CN110702718A - 光学镜、x射线荧光分析装置以及x射线荧光分析方法 - Google Patents

光学镜、x射线荧光分析装置以及x射线荧光分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于X射线荧光分析装置，包括X射线源(10)，用来利用X射束(19)辐照试样(15)；X射线探测器(17)，用于测量由所述试样(15)发出的X射线荧光辐射(16)；以及摄像机(25)，用于经由光学镜(20)产生试样(15)的被辐照的测量位置(29)的光学控制图像(26)，所述光学镜在所述X射线源(10)的射束路径中成角度地布置，所述光学镜包括载体(21)，在所述载体(21)上设置有镜层(28)。为了创建X射线荧光装置，由其真实控制记录待分析试样、尤其采用的表面点是可行的，本发明提供了光学镜(20)具有用于X射束(19)的通窗(23)，其由载体(21)中的开口(23)以及形成镜层(28)的膜(22)形成，所述膜在载体(21)的外表面上覆盖开口(23)。

Description

光学镜、X射线荧光分析装置以及X射线荧光分析方法
本发明专利申请是于2014年2月27日提交的发明名称为“光学镜、X射线荧光分析装置以及X射线荧光分析方法”的中国发明专利申请No.201480011675.4(国际申请号PCT/EP2014/053799)的分案申请。
技术领域
本发明涉及光学镜、尤其是用于X射线荧光分析装置的光学镜；以及涉及X射线荧光分析装置，其中所述X射线荧光分析装置具有用X射线辐射来辐照试样的X射线源、用于测量由试样发出的X射线荧光辐射的X射线探测器、以及摄像机，其中所述摄像机经由在X射线源的射束路径上成角度布置的光学镜产生试样的被辐照的位置的光学图像。此外，本发明涉及用于X射线荧光分析的对应方法，尤其用于确定薄层厚度的方法。
背景技术
X射线荧光分析是一种用于定性和定量材料分析的无损方法。该方法是基于这样的原理，通过用复色X射线辐射来辐照试样，电子从形成试样的原子的内壳释放。原子之间的间隙由来自内壳的电子充满。在这些转换的过程中，X射线范围内的特征荧光辐射出现，其通过探测器被记录并且提供了关于试样的元素成分的信息。
X射线荧光分析特别还适合用于薄层和层系统的层厚测量。因为X射线穿透薄层，所以X射线荧光辐射也在位于薄层下方的材料中产生，这种X射线荧光辐射转在其通向探测器的路径上于位于上方的层中由于吸收而被削弱。材料成分以及当前的层厚度都可以通过评价X射线辐射的波长范围内的光谱而被确定。为了实现良好的空间分辨率，测量点、所谓的试样的由主辐射所检测的区域必须被选成相当小。
在借助于X射线荧光分析的试样研究中，必须经由试样表面的光学图像来调整测量点。这通常采用摄像机来实现。然而，为了产生试样的测量位置的无视差的图像，控制拍摄必须尽可能地与X射线光束/X射束平行。为此目的，光学镜布置在光束路径中与摄像头成一角度指向。然而，为了镜不会在通向测量位置的路径上吸收X射线光束，镜必须在X射线光束的通过区域内具有一孔。这种光学镜由DE 33 14 281A1是可知的。然而，这种光学镜的不足之处在于为产生无干扰的图像其必须在一距试样表面的远距离处被固定。
具有用于通过X射线光束的孔的光学镜被用于产生控制拍摄的X射线荧光分析装置例如由DE 197 10 420 A1是可知的。在EP 1 348 949 B1中，对焦X射线光学器件附加地被采用，其被引导通过控制镜中的凹部。同样的情况由DE 32 39 379C2可知，该公开文献公开了一种镜，其中，孔的尺寸能够为了X射线光束的通过而被调节。
此外，X射线荧光分析装置以及用于X射线荧光分析的方法由US 4,406,015 A是已知的，其中，镜被布置在主射束中，所述镜具有被蒸镀到SiO2板上的铝层或者被蒸镀到塑料膜上的铝层。镜因此包括由塑料形成的全表面载体上的或全表面SiO2板上的铝层。
两个实施例的不足之处在于，这些全表面载体降低了指向测量物体的X射线辐射的强度，因而需要更多的测量时间。附加地，载体由塑料制成的实施例的不足之处在于，在整个时间过程内，塑料由于X射线辐射的辐照而被侵蚀。
发明内容
本发明的目的是改进光学镜、X射线荧光分析装置以及用于X射线荧光分析的方法，以使得在待分析的试样的测量位置可以实现自然控制拍摄，并且这是在试样位于距镜的非常短的距离处时。
上述目的以及有利的实施例由如下所述内容得出。
根据本发明的一个方面，提供一种用于X射线荧光分析装置的光学镜，其中，所述X射线荧光分析装置具有X射线源，用来利用X射束辐照试样；X射线探测器，用于测量由所述试样发出的X射线荧光辐射；以及摄像机，用于经由所述光学镜产生试样的被辐照的测量位置的光学控制图像，所述光学镜在所述X射线源的射束路径中成角度地布置，所述光学镜包括载体，在所述载体上设置有镜层，其中所述载体具有平坦的基体，所述平坦的基体在用于X射束的通窗的区域内具有凹口，并且在所述载体的外侧上将所述平坦的基体和所述凹口覆盖的膜形成所述镜层，其中所述膜被粘接至所述载体并且以无张力的方式覆盖所述载体的凹口，并且其中所述平坦的基体由玻璃制成。
优选地，所述膜由塑料制成。
优选地，所述膜由聚对苯二甲酸乙二酯制成。
优选地，所述膜被金属化。
优选地，所述膜具有由铝制成的涂层。
优选地，所述膜具有范围在几微米内的厚度。
优选地，所述凹口为圆孔。
优选地，所述载体被实施为仅仅矩形的框架，镜面化的膜被铺设到所述框架上或附到所述框架上。
根据本发明的另一个方面，提供一种X射线荧光分析装置，其包括：X射线源，用来利用X射束辐照试样；X射线探测器，用于测量由所述试样发出的X射线荧光辐射；以及摄像机，用于经由光学镜产生试样的被辐照的位置的光学控制图像，所述光学镜在所述X射线源的射束路径中成角度地布置，所述光学镜包括载体，在所述载体上设置有镜层，其中所述光学镜是根据如上所述形成的光学镜。
优选地，所述摄像机被实施为内窥镜。
优选地，单毛细管镜片或多毛细管镜片布置在所述光学镜之前。
根据本发明的又一个方面，提供一种用于对试样进行X射线荧光分析的方法，用于确定薄层的厚度，其中，所述试样利用来自X射线源的复色X射束被辐照，由所述试样发出的X射线荧光辐射利用X射线探测器被测量，所述试样的测量位置的光学控制图像利用摄像机经由光学镜产生，所述光学镜在所述X射线源的射束路径中成角度地布置，所述光学镜包括载体，在所述载体上设置有镜层，其中所述光学镜是如上所述的光学镜并且由X射束穿透，其中所述X射束首先进入并穿过所述载体的凹口并且随后穿过所述膜，并且，光学图像由所述试样在所述膜上的测量位置所反映，且所述光学图像通过所述摄像机被检测。
本发明的目的通过一种光学镜得以实现，所述光学镜具有用于X射线辐射的通窗，其中所述通窗由所述载体中的凹口以及在载体的外侧上覆盖凹口的膜形成，所述膜形成镜层。这种光学镜一方面可透X射束，尤其是X射线辐射的主辐照，具有高强度，因为仅仅膜是透光的，并且不可透光学辐射，以检测试样的测量位置的表面的图像，从而测量位置的完整的图像能够由摄像机检测。
微型光学器件可以通过这种光学镜产生，因而，试样上的焦点与X射线光学器件之间的距离可以通过以下方式保持较低，即维持光学镜的位置以便直接观察试样。因此，实现了X射线荧光分析装置的紧凑的或节省空间的构造。
优选地，膜由塑料制成、特别优选由聚对苯二甲酸乙二酯制成。塑料主要包括具有原子数仅为6的碳。由于X射线吸收对于待透过的材料的原子数z具有非常强烈的依赖性(大约～z4)，所以由塑料膜导致的削弱非常低。特别抗撕的膜可以由聚对苯二甲酸乙二酯、简称PET制成，特别是如果这种膜是双轴向伸展的话。
为了在膜上获得反射性涂层或者为了形成镜层，膜可以被金属化处理。金属化例如能够以简单的方式借助于溅镀(阴极雾化)或真空镀实现。
优选地，由铝制成的镜涂层被应用，这是因为铝具有被认为用于镜面化的金属的最低原子数并且还能够非常优良地被溅镀。
施加至载体的这种膜能够被实施成是特别地薄，例如具有仅仅几微米的厚度，从而主X射束很难被削弱，其吸收以指数的方式取决于待透过的材料厚度。
为了能够获得稳定的光学镜，载体具有平坦的基体，所述基体优选由玻璃制成，在通窗的区域内具有凹口、优选圆孔。镜面化的膜可以被铺设到或者被粘接到载体上，其中，粘接点仅仅需要例如被设置在边缘区域中。
特别地，通过将膜粘接到载体上可以实现膜在载体的凹口的区域内的无应力的布置。因此，膜仅仅在镜的透光的区域内是活性的，然而这很难造成X射束的强度损失。
替代性地，光学镜还可以具有框架来作为载体，镜面化的膜被铺设到所述框架上或附着所述框架。
此外，本发明的目的通过一种X射线荧光分析装置得以实现，其中，采用了具有用于X射束的通窗的光学镜，所述光学镜包括具有凹口的载体，所述凹口由膜覆盖，所述膜在所述载体的外侧上形成了镜层。
光学图像因而可以通过试样的测量位置得以检测，所述光学图像可以为了测量控制而被分析。
内窥镜可以被用作为摄像机，例如视频内窥镜。由于以这种方式实现的紧凑构造类型，聚焦X射线光学器件被采用，并且其非常靠近试样表面地被定位。因而获得了非常良好的空间分辨率。
优选地，在射束的方向上观看，单毛细管镜片或多毛细管镜片被定位在镜之前，从而聚焦主射束，并且实现测量表面上的较小的测量拍摄。
此外，本发明的目的通过一种用于对试样进行X射线荧光分析的方法得以实现，其中，光学镜包括具有用于X射束的通窗的载体，所述通窗例如通孔或凹口，所述通窗在载体的外侧上由膜覆盖，所述膜形成了镜面，以使得仅仅光学镜的膜由X射束透过，并且完整且无变形的光学图像由试样在膜上的测量位置或试样表面所反映，所述膜被形成为镜层，并且所述光学图像由摄像机检测到。
因此，可以实现在试样的测量位置处的测量的改进的评价和监测。附加地，为了检测试样的测量位置的完整图像而使得试样在X射束与其相邻定位的镜之间的移动是不必要的。这是因为光学镜能够被形成为节省空间的光学器件并仍可在测量期间位于X射束与测量位置之间。
附图说明
本发明及其其它有利实施例和改型借助于附图所示的实例以下更加详细地被描述和解释。根据本发明，由说明书和附图得到的特征可以单独地或者以任何组合方式一起地被采用。其中示出了：
图1是根据本发明的具有光学镜的X射线荧光分析装置的示意图；
图2是第一实施例的光学镜的立体图；并且
图3是第二实施例的光学镜的立体图。
具体实施方式
如图1所示的X射线荧光分析装置9包括具有传统构造的X射线管10，所述X射线管具有作为X射线源的热阴极12，电子从所述热阴极发出并且利用加速电压UB而被加速冲撞阳极11。在所述阳极处，电子被制动并且产生X射线射束/X射束13。复色X射束13的波长范围取决于加速电压UB，加速电压UB通常范围从大约10kV，例如在示意性实施例中到50kV，并且阳极材料例如为钨。
X射束13然后优选地通过X射线光学器件14被对焦/聚焦，其中所述X射线光学器件在示意性实施例中由单管/单毛细管(monocapillary)或多管/多毛细管(polycapillary)镜片形成。替代性地，仅仅简单的准直仪也可以被用于消隐射束19。
消隐的或聚集的射束19然后冲击试样15。试样15例如包括层15a或层系统。射束19至少部分地穿透层15a或者透过试样15的上层15a或层系统。在被辐照的区域内，产生X射线荧光射束16，其由诸如半导体探测器的X射线探测器17检测。试样15的材料成分和/或层15a或层系统的层厚可以利用以公知的方式评价X射线荧光射束16的测量的能量谱18而被确定。
同时，X射线荧光分析装置使得直接视频观察测量点29处的试样表面。这用于进行控制并且例如简化了试样15相对于测量点的定位。此外，采样的区域的或者测量位置29的光学控制拍摄因而能够针对每个X射线荧光测量被存储，从而随后能够完美地理解测量位置29的方位。
为了能够产生无视差的控制拍摄，测量位置29的图像与X射束19并行地被捕获。为此目的，光学镜20在射束路径中成角度地布置。成像光学器件例如镜片24将测量位置29的试样表面的图像显示到摄像机25、例如数码CCD摄像机上。优选地，内窥镜摄像机被提供，其具有小的尺寸并且能够被定位在距光学镜一短距离处。摄像机25的图像被显示在监视器26上并且能够被存储并利用测量数据组被分析。
为了光学镜20能够尽可能小地削弱X射束13，该光学镜具有用于X射束13的通窗30。该通窗30由载体21中的凹口23形成，所述凹口在载体21的一侧上由作为镜层28的透光膜22覆盖。膜27的外侧是镜面化的。载体21用膜22的该镜面化的外侧相对于测量位置29以倾斜的方式布置，从而X射束13首先进入并穿过载体21的凹口23，并且随后透过膜22或者穿过膜22。载体21优选包括玻璃。
X射束的吸收一方面具有关于待穿透的材料厚度的指数依赖性，并且另一方面具有与所穿透的材料的原子数Z的四次方成正比的非常强烈的依赖性。玻璃实际上可以用作为用于镜20的载体材料(硅具有14的原子数)，但是X射束13能够无阻碍地透过凹口23。
连续的薄膜22优选由塑料制成，位于光学镜20的朝向摄像机25的下侧上。塑料大体上包括碳，其原子数为6。附加地，塑料膜可以被制造成是特别地薄，厚度是在几微米的范围内，但是特别耐用且抗撕的。用于制造膜22的优选塑料是聚对苯二甲酸乙二酯，简称PET。特别地，根据本发明，由PET制成的、已知名称为Mylar、Melinex或Hostaphan的双轴向聚酯膜是合适使用的。
为了镜面化，塑料膜22被金属化处理，例如镜面化的金属涂层通过溅镀(阴极雾化)或真空镀被施涂至膜。由于尽可能小的原子数，所以铝(原子数13)特别适合作为涂层材料，其仍可以特别良好地被溅镀。
适合用于当前应用的金属化的PET膜具有例如小于100μm的典型材料厚度，并且具有高等级的抗撕性。反射性金属化涂层的厚度可以小于100nm。由于金属化的膜22的极低的材料厚度及其低原子数，所以该膜实质上对于X射束13而言是透明的。因此，它还成功地创建了具有实质上透明的通窗30的连续的光学镜20。
膜22可以被粘接、被层压或被铺设到载体21的平坦的基体上。粘接点可以被限于载体21的边缘区域。在图2中，这种镜20例如被示出。载体21具有作为通窗30的圆孔，X射束13可以透过所述圆孔。膜22铺设在载体21的外侧上并且覆盖孔23。
作为对由玻璃板制成的具有圆孔的载体21的替代，载体21还可以被实施为仅仅矩形的框架，膜22铺设附着在所述框架上。具有作为载体的框架21的该实施例在图3中例如示出。该实施例的优点在于，较大的区域可以用作为通窗30，从而X射线光学器件可以被移动以便相对于试样15来扫描测量点29，而不是在X射线光学器件14下方移动试样15。
X射线光学器件14与试样15之间的距离在示意性实施例中达到大约15mm。较大的距离是可行的，但是会导致X射束13的较差聚焦并因此导致X射线荧光分析装置9的较差的空间分辨率。由于较小的尺寸，所以视频内窥镜是特别合适的，其中，成像光学器件24和数码摄像机25集成为内窥镜的形式。
上述特征针对本发明本身而言均是重要的并且能够彼此以任何方式组合。

Claims (12)

1.一种用于X射线荧光分析装置的光学镜，所述X射线荧光分析装置具有X射线源(10)，用来利用X射束(19)辐照试样(15)；X射线探测器(17)，用于测量由所述试样发出的X射线荧光辐射(16)；以及摄像机(25)，用于经由所述光学镜(20)产生试样(15)的被辐照的测量位置(29)的光学控制图像(26)，所述光学镜在所述X射线源(10)的射束路径中成角度地布置，所述光学镜包括载体(21)，在所述载体(21)上设置有镜层(28)，
其特征在于，
所述载体(21)具有平坦的基体，所述平坦的基体在用于X射束(19)的通窗的区域内具有凹口(23)，并且在所述载体(21)的外侧上将所述平坦的基体和所述凹口(23)覆盖的膜(22)形成所述镜层(28)，其中所述膜(22)被粘接至所述载体(21)并且以无张力的方式覆盖所述载体(21)的凹口(23)，并且其中所述平坦的基体由玻璃制成。
2.根据权利要求1所述的光学镜，其特征在于，所述膜(22)由塑料制成。
3.根据权利要求2所述的光学镜，其特征在于，所述膜(22)由聚对苯二甲酸乙二酯制成。
4.根据权利要求1所述的光学镜，其特征在于，所述膜(22)被金属化。
5.根据权利要求2所述的光学镜，其特征在于，所述膜(22)具有由铝制成的涂层。
6.根据权利要求1所述的光学镜，其特征在于，所述膜(22)具有范围在几微米内的厚度。
7.根据权利要求1所述的光学镜，其特征在于，所述凹口为圆孔。
8.根据权利要求1所述的光学镜，其特征在于，所述载体(21)被实施为仅仅矩形的框架，镜面化的膜(22)被铺设到所述框架上或附到所述框架上。
9.一种X射线荧光分析装置，其包括X射线源(10)，用来利用X射束(19)辐照试样(15)；X射线探测器(17)，用于测量由所述试样发出的X射线荧光辐射(16)；以及摄像机(25)，用于经由光学镜(20)产生试样(15)的被辐照的位置的光学控制图像(26)，所述光学镜在所述X射线源(10)的射束路径中成角度地布置，所述光学镜包括载体(21)，在所述载体(21)上设置有镜层(28)，其特征在于，所述光学镜(20)是根据权利要求1所述形成的光学镜。
10.根据权利要求9所述的X射线荧光分析装置，其特征在于，所述摄像机(25)被实施为内窥镜。
11.根据权利要求9所述的X射线荧光分析装置，其特征在于，单毛细管镜片或多毛细管镜片布置在所述光学镜(20)之前。
12.一种用于对试样(15)进行X射线荧光分析的方法，用于确定薄层的厚度，其中，所述试样(15)利用来自X射线源(10)的复色X射束(19)被辐照，由所述试样(15)发出的X射线荧光辐射(16)利用X射线探测器(17)被测量，所述试样(15)的测量位置(29)的光学控制图像(26)利用摄像机(25)经由光学镜(20)产生，所述光学镜在所述X射线源(10)的射束路径中成角度地布置，所述光学镜包括载体(21)，在所述载体(21)上设置有镜层(28)，其特征在于，
所述光学镜(20)是根据权利要求1至8中任一所述的光学镜并且由X射束(13)穿透，其中所述X射束(13)首先进入并穿过所述载体(21)的凹口(23)并且随后穿过所述膜(22)，并且，光学图像由所述试样(15)在所述膜(22)上的测量位置(29)所反映，且所述光学图像通过所述摄像机(25)被检测。
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