CN108709898A - 基于组合x射线毛细管的微束x射线荧光分析系统 - Google Patents

基于组合x射线毛细管的微束x射线荧光分析系统 Download PDF

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Abstract

一种基于组合X射线毛细管的微束X射线荧光分析系统，包括X射线光管、可见光激光器、组合X射线毛细管器件、样品台和X射线探测器及其信息采集分析模块，所述X射线光管或可见光激光器均和组合X射线毛细管器件、样品台的被测样品位于同一光轴上，所述X射线探测器贴近被测样品放置，所述X射线探测器与信息采集分析模块相连。本发明提供一种同时具备高微区分辨率和高探测灵敏度，并可进行现场分析的小型化微束X射线荧光分析系统。

Description

基于组合X射线毛细管的微束X射线荧光分析系统
技术领域
本发明涉及X射线探测和成像领域，尤其是一种基于组合X射线毛细管的微束X射线荧光分析系统。
背景技术
X射线荧光(XRF，X-Ray Fluorescence)分析系统能在常压下对各种形态(固态/液态/粉末等)样品进行简单快速、高分辨率和无损的元素定量测量分析。近年来众多行业对XRF的微区分析能力和检测灵敏度提出了更高的要求(比如要求微区分辨率达到微米、甚至亚微米量级)，因此高分辨率、高灵敏度微束X射线荧光分析方法和系统(micro-XRF)成为当前的研究热点。
要想获得更高的微区分辨率，通常需要在荧光分析系统中配备X射线聚焦器件。已有人提出基于X射线毛细管器件的荧光光谱仪(专利号：201010180956.6)，因为使用了X射线毛细管器件进行聚焦，微区分辨率获得了一定程度的提高，但是由于X射线毛细管器件对X射线辐射的吸收，使得探测计数率大幅度降低，并进而影响了X射线荧光分析系统的探测灵敏度。另有人提出一种能量色散X射线荧光光谱仪(专利号：201010004423.2)，用X射线发生装置产生的一次X射线去照射二次靶材，提高了检测灵敏度，但是仪器结构和控制装置复杂，微区分辨率不高。如何同时获得高微区分辨率和高检测灵敏度，是当前微束X射线荧光分析方法和系统需要解决的核心技术问题。此外，以X射线光管作为X射线辐射源，主要考虑的是分析系统/仪器的小型化，因此在解决上述核心技术问题时，也需要兼顾系统的轻便和易用性。
发明内容
为了克服已有X射线荧光分析系统的微区分辨率和探测灵敏度不够高的缺陷，以及结构复杂、尺寸庞大、无法同时实现便携的不足，本发明提供一种同时具备高微区分辨率和高探测灵敏度，并可进行现场分析的小型化微束X射线荧光分析系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于组合X射线毛细管的微束X射线荧光分析系统，包括X射线光管、可见光激光器、组合X射线毛细管器件、样品台和X射线探测器及其信息采集分析模块，所述X射线光管或可见光激光器均和组合X射线毛细管器件、样品台的被测样品位于同一光轴上，所述X射线探测器贴近被测样品放置，所述X射线探测器与信息采集分析模块相连；
所述组合X射线毛细管器件包括2个以上X射线毛细管透镜和组合X射线毛细管机械紧固件，所述X射线毛细管透镜是一种基于反射效应的X射线聚光器件，能够对多波长X射线辐射进行二维聚焦，形成点状聚焦焦斑；所述X射线毛细管透镜入射端尺寸大于出射端尺寸，其出射端到焦斑的尺寸称为X射线毛细管透镜的后焦距；所述组合X射线毛细管机械紧固件起固定X射线毛细管透镜的作用，依据组合X射线毛细管器件的组合布局，在其内部安置并固定2个以上X射线毛细管透镜。
进一步，所述系统还包括水平导轨和垂直导轨，所述垂直导轨、组合X射线毛细管器件和样品台依次可水平移动地置于水平导轨上，所述X射线光管和可见光激光器置于垂直导轨上，所述垂直导轨和水平导轨的机械轴相互垂直。
再进一步，所述水平导轨的机械轴与微束X射线荧光分析系统的光轴重合。
更进一步，所述组合X射线毛细管器件中包含(M+1)个参数完全相同的X射线毛细管透镜，所述M为正整数且M≥1。所述组合X射线毛细管器件沿其光轴呈中心对称分布，所述组合X射线毛细管器件的光轴与阵列中零级X射线毛细管透镜的光轴重合，所述组合X射线毛细管器件的光轴与组合中非零级X射线毛细管透镜的光轴夹角为θ，所有非零级X射线毛细管透镜布置在与光轴同心的同心圆上，所述同心圆的半径依据下列公式计算：
入射端同心圆半径r1:r1≥l·tanθ+2a (1)
出射端同心圆半径r2:r2≥2b (2)
其中a为X射线毛细管透镜入射端半径、b为X射线毛细管透镜出射端半径、l为X射线毛细管透镜的长度。
再进一步，所述组合X射线毛细管器件中(M+1)个X射线毛细管透镜的布局结构，使得所有(M+1)个X射线毛细管透镜聚焦的焦斑在相同位置，并位于光轴上。
从所述X射线光管发出的X射线光，照射在组合X射线毛细管器件上，所述组合X射线毛细管器件中的每一个X射线毛细管透镜对X射线进行聚焦，形成探测微束并照射到样品台上的被检样品，所述X射线探测器贴近所述被检样品放置，采集被检样品发出的二次X射线荧光并进行分析，所述X射线光管和组合X射线毛细管器件同轴布置，实现生成X射线探测微束的功能。
进一步地，所述样品台距所述组合X射线毛细管器件的距离，与X射线毛细管透镜的后焦距尺寸相同。所述样品台能够进行升降、两个维度的平移、两个维度的角度偏转，共5个维度的调节。所述5个维度的调节，是为了能对置于其上样品进行位置的精确调节，使得从组合X射线毛细管器件出射的X射线探测微束照射到被测区域。
所述X射线探测器贴近样品台上的被测样品放置，收集X射线探测微束照射被测样品所产生的二次荧光，并送入信息采集分析模块进行荧光分析，所述信息采集分析模块通过接口与X射线探测器相连。
本发明的技术构思为：X射线毛细管透镜是一种基于反射效应的X射线聚焦器件，其聚焦光斑尺寸在几十至上百微米，利用X射线毛细管透镜对X射线束进行聚焦可以获得高质量探测微束，提高本发明荧光分析系统的微区分辨率。
提出新型的组合X射线毛细管器件，组合中的每一个X射线毛细管透镜分别聚焦，通过组合X射线毛细管器件的结构设计，可以使得组合X射线毛细管器件中的(M+1)个毛细管透镜聚焦在相同的焦斑位置，有效提高焦斑的强度，并进而提高探测的计数率，即提高本发明荧光分析系统的探测灵敏度。
此外，X射线毛细管透镜具有可对X射线进行二维聚焦、且制作工艺简单、鲁棒性好、可批量加工的优点，因此所形成的荧光分析系统结构紧凑、重量适中，适合构建小型化分析仪器、能进行现场分析。
本发明的有益效果主要表现在：1、采用组合X射线毛细管器件作为X射线荧光光谱仪的聚焦器件，同时实现高微区分辨率和高探测灵敏度，其中高微区分辨率由组合中的单个X射线毛细管透镜实现、高探测灵敏度则是由组合X射线毛细管聚焦的叠加效果来实现；2、X射线毛细管透镜可对X射线进行二维聚焦，适用于对被测样品进行点扫描分析的应用场景；3、组合X射线毛细管器件具有制作工艺简单、鲁棒性好、可批量加工的优点，因此所形成的荧光分析系统结构紧凑、重量适中，适合构建小型化分析仪器、能进行现场分析。
附图说明
图1是本发明基于组合X射线毛细管的微束X射线荧光分析系统的结构示意图，其中1是X射线光管、2是可见光激光器、3是水平导轨、4是垂直导轨、5是组合X射线毛细管器件、6是被测样品、7是样品台、8是X射线探测器、9是信息采集分析模块。
图2是本发明基于组合X射线毛细管的微束X射线荧光分析系统中组合X射线毛细管器件及其机械紧固件的结构示意图(以M＝4为例)。
图3是图2的A-A剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种基于组合X射线毛细管的微束X射线荧光分析系统，包括X射线光管、可见光激光器、组合X射线毛细管器件、样品台和X射线探测器及其信息采集分析模块，所述X射线光管或可见光激光器均和组合X射线毛细管器件、样品台的被测样品位于同一光轴上，所述X射线探测器贴近被测样品放置，所述X射线探测器与信息采集分析模块相连；
所述组合X射线毛细管器件包括2个以上X射线毛细管透镜和组合X射线毛细管机械紧固件，所述X射线毛细管透镜是一种基于反射效应的X射线聚光器件，能够对多波长X射线辐射进行二维聚焦，形成点状聚焦焦斑；所述X射线毛细管透镜入射端尺寸大于出射端尺寸，其出射端到焦斑的尺寸称为X射线毛细管透镜的后焦距；所述组合X射线毛细管机械紧固件起固定X射线毛细管透镜的作用，依据组合X射线毛细管器件的组合布局，在其内部安置并固定2个以上X射线毛细管透镜。
进一步，所述系统还包括水平导轨和垂直导轨，所述垂直导轨、组合X射线毛细管器件和样品台依次可水平移动地置于水平导轨上，所述X射线光管和可见光激光器置于垂直导轨上，所述垂直导轨和水平导轨的机械轴相互垂直。
再进一步，所述水平导轨的机械轴与微束X射线荧光分析系统的光轴重合。
更进一步，所述组合X射线毛细管器件中包含(M+1)个参数完全相同的X射线毛细管透镜，所述M为正整数且M≥1。所述组合X射线毛细管器件沿其光轴呈中心对称分布，所述组合X射线毛细管器件的光轴与阵列中零级X射线毛细管透镜的光轴重合，所述组合X射线毛细管器件的光轴与组合中非零级X射线毛细管透镜的光轴夹角为θ，所有非零级X射线毛细管透镜布置在与光轴同心的同心圆上，所述同心圆的半径依据下列公式计算：
入射端同心圆半径r1:r1≥l·tanθ+2a (1)
出射端同心圆半径r2:r2≥2b (2)
其中a为X射线毛细管透镜入射端半径、b为X射线毛细管透镜出射端半径、l为X射线毛细管透镜的长度。
再进一步，所述组合X射线毛细管器件中(M+1)个X射线毛细管透镜的布局结构，使得所有(M+1)个X射线毛细管透镜聚焦的焦斑在相同位置，并位于光轴上。
从所述X射线光管发出的X射线光，照射在组合X射线毛细管器件上，所述组合X射线毛细管器件中的每一个X射线毛细管透镜对X射线进行聚焦，形成探测微束并照射到样品台上的被检样品，所述X射线探测器贴近所述被检样品放置，采集被检样品发出的二次X射线荧光并进行分析，所述X射线光管和组合X射线毛细管器件同轴布置，实现生成X射线探测微束的功能。
进一步地，所述样品台距所述组合X射线毛细管器件的距离，与X射线毛细管透镜的后焦距尺寸相同。所述样品台能够进行升降、两个维度的平移、两个维度的角度偏转，共5个维度的调节。所述5个维度的调节，是为了能对置于其上样品进行位置的精确调节，使得从组合X射线毛细管器件出射的X射线探测微束照射到被测区域。
所述X射线探测器贴近样品台上的被测样品放置，收集X射线探测微束照射被测样品所产生的二次荧光，并送入信息采集分析模块进行荧光分析，所述信息采集分析模块通过接口与X射线探测器相连。

Claims (8)

1.一种基于组合X射线毛细管的微束X射线荧光分析系统，其特征在于，所述系统包括X射线光管、可见光激光器、组合X射线毛细管器件、样品台和X射线探测器及其信息采集分析模块，所述X射线光管或可见光激光器均和组合X射线毛细管器件、样品台的被测样品位于同一光轴上，所述X射线探测器贴近被测样品放置，所述X射线探测器与信息采集分析模块相连；
所述组合X射线毛细管器件包括2个以上X射线毛细管透镜和组合X射线毛细管机械紧固件，所述X射线毛细管透镜是一种基于反射效应的X射线聚光器件，能够对多波长X射线辐射进行二维聚焦，形成点状聚焦焦斑；所述X射线毛细管透镜入射端尺寸大于出射端尺寸，其出射端到焦斑的尺寸称为X射线毛细管透镜的后焦距；所述组合X射线毛细管机械紧固件起固定X射线毛细管透镜的作用，依据组合X射线毛细管器件的组合布局，在其内部安置并固定2个以上X射线毛细管透镜。
2.如权利要求1所述的基于组合X射线毛细管的微束X射线荧光分析系统，其特征在于，所述系统还包括水平导轨和垂直导轨，所述垂直导轨、组合X射线毛细管器件和样品台依次可水平移动地置于水平导轨上，所述X射线光管和可见光激光器置于垂直导轨上，所述垂直导轨和水平导轨的机械轴相互垂直。
3.如权利要求2所述的基于组合X射线毛细管的微束X射线荧光分析系统，其特征在于，所述水平导轨的机械轴与微束X射线荧光分析系统的光轴重合。
4.如权利要求1～3之一所述的基于组合X射线毛细管的微束X射线荧光分析系统，其特征在于，所述组合X射线毛细管器件中包含(M+1)个参数完全相同的X射线毛细管透镜，所述M为正整数且M≥1。所述组合X射线毛细管器件沿其光轴呈中心对称分布，所述组合X射线毛细管器件的光轴与阵列中零级X射线毛细管透镜的光轴重合，所述组合X射线毛细管器件的光轴与组合中非零级X射线毛细管透镜的光轴夹角为θ，所有非零级X射线毛细管透镜布置在与光轴同心的同心圆上，所述同心圆的半径依据下列公式计算：
入射端同心圆半径r1:r1≥l·tanθ+2a (1)
出射端同心圆半径r2:r2≥2b (2)
其中a为X射线毛细管透镜入射端半径、b为X射线毛细管透镜出射端半径、l为X射线毛细管透镜的长度。
5.如权利要求4所述的基于组合X射线毛细管的微束X射线荧光分析系统，其特征在于，所述组合X射线毛细管器件中(M+1)个X射线毛细管透镜的布局结构，使得所有(M+1)个X射线毛细管透镜聚焦的焦斑在相同位置，并位于光轴上。
6.如权利要求1～3之一所述的基于组合X射线毛细管的微束X射线荧光分析系统，其特征在于，所述样品台距所述组合X射线毛细管器件的距离，与X射线毛细管透镜的后焦距尺寸相同。
7.如权利要求6所述的基于组合X射线毛细管的微束X射线荧光分析系统，其特征在于，所述样品台能够进行升降、两个维度的平移、两个维度的角度偏转，共5个维度的调节；所述5个维度的调节能对置于其上样品进行位置的调节，使得从组合X射线毛细管器件出射的X射线探测微束照射到被测区域。
8.如权利要求6所述的基于组合X射线毛细管的微束X射线荧光分析系统，其特征在于，所述X射线探测器贴近样品台上的被测样品放置，收集X射线探测微束照射被测样品所产生的二次荧光，并送入信息采集分析模块进行荧光分析，所述信息采集分析模块通过接口与X射线探测器相连。
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