CN109187589A - 一种大焦斑共聚焦x射线光谱分析装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置，该装置包含：入射光路、探测光路、样品调节架和光谱数据分析终端。入射光路和探测光路的重合区域构成探测微元；样品调节架用于放置待检测样品，并调节待检测样品与探测微元接触的位置与接触面积大小；光谱数据分析终端与探测光路和样品调节架均通过总线连接，用于接收探测光路获得的射线光谱数据和调控样品调节架。入射光路包含：X射线光源和毛细管X射线平行束透镜。探测光路包含：毛细管X射线准直器和X射线探测器。本发明的装置能够调节工作距离和角度，以接收不同角度样品的光谱信息。

Description

一种大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置
技术领域
本发明涉及一种共聚焦X射线光谱分析仪，具体涉及一种大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置。
背景技术
共聚焦X射线光谱分析技术是1993年前苏联科学家Gibson和Kumakhov提出的一种能够对样品进行三维无损分析新型X射线光谱分析技术。常规的共聚焦X射线光谱分析设备一般采用毛细管X射线会聚透镜和毛细管X射线平行束透镜的组合。其中，毛细管X射线会聚透镜有前后两个焦点，用于把放置于前焦点处X光管发出的发散X射线会聚成几十微米大小的微焦斑；毛细管X射线平行束透镜与X射线探测器组合使用，以将X射线能量转换为可供记录的电信号，且毛细管X射线平行束透镜存在一前焦点，前焦点与毛细管X射线会聚透镜重合时形成探测微元。因此，只有处于此探测微元区域的样品才能被分析到，基于共聚焦X射线光谱分析技术此特征，该技术广泛应用于材料，生物，文物，冶金，半导体器件等领域样品的三维无损X射线荧光光谱分析，三维无损X射线衍射光谱分析，三维无损X射线小角散射分析等。
常规共聚焦X射线分析技术在微区和三维无损分析领域是一种强有力的分析手段。但是，当常规共聚焦X射线分析技术用于X射线衍射光谱分析和X射线散射分析时，由于毛细管X射线会聚透镜产生的入射光束有一定的发散度，以及毛细管X射线平行束透镜也存在一接收角，这会增大分析结果的误差。
此外，由于共聚焦X射线光谱分析装置所使用多毛细管X光透镜的焦斑非常小，调节共聚焦X射线光谱分析装置使其处于共聚焦状态非常困难。因此，在实际使用中，共聚焦X射线光谱分析装置调节完成共聚焦状态调节后，其结构便不在发生变化。因此，常规共聚焦X射线光谱分析技术无法获取不同角度样品的光谱信号。
发明内容
本发明的目的是提供一种大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置，该装置解决了现有共聚焦X射线光谱分析装置不能获取不同角度样品的光谱信号的问题，能够调节工作距离和角度，以接收不同角度样品的光谱信息。
为了达到上述目的，本发明提供了一种大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置，该装置包含：X射线光源、入射光路、探测光路、样品调节架和光谱数据分析终端；其中，所述X射线光源用于发射X射线；所述入射光路和探测光路的重合区域构成探测微元；所述样品调节架用于放置待检测样品，并调节待检测样品与所述探测微元接触的位置与接触面积大小；所述光谱数据分析终端与所述探测光路和样品调节架均通过总线连接，用于调控所述的样品调节架，以及接收所述探测光路获得的射线光谱数据并对光谱数据进行分析处理。
其中，所述入射光路包含：毛细管X射线平行束透镜，其入口端与所述X射线光源相对应，该X射线光源发射的X射线从其入口端进入经其出口端射出至所述样品调节架上的待检测样品。
其中，所述探测光路包含：毛细管X射线准直器，其用于接收所述X射线照射待检测样品产生的次级射线中某一角度的准平次级射线；以及X射线探测器，其用于探测经所述毛细管X射线准直器的准平次级射线，并将该准平次级射线的光谱数据发送给所述的光谱数据分析终端。
其中，所述毛细管X射线平行束透镜与所述毛细管X射线准直器的光束之间的夹角θ为5°～180°；所述毛细管X射线平行束透镜入口端的直径小于出口端的直径。
所述的探测微元形成的焦斑直径为5～60mm，该焦斑直径d由所述毛细管X射线平行束透镜的入口端直径Din和毛细管X射线准直器的直径D共同决定，其大小为：
优选地，所述X射线光源为由1个或若干个毛细管组成的X射线光管，X射线光源的功率范围为1～4000瓦，其靶材包含：铜、钼、银或钨中的任一种。
优选地，所述样品调节架包含：三个方向相互垂直的步进电机，以及样品放置平台；其中，所述的步进电机用于调节所述样品放置平台的高度和角度。
优选地，所述毛细管X射线平行束透镜单个毛细管的入口端与出口端的直径的比例为3:10。
优选地，所述毛细管X射线平行束透镜单个毛细管的入口端直径为1～9mm，出口端的直径为10～60mm，长度为3～15cm。
优选地，所述毛细管X射线平行束透镜的前焦距f为10～100mm，其出口端距探测微元的距离di小于或等于200mm；所述探测微元到毛细管X射线准直器入口端的距离do小于或等于200mm。
优选地，所述毛细管X射线准直器单个毛细管的直径为10～60mm。
优选地，所述X射线光管和毛细管X射线准直器的单个毛细管的横截面均为正六边形。
优选地，在所述X射线光管和细管X射线准直器中，由内向外第一层含有1个毛细管，第n层含有6(n-1)个毛细管，n＞1。
优选地，所述X射线探测器采用硅漂移半导体探测器。
本发明的大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置，解决了现有共聚焦X射线光谱分析装置不能获取不同角度样品的光谱信号的问题，具有以下优点：
(1)本发明的装置通过光谱数据分析终端调节样品调节架的角度，以调节样品的角度，而且在调节其角度时，由于对入射光路和探测光路的参数控制，保证了样品始终处于共聚焦状态，保证了X射线探测器能够接收到不同角度样品的光谱信息；
(2)本发明的毛细管X射线平行束透镜和毛细管X射线准直器均由毛细管构成，故入射光路和探测光路的光束均为圆柱形光束，其光束共聚焦的焦斑空间大，与传统小焦斑共聚焦X射线光谱分析技术相比共聚焦状态更容易调节，并且其工作距离不固定，可以根据需要调节；
(3)本发明采用毛细管X射线平行束透镜，相较于小焦斑共聚焦技术所采用的毛细管X射线会聚透镜而言，其传输效率更高，焦斑更大，可以获取更多的光谱信息，适用于均匀大样品的X射线荧光光谱分析；
(4)本发明的装置的入射光路和探测光路的光束均为准平行光束，更加适用于X射线散射分析和X射线衍射分析。
附图说明
图1为本发明的大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置的结构示意图。
图2为本发明的装置产生大焦斑的光路示意图。
图3为本发明的X射线平行束透镜的毛细管的参数示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置，如图1所示，为本发明的大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置的结构示意图，该装置包含：X射线光源、入射光路、探测光路、样品调节架5和光谱数据分析终端9；其中，X射线光源1用于发射X射线；入射光路和探测光路的重合区域构成探测微元；样品调节架5用于放置待检测样品，并调节待检测样品与探测微元接触的位置与接触面积大小；光谱数据分析终端9与探测光路和样品调节架5均通过总线连接，用于调控样品调节架5，以及接收探测光路获得的射线光谱数据并对光谱数据进行分析处理。
其中，入射光路包含：毛细管X射线平行束透镜3，其入口端与X射线光源1相对应，该X射线光源1发射的X射线从其入口端进入经其出口端射出至样品调节架5上的待检测样品。
其中，探测光路包含：毛细管X射线准直器7，其用于接收X射线照射待检测样品产生的次级射线中某一角度的准平次级射线；以及X射线探测器8，其用于探测经毛细管X射线准直器7的准平次级射线，并将该准平次级射线的光谱数据发送给光谱数据分析终端9。
其中，如图2所示，为本发明的装置产生大焦斑的光路示意图，毛细管X射线平行束透镜3与毛细管X射线准直器7的光束之间的夹角θ为5°～180°，以实现进行X射线衍射光谱分析和进行X射线散射光谱分析；毛细管X射线平行束透镜3入口端的直径小于出口端的直径。
探测微元形成的焦斑直径为5～60mm，该焦斑直径d由毛细管X射线平行束透镜3的入口端直径Din和毛细管X射线准直器7的直径D共同决定，其大小为：
进一步地，X射线光源1为由1个或若干个毛细管组成的X射线光管，X射线光源的功率范围为1～4000瓦，其靶材包含：铜、钼、银或钨中的任一种。
进一步地，样品调节架包含：三个方向相互垂直的步进电机，以及样品放置平台；其中，所述的步进电机用于调节所述样品放置平台的高度和角度，根据不同实验需求可选择不同功能样品台，如增加旋转功能。
进一步地，毛细管X射线平行束透镜3单个毛细管的入口端与出口端的直径的比例为3:10。
进一步地，如图3所示，为本发明的X射线平行束透镜的毛细管的参数示意图，毛细管X射线平行束透镜3单个毛细管的入口端直径(图3，Din)为1～9mm，出口端的直径(图3，Dout)为10～50mm，长度(图3，Lp)为3～15cm，毛细管X射线平行束透镜3的外形曲线为二次抛物曲线。
进一步地，如图2所示，毛细管X射线平行束透镜3的前焦距f为10～100mm，其出口端距探测微元的距离di小于或等于200mm；所述探测微元到毛细管X射线准直器7入口端的距离do小于或等于200mm。di和do可根据样品尺寸等实验需求调节，过大会导致X射线光束由于在空气中吸收而造成衰减。
进一步地，毛细管X射线准直器7单个毛细管的直径为10～60mm。
进一步地，X射线光管和毛细管X射线准直器7的单个毛细管的横截面均为正六边形。
进一步地，在X射线光管和细管X射线准直器7中，由内向外第一层含有1个毛细管，第n层含有6(n-1)个毛细管，n＞1。
进一步地，X射线探测器8采用硅漂移半导体探测器。
为了更加具体地对本发明提供的一种大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置进行说明，通过以下实施例1进行详细描述。
实施例1
一种大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置，该装置包含：X射线光源1、毛细管X射线平行束透镜3、毛细管X射线准直器7、X射线探测器8、样品调节架5和光谱数据分析终端9。其中，X射线光源1和毛细管X射线平行束透镜3构成了入射光路，毛细管X射线准直器7和X射线探测器8构成了探测光路；入射光路和探测光路的重合区域构成探测微元。
样品调节架5上放置待检测样品，光谱数据分析终端9可调节样品调节架5的位置和角度，以改变待检测样品与探测微元接触的位置与接触面积大小。X射线光源1发射X射线，经毛细管X射线平行束透镜3入射至样品调节架5上的待检测样品，X射线照射待检测样品产生次级射线，其中某一角度的准平次级射线经过毛细管X射线准直器7被X射线探测器8探测到，X射线探测器8将准平次级射线的光谱数据发送给光谱数据分析终端9，进行X射线衍射、X射线荧光或X射线散射相关研究。
X射线光源1采用钼靶X射线光源，光源功率为600W。毛细管X射线平行束透镜3是由50万根单玻璃毛细管构成，所有单毛细管的入口端都指向光源，出口端平行，长度为100mm，入口直径为9mm，出口直径为30mm，前焦距为80mm，功率密度增益为80。多毛细管X射线准直器7由50万根单毛细管构成，所有单毛细管相互平行，毛细管X射线准直器长度为50mm，截面直径为30mm，毛细管X射线准直器7的功率密度增益为5。X射线探测器8采用硅漂移半导体探测器，能量分辨率为150ev。
综上所述，本发明的大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置能够调节工作距离和角度，以接收不同角度样品的光谱信息。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置，其特征在于，该装置包含：X射线光源、入射光路、探测光路、样品调节架(5)和光谱数据分析终端(9)；其中，所述X射线光源(1)用于发射X射线；所述入射光路和探测光路的重合区域构成探测微元；所述样品调节架(5)用于放置待检测样品，并调节待检测样品与所述探测微元接触的位置与接触面积大小；所述光谱数据分析终端(9)与所述探测光路和样品调节架(5)均通过总线连接，用于调控所述的样品调节架(5)，以及接收所述探测光路获得的射线光谱数据并对光谱数据进行分析处理；
其中，所述入射光路包含：
毛细管X射线平行束透镜(3)，其入口端与所述X射线光源(1)相对应，该X射线光源(1)发射的X射线从其入口端进入经其出口端射出至所述样品调节架(5)上的待检测样品；
其中，所述探测光路包含：
毛细管X射线准直器(7)，其用于接收所述X射线照射待检测样品产生的次级射线中某一角度的准平次级射线；以及
X射线探测器(8)，其用于探测经所述毛细管X射线准直器(7)的准平次级射线，并将该准平次级射线的光谱数据发送给所述的光谱数据分析终端(9)；
其中，所述毛细管X射线平行束透镜(3)与所述毛细管X射线准直器(7)的光束之间的夹角θ为5°～180°；所述毛细管X射线平行束透镜(3)入口端的直径小于出口端的直径；
所述的探测微元形成的焦斑直径为5～60mm，该焦斑直径d由所述毛细管X射线平行束透镜(3)的入口端直径Din和毛细管X射线准直器(7)的直径D共同决定，其大小为：
2.根据权利要求1所述的大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置，其特征在于，所述X射线光源(1)为由1个或若干个毛细管组成的X射线光管，X射线光源的功率范围为1～4000瓦，其靶材包含：铜、钼、银或钨中的任一种。
3.根据权利要求2所述的大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置，其特征在于，所述样品调节架包含：三个方向相互垂直的步进电机，以及样品放置平台；其中，所述的步进电机用于调节所述样品放置平台的高度和角度。
4.根据权利要求2所述的大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置，其特征在于，所述毛细管X射线平行束透镜(3)单个毛细管的入口端与出口端的直径的比例为3:10。
5.根据权利要求6所述的大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置，其特征在于，所述毛细管X射线平行束透镜(3)单个毛细管的入口端直径为1～9mm，出口端的直径为10～60mm，长度为3～15cm。
6.根据权利要求1所述的大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置，其特征在于，所述毛细管X射线平行束透镜(3)的前焦距f为10～100mm，其出口端距探测微元的距离di小于或等于200mm；所述探测微元到毛细管X射线准直器(7)入口端的距离do小于或等于200mm。
7.根据权利要求5所述的大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置，其特征在于，所述毛细管X射线准直器(7)单个毛细管的直径为10～60mm。
8.根据权利要求7所述的大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置，其特征在于，所述X射线光管和毛细管X射线准直器(7)的单个毛细管的横截面均为正六边形。
9.根据权利要求8所述的大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置，其特征在于，在所述X射线光管和细管X射线准直器(7)中，由内向外第一层含有1个毛细管，第n层含有6(n-1)个毛细管，n＞1。
10.根据权利要求1所述的大焦斑共聚焦X射线光谱分析装置，其特征在于，所述X射线探测器(8)采用硅漂移半导体探测器。
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