CN109716115A - X射线光谱仪及使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种光谱仪包括：晶体分析仪，所述晶体分析仪具有限定罗兰圆的曲率半径；样品台，所述样品台配置成支撑样品使得所述样品从所述罗兰圆偏移；x射线源，所述x射线源配置成朝向所述样品台发射不聚焦的x射线；以及位置灵敏检测器，所述位置灵敏检测器与所述罗兰圆相切。一种借助光谱仪执行的方法包括：借助x射线源朝向安装在样品台上的样品发射不聚焦的x射线，使得所述样品从所述罗兰圆偏移，从而导致所述样品发射撞击所述晶体分析仪的x射线或透射所述不聚焦的x射线的一部分以撞击所述晶体分析仪；借助所述晶体分析仪使撞击所述晶体分析仪的x射线散射；以及借助与所述罗兰圆相切的位置灵敏检测器来检测被散射的x射线。

Description

X射线光谱仪及使用方法
相关申请的交叉引用
本申请要求在2016年9月15日递交的美国临时专利申请No.62/394,981的权益，该美国临时专利申请的全部内容通过引用并入在本文中。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
本发明在由美国能源部授予的合同号DE-AC52-06NA25396、DE-SC0008580和DE-FG02-09ER16106下获得政府支持而得以进行。政府对本发明中具有特定权利。
背景技术
除非本文中另有指示，否则在本部分中描述的资料对于本申请中的权利要求来说不是现有技术且不通过包括在本部分中而被承认为现有技术。
可以基于所需数据和可用财政资源的性质和质量而利用多种不同几何结构和组件来实现X射线光谱仪。一种从样品收集x射线发射光谱(X-ray Emission Spectroscopy，XES)数据的方式是使用能够利用光斑尺寸非常小(例如小于0.01毫米)的x射线来照射样品的平行的或聚焦的x射线源。可以使样品和点检测器沿着由晶体分析仪限定的罗兰圆的相对侧移动来“调整”光谱仪，以检测从样品上的光斑发射(或透射)的各种波长的x射线。然而，这类平行或聚焦源通常采用非常大的、昂贵的、且稀有的(例如难以获取)同步辐射源的形式，或者它们包括昂贵的聚焦光学器件，这些聚焦光学器件可以降低入射在样品上的x射线束的强度，这可以增加收集数据所花费的时间量。该几何结构通常也要求以高精度控制样品和检测器的移动。
另一选择涉及使用聚焦的x射线源和位置灵敏检测器(例如带状线检测器或区域检测器)。该途径消除了在数据收集期间对于检测器的精确位置控制的需求，但是聚焦的x射线源的缺点依然存在。
又一个途径涉及使用成本较低的发射不聚焦的x射线的x射线源(例如x射线管)，其使得在样品上形成较大光斑尺寸。通常，样品和检测器二者必须与由晶体分析仪限定的罗兰圆相切，这限制了光谱仪可以为多小。使用笨重的光谱仪在本领域的某些环境中可能不切实际。
发明内容
在一个示例中，一种光谱仪包括：晶体分析仪，所述晶体分析仪具有限定罗兰圆的曲率半径；样品台，所述样品台配置成支撑样品使得所述样品从所述罗兰圆偏移；x射线源，所述x射线源配置成朝向所述样品台发射不聚焦的x射线；以及位置灵敏检测器，所述位置灵敏检测器与所述罗兰圆相切。
在另一个示例中，借助具有晶体分析仪的光谱仪执行一种方法，所述晶体分析仪具有限定罗兰圆的曲率半径。所述方法包括：借助x射线源朝向安装在样品台上的样品发射不聚焦的x射线，使得所述样品从所述罗兰圆偏移，从而导致所述样品发射撞击所述晶体分析仪的x射线或透射所述不聚焦的x射线的一部分以撞击所述晶体分析仪。所述方法还包括：借助所述晶体分析仪使撞击所述晶体分析仪的x射线散射，以及借助与所述罗兰圆相切的位置灵敏检测器检测被散射的x射线。
当本文中使用术语“基本上”或“大约”时，其指的是所列特性、参数或值无需精确达到，而是在量上可以出现偏差或变化，例如包括容差、测量误差、测量精度限制和本领域技术人员所知的其它因素，这不排除该特性意图提供的效果。在本文中所公开的一些示例中，“基本上”或“大约”指在所列值的+/-5％内。
对于本领域的普通技术人员来说，通过在适当的时候参照附图阅读如下详细描述，这些方面、优势和替选方案以及其它方面、优势和替选方案将变得显而易见。另外，应当理解，本发明内容及本文中提供的其它描述和附图意图仅通过示例方式说明本发明，因此许多变型是可能的。
附图说明
图1为根据示例性实施方式的计算系统和光谱仪的示意图。
图2为根据示例性实施方式的光谱仪的示意图。
图3为根据示例性实施方式的光谱仪的一些组件的透视图。
图4为根据示例性实施方式的光谱仪的一些组件的前视图。
图5示出根据示例性实施方式的集成到手套箱或通风柜中的光谱仪。
图6为根据示例性实施方式的集成到手套箱或通风柜中的光谱仪的特写视图。
图7为根据示例性实施方式的集成到手套箱或通风柜中的光谱仪的另一特写视图。
图8为根据示例性实施方式的集成到手套箱或通风柜中的光谱仪的又一特写视图。
图9为根据示例性实施方式的方法的框图。
图10示出根据示例性实施方式的利用DRR光谱仪从ZnS收集的数据和利用另一光谱仪从ZnS收集的数据之间的比较。
图11示出根据示例性实施方式的利用DRR光谱仪从GaP收集的数据和理论预期之间的比较。
图12示出根据示例性实施方式的说明能量偏移的数据，该数据指示在GaP和FePO4中具有不同氧化态的磷。
具体实施方式
如上文所讨论，当前的x射线光谱仪实现具有许多缺点，诸如需要精确的样品和/或检测器运动控制以扫描一系列x射线波长、使用昂贵的和/或难以获取的点式x射线源、或由于仪器笨重而缺乏便携性。本文中讨论可用于缓解这些问题的途径。
分散再聚焦罗兰(Dispersive Refocusing Rowland，DRR)光谱仪包括：晶体分析仪，该晶体分析仪具有限定罗兰圆的曲率半径；以及样品台，该样品台配置成支撑样品使得该样品从罗兰圆偏移。该光谱仪还包括：x射线源，该x射线源配置成朝向样品台发射不聚焦的x射线；以及位置灵敏检测器，该位置灵敏检测器与罗兰圆相切。在发射模式下，x射线源配置成朝向样品台发射不聚焦的x射线，从而当样品存在时，该不聚焦的x射线入射在该样品面向晶体分析仪的表面上。在透射模式下，x射线源配置成朝向样品台发射不聚焦的x射线，从而当样品存在时，该不聚焦的x射线入射在该样品背向晶体分析仪的表面上。
DRR几何结构具有几个优势。首先，可以使用不太昂贵的、不聚焦的x射线源(诸如x射线管)代替昂贵的且不太便利的同步辐射源或与聚焦光学器件联接的x射线源。在样品上使用较大的、不聚焦的x射线光斑使得更有可能的是，将检查总体上表示该样品的样品体积、以及该样品将接收更高的x射线通量，减少了数据收集所需的时间量。DRR几何结构还允许将x射线源和样品台适当地放置在罗兰圆的内部，这允许光谱仪的略微小型化发生。通过使用与罗兰圆相切的位置灵敏检测器，DRR几何结构可以允许检查相对较大范围的x射线波长而不移动检测器、样品或x射线源。由DRR光谱仪收集的数据仅对于光斑尺寸、样品尺寸和小样品移位不太敏感。
图1为配置成控制光谱仪100的示例性计算系统150的示意图。该计算系统150包括处理器152、计算机可读介质154和输入/输出接口156，上述项中任一者或全部可以借助系统总线或另一连接机构154而通信地彼此联接和/或联接到光谱仪100。
处理器152可以包括通用处理器和/或专用处理器，且可以配置成执行存储在计算机可读介质154内的程序指令。在一些示例中，处理器152可以为由一个或多个处理单元组成的多核处理器，该一个或多个处理单元配置成协调执行存储在计算机可读介质154内的指令。在一个示例中，通过执行存储在计算机可读介质154内的程序指令，处理器152可以控制、操作或移动光谱仪100的组件。
计算机可读介质154可以包括一个或多个易失性的、非易失性的、可移除的、和/或不可移除的存储组件。计算机可读介质154可以为磁性、光学、或快闪存储介质，且可以全部地或部分地与处理器152或计算系统150的其它部分集成在一起。另外，计算机可读介质154可以为非易失性计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，这些程序指令在被处理器152执行时引起计算系统150执行或引起光谱仪100执行本公开中所描述的任何功能。例如，这类程序指令可以为可响应于从输入/输出接口156接收的输入而执行的软件应用的一部分。计算机可读介质154也可以存储其它类型的信息或数据，诸如贯穿本公开所描述的那些类型。
如果适用的话，则输入/输出接口156可以实现与计算系统150的用户的交互。输入/输出接口156可以包括：输入组件，诸如表盘、按钮、键盘、鼠标、小键盘、或触敏面板；和输出组件，诸如显示屏(这例如可以与触敏面板组合)、扬声器、和触觉反馈系统。
图2为光谱仪100的示意图。光谱仪100包括：晶体分析仪102，该晶体分析仪102具有限定罗兰圆104的曲率半径；以及样品台106，该样品台106配置成支撑样品108使得该样品108从罗兰圆104偏移(例如在罗兰圆104内)。该光谱仪100还包括：x射线源110，该x射线源110配置成朝向样品台106(例如朝向样品108)发射不聚焦的x射线112；以及位置灵敏检测器114，该位置灵敏检测器114与罗兰圆104相切。光谱仪100可以为可操作的，以在具有小到1电子伏(eV)或更小的能量差的x射线之间区分。
例如，晶体分析仪102由晶体材料(诸如硅或锗)组成。晶体分析仪102配置成接收从样品108发射的或穿透样品108的x射线，且可以通过基于晶体分析仪102的晶格间距和晶体分析仪102相对于样品108的取向、借助布拉格反射而选择性地使特定波长/能带内的x射线散射而操作。晶体分析仪102可以具有如下曲率中的一者或多者：球面曲率、环形曲率、更复杂的双曲率、或圆柱形曲率，其中每一种例如是约翰(Johann)变型或约翰逊(Johansson)变型。晶体分析仪102可以具有至少一个旋转对称轴和一个或多个曲率半径，该一个或多个曲率半径不超过30厘米(cm)、不超过20cm、或不超过10cm。其它示例是可能的。
如图2所示，晶体分析仪102可以具有限定罗兰圆104的曲率半径。在图2中可能没有将晶体分析仪102的规格(例如曲率半径)相对于罗兰圆104按比例绘制。晶体分析仪102的曲率半径可以等于罗兰圆104的直径(即罗兰圆104的半径的两倍)，但是其它示例是可能的。
样品台106可以包括配置成保持或支撑样品108使得该样品108从罗兰圆104偏移(例如在罗兰圆104内部或外部)的任何结构或平台。在一些示例中，没有障碍的光学路径可以存在于整个样品台106(当未被样品108覆盖时)与晶体分析仪102的具有曲率半径的面之间。在一些配置(例如透射)中，样品台106可以具有允许x射线穿透样品108的孔。在一些透射配置中，样品108和样品台106位于晶体分析仪102和位置灵敏检测器114之间，以及将x射线源110朝向晶体分析仪102对齐使得不聚焦的x射线112入射在晶体分析仪102上并朝向样品108和样品台106散射。
样品108通常可以包括任何感兴趣的液体或固体材料样品。在液体样品108的情况下，样品108可以被封闭在透明容器内且被安装在样品台106上。固体样品108可以直接被安装在样品台106上。
x射线源110可以采用x射线管的形式，但是其它示例是可能的。x射线源110可以配置成朝向样品108发射不聚焦的x射线112。不聚焦的x射线112可以包括不聚焦的和/或宽波段的x射线，但是其它示例是可能的。x射线源110可以配置成发射在样品108上具有宽度至少为0.1mm的光斑尺寸的x射线。基于光谱仪100的配置，x射线源110可以位于罗兰圆104的内部或外部。
在图2中所示的发射配置中，x射线源110配置成朝向样品台106发射不聚焦的x射线112，从而当样品108存在时，不聚焦的x射线112入射在样品108面向晶体分析仪102的表面上。
在透射配置中，x射线源配置成朝向样品台106发射不聚焦的x射线，从而当样品108存在时，该不聚焦的x射线入射在样品108背向晶体分析仪102的表面上。在透射配置中，样品台106位于x射线源和晶体分析仪102之间。
位置灵敏检测器114可以采用配置成检测由晶体分析仪102散射的x射线的计数、强度和/或能量/波长的任何相机、区域检测器或线检测器的形式。位置灵敏检测器114也可以包括配置成使位置灵敏检测器114相对于晶体分析仪102移动的机构(例如一个或多个机动化或非机动化测微计)。在各种示例中，该位置灵敏检测器包括电荷耦合器件、CMOS相机、带状线检测器、二极管阵列、磷屏幕、光谱相机、或位置灵敏正比计数器。
晶体分析仪102可以配置成使来自不同方向(相对于样品108)的均具有第一波长的x射线116和x射线118散射到位置灵敏检测器114上的第一位置138。附加地，晶体分析仪102可以配置成使来自不同方向的具有第二波长的x射线120和x射线122散射到位置灵敏检测器114上的第二位置136。而且，晶体分析仪102可以配置成使来自不同方向的具有第三波长的x射线124和x射线126散射到位置灵敏检测器114上的第三位置134。x射线116和x射线118可以被想象成源于公共“虚拟”源位置128。x射线120和x射线122可以被想象成源于公共“虚拟”源位置130。x射线124和x射线126可以被想象成源于公共“虚拟”源位置132。
晶体分析仪102和位置灵敏检测器114可以配置成相对于样品台106完全一致地旋转，以实现对不同波长的x射线的分析。
x射线116至x射线126可以包括由晶体分析仪102借助布拉格散射而选择性散射的x射线。即，x射线116至x射线126可以基于其在晶体分析仪102上的入射角而被限制到满足晶体分析仪102的布拉格条件的各自能量范围。
光谱仪100可以被配置使得针对源于样品台106(例如样品108)的任一波长的x射线，存在晶体分析仪102的对应于该波长的专属区域，在该专属区域处，x射线能够既满足晶体分析仪102的布拉格条件、又被晶体分析仪102重定向到位置灵敏检测器114。例如，如果x射线116和x射线118在区域175内入射在晶体分析仪102上，则均具有第一波长(或波长范围)的x射线116和x射线118可能仅到达位置灵敏检测器114。如果x射线120和x射线122在区域173内入射在晶体分析仪102上，则均具有第二波长(或波长范围)的x射线120和x射线122可能仅到达位置灵敏检测器114。如果x射线124和x射线126在区域171内入射在晶体分析仪102上，则均具有第三波长(或波长范围)的x射线124和x射线126可能仅到达位置灵敏检测器114。其它示例是可能的。
图3为光谱仪100的一些组件的透视图。光谱仪100可以包括真空室。在图3中示出真空室的一个壁140。样品台106(例如样品108)、晶体分析仪102、和x射线源110的至少一部分可以位于真空室内。如图3所示，x射线源110可以穿透真空室的壁140。光谱仪100还可以包括在真空室的壁141内的出射窗(例如聚酰亚胺窗)142。出射窗142可以对x射线基本透明且在晶体分析仪102与位置灵敏检测器114之间。在其它示例中，位置灵敏检测器在真空室内部。
图4为光谱仪100的一些组件的前视图。晶体分析仪102可以被安装在台或安装支架103上。调整安装支架103可以导致分析仪102和罗兰圆104移动且可以用于检查不同波长的x射线。通常，将位置灵敏检测器114移动或旋转到与移动的罗兰圆104相切的位置。
图5示出集成到手套箱144(例如通风柜)中的光谱仪100。该配置可以用于检查在空气中起反应的或潜在有危险的材料。
图6为集成到手套箱144中的光谱仪100的特写视图。样品台106或光谱仪100通常可以包括样品塔台146，该样品塔台146配置成将安装在样品塔台146上的两个或更多个样品中的所选样品放置成与x射线源110对齐。图6也示出真空室148的全部。
图7为集成到手套箱144中的光谱仪100的另一特写视图。
图8为集成到手套箱144中的光谱仪100的又一特写视图。
图9为借助具有晶体分析仪的光谱仪执行的方法900的框图，该晶体分析仪具有限定罗兰圆的曲率半径。例如，该方法900可以使用光谱仪100来执行。
在框902，该方法900包括：借助x射线源朝向安装在样品台上的样品发射不聚焦的x射线，使得该样品从罗兰圆偏移，从而导致该样品发射撞击晶体分析仪的x射线或透射不聚焦的x射线的一部分以撞击晶体分析仪。
例如，x射线源110可以朝向安装在样品台106上的样品108发射不聚焦的(例如宽波段的)x射线112，使得样品108从罗兰圆104偏移。在各个实施方式中，x射线源可以位于罗兰圆的内部或外部。不聚焦的x射线112可以在样品108上形成宽度至少为0.1mm的光斑。其它波束光斑尺寸是可能的。
在图2中所示的发射配置中，x射线源110发射不聚焦的x射线112，使得不聚焦的x射线112入射在样品108面向晶体分析仪102的表面上。
在透射配置中，x射线源可以发射不聚焦的x射线，使得该不聚焦的x射线入射在样品108背向晶体分析仪102的表面上。在该背景下，样品台106可以位于x射线源110和晶体分析仪102之间。
在框904，该方法900包括借助晶体分析仪使撞击该晶体分析仪的x射线散射。例如，在x射线116至x射线126撞击晶体分析仪102之后，晶体分析仪102可以使x射线116至x射线126散射。
在框906，该方法900包括借助与罗兰圆相切的位置灵敏检测器检测散射的x射线。例如，在通过晶体分析仪102使x射线116至x射线126散射之后，位置灵敏检测器114可以检测到x射线116至x射线126。在一些示例(诸如在图3中所示的示例)中，x射线116至x射线126可以在被位置灵敏检测器114检测之前穿过出射窗142。
在光谱仪包括真空室的示例中，诸如图3至图8，可以使氦气流入真空室148中，且发射、散射和检测可以在真空室148包含氦气时发生。氦气为x射线的非常弱的吸收体且为化学惰性的。当分析对空气敏感或与其起反应的材料时，用氦气填充真空室148可以更易于使空气泵送出真空室148。
一些实施方式可以包括使晶体分析仪102旋转或移动(例如通过调整台或安装支架103)以及使位置灵敏检测器114相对于样品台106或样品108旋转或移动以将光谱仪100配置成检查特定段的x射线波长。
可以执行上述方法以确定标称氧化态的分布，识别出处，和/或检查油页岩中的硫、原油固体、原油液体、精炼的原油产品、加工的或未加工的油页岩、煤、煤灰、飞灰、生物碳、土壤、色素、宝石、或与空气起反应的含硫材料的局部化学成分。
可以执行上述方法以确定标称氧化态的分布，识别出处，和/或检查生物碳中的磷、润滑油、土壤、富含磷酸盐的矿石、或与空气起反应的含磷材料的局部化学成分。
可以执行上述方法以确定标称氧化态的分布，识别出处，和/或检查来自核燃料加工或回收的蚀屑流产物中的锝、显示锝污染的环境样品、或与空气起反应的含锝材料的局部化学成分。
可以执行上述方法以确定标称氧化态的分布，识别出处，和/或检查含铬的消费电子组件、土壤、涂料污泥、工业废料、矿石、或尾矿的局部化学成分。
图10示出利用DRR光谱仪从硫化锌(ZnS)收集的S Kαx射线发射数据和利用另一光谱仪从ZnS收集的数据之间的比较。利用DRR光谱仪(诸如光谱仪100)获取数据901。数据902是在欧洲同步辐射光源(ESRF)的波荡器光束线20-ID处获取的。当相比于数据902时，在数据901中能量分辨率存在小损失，这对应于光谱增宽几十电子伏(eV)。
基于10cm罗兰圆和相机的尺寸、从几何因素确定测量的能量标度。将光谱移动到与数据902对齐。为了降低约翰(Johann)误差，将分析仪下调到2.5mm，产生7.5光子/秒的计数率，这经过15小时得以整合以产生数据901。
图11示出利用DRR光谱仪(诸如光谱仪100)从磷化镓(GaP)收集的价能级Kβx射线荧光数据903和基于理论预期计算的数据904之间的比较。图11中所示的是来自GaP的样品的P Kβ发射的测量值。在含磷物中，Kβ发射为价到核(valence-to-core)跃迁，这允许将获得的数据903与使用FEFF软件进行的模拟值相比较，并获得良好一致性。Kβ发射比Kα发射弱了几乎30倍。以2.6光子/秒的计数率经过36小时整合数据903。
图12示出说明在P Kαx射线荧光中的能量偏移的数据，该数据指示在GaP和FePO4中具有不同氧化态的磷。两个样品被安装在样品圆盘(例如样品塔台)上，允许两次测量具有一致的能量规模。数据905表示GaP且数据906表示FePO4。利用类似于光谱仪100的光谱仪收集数据905和数据906。
装配有样品塔台的光谱仪100使对应于两个不同样品的这类数据能够在相同能量规模上、在几分钟内得以收集，允许准确地量化能量偏移。这可以用于例如确定经典的氧化态。在样品上的照射光斑可以大于3mm x 3mm。在一些实施方式中，该照射光斑的区域的尺寸至少为0.1mm x 0.1mm或至少为1mm x 1mm。
尽管本文中公开了各种示例性方面和示例性实施方式，但是其它方面和实施方式对于本领域技术人员来说将显而易见。本文中所公开的各种示例性方面和示例性实施方式仅仅出于说明目的且不意图进行限制，真正的范围和精神由所附权利要求来指示。

Claims (56)

1.一种光谱仪，包括：
晶体分析仪，所述晶体分析仪具有限定罗兰圆的曲率半径；
样品台，所述样品台配置成支撑样品使得所述样品从所述罗兰圆偏移；
x射线源，所述x射线源配置成朝向所述样品台发射不聚焦的x射线；以及
位置灵敏检测器，所述位置灵敏检测器与所述罗兰圆相切。
2.如权利要求1所述的光谱仪，其中，所述曲率半径不超过30厘米(cm)、不超过20cm、或不超过10cm。
3.如权利要求1至2中任一项所述的光谱仪，其中，所述晶体分析仪具有两个曲率半径。
4.如权利要求1至3中任一项所述的光谱仪，其中，所述晶体分析仪具有约翰几何结构或约翰逊几何结构。
5.如权利要求1至4中任一项所述的光谱仪，其中，所述晶体分析仪具有球面曲率、环形曲率、或圆柱形曲率。
6.如权利要求1至5中任一项所述的光谱仪，其中，在所述罗兰圆的平面上的所述曲率半径为所述罗兰圆的半径的两倍大。
7.如权利要求1至6中任一项所述的光谱仪，其中，没有障碍的光学路径存在于整个所述样品台与所述晶体分析仪的具有所述曲率半径的面之间。
8.如权利要求1至7中任一项所述的光谱仪，其中，所述样品台配置成支撑所述样品使得所述样品在所述罗兰圆的内部。
9.如权利要求1至7中任一项所述的光谱仪，其中，所述样品台配置成支撑所述样品使得所述样品在所述罗兰圆的外部。
10.如权利要求1至9中任一项所述的光谱仪，其中，所述样品台包括样品塔台，所述样品塔台配置成将安装在所述样品塔台上的两个或更多个样品中的所选样品放置成与所述x射线源对齐。
11.如权利要求1至10中任一项所述的光谱仪，其中，所述x射线源配置成发射x射线，当样品存在时，所述x射线在所述样品上具有宽度至少为0.1mm的光斑尺寸。
12.如权利要求1至11中任一项所述的光谱仪，其中，所述x射线源配置成发射具有宽带能谱的x射线。
13.如权利要求1至12中任一项所述的光谱仪，其中，所述x射线源包括x射线管。
14.如权利要求1至13中任一项所述的光谱仪，其中，所述位置灵敏检测器包括电荷耦合器件、CMOS相机、带状线检测器、二极管阵列、磷屏幕、光谱相机、或位置灵敏正比计数器。
15.如权利要求1至14中任一项所述的光谱仪，其中，所述晶体分析仪配置成使来自不同方向的具有第一波长的x射线散射到所述位置灵敏检测器上的第一位置。
16.如权利要求15所述的光谱仪，其中，所述晶体分析仪配置成使来自不同方向的具有第二波长的额外x射线散射到所述位置灵敏检测器上的第二位置，其中，所述第二波长不同于所述第一波长且所述位置灵敏检测器上的所述第一位置不同于所述位置灵敏检测器上的所述第二位置。
17.如权利要求1至16中任一项所述的光谱仪，还包括真空室，其中，所述样品台、所述晶体分析仪、和所述x射线源的至少一部分位于所述真空室内。
18.如权利要求17所述的光谱仪，其中，所述x射线源穿透所述真空室的壁。
19.如权利要求17至18中任一项所述的光谱仪，还包括所述真空室的壁内的出射窗，其中，所述出射窗对x射线基本透明且在所述晶体分析仪与所述位置灵敏检测器之间。
20.如权利要求17至18中任一项所述的光谱仪，其中，所述位置灵敏检测器在所述真空室内部。
21.如权利要求1至20中任一项所述的光谱仪，其中，所述光谱仪被集成到手套箱或通风柜中、或者配置成在其内部操作。
22.如权利要求1至21中任一项所述的光谱仪，其中，所述光谱仪可操作以在具有小到1电子伏(eV)的能量差的x射线之间区分。
23.如权利要求1至22中任一项所述的光谱仪，其中，所述晶体分析仪和所述位置灵敏检测器配置成相对于所述样品台完全一致地旋转。
24.如权利要求1至23中任一项所述的光谱仪，其中，所述x射线源配置成朝向所述样品台发射所述不聚焦的x射线，从而当所述样品存在时，所述不聚焦的x射线入射在所述样品面向所述晶体分析仪的表面上。
25.如权利要求1至23中任一项所述的光谱仪，其中，所述x射线源配置成朝向所述样品台发射所述不聚焦的x射线，从而当所述样品存在时，所述不聚焦的x射线入射在所述样品背向所述晶体分析仪的表面上。
26.如权利要求25所述的光谱仪，其中，所述样品台位于所述x射线源和所述晶体分析仪之间。
27.如权利要求1至26中任一项所述的光谱仪，其中，所述光谱仪被配置使得针对源于所述样品台的任一波长的x射线，存在所述晶体分析仪的对应于该波长的专属区域，在所述专属区域处，所述x射线能够既满足所述晶体分析仪的布拉格条件、又被所述晶体分析仪重定向到所述位置灵敏检测器。
28.如权利要求1至27中任一项所述的光谱仪，其中，所述x射线源在所述罗兰圆的内部。
29.如权利要求1至27中任一项所述的光谱仪，其中，所述x射线源在所述罗兰圆的外部。
30.一种借助具有晶体分析仪的光谱仪执行的方法，所述晶体分析仪具有限定罗兰圆的曲率半径，所述方法包括：
借助x射线源朝向安装在样品台上的样品发射不聚焦的x射线，使得所述样品从所述罗兰圆偏移，从而导致所述样品发射撞击所述晶体分析仪的x射线或透射所述不聚焦的x射线的一部分以撞击所述晶体分析仪；
借助所述晶体分析仪使撞击所述晶体分析仪的x射线散射；以及
借助与所述罗兰圆相切的位置灵敏检测器检测被散射的x射线。
31.如权利要求30所述的方法，其中，所述曲率半径不超过30厘米(cm)、不超过20cm、或不超过10cm。
32.如权利要求30至31中任一项所述的方法，其中，所述晶体分析仪具有两个曲率半径。
33.如权利要求30至32中任一项所述的方法，其中，所述晶体分析仪具有约翰几何结构或约翰逊几何结构。
34.如权利要求30至33中任一项所述的方法，其中，所述晶体分析仪具有球面曲率、环形曲率、或圆柱形曲率。
35.如权利要求30至34中任一项所述的方法，其中，在所述罗兰圆的平面上的所述曲率半径为所述罗兰圆的半径的两倍大。
36.如权利要求30至35中任一项所述的方法，其中，没有障碍的光学路径存在于整个所述样品与所述晶体分析仪的具有所述曲率半径的面之间。
37.如权利要求30至36中任一项所述的方法，其中，所述x射线源在所述罗兰圆的内部。
38.如权利要求30至36中任一项所述的方法，其中，所述x射线源在所述罗兰圆的外部。
39.如权利要求30至38中任一项所述的方法，其中，发射所述不聚焦的x射线包括：发射所述不聚焦的x射线使得所述不聚焦的x射线在所述样品上形成宽度至少为0.1mm的光斑。
40.如权利要求30至39中任一项所述的方法，其中，发射所述不聚焦的x射线包括：发射具有宽带能谱的x射线。
41.如权利要求30至40中任一项所述的方法，其中，所述x射线源包括x射线管。
42.如权利要求30至41中任一项所述的方法，其中，所述位置灵敏检测器包括电荷耦合器件、CMOS相机、带状线检测器、二极管阵列、磷屏幕、光谱相机、或位置灵敏正比计数器。
43.如权利要求30至42中任一项所述的方法，其中，所述光谱仪包括真空室，所述方法还包括：使氦气流入所述真空室中，且其中，所述发射、所述散射和所述检测在所述真空室包含氦气时发生。
44.如权利要求30至43中任一项所述的方法，其中，所述位置灵敏检测器在所述真空室内。
45.如权利要求30至43中任一项所述的方法，其中，在检测被散射的x射线之前，被散射的x射线穿过所述光谱仪的真空室的壁中的出射窗。
46.如权利要求30至45中任一项所述的方法，其中，所述光谱仪被集成到手套箱或通风柜中、或者在其内部操作。
47.如权利要求30至46中任一项所述的方法，还包括：使所述晶体分析仪和所述位置灵敏检测器相对于所述样品台完全一致地旋转以将所述光谱仪配置成检查特定段的x射线波长。
48.如权利要求30至47中任一项所述的方法，其中，发射所述不聚焦的x射线包括：发射所述不聚焦的x射线使得所述不聚焦的x射线入射在所述样品面向所述晶体分析仪的表面上。
49.如权利要求30至47中任一项所述的方法，其中，发射所述不聚焦的x射线包括：发射所述不聚焦的x射线使得所述不聚焦的x射线入射在所述样品背向所述晶体分析仪的表面上。
50.如权利要求49所述的方法，其中，所述样品台位于所述x射线源和所述晶体分析仪之间。
51.如权利要求30至50中任一项所述的方法，其中，所述方法被执行以确定标称氧化态的分布，识别出处，和/或检查油页岩中的硫、原油固体、原油液体、精炼的原油产品、加工的或未加工的油页岩、煤、煤灰、飞灰、生物碳、土壤、色素、宝石、或与空气起反应的含硫材料的局部化学成分。
52.如权利要求30至51中任一项所述的方法，其中，所述方法被执行以确定标称氧化态的分布，识别出处，和/或检查生物碳中的磷、润滑油、土壤、富含磷酸盐的矿石、或与空气起反应的含磷材料的局部化学成分。
53.如权利要求30至52中任一项所述的方法，其中，所述方法被执行以确定标称氧化态的分布，识别出处，和/或检查来自核燃料加工或回收的蚀屑流产物中的锝、显示锝污染的环境样品、或与空气起反应的含锝材料的局部化学成分。
54.如权利要求30至53中任一项所述的方法，其中，所述方法被执行以确定标称氧化态的分布，识别出处，和/或检查含铬的消费电子组件、土壤、涂料污泥、工业废料、矿石、或尾矿的局部化学成分。
55.如权利要求30至54中任一项所述的方法，其中，所述光谱仪包括如权利要求1至29中任一项所述的光谱仪。
56.一种用于存储指令的计算机可读介质，所述指令在被与如权利要求1至29中任一项所述的光谱仪电联接的处理器执行时引起所述光谱仪执行如权利要求30至55中任一项所述的方法。
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