用于将定位设备连接到样品外罩的第二接口件。

定位设备可以包括可以设置在定位设备的端部而面对X射线源的X射线屏蔽部件。屏蔽部件优选构成为限定有限的X射线通道，并将所有X射线阻挡在X射线通道外。X射线屏蔽装置的设置允许由基本可透过X射线的材料(例如，铝)制造定位设备。

在一个变化例中，定位设备还可以包括X射线透镜。X射线透镜可以在中心延伸通过定位设备，并且可以与上述X射线通道对准或限定上述X射线通道。X射线透镜可以具有各种形状和结构。在一个实施例中，X射线透镜包括一个或多个毛细管束。

透镜安装部件使得定位部件和待定位的透镜之间可连接。在一个实例中，构成较少的安装部件，用以产生作用在透镜或刚性地连接到透镜的任何结构件上的夹紧力。

根据本发明的进一步的方面设置了X射线装置。X射线装置包括具有X射线发射部分的X射线源、用于改变从X射线源发射的X射线的方向的X射线透镜、以及用于对准X射线透镜的定位设备，定位设备包括具有与X射线发射部分大体重合的旋转中心的至少一个测角器台。

X射线装置还可以包括布置在X射线源和至少一个测角器台之间的X射线屏蔽部件。X射线屏蔽部件优选限制从X射线源发射到由X射线透镜限定或对准的X射线通道的X射线束。

根据本发明的再进一步的方面提供了一种利用定位设备对准X射线透镜的方法，其中所述定位设备包括至少一个移动台和旋转中心与X射线源的X射线发射部分大体重合的至少一个测角器台。所述定位方法包括步骤：通过致动至少一个移动台(优选通过单独致动第一和第二移动台)与X射线发射部分大体重合、以及通过致动至少一个测角器台相对于延伸通过X射线发射部分的预定轴(例如，包含定位设备的任何装置的光轴)对准X射线透镜来定位X射线透镜的入口焦点。

附图说明

从以下优选实施例和附图的说明将使本发明的进一步的方面、优点和变化变得清晰，其中：

图1是本发明的X射线光谱仪的实施例的横截面视图；

图2是图1的X射线光谱仪中所包括的定位设备的横截面视图；

图3是图2的定位设备的下游端的透视图；以及

图4是图2的定位设备的上游端的透视图。

具体实施方式

在下文中，将参照为X射线光谱仪形式的优选实施例示例说明本发明，X射线光谱仪包括具有两个测角器台和两个移动台的定位设备。应该注意，本发明还可以以诸如衍射计的其它X射线装置以及具有不同结构(例如，包括没有、只有一个或三个移动台)的定位设备进行实施。

图1显示根据本发明的实施例的X射线光谱仪10的横截面视图。光谱仪10包括由X射线管构成的X射线源12。光谱仪10还包括快门(shutter)14、模块化定位设备16、具有布置在样品定位平台22上的样品20的样品外罩18、以及检测器24。

在X射线源12内产生并由参考符号26表示的X射线束沿光轴30通过快门14。通过定位设备16相对于X射线源12且相对于光轴30对准的X射线(或Kumakhov)透镜28将X射线束集中在样品20上的微小点上(注意，样品20的尺寸在图1的示意图中被放大)。检测器24收集从样品20发射回的X射线，并输出表示样品20内所包括的化学元素的光谱信号。

图1所示的光谱仪10具有紧凑的台式设计，并可便携地用于现场分析。样品可以以许多物理形式提供，所述物理形式包括固体、粉末、压丸、液体、颗粒、膜和涂层。在大气状态下，光谱仪10的典型元素检测能力的范围从铝(Al)到铀(U)。光谱仪10允许元素定性和定量分析低至很低的元素浓度和20μm的样品尺寸。

在图1的视图中，X射线源12和快门14绕光谱仪10的光轴30旋转90°以更好地说明X射线源12和快门14的结构。同传统的X射线管一样，X射线源12包括发射电子的阴极32以及收集由阴极32发射的电子的阳极34。因此，由于横过阴极32和阳极34连接的高压建立了电流的流动。在X射线源12内的电子流集中在阳极34上很小的点(“热点”)36上。阳极34垂直于电子流精确地成典型地为5到15度的偏角，以便当电子与阳极34碰撞的动能消失时使“热点”36处产生的一些X射线逃离。因此，产生的X射线束26从“热点”36基本垂直于电子流的方向并以发散角基本沿光轴30发射。

从X射线源12发射的X射线首先通过连接到X射线源12的外罩38的快门14。快门14选择性地阻挡在X射线源12内产生的X射线束26，并因此提供用于选择性地“接通”或“断开”样品20的辐射的控制机构。

透镜定位设备16布置在快门14的下游(相对于X射线源12)，并通过接口件(在图1中未显示)刚性地连接到快门14。定位设备16包括X射线屏蔽部件40、用于X射线透镜28的定位部件42、以及用于刚性地将X射线透镜28连接到定位部件42的透镜安装部件44。只是在图1中示意性显示的各个部件40、42、44在图2到图4的各视图中更详细地说明。

从图3和图4变得清楚，X射线屏蔽部件40具有用于刚性地将整个定位设备16连接到快门14(因此连接到X射线源12)的具有两个螺纹孔48的外凸缘46(在图2中未显示)。因此，外凸缘46用作相对于快门14/X射线源12的定位设备16的接口件。X射线屏蔽部件40还可以包括需要用于将X射线束基本限制到X射线透镜28的入口开口的结构元件。

X射线透镜(在图2到图4中未显示)固定地安装到管件50的内部。管件50进而刚性地连接到透镜安装部件44。透镜安装部件44包括连接到定位部件42的基座件52。基座件52具有用于容纳管件50的中心开口。多个具有外螺纹部分56的舌状件(tongue)54从基座件52的开口延伸并沿管件50的轴向延伸。

透镜安装部件44还包括具有使管件50延伸通过的中心开口的环件58。环件58可以拧到舌状件54上并与所述舌状件的外螺纹部分56配合。借助于垂直于管件50延伸并穿过环件58的额外螺钉(未示出)，当螺钉被拧入环件58时，至少一个舌状件54的自由端可以朝向管件50移动。因此，在一方面为管件50与另一方面为透镜安装部件44之间建立了夹紧连接。

定位部件42布置在透镜安装部件44的上游，并且包括两个移动台60、62以及两个测角器台64、66。从图2可以看出，透镜安装部件44的基座件52连接到第一移动台60的底部。

各个定位台60、62、64、66被布置成一个在另一个后面。以作为最下游的定位台的第一移动台60开始，随后是第二移动台62、第一测角器台64和作为最上游的定位台的第二测角器台66。定位台60、62、64、66、68中的每个都分别具有使管件50延伸通过的中心X射线通道68、70、72、74。

两个移动台60、62中的每个都包括双燕尾形导向部(只有一个在图2的横截面视图中显示为参考符号76)。对于两个移动台60、62中的每个，分别设置了具有相关的旋钮78、80和弹簧复原部的单独的微细螺距调节螺钉。

在组合中，第一移动台60和第二移动台62形成xy移动台。因此，第一移动台60具有第一移动轴，即，图2中垂直于管件50的轴线且平行于图平面延伸的x轴线。第二移动台62具有第二移动轴，即，垂直于x轴且垂直于管件50的轴线延伸的y轴。第一和第二移动台60、62通过各自的旋钮78、80可以彼此独立地被致动。在图中未示出的可供选择的实施例中，可以设置具有垂直于第一和第二移动轴延伸的第三移动轴(z轴)的第三移动台。

两个测角器台64、66布置在两个移动台60、62的上游。在所述测角器台的组合中，第一测角器台64和第二测角器台66形成提供用于绕公共旋转中心的两个独立的旋转的太塔(theta)-斐(phi)测角器。此公共旋转中心大体由图1所示的“热点”36构成，即，由X射线源12的X射线发射部分构成。

每个测角器台64、66都分别包括弯曲的燕尾形导向部82、84，并且可以分别通过具有弹簧复原部的旋钮86、88由相关的细牙螺钉(fine-pitchscrew)调节。两个单独的调节旋钮86、88的设置允许单独地致动第一和第二测角器台64、66中的每个。

第一测角器台64的致动绕穿过图1所示的“热点”36且垂直于光轴30在图1的图平面中延伸的第一倾斜轴倾斜管件50(具有X射线透镜)。第二测角器台66的致动绕也穿过“热点”36且垂直于第一倾斜轴和图1的图平面延伸的第二倾斜轴倾斜管件50。由于第一测角器台64布置在第二测角器台66的下游，所以第一测角器台64上的参考点与“热点”36的距离大于第二测角器台66上的对应的参考点与“热点”36之间的距离。

具有X射线透镜的管件50可以相对于四个分离轴线的叠列(两个移动轴彼此垂直延伸，而两个倾斜轴也彼此垂直延伸)定位。因此，沿任何移动轴的移动运动独立于绕任何倾斜轴的倾斜运动，反之亦然。这样就允许更容易且更直观地相对于阳极34上的“热点”36和相对于光轴30对准容纳在管件50中的X射线透镜。具有X射线透镜的管件50在中心延伸通过定位模块16(且在中心穿过定位设备42)的情况还有助于对准过程。

当图1所示的X射线透镜28相对于X射线源12的“热点”36和光轴30对准时，在第一步骤中，X射线透镜28的入口焦点定位在xy平面中，使得入口焦点与“热点”36基本重合。因此，该第一定位步骤只包括第一和第二移动台60、62的致动。在第二定位步骤中，倾斜并转动X射线透镜28以对准X射线透镜28的纵向轴，使得所述纵向轴与光轴30重合。第二定位步骤包括第一和第二测角器台64、66中的一个或两个的调节。虽然显示在图2到图4中的旋钮78、80、86、88用于手动致动，但本发明可供选择的实施例提供用于电动机致动。

X射线屏蔽部件40(在图1中只示意性地显示，而在图2到图4中只部分显示)通过延伸通过凸缘部分46中的开口92的螺钉连接在第二移动台66的底部。屏蔽部件40有利地被构成为将所有X射线阻挡在由管件50的上游开口90限定的圆形X射线通道的外部，因此有效地将X射线从定位部件42屏蔽掉。因此，定位部件42的各个部件(例如，移动台60、62和测角器台64、66)可以由传统的材料(例如，铝)制造而没有任何X射线的安全问题，其中所述材料通常可透过或几乎可透过X射线。

虽然已经关于特定的实施例对本发明进行了说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，本发明不局限于在此说明和显示的具体实施例。因此，应该理解本公开内容只是说明性的。本发明只由权利要求的范围所限定。

Claims

1.一种用于对准X射线透镜(28)的定位设备(16)，包括：

-定位部件(42)，所述定位部件具有至少一个测角器台(64、66)，至少一个测角器台(64、66)具有与X射线源(12)的X射线发射部分(36)大体重合的旋转中心；以及

-透镜安装部件(44)。

2.根据权利要求1所述的定位设备，其中：

第一测角器台(64)布置用于绕第一轴倾斜所述X射线透镜，并且其中所述定位设备(16)还包括用于绕大体垂直于所述第一轴的第二轴倾斜所述X射线透镜的第二测角器台(66)。

3.根据权利要求2所述的定位设备，其中：

第一测角器台(64)布置在距离X射线发射部分(36)第一距离处，而第二测角器台(66)定位在距离X射线发射部分(36)不同于所述第一距离的第二距离处。

4.根据权利要求2或3所述的定位设备，其中：

第一测角器台(64)独立于第二测角器台(66)被致动。

5.根据权利要求1所述的定位设备，其中：

至少一个测角器台(64、66)具有X射线通道(72、74)。

6.根据权利要求5所述的定位设备，其中：

X射线通道(72、74)大体延伸通过至少一个测角器台(64、66)的中心。

7.根据权利要求1所述的定位设备，其中：

定位部件(42)还包括至少一个移动台(60、62)。

8.根据权利要求7所述的定位设备，其中：

定位部件(42)包括具有第一移动轴的第一移动台(60)、以及具有大体垂直于所述第一移动轴的第二移动轴的第二移动台(62)。

9.根据权利要求7所述的定位设备，其中：

至少一个移动台(60、62)具有X射线通道(68、70)。

10.根据权利要求9所述的定位设备，其中：

X射线通道(68、70)大体延伸通过至少一个移动台(60、62)的中心。

11.根据权利要求1所述的定位设备，其中：

所述定位设备(16)还包括用于将定位设备(16)连接到X射线源(12)的外罩(38)和样品外罩(18)中的至少一个的至少一个接口件(46)。

12.根据权利要求1所述的定位设备，其中：

所述定位设备(16)还包括设置在所述定位设备(16)的端部处而面对X射线源(12)的X射线屏蔽部件(40)。

13.根据权利要求12所述的定位设备，其中：

定位部件(42)至少部分由基本可透过X射线的材料制成。

14.根据权利要求13所述的定位设备，其中：

所述材料为铝。

15.根据权利要求1所述的定位设备，其中：

所述定位设备(16)还包括在中心大体延伸通过定位部件(42)的X射线透镜(28)。

16.一种X射线装置(10)，包括：

-X射线源(12)，所述X射线源具有X射线发射部分(36)；

-X射线透镜(28)，所述X射线透镜用于改变从X射线源(12)发射的X射线的方向；以及

-定位设备(16)，所述定位设备用于对准X射线透镜(28)，定位设备(16)包括具有与X射线发射部分(36)大体重合的旋转中心的至少一个测角器台(64、66)。

17.根据权利要求16所述的X射线装置，其中：

X射线透镜(26)包括一个或多个毛细管束。

18.根据权利要求16或17所述的X射线装置，其中：

X射线装置(10)还包括布置在X射线源(12)和至少一个测角器台(64、66)之间的X射线屏蔽部件(40)。

19.一种相对于X射线源(12)的X射线发射部分(36)定位X射线透镜(28)的方法，X射线透镜(28)可通过至少一个移动台(60、62)和至少一个测角器台(64、66)操纵，至少一个测角器台(64、66)具有与X射线发射部分(36)大体重合的旋转中心，所述定位方法包括步骤：

a)操纵至少一个移动台(60、62)，以将X射线透镜(28)的入口焦点定位成与X射线发射部分(36)大体重合；以及

b)在操纵步骤(a)后操纵至少一个测角器台(64、66)，其中至少一个测角器台(64、66)被操纵为使X射线透镜(28)的轴线与延伸通过X射线发射部分(36)的预定轴(30)对准。