CN102128845B - Xrd和xrf的组合装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种既能实现X射线衍射XRD，也能实现X射线荧光测量XRF的仪器。该仪器设置X射线源10以产生被引导到样品台上的样品的入射X射线光束。对于高能能量色散型XRD，X射线检测系统以固定的角度2θ安装，对于XRF，使用X射线检测系统。

Description

XRD和XRF的组合装置

技术领域

本发明涉及一种既用于能量色散型的X射线衍射又用于X射线荧光的装置，以及操作该装置的方法。

背景技术

X射线衍射(XRD)和X射线荧光(XRF)是两种公知的探测样品结构及基本组成的方法。通常，仪器被设计为执行其中一种或另一种方法。

但是，在一些应用中，已经提出既执行X射线衍射又执行X射线荧光的仪器。

例如，US5,745,543提出一种仪器，该仪器旨在通过在荧光测量部分中采用能够执行XRD测量的线聚焦光源、平面或圆柱形分析晶体、以及位置敏感检测器来解决了低X射线能量到达XRF检测器的问题。因而，不使用会减弱强度的准直系统。

另一个提议是由WO2008/107108提出的，其包括对当试图将XRD和XRF组合时可能会遇到的困难的有益讨论。特别是，该讨论强调了布置X射线检测器的困难，以使其不但能够在用于XRD时在宽的角度范围内移动，而且在用于XRF时能够接近样品。针时每一种情况采用特定光源来最佳化每种技术的强度/灵敏度。

相应地，这里还存在对于具有所有、一些或没有下述特征的较小设备的需求：特别是更易于使用，对于XRD和XRF均可用，并且可以被合并到例如生产线、制造厂和研究机构(例如，大学)中，而不引起对较常规的设计的复杂样品处理。

发明内容

发明人已经认识到，能量色散型XRD的使用是唯一适于与XRF组合的，并因此在组合仪器中既执行XRD，又执行XRF。

优选地，使用的能量范围包括10keV以上(优选地，20keV以上)的高能X射线。高能能量色散型(HEED)XRD的使用特别适合，由于其允许很好的粒子统计性(particlestatistics)。这可以通过使用对于XRD的XRF管的连续辐射来实现，而不是通过使用对于XRF使用的这种管的特征线来实现。适于XRF的特征线可能仅在低于3keV(增强低Z数元素)及大约20keV(增强中范围元素)的范围内。对于XRD使用2.6keV的L-线(例如，RhL-线)会导致非常差的渗透深度，从而导致差的粒子统计性。对于衍射采用这种管的连续辐射允许依据样品基体在适当的能量范围内测量。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在参考附图仅仅通过举例方式对实施例进行描述，其中：

图1示出根据本发明的装置，以及

图2示出在水泥样品上获得的结果。

具体实施方式

参见图1，根据本发明的装置包括壳体2和样品保持器4，在湿样品/液体样品的情况下，该壳体2可以被抽空或充气(He)，该样品保持器4用于放置样品。该样品保持器可以适合于保持特种样品，例如水泥。该样品保持器4在由虚线表示的被称为样品平面6的方向上横向延伸。

X射线源10与用于使X射线准直的光束调节器系统12成直线地设置在样品平面的一侧，以在入射X射线方向16上形成X射线束。该X射线源10既是白色X射线(即，在一定波长范围上的X射线)源，也是特征线光源。

下面将讨论进一步的细节。该X射线源被安装在壳体中的X射线端口14上，其将被称为X射线源端口14，因为其目的是为了安装X射线源。

X射线端口20被设置在2θ角度处，在本例中，被设置在样品平面的与X射线源相对的一侧，以便安装X射线检测系统22。该X射线检测系统22预定用于能量色散型X射线衍射测量，所以该X射线端口将被称为XRD端口20，并且，该X射线检测系统将被称为XRD检测系统22。为了使得光束到达XRD检测系统22，在XRD端口20的前面设置用来使光束准直的光束调节器系统24。

在典型的X射线衍射中，作为角度2θ的函数测量具有与入射X射线相同的能量的衍射X射线的强度，以确定样品的结构。角度2θ、被探测的长度大小(lengthscale)d和波长λ之间的关系由公知的布拉格方程nλ＝2dsinθ给出。

与此不同的是，在能量色散型(ED)X射线衍射中，使用固定的角度2θ，变量是能量。与布拉格定律结合使用能量和波长之间的关系λ＝hc/E，可以实现能量色散型衍射。因此，通过在多个能量处进行测量来固定角度2θ并改变波长λ，而不是保持波长λ固定并改变2θ。相应地，该XRD检测系统22是设计最简单的能量色散型检测器。

该方法的确很不寻常，特别是在高精度应用中，但是已经由GHarding出于爆炸物检测的目的而提出，“X-rayscattertomographyforexplosivesdetection”，RadiationPhysicsandChemistryvolume71(2004)pages869-881(“用于爆炸物检测的X射线散射体层析技术”，辐射物理学及化学，第71卷(2004)869-881页)。

本发明人已经认识到，该很不寻常的XRD方法特别适于与XRF应用相结合。

在用于XRF的这种情况下，设置另一个端口30，用于安装另一个检测系统32，所以，该端口将被称为XRF端口30，并且，该检测系统32将被称为XRF检测系统32。端口30位于样品平面6的与光源端口14相同的一侧。该XRF端口可被选择为针对透射或反射而定位。使用透射对高原子序数元素有益。但是，对于较低原子序数元素，XRF端口如图所示将位于样品平面6的与光源端口14相同的一侧。

不会比XRD测量更加详细地解释XRF测量，因为XRF测量相对较常规。非常不寻常的是EDXRD测量。

正如从以上的描述可知的，该光源可以是具有多重能量的X射线源。对于能量色散型XRD，需要“白色”X射线辐射，即，连续谱中的X射线辐射，这与用于XRD的典型管子形成对比，XRD可以使用高度单频的X射线(例如来自特征线)或者单色仪来产生这样的单色X射线。因而，如果仅考虑XRD，则用于能量散射型XRD的X射线源10优选使用用于电子束的金属靶，其中金属靶18由例如高原子序数的金属制成，因为连续谱的强度随着靶子的原子序数增加。适合的靶包括如Ta、W、......Au的材料。

然而，对于XRF的要求是不同的。对于XRF，优选的是，使用具有离散线的光源，典型地使用由被选择为产生特征线以增强低Z元素以及中范围元素的材料制成的金属靶18。如Mo、Rh、......Ag的材料在低能量范围和20keV范围内产生特征线。由于这些材料已经具有相当高的原子序数，因此它们也适于对于EDXRD使用其白色辐射。选择正确的2θ角度，可以避免干扰特征线和衍射线。

因而，在根据本实施例的装置中，诸如Mo、Rh或Ag的具有从42至46的原子序数的材料是特别优选的。

最后，本发明的优点是其不需要测角器或移动部件，仅仅将一个X射线源和两个X射线检测器安装到固定位置的端口。这使得X射线设备在适中的成本下均能够实现XRD和XRF。

该装置可适用于特定样品，特别是在特定工业中。例如，对于水泥工业，可能需要测量游离石灰的量，并且这样具有与特定的d值相对应的峰值。因而，给定仪器中的确切的固定角度2θ将取决于预期的样品并由此取决于d值，但是，通常优选的典型角度2θ在5°至12°或者甚至20°的范围内。当能量范围已知时，布拉格定律nλ＝2dsinθ给出适合的θ值并由此给出2θ值，因此，能量(而不是波长λ)的范围也是已知的。

然而，对于医药样品的测量，长度大小d可能会更大，并且，在这种情况下，2θ必须更小。相应地，对于这种样品的测量，优选的角度2θ的范围在0.1°至5°的范围内。因而总之，2θ值可以从0.1°至20°，并且，根据预期的应用，2θ值优选地在5°至12°或者0.1°至5°(优选为0.1°至1°)的更窄范围之一中。

使用中，样品被安装在样品台上，X射线被引导至样品上，由XRD检测系统22和XRF检测系统32二者测量该X射线谱。

在一个例子中，测量水泥样品，该样品的厚度在3mm至4mm之间。在该例子中，角度2θ为10.1°。图2示出来自XRD检测器的各种能量的结果。对于测试水泥，最感兴趣的峰值是d＝.245nm的游离石灰峰值，(这样在28keV时2θ＝10.1度)，该峰值清晰可见并且是明显的。

由此可知，甚至在这样非常罕见的配置下也能得到良好的XRD结果。

检测系统可以典型地是如前所述的能量色散型系统。在这样的方法中，该装置可以没有移动部件，特别是没有测角器。

然而，在可替换的实施例中，检测系统可以包括波长色散型元件，例如晶体、测角器以及传统的X射线检测器。这些可以结合在一集成检测系统中，该集成检测系统可安装在合适的端口上。

可替换地，可以省略测角器，使用单个位置不敏感检测器。

另一方法是与这种波长色散型元件相结合地使用位置敏感检测器，以使该检测系统利用该结合来测量作为能量函数的X射线强度。

上述的实施例包括单个XRD端口和单个XRF端口。然而，请注意，该壳体可以具有更多的端口，以使得XRD和XRF检测系统移动到不同的角度，或者允许同时进行多项测量。特别是，具有多个XRF检测系统以同时测量不同能量范围上的XRF辐射可能是有利的。在一些情况下，这些XRF端口中的一些可以安装在样品平面的与X射线源相对的一侧，即，与XRD端口相同的一侧。

此外，实施例可以具有一对XRD端口或更多。例如，如上所述，对于不同的应用，可以有一个在5°到12°范围内的角度2θ处的XRD端口和一个在0.1°到5°的范围内的角度2θ处的XRD端口。

此外，以上实施例被描述具有固定在端口上的检测系统和X射线源。但是，在一些情况下，可以不为该仪器提供光源和检测器，仅提供空的端口。

Claims (13)

1.一种X射线衍射XRD和X射线荧光XRF的组合装置，包括：

X射线源，该X射线源提供同时在连续波长范围之上的辐射，该辐射包括多条特征线；

光束调节器系统，被设置为在入射光束方向上将入射X射线束限定在衍射平面上；

样品保持器，被设置为将样品保持在入射X射线束中，该样品保持器限定样品平面；

XRF端口，被定位为用安装在该端口上的X射线检测系统测量离开样品的X射线以执行荧光分析；

XRD端口，被设置在与入射光束方向成固定的2θ角处，以便测量已通过所述样品平面的衍射的X射线，其中，2θ在0.1°至20°的范围内；

安装在XRD端口上的能量色散型XRD检测系统；以及

光束调节器系统，被设置为与XRD端口对准，以选择与入射光束方向成2θ角度的衍射的X射线，

其中，所述X射线源具有Mo、Rh或Ag靶以提供在至少10keV宽度且扩展到10keV以上的波长范围之上的X射线辐射。

2.根据权利要求1所述的X射线衍射和X射线荧光组合装置，其中固定的角度2θ在5°至12°范围内。

3.根据权利要求1所述的X射线衍射和X射线荧光的组合装置，其中固定的角度2θ在0.1°至5°范围内。

4.根据权利要求1所述的X射线衍射和X射线荧光的组合装置，还包括：安装在XRF端口上的能量色散型XRF检测系统。

5.根据权利要求4所述的X射线衍射和X射线荧光的组合装置，其中XRD检测系统包括测角器、至少一个晶体和至少一个检测器。

6.根据权利要求4所述的X射线衍射和X射线荧光的组合装置，其中XRD检测系统包括波长色散型元件和检测器。

7.根据权利要求6所述的X射线衍射和X射线荧光的组合装置，其中检测器是位置敏感检测器。

8.根据权利要求4所述的X射线衍射和X射线荧光的组合装置，其中XRD检测系统包括可调节用来在所选能量处检测能量的能量选择检测器。

9.根据权利要求1所述的X射线衍射和X射线荧光的组合装置，包括多个XRF端口。

10.根据权利要求1所述的X射线衍射和X射线荧光的组合装置，包括多个XRD端口，其中XRF检测系统包括测角器、至少一个晶体和至少一个检测器。

11.根据权利要求1所述的X射线衍射和X射线荧光的组合装置，包括多个XRD端口。

12.一种操作X射线衍射和X射线荧光的组合装置的方法，该组合装置包括X射线源、光束调节器系统、样品保持器、X射线荧光XRF端口、X射线衍射XRD端口和安装在XRD端口上的能量色散型XRD检测系统，该方法包括：

将样品安装到样品保持器上；

提供来自X射线源的、同时在连续波长范围之上的辐射，该辐射包括多条特征线；

将在入射光束方向上入射到样品上的入射X射线束限定在衍射平面上；

测量XRF端口处的X射线，以便荧光分析；

选择与入射光束方向成固定的2θ角度的衍射的X射线；以及

测量作为能量函数的、已通过样本平面的所选的衍射的X射线的强度，

其中，所述X射线源具有Mo、Rh或Ag靶以提供在至少10keV宽度且扩展到10keV以上的波长范围之上的X射线辐射。

13.根据权利要求12所述的方法，其中固定的角度2θ在5°至12°范围内和/或在0.1°至5°范围内。