CN106093095A - 一种全视场x射线荧光成像系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全视场X射线荧光成像系统及成像方法，该方案包括X射线光源、滤片组、样品台、球面晶体、限光滤波装置、二维空间分辨的探测器和计算机；样平台上放置样品；X射线光源发出的X射线照射在样品上，样品发出的X射线荧光依次经过限光滤波装置和球面晶体滤波选单后聚焦成像在探测器上；计算机能够控制X射线光源和接收探测器的回传信息。本方案可以实现非扫描的全视场X射线荧光成像，获得待测样品中某一元素的含量及二维分布图像。这种全视场的X射线荧光成像技术具有较大的视场、较高空间分辨率、极高的光谱分辨率、较大的景深、图像采集速度快、可逐一单独分析样品中的多种元素，其他元素荧光或散射噪声干扰低等优点。

Description

一种全视场X射线荧光成像系统及成像方法

技术领域

本发明涉及的是一种，尤其是一种全视场X射线荧光成像系统及成像方法。

背景技术

X射线荧光成像分析是一种强大的元素分析方法，它不但能够给出样品的元素组成及含量，还能给出元素在样品中的空间分布，因此在工农业、化学、环境、材料、生物、医学以及考古学等诸多领域具有强烈的需求。例如，在生物或医学诊断中，如果能够清晰的获得组织中某些微量(金属)元素的空间分布及含量，那将对相关研究有重大的促进和帮助。当前X射线荧光成像技术大多采用基于微束的扫描成像方式，它利用X射线聚焦光学元件(毛细管器件、菲涅尔波带片、K-B镜、复折射透镜等)对同步辐射或X射线管发出的X射线进行聚焦，对样品的小区域进行荧光激发，然后利用能量色散型的探测器进行荧光收集，获得样品空间一点附近的荧光光谱信息，再通过扫描不同的位置获得元素的空间分布。这种技术若要在大的样品范围内获得高空间分辨的X射线荧光图像，逐点扫描需要花费很长时间，并且仪器设备需要较高的对准精度以及复杂的运动扫描机构，采用能量色散型探测器，能谱分辨率相对较低，难以满足复杂样品的分析需求。

发明内容

本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种全视场X射线荧光成像系统及成像方法的技术方案，本方案可以实现非 扫描的全视场X射线荧光成像，获得待测样品中某一元素的含量及二维分布图像。这种全视场的X射线荧光成像技术具有较大的视场、较高空间分辨率、极高的光谱分辨率、较大的景深、图像采集速度快、可逐一单独分析样品中的多种元素，其他元素荧光或散射噪声干扰低等优点。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种全视场X射线荧光成像系统，包括X射线光源、滤片组、样品台、球面晶体、限光滤波装置、二维空间分辨的探测器和计算机；样平台上放置样品；X射线光源发出的X射线照射在样品上，样品发出的X射线荧光依次经过限光滤波装置和球面晶体滤波选单后聚焦成像在探测器上；计算机能够控制X射线光源和接收探测器的回传信息。

作为本方案的优选：限光滤波装置为夹缝。

作为本方案的优选：夹缝的长度方向沿竖直方向设置。

一种全视场X射线荧光成像系统的成像方法，包括以下步骤：

A、选取样品，将样品放置在样品台上；

B、调整确定系统中各个部件的安装位置；

C、使用计算机控制开启X射线光源，并且接收探测器采集到样品的X射线荧光图像进行分析成像。

作为本方案的优选：步骤B中，夹缝的安装位置为夹缝中心与球面晶体中心的连线与球面晶体中心点处的法线的夹角(π/2-θ)满足布拉格方程：

2d sinθ＝nλ

其中θ为布拉格衍射角，d为球面晶体的晶面间距，n为衍射级次，λ为待测元素发出的荧光X射线的波长。

作为本方案的优选：通过夹缝的X射线光谱带宽Δλ/λ满足以下公式：

$\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}}\≈\frac{(a-R)\mathrm{\Δ}s}{(a-R\sin \mathrm{\θ})R}\cot \mathrm{\θ}$

其中，R为球面晶体的曲率半径、a为样品到晶体中心的距离，Δs为夹缝的宽度。

作为本方案的优选：夹缝能够选择性分辨不同元素发出特征荧光X射线以及滤除散射；当需要测量另一元素的X射线荧光时，可以更换不同材料的球面晶体或者使狭缝沿着罗兰圆移动，从而改变布拉格角，并且样品和探测器跟随转动，使得只有这种元素的荧光X射线才能通过球面晶体衍射后成像在探测器上。

作为本方案的优选：步骤B中，探测器的安装位置为球面晶体弧矢理想焦面上，满足以下公式：

$\frac{1}{a}+\frac{1}{b}=\frac{2sin\mathrm{\θ}}{R}$

其中，a为样品到晶体中心的距离，b为探测器面到球面晶体中心的距离，R为球面晶体的曲率半径。

作为本方案的优选：步骤B中，样品到球面晶体的距离与探测器面到球面晶体的距离相同且都位于子午平面内球面晶体所在的圆上，即a＝b＝Rcscθ,此时系统的子午放大倍率和弧矢放大倍率相同且 为1。

作为本方案的优选：步骤C中探测器采集到样品的X射线荧光图像后，传输给计算机，并利用X射线荧光图像分析程序进行分析，通过标准样品对成像系统的效率进行标定，建立图像强度与X光源的参数、成像系统效率以及样品元素的含量之间的定量关系，通过X射线荧光成像定量分析程序给出样品元素的定量二维空间分布信息。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中采用。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的流程的示意图。

图中，1为X射线管；2为滤片组；3为样品；4为样品台；5为狭缝；6为球面晶体；7为二维空间分辨X射线探测器；8为计算机；9为X射线管发出的X射线；10为样品发出的次级X射线荧光；11为晶体衍射的单色荧光X射线。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加 以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本方案的成像系统包括X射线光源、滤片组、样品台、球面晶体、限光滤波装置、二维空间分辨的探测器和计算机；样平台上放置样品；X射线光源发出的X射线照射在样品上，样品发出的X射线荧光依次经过限光滤波装置和球面晶体滤波选单后聚焦成像在探测器上；计算机能够控制X射线光源和接收探测器的回传信息。限光滤波装置为夹缝。夹缝的长度方向沿竖直方向设置。

本方案的成像系统的成像方法，包括以下步骤：

A、选取样品，将样品放置在样品台上；

B、调整确定系统中各个部件的安装位置；

C、使用计算机控制开启X射线光源，并且接收探测器采集到样品的X射线荧光图像进行分析成像。

作为本方案的优选：步骤B中，夹缝的安装位置为夹缝中心与球面晶体中心的连线与球面晶体中心点处的法线的夹角(π/2-θ)满足布拉格方程：

2d sinθ＝nλ

其中θ为布拉格衍射角，d为球面晶体的晶面间距，n为衍射级次，λ为待测元素发出的荧光X射线的波长。

作为本方案的优选：通过夹缝的X射线光谱带宽Δλ/λ满足以下公式：

$\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}}\≈\frac{(a-R)\mathrm{\Δ}s}{(a-R\sin \mathrm{\θ})R}\cot \mathrm{\θ}$

其中，R为球面晶体的曲率半径、a为样品到晶体中心的距离，Δs为夹缝的宽度。

夹缝能够选择性分辨不同元素发出特征荧光X射线以及滤除散射；当需要测量另一元素的X射线荧光时，可以更换不同材料的球面晶体或者使狭缝沿着罗兰圆移动，从而改变布拉格角，并且样品和探测器跟随转动，使得只有这种元素的荧光X射线才能通过球面晶体衍射后成像在探测器上。

步骤B中，为了减少像差，探测器的安装位置为球面晶体弧矢理想焦面上，满足以下公式：

$\frac{1}{a}+\frac{1}{b}=\frac{2sin\mathrm{\θ}}{R}$

其中，a为样品到晶体中心的距离，b为探测器面到球面晶体中心的距离，R为球面晶体的曲率半径。

步骤B中，样品到球面晶体的距离与探测器面到球面晶体的距离相同且都位于子午平面内球面晶体所在的圆上，即a＝b＝R cscθ,此时系统的子午放大倍率和弧矢放大倍率相同且为1。

步骤C中探测器采集到样品的X射线荧光图像后，传输给计算机，并利用X射线荧光图像分析程序进行分析，通过标准样品对成像系统的效率进行标定，建立图像强度与X光源的参数、成像系统效率以及样品元素的含量之间的定量关系，通过X射线荧光成像定量分析程序给出样品元素的定量二维空间分布信息。

本方案具有较大的视场、较高空间分辨率、极高的光谱分辨率、较大的景深、图像采集速度快、可逐一单独分析样品中的多种元素， 其他元素荧光或散射噪声干扰低等优点。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种全视场X射线荧光成像系统，其特征是：包括X射线光源、滤片组、样品台、球面晶体、限光滤波装置、二维空间分辨的探测器和计算机；所述样平台上放置样品；所述X射线光源发出的X射线照射在样品上，样品发出的X射线荧光依次经过限光滤波装置和球面晶体滤波选单后聚焦成像在探测器上；所述计算机能够控制X射线光源和接收探测器的回传信息。

2.根据权利要求1所述的一种全视场X射线荧光成像系统，其特征是：所述限光滤波装置为夹缝。

3.根据权利要求2所述的一种全视场X射线荧光成像系统，其特征是：所述夹缝的长度方向沿竖直方向设置。

4.一种全视场X射线荧光成像系统的成像方法，其特征是：包括以下步骤：

A、选取样品，将样品放置在样品台上；

B、调整确定系统中各个部件的安装位置；

C、使用计算机控制开启X射线光源，并且接收探测器采集到样品的X射线荧光图像进行分析成像。

5.根据权利要求4所述的一种全视场X射线荧光成像系统的成像方法，其特征是：所述步骤B中，夹缝的安装位置为夹缝中心与球面晶体中心的连线与球面晶体中心点处的法线的夹角(π/2-θ)满足布拉格方程：

2dsinθ＝nλ

其中θ为布拉格衍射角，d为球面晶体的晶面间距，n为衍射级次，λ为待测元素发出的荧光X射线的波长。

6.根据权利要求5所述的一种全视场X射线荧光成像系统的成像方法，其特征是：通过夹缝的X射线光谱带宽Δλ/λ满足以下公式：

$\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}}\≈\frac{(a-R)\mathrm{\Δ}s}{(a-R\sin \mathrm{\θ})R}\cot \mathrm{\θ}$

其中，R为球面晶体的曲率半径、a为样品到晶体中心的距离，Δs为夹缝的宽度。

7.根据权利要求5所述的一种全视场X射线荧光成像系统的成像方法，其特征是：夹缝能够选择性分辨不同元素发出特征荧光X射线以及滤除散射；当需要测量另一元素的X射线荧光时，可以更换不同材料的球面晶体或者使狭缝沿着罗兰圆移动，从而改变布拉格角，并且样品和探测器跟随转动，使得只有这种元素的荧光X射线才能通过球面晶体衍射后成像在探测器上。

8.根据权利要求4所述的一种全视场X射线荧光成像系统的成像方法，其特征是：所述步骤B中，探测器的安装位置为球面晶体弧矢理想焦面上，满足以下公式：

$\frac{1}{a}+\frac{1}{b}=\frac{2sin\mathrm{\θ}}{R}$

其中，a为样品到晶体中心的距离，b为探测器面到球面晶体中心的距离，R为球面晶体的曲率半径。

9.根据权利要求4所述的一种全视场X射线荧光成像系统的成像方法，其特征是：所述步骤B中，样品到球面晶体的距离与探测器面到球面晶体的距离相同且都位于子午平面内球面晶体所在的圆上，即a＝b＝Rcscθ,此时系统的子午放大倍率和弧矢放大倍率相同且为1。

10.根据权利要求4所述的一种全视场X射线荧光成像系统的成像方法，其特征是：所述步骤C中探测器采集到样品的X射线荧光图像后，传输给计算机，并利用X射线荧光图像分析程序进行分析，通过标准样品对成像系统的效率进行标定，建立图像强度与X光源的参数、成像系统效率以及样品元素的含量之间的定量关系，通过X射线荧光成像定量分析程序给出样品元素的定量二维空间分布信息。