CN105759304B - 一种基于平晶衍射成像的x射线能谱测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于平晶衍射成像的X射线能谱测量方法，以解决现有方法能谱分辨率差、测量效率低的缺点。本发明适用于100keV以下、多能量X射线连续能谱的测量。该方法包括步骤：1.估计待测X射线能谱范围，确定衍射晶体参数和测量系统参数；2.对衍射角度范围中所有衍射角度分别进行成像，记录衍射图像和透射图像；3.对步骤1中确定的晶体，利用直流X射线源和能量分辨探测器，测量待测能谱范围内各能量X射线对衍射晶体的摇摆曲线，计算积分衍射系数：4.根据步骤2中的透射图像，计算步骤2中衍射图像各像素对应的衍射能量，得到X射线衍射能谱；再结合步骤3中各待测能量的积分衍射系数计算入射X射线能谱。

Description

一种基于平晶衍射成像的X射线能谱测量方法

技术领域

本发明属于X射线能谱测量领域，涉及一种基于平晶衍射成像的X射线能谱测量方法。

背景技术

在X射线能谱测量领域，尤其是脉冲X射线测量方面，能谱是一个非常重要的参数。目前已有多种能谱测量方法，包括晶体分光法、滤片吸收法、单光子CCD测量、差分滤波法等，并发展了对应的能谱反演算法。

上述现有方法都具有一定的优势，但也存在一定的问题。滤片吸收法测量能谱范围宽，可同时测量能谱及角度分布，但由于是间接测量，能谱分辨能力差，反演过程可能出现较大误差；单光子CCD可实现在线测量，实时得到测量结果，应用方便，但是能谱分辨率较低，能谱测量上限较低(受CCD像元对X射线的响应效率限制，一般不高于30keV)；差分滤波法利用滤片材料透过率差的特点实现对能谱的分段积分测量，使用相对简单，但是受到滤片数量限制，能谱分辨率非常差；相对于其他现有的能谱测量方法，晶体分光法可以直接得到X射线的衍射强度分布，通过对测量结果较少的数学处理即可得到待测能谱，并且能谱分辨率相对较高。但是现有晶体分光法也存在一些问题，主要是晶体针对连续能量的摇摆曲线难以通过实验测得，而理论计算的摇摆曲线可靠度难以验证，且X射线的衍射效率随X射线能量的增加而下降，测量效率很低。

发明内容

基于以上背景，本发明提供了一种基于平晶衍射成像的X射线能谱测量方法，能实现高能谱分辨率X射线连续能谱的测量，且测量效率高、反演精度高。本发明适用于100keV以下直流及脉冲X射线能谱测量。

本发明的基本原理是：利用晶体对X射线的衍射，将能谱转换为空间强度分布，通过高灵敏度、高分辨率的成像器件获取不同角度时的平晶衍射图像，结合平晶的连续能谱摇摆曲线标定，测量入射能谱。

本发明的技术方案是：

1、一种基于平晶衍射成像的X射线能谱测量方法，其特殊之处在于：适用于100keV以下、多能量X射线连续能谱的测量；包括以下步骤：

步骤1：估计待测X射线能谱范围{E}，确定衍射晶体参数和测量系统参数；

所述测量系统参数包括衍射晶体的晶面间距d、等效X射线源点O₁到晶体旋转中心O₂的距离h、成像器件到晶体旋转中心O₂的距离l，以及测量系统衍射角度范围{θ_B}；

步骤2：对衍射角度范围{θ_B}中所有衍射角度分别进行成像，同时记录衍射图像和透射图像；

步骤3：对步骤1中确定的晶体，利用直流X射线源和能量分辨探测器，测量待测能谱范围内各能量X射线对衍射晶体的摇摆曲线，计算积分衍射系数：

(1)根据步骤1中估计的待测X射线的能谱范围{E}，选取X射线管阳极靶材料和电压电流参数；

(2)确定晶体的旋转角度范围和旋转步进角度：

估计晶体摇摆曲线半宽为δ，晶体旋转角度范围{θ_T}可以由如下公式确定：

max({θ_T})≥max({θ_B})+δ

min({θ_T})≤min({θ_B})-δ

旋转步进角度不大于δ/5；

(3)利用能量分辨探测器测量晶体旋转角度范围{θ_T}内每个旋转角度θ_Ti对应的晶体衍射能谱，同时记录每个衍射能谱的有效测量时间t；

(4)修正每个旋转角度θ_Ti对应的晶体衍射能谱中散射因素的影响；

(5)提取能谱范围{E}中某一待测能量为E_j的X射线在晶体旋转角度θ_Ti等于衍射角θ_Bi时单位时间的衍射强度信息I(θ_Bi,E_j)，得到待测能量为E_j的X射线的衍射强度随衍射角θ_Bi的强度变化曲线；

(6)对得到的强度变化曲线进行衍射峰拟合，得到能量E_j对应同一晶面的衍射峰；

(7)对经步骤3(6)得到的衍射峰求一阶导数，选取一阶导数斜率不小于0的部分，对该部分衍射峰取绝对值，即分别为摇摆曲线的左支与右支，拼接得到待测能量为E_j的X射线对于某个晶面的摇摆曲线；

(8)重复步骤3(5)～步骤3(7)直至遍历能谱范围{E}中所有待测能量，得到能谱范围{E}中所有待测能量X射线对于某个晶面的摇摆曲线；

(9)对步骤3(8)中得到的晶体摇摆曲线进行积分，得到能谱范围{E}中所有待测能量的积分反射系数；

步骤4：计算待测能谱：

根据步骤2所得到的透射图像，计算步骤2所得的衍射图像各像素对应的衍射能量，得到X射线衍射能谱；根据所述X射线衍射能谱和步骤3所得的各待测能量的积分衍射系数计算入射X射线能谱。基于以上基本技术方案，本发明还可作如下细化：

上述步骤2具体成像过程为：

(1)对衍射角度范围{θ_B}中某个具体衍射角度θ_Bi，采用单一成像器件同时对晶体衍射和透射进行成像；

(2)从上述步骤2(1)所生成的图像中提取衍射信号和透射信号；

(3)检查所提取的衍射信号和透射信号，判断是否出现信号饱和或信号不可见的现象，根据判断结果进行相应调整：

若衍射与透射信号均可见，且至少存在一个信号饱和，则执行步骤2(4)；

若衍射与透射信号均未饱和，且至少一个信号不可见，则执行步骤2(5)；

若存在一个信号不可见，而另一信号饱和的情况，则执行步骤2(6)；

若信号均可见且均未饱和，执行步骤2(8)；

(4)调节成像器件参数，或在成像光路增加滤片，降低入射成像器件X射线强度，执行步骤2(7)；

(5)调节成像器件参数，或增加射线源输出，提高入射成像器件X射线强度，执行步骤2(7)；

(6)增加射线源输出，并针对饱和信号所在光路设置滤片，执行步骤2(7)；

(7)对该衍射角重新成像，执行步骤2(2)；

(8)记录该角度成像；

(9)选定下一个衍射角度进行成像，重复步骤2(2)～步骤2(8)，直至遍历衍射角度范围{θ_B}中所有衍射角度。

上述步骤3(3)中应保证每次测量时探测器对晶体旋转中心具有相同的距离，探测器旋转角度是晶体旋转角度的2倍。

若上述步骤3(4)得到的强度变化曲线存在多个邻近的衍射峰，则在步骤3(4)之前先进行衍射峰分离。

上述步骤3中的δ不小于0.25度。

上述步骤2中采用滤片调节入射成像器件X射线强度时，选择低原子序数材料。

上述步骤3(1)中所选取的靶材料和电压电流参数需要满足以下条件：A，待测X射线的能量不能在靶材料特征X射线附近；B，待测X射线的能量需要一定的输出强度。上述步骤4具体计算过程为：

(1)将步骤2所得衍射图像和透射图像分别扣除散射和噪声影响，提取灰度和坐标区间信息，选取衍射和透射图像中灰度的极大值点，以平行于这两个极大值点连线的方向为X轴，垂直于这两个极大值点连线方向为Y轴；

(2)沿所述X轴方向，提取透射图像灰度的极大值点所在像素行，曲线拟合得到透射图像灰度曲线，计算该曲线的积分强度和灰度为极大值一半的像素点坐标，并取所述像素点坐标的平均值作为该曲线中心坐标；

(3)沿所述X轴方向，提取衍射图像灰度的极大值点所在像素行及其邻近像素行，沿所述Y轴方向对衍射图像灰度取平均值，得到各衍射角度的平均灰度曲线，记录各衍射角度的平均灰度曲线中各像素与对应的透射图像灰度曲线中心坐标的相对距离；

(4)将各衍射角度对应的透射图像灰度曲线的强度归一化，并根据相同的归一化系数修正同一衍射角度下的平均灰度曲线的强度；

(5)将各衍射角度的平均灰度曲线中，与透射图像灰度曲线中心坐标的相对距离相同的像素灰度进行叠加，并根据成像器件到晶体的距离计算各个像素所对应的主要衍射能量，得到X射线衍射能谱；

(6)根据成像器件对不同X射线的响应能力修正步骤4(5)中所得到的X射线衍射能谱；

(7)根据步骤4(6)所得到的X射线衍射能谱和步骤3所得的各能量的积分衍射系数，计算入射X射线能谱。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明基于100keV以下X射线晶体积分衍射系数标定，可以实现100keV以下高能谱分辨率的连续X射线能谱的定量测量，测量效率高。

2、本发明基于大角度范围内(一般在2°～3°)的平晶衍射成像，光路简单，降低了衍射系统光路准直的精确度要求和对射线源的强度要求。

附图说明

图1为本发明的测量流程图；

图2为本发明测量系统示意图；

图3为本发明测量晶体摇摆曲线的流程图；

图4a～图4e为不同角度区间摇摆曲线积分示意图；

图5为某批次LiF晶体部分能量衍射强度曲线测量结果；

图6为图5中峰2的分离结果；

图7为某批次LiF晶体部分角度衍射峰一阶导数；

图8为某批次LiF晶体部分能量摇摆曲线测量结果；

图9为不同晶体旋转角度下的衍射图像；

图10为LiF(200)对Mo韧致辐射16keV-21keV衍射能谱测量结果；

图11为Mo韧致辐射16keV-21keV衍射成像法能谱测量结果。

具体实施方式

晶体分光法测量能谱的基本原理是利用晶体衍射，将入射X射线的能量分布转换为衍射X射线在空间上的强度分布，再根据晶体对不同能量的积分衍射系数，根据不同能量的衍射强度计算得到对应能量的入射强度，即入射X射线的能谱。对于确定的晶面，其衍射能量和衍射角度可以由布拉格关系给出

2dsinθ_B＝nλ

其中d为晶面间距，λ为X射线波长(X射线波长和能量之间的换算关系可以简单表示为E＝12.398/λ)，θ_B为布拉格衍射角。而晶体的积分反射系数则是晶体对应衍射能量的摇摆曲线的积分。摇摆曲线则是晶面对某一能量X射线的衍射强度与实际衍射角度之间关系的描述。因此，晶体分光法测量能谱的两个最关键的问题就是晶体衍射能谱的测量以及晶体摇摆曲线的标定。

对于衍射能谱的测量，一般采用弯晶作为分光晶体，弯晶具有聚焦性好，衍射强度大优点，同时可以在系统上对散射等影响因素进行更优化的屏蔽设计，但是，弯晶的主要问题在于摇摆曲线直接标定非常困难，谱仪光路设计非常复杂，光路调节准直要求精度高。相对于弯晶，平晶衍射强度较低，但是光路设计简单，不需要复杂的光路调节和过高的精度要求。

本发明所提出的X射线能谱测量方法基于平晶，适用于100keV以下、多能量X射线连续能谱的测量；本发明具有如图1所示的测量流程，具体描述如下：

步骤1：估计待测X射线能谱范围{E}，确定衍射晶体参数、衍射角度范围{θ_B}和测量系统的几何参数。

平晶衍射成像法能谱测量系统示意图如图2所示，射线源1出射的待测X射线经过光源屏蔽体2和前准直器3限束后入射到晶体4表面，晶体4无基底，并被固定在旋转台上，可以晶体4的支架为轴进行任意角度旋转。在衍射方向上布置成像器件(探测器5)，成像器件(探测器5)的成像平面和前准直器3的中心光路垂直，且前准直器3的中心光路和成像器件(探测器5)的有效成像区域存在实交点。成像器件可同时对晶体衍射X射线和射线源透过晶体的透射X射线进行成像。

需要确定的测量系统参数包括衍射晶体的晶面间距d、等效X射线源点O₁到晶体旋转中心O₂的距离h、成像器件(探测器5)到晶体旋转中心O₂的距离l，以及测量系统衍射角度范围{θ_B}。由布拉格关系可知，d和{θ_B}决定了测量系统可以测量的能谱范围{E}，而h和l则用于计算测得的衍射图像中各个像素相对透射光路中心的坐标y实际对应的晶体衍射角，以及该衍射角作为布拉格衍射角时对应的衍射能量，关系式为

其中，θ_P为X射线入射角度偏离前准直器3中心光路的角度。

像素—衍射能量的计算结果将用于衍射能谱的拟合。

由于采用平晶进行衍射，因此，前准直器3和成像器件(探测器5)到晶体4之间的距离不需要满足特定的距离关系(采用弯晶衍射时，前准直器3或成像器件往往需要精确位于晶体4聚焦圆上以获得最大的色散和聚焦特性)，前准直器3的中心光路也不需要严格通过晶体4的旋转中心，射线源1不需要精确位于晶体4的焦点，大大简化了测量系统的光路调节工作。

步骤2：对衍射角度范围{θ_B}中所有衍射角度分别进行成像，同时记录衍射图像和透射图像。

对透射X射线和衍射X射线进行成像时需要考虑射线强度的影响。由于测量系统需要根据输出图像灰度值来回推能谱强度，因此入射到成像器件象元的射线强度需要在成像器件的线性响应范围内，入射强度过低或过高都会导致测量系统难以通过图像灰度值获得有效的衍射X射线强度信息，从而影响回推能谱强度的准确性。

对于直流X射线源，可以通过调节成像器件的曝光时间来适应入射象元的X射线输出强度；对于脉冲X射线源，当单次脉冲输入象元的射线强度过小时，可通过增加脉冲输出次数，延长成像器件曝光时间及提高成像器件灵敏度等方法来获取合适的灰度图像，而当输入象元的射线强度过大时，则可以通过缩短曝光时间，或滤片衰减等方法降低入射强度，避免成像器件进入非线性区甚至饱和。

具体成像过程如下：

2.1选定某个具体衍射角度θ_Bi，采用单一成像器件同时对晶体衍射和透射进行成像；

由于成像过程分多次进行，在测量过程中，会受到射线源稳定性的影响，在记录衍射信号的同时记录透射信号，就可以通过透射信号积分强度的变化，来获得射线源稳定性的信息，便于数据处理时消除射线源稳定性的影响。

2.2从步骤2.1得到的衍射图像和透射图像中分别提取衍射信号与透射信号；

2.3检查所提取的衍射信号与透射信号，判断是否出现饱和或不可见的现象，根据判断结果进行相应调整：

如衍射信号与透射信号均可见，且至少存在一个信号饱和，则执行步骤2.4；如衍射信号与透射信号均未饱和，且至少一个信号不可见，则执行步骤2.5；若存在一个信号不可见，而另一信号饱和的情况，则执行步骤2.6；若信号均可见且均未饱和，执行步骤2.8；

2.4调节成像器件参数，或在成像光路增加滤片，降低入射成像器件X射线强度，执行步骤2.7；

2.5调节成像器件参数，或增加射线源输出，提高入射成像器件X射线强度，执行步骤2.7；

2.6增加射线源输出，并针对饱和信号所在光路设置滤片，执行步骤2.7；

2.7对该衍射角重新成像，执行步骤2.2；

2.8记录该角度成像；

2.9选定下一个衍射角度进行成像，重复步骤2(2)～步骤2(8)，直至遍历衍射角度范围{θ_B}中所有衍射角度。

信号不可见，说明图像中未能采集到有效的衍射/透射信号，无法进行数据处理。而信号饱和，则在数据处理中无法正确计算实际入射X射线的强度，需要对入射象元的X射线强度进行调制。调制方法为调节成像器件灵敏度，积分时间等参数，或在光路中增加滤片等方式，仅在不影响射线源输出能谱形态的前提下调节射线源参数(主要是射线输出时间，极间电流强度或脉冲次数等)。在采用滤片调节射线强度时，选择低原子序数材料，使得在待测能谱范围内滤片对射线的衰减系数变化很小，避免过滤后能谱分布的较大变化。

步骤3：对步骤1中确定的晶体，(这里可采用与步骤2相同的衍射光路和测量参数)，利用直流X射线源和能量分辨探测器，测量待测能谱范围{E}内各能量X射线对衍射晶体的摇摆曲线，计算积分衍射系数。

摇摆曲线描述了晶面对某一能量X射线的衍射强度与实际衍射角度之间的关系，对其积分得到的积分衍射系数表征了晶面对该能量X射线的衍射能力，可以认为是衍射总强度和入射总强度的比值。只要得到该能量X射线的衍射强度和积分衍射系数，就可以计算出入射晶体的该能量X射线强度。

一般对平晶摇摆曲线的标定主要利用单色X射线照射晶体，以一定的间隔扫描衍射角附近角度，记录每个衍射角度下的衍射强度。受单色光源的限制，传统的晶体积分衍射系数标定能量为10keV以下的软X射线和部分材料的特征X射线。利用连续谱X射线源和能量分辨探测器，可以在标定软X射线和特征X射线的同时，标定硬X射线，尤其是非特征X射线能量的摇摆曲线，得到100keV以下能量的积分衍射系数，从而实现100keV以下硬X射线能谱的定量化测量。

步骤3的具体过程是(流程图如图3所示)：

3.1根据步骤1中估计的待测X射线的能谱范围{E}，选取X射线管阳极靶材料和电压电流参数；靶材料和电压电流参数的选取需要满足以下条件：A，待测能量不能在靶材料特征X射线附近；B，输出连续能谱中待测能量需要一定的输出强度。

条件A主要为了避免过高的入射强度对能量分辨探测器能谱测量造成影响。能量分辨探测器对入射射线的强度存在要求：当入射强度过高时，能量分辨探测器无法对所有入射X射线光子能量进行甄别，可能存在将多个低能量光子甄别为一个高能量光子或部分入射光子无法甄别记录的情况，这些情况都会影响能谱测量的准确性，且随着射线入射强度的增大，能谱测量的准确性就会越低。对于X射线管输出能谱，特征X射线的强度往往是非特征X射线强度的数倍甚至十数倍，当待测能量接近特征X射线能量时，能量分辨探测器上会接收到大量特征X射线的衍射光子，从而影响待测非特征X射线能量强度的测量准确性；条件B主要为了保证在较短时间内，待测能量拥有较高的计数，降低计数的不确定度。一方面，对于能量分辨探测器，其统计误差一般为其中N为光子计数。当入射强度过低时，光子计数少，会导致统计误差过大，影响测量准确性；另一方面，能量分辨探测器存在各种噪声的影响，在入射强度过低时，信噪比过小，噪声对测量结果的影响非常严重。

3.2根据布拉格衍射角的范围{θ_B}，确定晶体的旋转角度范围{θ_T}和旋转步进角度：估计晶体摇摆曲线半宽为δ，晶体旋转角度范围{θ_T}可以由如下公式确定：

max({θ_T})≥max({θ_B})+δ

min({θ_T})≤min({θ_B})-δ

旋转步进角度不大于δ/5。

要确定晶体的旋转角度范围{θ_T}，首先根据待测晶体摇摆曲线对应的能谱范围{E}，用布拉格公式计算得到对应的布拉格衍射角范围{θ_B}。由于{θ_B}内包含的每个角度都对应一条摇摆曲线的峰值位置，为了保证能够测量到完整的摇摆曲线，则理想的晶体旋转角度{θ_T}的最大值max({θ_T})为最大的布拉格衍射角max({θ_T})加该能量对应摇摆曲线的半宽δ。而晶体旋转角度{θ_T}的最小值则为最小的布拉格衍射角min({θ_T})减去该能量对应摇摆曲线的半宽δ。

一般地，多数文献给出的不同晶体摇摆曲线宽度都在0.5度以下，因此晶体摇摆曲线半宽δ的取值不应小于0.25度。

3.3利用能量分辨探测器测量晶体旋转角度范围{θ_T}内每个旋转角度θ_Ti对应的晶体衍射能谱，同时记录每个衍射能谱的有效测量时间t。

测量过程中应保证每次测量时能量分辨探测器对晶体旋转中心具有相同的距离，探测器旋转角度应是晶体旋转角度的2倍，以保证在各晶体旋转角度下测量晶体衍射能谱的过程中，能量分辨探测器相对X射线源的空间立体角保持一致，避免因为能量分辨探测器的几何参数变化导致衍射强度测量值的变化，提高测量精度。

测量过程中记录每个角度下的有效测量时间t，是为了减小由于射线源不稳定造成的衍射强度测量值的变化。

3.4修正每个旋转角度θ_Ti对应的晶体衍射能谱中散射因素的影响；

3.5提取能谱范围{E}中某一待测能量为E_j的X射线在晶体旋转角度θ_Ti等于衍射角θ_Bi时单位时间的衍射强度信息I(θ_Bi,E_j)，得到待测能量为E_j的X射线的衍射强度随衍射角θ_Bi的强度变化曲线。

对各个晶体旋转角度θ_Ti对应的X射线晶体衍射能谱进行测量，当旋转角度θ_Ti等于衍射角θ_Bi时都可以得到一个晶体衍射能谱，即不同能量为E_j的X射线在衍射角θ_Bi下的衍射强度。在完成所有选定角度的衍射能谱测量后，可以得到不同衍射角度θ_Bi下不同能量E_i的X射线晶体衍射强度的矩阵

在这个矩阵中，第i行(i＝1,2,…,n)表示第i个衍射角下的衍射能谱分布，而第j列(j＝1,2,…,m)即为同一能量在不同晶体旋转角度下的衍射强度分布。由于在每个角度下测得的衍射能谱中包含了全部待测能量的衍射强度信息，因此通过一次完整的角度扫描，就可以获得全部待测能量的衍射强度与衍射角度的关系曲线。

3.6对得到的强度变化曲线进行衍射峰拟合，得到能量E_j对应同一晶面的衍射峰。如果强度变化曲线中存在多个邻近的衍射峰，则在拟合之前先进行衍射峰分离。

一般来说，对于同一能量，各晶面对应的布拉格衍射角相距较远，在晶体晶格结构周期性较好的情况下，不会出现衍射峰之间的相互叠加。但是，晶体内部结构缺陷等因素可能造成衍射峰互相叠加的情况(如图5所示，在旋转角度范围内存在3个峰，且其中两个衍射峰互相叠加，图中A处为峰1，B处为峰2(200晶面))，可以通过高斯拟合的方式对衍射峰进行分离，得到单一晶面的衍射峰(图6中的衍射峰为图5中峰2的分离结果)。

3.7对经步骤3.6得到的衍射峰求一阶导数，选取一阶导数斜率不小于0的部分，对该部分衍射峰取绝对值，即分别为摇摆曲线的左支与右支，拼接得到待测能量为E_j的X射线对于某个晶面的摇摆曲线。

由于X射线管存在发散角，所以实际上测得的衍射强度I(θ_Bi,E_j)是摇摆曲线中区间[θ_Bi-Δθ,θ_Bi+Δθ]的积分，其中Δθ为X射线管发散角的半角。为了尽可能减少测量时间，同时保证足够强度的X射线照射晶体，X射线的发散角一般远大于晶体摇摆曲线的宽度。因此，实际测量得到的衍射峰，其强度的变化过程对应了摇摆曲线不同区间的积分面积变化，如图4a至图4e所示，图中黑色区域面积为摇摆曲线对不同角度范围的积分，随着积分区间与摇摆曲线对应角度区间交集的增大，积分面积逐渐增大，当摇摆曲线对应角度区间完全被积分区间所包含时，积分面积达到最大，同时衍射强度也达到最大，而当晶体角度继续旋转，积分区间与摇摆曲线对应角度区间交集逐渐变小，对应衍射强度逐渐降低。

对图6中的衍射峰求一阶导数，可以得到如图7的曲线，曲线可以分为三个区域：区域I对应由图4a扫描到图4b的过程，衍射峰强度增速达到最大，摇摆曲线的积分区间从0到达δ；区域II对应图4b扫描到图4d的过程，衍射强度继续增加，但是增速开始逐渐下降，当摇摆曲线积分区间达到最大的2δ时，衍射峰强度达到最大，增速为0。随后摇摆曲线积分区间开始减小，衍射峰强度随之降低，且降低速度逐渐增加，当摇摆曲线积分区间从2δ到达δ时，衍射峰强度降速达到最大值；区域III对应图4d扫描到图4e的过程，随着摇摆曲线积分区间由δ到0，衍射峰强度也减小到0。因此，区域I和区域III分别对应摇摆曲线的左右两支，因此，对区域I和III中曲线取绝对值，并拼接，就可以得到待测能量为E_j的X射线对于某个晶面(本实施例为某批次LiF晶体)的摇摆曲线，如图8所示。

3.8重复步骤3.5～步骤3.7直至遍历能谱范围{E}中所有待测能量，得到待测晶体摇摆曲线。

3.9对测量得到的晶体摇摆曲线进行积分，得到能谱范围{E}中所有待测能量的积分反射系数。

步骤4：计算待测能谱。

计算待测能谱的基本思路为：首先根据晶体不同旋转角度下测量得到的图像，得到晶体不同旋转角下的衍射、透射的强度和空间信息以及测量系统的空间散射分布信息；根据衍射、透射和散射信息计算得到X射线衍射能谱；对测量系统晶体摇摆曲线进行标定，得到各能量对应的积分衍射系数；根据X射线衍射能谱和积分衍射系数，反演得到入射晶体的X射线能谱，即待测能谱。

具体步骤如下：

4.1将步骤2所得衍射图像和透射图像分别扣除散射本底和噪声影响，提取灰度和坐标区间信息，选取衍射和透射图像中灰度的极大值点，以平行于这两个极大值点连线的方向为X轴，垂直于这两个极大值点连线方向为Y轴；

由于晶体自身对X射线的散射以及X射线在传播过程中的散射等会在衍射图像和透射图像中形成散射本底，散射本底的存在会影响衍射X射线的相对强度、各次成像的透射X射线相对强度，最终影响能谱反演的正确性，因此，在提取衍射和透射信息时需要首先扣除散射本底的影响。

4.2沿所述X轴方向，提取透射图像灰度的极大值点所在像素行，得到透射图像灰度曲线，计算该曲线的积分强度和灰度为极大值一半的像素点坐标，并取平均值作为该曲线中心坐标；

4.3沿所述X轴方向，提取衍射图像灰度的极大值点所在像素行及其邻近像素行，沿所述Y轴方向对衍射图像灰度取平均值，得到各衍射角度的平均灰度曲线，记录各衍射角度的平均灰度曲线中各像素与对应的透射图像灰度曲线中心坐标的相对距离；

4.4将各衍射角度对应的透射图像灰度曲线的强度归一化，并根据相同的归一化系数修正同一衍射角度下的平均灰度曲线的强度；

由于测量过程中进行了多次成像，因此需要考虑射线源输出不稳定性对输出图像灰度的影响。射线源输出不稳定性会严重影响衍射能谱的拟合结果，因此需要对各次射线源输出强度进行归一化。归一化的依据就是透射成像的灰度图像。相对于衍射，透射成像过程中晶体旋转带来的透射光路微小变化可以忽略不计，可以认为各次成像过程中透射成像光路不变，因此透射图像的灰度仅与射线源输出强度有关，且两者之间具有唯一确定的映射关系，因此可以通过计算透射图像灰度的积分，直接反映各次成像过程中射线源输出强度的变化，进而根据透射图像灰度积分，对衍射灰度值进行归一化，消除射线源输出不稳定性对成像的影响。

4.5将各衍射角度的平均灰度曲线中，与透射图像灰度曲线中心坐标的相对距离相同的像素灰度进行叠加，并根据成像器件到晶体的距离计算各个像素所对应的主要衍射能量，得到X射线衍射能谱；

根据公式

2dsin(θ_B-θ_P)＝nλ

可以得到，当l，h和θ_P一定时，仅在特定条件下(即y点坐标与射线源等效源点的坐标关于晶体表面通过晶体旋转中心的法线对称)，y不随θ_B的变化而变化，因此严格来说，需要分别对每个衍射角度下图像的各个像素对应的主要衍射能量进行计算，然后将对应相同能量的像素灰度进行累加，得到总的衍射X射线能谱。该计算过程复杂，且各像素对应衍射能量难以严格一致。一般情况下可以对以上公式进行简化：θ_P作为入射X射线偏离前准直系统中心光路的角度，其最大值由准直系统发散角决定，一般来说有θ_P＜＜θ_B(θ_P一般小于1度，而θ_B一般在几十至几十度)，则

sin(θ_P)→θ_P

2θ_B-θ_P→2θ_B

y的表达式可以近似为

适当选取l和h的值使得l·sin(2θ_B)＞＞hθ_P，就可以进一步简化为

因此，在参数选取合适的情况下，可以近似认为衍射图像中各像素对应入射能量一致，可以对相同坐标的像素灰度直接进行叠加，得到总的衍射能谱。

4.6根据成像器件对不同X射线的响应能力修正步骤4.5中所得到的X射线衍射能谱；

成像器件对不同能量X射线具有不同的响应能力，简单来说，即入射象元的X射线能量中只有一部分会发生沉积并最终转换为灰度输出，而通过灰度叠加得到的总衍射能谱只是成像器件中沉积能量的反映，因此需要通过响应的修正来得到入射成像器件的各衍射能量强度。

图9为不同晶体旋转角度下的衍射图像，图10为某批次LiF(200)测量得到的Mo靶韧致辐射中16keV～21keV衍射能谱。图10是对图9中各行像素灰度进行叠加得到的结果，图中实线曲线为晶体衍射成像法测得的衍射能谱，虚线为高纯锗探测器测量得到的衍射能谱(各能谱均已归一化)。

4.7根据步骤4.6所得到的X射线衍射能谱和步骤3所得的各能量的积分衍射系数，计算入射X射线能谱。

由步骤3中得到的积分衍射系数可以理解为同一能量衍射X射线总强度与入射X射线总强度的比值，因此在步骤4.6中得到衍射X射线总强度，并通过步骤3得到各能量积分衍射系数后，直接内积，就可以得到入射X射线各能量的强度值，即入射X射线的能谱。在计算过程中忽略了高阶衍射的影响。

图11为直流X射线源Mo靶韧致辐射16keV～21keV衍射成像法能谱测量结果，虚线为利用本发明实测的韧致辐射能谱，实线为采用高纯锗探测器测量得到的韧致辐射能谱。

Claims (8)

1.一种基于平晶衍射成像的X射线能谱测量方法，其特征在于：适用于100keV以下、多能量X射线连续能谱的测量；包括以下步骤：

步骤1：估计待测X射线能谱范围{E}，确定衍射晶体参数和测量系统参数；

所述测量系统参数包括衍射晶体的晶面间距d、等效X射线源点O₁到晶体旋转中心O₂的距离h、成像器件到晶体旋转中心O₂的距离l，以及测量系统衍射角度范围{θ_B}；

步骤2：对衍射角度范围{θ_B}中所有衍射角度分别进行成像，同时记录衍射图像和透射图像；

步骤3：对步骤1中确定的晶体，利用直流X射线源和能量分辨探测器，测量待测能谱范围{E}内各能量X射线对衍射晶体的摇摆曲线，计算积分衍射系数：

(1)根据步骤1中估计的待测X射线的能谱范围{E}，选取X射线管阳极靶材料和电压电流参数；

(2)确定晶体的旋转角度范围和旋转步进角度：

估计晶体摇摆曲线半宽为δ，晶体旋转角度范围{θ_T}可以由如下公式确定：

max({θ_T})≥max({θ_B})+δ

min({θ_T})≤min({θ_B})-δ

旋转步进角度不大于δ/5；

(3)利用能量分辨探测器测量晶体旋转角度范围{θ_T}内每个旋转角度θ_Ti对应的晶体衍射能谱，同时记录每个衍射能谱的有效测量时间t；

(4)修正每个旋转角度θ_Ti对应的晶体衍射能谱中散射因素的影响；

(5)提取能谱范围{E}中某一待测能量为E_j的X射线在晶体旋转角度θ_Ti等于衍射角θ_Bi时单位时间的衍射强度信息I(θ_Bi,E_j)，得到待测能量为E_j的X射线的衍射强度随衍射角θ_Bi的强度变化曲线；

(6)对得到的强度变化曲线进行衍射峰拟合，得到能量E_j对应同一晶面的衍射峰；

(7)对经步骤3(6)得到的衍射峰求一阶导数，选取一阶导数斜率不小于0的部分，对该部分衍射峰取绝对值，即分别为摇摆曲线的左支与右支，拼接得到待测能量为E_j的X射线对于某个晶面的摇摆曲线；

(8)重复步骤3(5)～步骤3(7)直至遍历能谱范围{E}中所有待测能量，得到能谱范围{E}中所有待测能量X射线对于某个晶面的摇摆曲线；

(9)对步骤3(8)中得到的晶体摇摆曲线进行积分，得到能谱范围{E}中所有待测能量的积分衍射系数；

步骤4：计算待测能谱：

根据步骤2所得到的透射图像，计算步骤2所得的衍射图像各像素对应的衍射能量，得到X射线衍射能谱；根据所述X射线衍射能谱和步骤3所得的各待测能量的积分衍射系数计算入射X射线能谱。

2.根据权利要求1所述的一种基于平晶衍射成像的X射线能谱测量方法，其特征在于：所述步骤2具体成像过程为：

(1)对衍射角度范围{θ_B}中某个具体衍射角度θ_Bi，采用单一成像器件同时对晶体衍射和透射进行成像；

(2)从上述步骤2(1)所生成的图像中提取衍射信号和透射信号；

(3)检查所提取的衍射信号和透射信号，判断是否出现信号饱和或信号不可见的现象，根据判断结果进行相应调整：

若衍射与透射信号均可见，且至少存在一个信号饱和，则执行步骤2(4)；

若衍射与透射信号均未饱和，且至少一个信号不可见，则执行步骤2(5)；

若存在一个信号不可见，而另一信号饱和的情况，则执行步骤2(6)；

若信号均可见且均未饱和，执行步骤2(8)；

(4)调节成像器件参数，或在成像光路增加滤片，降低入射成像器件X射线强度，执行步骤2(7)；

(5)调节成像器件参数，或增加射线源输出，提高入射成像器件X射线强度，执行步骤2(7)；

(6)增加射线源输出，并针对饱和信号所在光路设置滤片，执行步骤2(7)；

(7)对该衍射角重新成像，执行步骤2(2)；

(8)记录该角度成像；

(9)选定下一个衍射角度进行成像，重复步骤2(2)～步骤2(8)，直至遍历衍射角度范围{θ_B}中所有衍射角度。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于平晶衍射成像的X射线能谱测量方法，其特征在于：所述步骤3(3)中应保证每次测量时探测器对晶体旋转中心具有相同的距离，探测器旋转角度是晶体旋转角度的2倍。

4.根据权利要求3所述的一种基于平晶衍射成像的X射线能谱测量方法，其特征在于：若步骤3(5)得到的强度变化曲线存在多个邻近的衍射峰，则在步骤3(6)之前先进行衍射峰分离。

5.根据权利要求4所述的一种基于平晶衍射成像的X射线能谱测量方法，其特征在于：所述步骤3中的δ不小于0.25度。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于平晶衍射成像的X射线能谱测量方法，其特征在于：所述步骤2中采用滤片调节入射成像器件X射线强度时，选择低原子序数材料。

7.根据权利要求6所述的一种基于平晶衍射成像的X射线能谱测量方法，其特征在于：所述步骤3(1)中所选取的靶材料和电压电流参数需要满足以下条件：A，待测X射线的能量不能在靶材料特征X射线附近；B，待测X射线的能量需要一定的输出强度。

8.根据权利要求1或7所述的一种基于平晶衍射成像的X射线能谱测量方法，其特征在于：所述步骤4具体计算过程为：

(1)将步骤2所得衍射图像和透射图像分别扣除散射和噪声影响，提取灰度和坐标区间信息，选取衍射和透射图像中灰度的极大值点，以平行于这两个极大值点连线的方向为X轴，垂直于这两个极大值点连线方向为Y轴；

(2)沿所述X轴方向，提取透射图像灰度的极大值点所在像素行，曲线拟合得到透射图像灰度曲线，计算该曲线的积分强度和灰度为极大值一半的像素点坐标，并取所述像素点坐标的平均值作为该曲线中心坐标；

(3)沿所述X轴方向，提取衍射图像灰度的极大值点所在像素行及其邻近像素行，沿所述Y轴方向对衍射图像灰度取平均值，得到各衍射角度的平均灰度曲线，记录各衍射角度的平均灰度曲线中各像素与对应的透射图像灰度曲线中心坐标的相对距离；

(4)将各衍射角度对应的透射图像灰度曲线的强度归一化，并根据相同的归一化系数修正同一衍射角度下的平均灰度曲线的强度；

(5)将各衍射角度的平均灰度曲线中，与透射图像灰度曲线中心坐标的相对距离相同的像素灰度进行叠加，并根据成像器件到晶体的距离计算各个像素所对应的主要衍射能量，得到X射线衍射能谱；

(6)根据成像器件对不同X射线的响应能力修正步骤4(5)中所得到的X射线衍射能谱；

(7)根据步骤4(6)所得到的X射线衍射能谱和步骤3所得的各能量的积分衍射系数，计算入射X射线能谱。