CN101499327A - “坪区”毛细管x射线会聚透镜 - Google Patents

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刘志国
孙天希
滕玥鹏
杨科
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Abstract

“坪区”毛细管X射线会聚透镜一种利用X射线全反射原理设计的X射线光学器件，它是利用多毛细管将发散的X射线会聚为带有“坪区”的微焦斑，“坪区”处X射线强度分布均匀度高，且具有较高的功率密度增益，“坪区”的大小在1－60微米范围内，适用于对0.2－40keV范围内X射线进行会聚，“坪区”处X射线强度分布均匀度在2％－6％范围内，“坪区”处功率密度增益的数量级在102－103范围内。此种器件特别适用于对大气颗粒物等微小颗粒物进行单颗粒分析。

Description

“坪区”毛细管X射线会聚透镜
技术领域
本发明属于毛细管X射线光学器件，“坪区”毛细管X射线会聚透镜是利用多毛细管将发散的X射线会聚为带有“坪区”的微焦斑，“坪区”处X射线强度分布均匀度高，且具有较高的功率密度增益(单位面积上强度)，“坪区”大小在1-60微米范围内，适用于对0.2-40keV范围内X射线进行会聚，“坪区”处X射线强度分布均匀度(强度最大值和最小值之差除以强度平均值)在2％-6％范围内，“坪区”处功率密度增益的数量级在102-103范围内。此种器件特别适用于对大气颗粒物等微小颗粒物进行单颗粒分析。
背景技术
毛细管X射线光学器件是利用X射线在毛细管中的全反射而对X射线进行会聚的。毛细管X射线透镜是由20-50万根单玻璃毛细管构成。该类器件的优点是：它可以将符合全反射条件的所有波段的X射线会聚为微焦斑。由于毛细管X光透镜具有较好的性能，所以在X射线分析中有着广泛的应用。
随着毛细管X射线透镜应用的进一步深入，人们对其性能有着更高的要求。将毛细管X光透应用大气颗粒物单颗粒分析中，它可以提供大气污染源的特征“指纹”谱及来自不同污染源的颗粒物比例，这对治理大气污染有着重要的意义，所以毛细管X光透镜应用在大气颗粒物单颗粒分析中备受人们关注。一般的毛细管X光透镜是没有“坪区”的，但此种没有“坪区”的毛细管X光透镜焦斑处的X射线强度分布是高斯分布，这不适合于对大气颗粒物进行单颗粒分析。这是由于毛细管X光透镜的焦斑直径大于单颗粒的直径，所以利用该谱仪对大气颗粒物进行单颗粒分析时，一个单颗粒的整个体积都浸没在透镜焦斑中，众所周知，即使是大气颗粒物单颗粒，其中的元素分布也是不均匀的，并且其形状也不规则，所以，如果毛细管X光透镜的焦斑处强度分布是不均匀的(如高斯分布)，则得到的单颗粒能谱上特征峰的相对强度因其在焦斑中位置的改变而改变，显然，这种与单颗粒在焦斑中的位置有关的能谱不能称为单颗粒的“指纹”能谱。为了真正意义上的单颗粒的“指纹”能谱，需要照射在单颗粒上的激发X射线束的强度尽量均匀，并且需要功率密度较高的X射线束。利用“坪区”毛细管X射线会聚透镜会聚X射线源可以满足上述要求。现在国际上还没有该类毛细管X射线透镜。
发明内容
现有设计毛细管X射线光学器件的工艺中，在排列单毛细管时，是采用均匀排列的方式，同时单毛细管的材料也是单一的材料，所以拉制出的透镜焦斑处X射线分布是成高斯分布的。如何拉制“坪区”毛细管X光会聚透镜一直受到人们的关注。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，为了保证毛细管X射线会聚透镜的焦斑处存在一个高功率密度增益的“坪区”，在排列单毛细管时，采用“中间稀疏周围密集”的排列方式以保证透镜焦斑处出现“坪区”。在增加单毛细管数量的基础上，采用大于2次的多次复合拉制工艺，同时在改变炉温空间分布的基础上，让中间单毛管的材料和周围单毛细管的材料不同，这样可以保证透镜有更高的传输效率，从而提高透镜“坪区”处的功率密度增益。
所述“中间稀疏周围密集”的排列方式是中间单毛细管的内径大，外层单毛细管内径小，单毛细管的内径范围为400-800微米。所述“复合拉制”是指上述1000根左右单毛细管通过拉丝炉拉成一根复合毛细管，所述“多次复合拉制”是指上述1000根左右的复合毛细管再进行拉制，从而得到含有较多单毛细管的复合毛细管，再次循环下去，就可得到含有更多单毛细管的毛细管透镜。所述“改变炉温空间分布”是通过改变炉丝的直径和缠绕的密度来实现的，这样可以通过拉丝炉得到一个中间温度低、周围温度高的温度分布，内外温度差要和所采用的单毛细管的材料特点相符合。所述“让中间单毛管的材料和周围单毛细管的材料不同”是指让周围的单毛细管的玻璃材料更容易传输高能X射线，这些玻璃材料可以通过特别配料而成。
本发明的有益效果是，“坪区”毛细管X射线会聚透镜可以用于对大气颗粒物等微小颗粒进行单颗粒分析，由于其焦斑处有一个“坪区”，所以可以利用它得到元素特征峰相对强度与单颗粒在“坪区”中位置无关的能谱——单颗粒“指纹”谱。
附图说明
(以三次复合拉制为例)
图1是“坪区”毛细管X射线会聚透镜。
图2是单毛细管截面图。
图3是一次复合毛细管截面图。
图4是二次复合毛细管截面图。
图5是三次复合毛细管截面图(“坪区”毛细管X射线会聚透镜截面图)。
具体实施方式
参见图1，“坪区”毛细管X射线会聚透镜的入口端直径Din和出口端直径Dout与其最大截面的直径Dmax相比，前者较小；“坪区”毛细管X射线会聚透镜入口焦距f1和出口焦距f2可以相等也可以不等；透镜的长度l根据实验条件而定。
将多根单毛细管(图2)放在模型架中固定，然后放在拉丝炉中拉制得到一次复合毛细管(图3)，将多根一次复合毛细管(图3)放在模型架中固定，然后放在拉丝炉中拉制得到二次复合毛细管(图4)，将多根二次复合毛细管(图4)放在模型架中固定，然后放在拉丝炉中拉制得到三次复合毛细管(图5)，即得到了“坪区”毛细管X射线会聚透镜(图5)。
下面给出“坪区”毛细管X射线会聚透镜的实例：08-12-27型“坪区”毛细管X射线会聚透镜共有375000根单毛细管构成，在沿垂直于透镜中心线的方向截面上，每根毛细管的内径大小不同，在最大横截面上，外层每根毛细管的内径约为4微米，中间每根毛细管的内径约为7微米，透镜的长度为80mm，透镜的入口端直径、出口端的直径和最大截面直径分别为5mm、6mm和10mm，在17.4keV能量点，透镜入口焦距、出口焦距、“坪区”处X射线强度分布均匀度、“坪区”直径和功率密度增益分别为83mm、96mm、3％、24和1200。

Claims (7)

1.一种毛细管X射线光学器件：“坪区”毛细管X射线会聚透镜，它利用多毛细管将发散的X射线会聚为带有“坪区”的微焦斑，“坪区”处X射线强度分布均匀度高，且具有较高的功率密度增益。
2.根据权利要求1所述的“坪区”毛细管X射线会聚透镜，其特征在于：“坪区”毛细管X射线会聚透镜是利用X射线在毛细管中的全反射而对X射线进行会聚的。
3.根据权利要求1所述的“坪区”毛细管X射线会聚透镜，其特征在于：“坪区”毛细管X射线会聚透镜由20-50万根单玻璃毛细管构成。
4.根据权利要求1所述的“坪区”毛细管X射线会聚透镜，其特征在于：“坪区”毛细管X射线会聚透镜的入口端直径Din和出口端直径Dout与其最大截面的直径Dmax相比，前者较小；“坪区”毛细管X射线会聚透镜入口焦距f1和出口焦距f2可以相等也可以不等；透镜的长度l根据实验条件而定。
5.根据权利要求1所述的“坪区”毛细管X射线会聚透镜，其特征在于：为了保证毛细管X射线会聚透镜的焦斑处存在一个高功率密度增益的“坪区”，在排列单毛细管时，采用“中间稀疏周围密集”的排列方式以保证透镜焦斑处出现“坪区”。
6.根据权利要求1所述的“坪区”毛细管X射线会聚透镜，其特征在于：在增加单毛细管数量的基础上，采用大于2次的多次复合拉制工艺，同时在改变炉温空间分布的基础上，让中间单毛管的材料和周围单毛细管的材料不同，这样可以保证透镜有更高的传输效率，从而提高透镜“坪区”处的功率密度增益。
7.根据权利要求1所述的“坪区”毛细管X射线会聚透镜，其特征在于：“坪区”大小在1-60微米范围内，适用于对0.2-40keV范围内X射线进行会聚，“坪区”处X射线强度分布均匀度在2％-6％范围内，“坪区”处功率密度增益的数量级在102-103范围内。
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