CN111458364A - 一种多探测器的x射线荧光微区扫描仪器及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及X射线检测仪器的技术领域，尤其是涉及一种多探测器的X射线荧光微区扫描仪器及其成像方法。一种多探测器的X射线荧光微区扫描仪器，包括X射线发生装置、X射线收束装置、探测装置、移动装置及分析处理数据信息的计算机，所述探测装置包括至少两个探测器，所有探测器的探测面与X射线收束装置的射出焦点之间的距离相等。X射线发生装置产生X射线，产生的X射线通过X射线收束装置收束形成小焦斑。X射线照射样品后产生的荧光数据被探测器采集发送到计算机进行分析。通过设置多个探测器来增加探测面积和计数率，同时探测器的死时间并不会增加，实现高精度且高效率的扫描。

Description

一种多探测器的X射线荧光微区扫描仪器及其成像方法

技术领域

本发明涉及X射线检测仪器的技术领域，尤其是涉及一种多探测器的X射线荧光微区扫描仪器及其成像方法。

背景技术

XRF技术具有无损、快速、分析范围广、定量精度高等优点，在冶金、建材、矿产开发等领域有着十分广泛的应用，XRF定量范围涵盖痕量到常量，并且对样品形态无要求，因此XRF扫描可以和直读光谱、电镜等其它类型的扫描技术形成互补。近年来，随着冶金、新材料研发等领域的产业升级和人们的认知不断向微观领域拓展，单纯的材料宏观元素含量检测已经不再满足需求，微区扫描型XRF的概念也随之应运而生。

申请公布号为CN109298004A的发明专利公开了一种X射线荧光光谱仪。该方案中通过X射线管发生装置发射X射线到达样品台上的样品位置。样品被照射后，组成样品的原子的内层电子在X射线的照射下脱离原子的束缚，成为自由电子。此时其他的外层电子便会跃迁到这一空位，这个过程中会以荧光（次级X射线）的形式放出能量。由于每一种元素的原子能级结构都是特定的，因此发出的荧光的能量/波长也是特定的。通过测定荧光的能量/波长便可以确定相应元素的存在，而对应每种元素的荧光的强弱则代表该元素的含量。

授权公告号为CN20141256Y的实用新型专利公开了一种毛细管X光透镜共聚焦微区X射线荧光谱仪。该方案中通过毛细管X射线透镜将X射线发生装置（X光源）产生的X射线进行引导，改变X射线的传播方向，使得X射线汇聚成小点，去激发样品的微区，探测器探测整个微区的荧光的能量/波长信息来确定元素信息。

上述中的现有技术方案存在以下缺陷：由于X射线的产生效率较低，X荧光信号的光通量更低，实际检测时只有当探测到的荧光计数达到一定数量时，才能够得到精度比较高的检测结果。为了增加探测效率，节省时间，需要增加探测器面积，从而提高单位时间内探测的荧光数量。而目前市场上的单颗大面积高分辨率X射线能谱探测器的制造技术尚不成熟，且对高通量X射线处理形成的死时间会十分惊人，分辨率等指标无法达到要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的其中一个目的是提供一种多探测器的X射线荧光微区扫描仪器，其优势在于能够进行高精度且高效的扫描工作。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：一种多探测器的X射线荧光微区扫描仪器，包括X射线发生装置、X射线收束装置、探测装置、移动装置及分析处理数据信息的计算机，所述探测装置包括至少两个探测器，所有探测器的探测面与X射线收束装置的射出焦点之间的距离相等。

通过采用上述技术方案，X射线发生装置产生X射线，产生的X射线通过X射线收束装置收束形成小焦斑。样品放置在移动装置上并通过移动装置带动样品移动，使得X射线照射在样品上的不同位置。X射线照射样品后产生的荧光数据被探测器采集，发送到计算机进行分析，由于探测器和射出焦点之间的距离是相等，因此多个探测器同时采集的数据对应的是样品上同一位置。通过设置多个探测器来增加探测面积和计数率，同时探测器的死时间并不会增加，有效提高扫描效率的同时并不会降低扫描的精度，实现高精度且高效率的扫描。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述X射线发生装置包括小焦斑X射线管，所述X射线收束装置为将X射线发生装置产生的X射线汇聚的多毛细管X射线透镜。

通过采用上述技术方案，通过小焦斑X射线管和多毛细管X射线透镜配合产生尺寸较小的焦斑以满足微区扫描的需求。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述X射线发生装置的下方连接有安装架，所述安装架下端面的中部成型有空腔，所述多毛细管X射线透镜竖直向下伸入空腔内。

通过采用上述技术方案，在X射线发生装置的下方设置安装架来安装探测装置，多毛细管X射线透镜伸入空腔内，使得X射线照射样品不会受安装架影响。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述安装架的外侧面均布成型有数量与探测器数量相同的第一安装面，第一安装面从上往下均向远离空腔的方向倾斜，每个探测器单独对应安装在一个第一安装面上，所述探测器上设置有探测面的一端伸入空腔内。

通过采用上述技术方案，通过设置多个第一安装面来对应安装每一个探测器，通过第一安装面来配合控制探测器时的角度和位置。设置有探测面的一端伸入空腔内来进行探测，同时控制探测面与经X射线收束装置收束后的射出焦点之间的距离相等。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述安装架的外侧面位于两个第一安装面之间的位置成型有第二安装面，所述第二安装面上安装有同轴双眸摄像机，同轴双眸摄像机的物镜端伸入空腔内，所述同轴双眸摄像机的物镜的焦点和多毛细管X射线透镜的射出焦点聚焦在同一点。

通过采用上述技术方案，设置第二安装面来安装同轴双眸摄像机来作为图像采集装置，能够对一个目标同时进行两个不同放大倍数的图像信息采集。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述移动装置选用XYZ三轴数控平台，数控平台采用光栅尺位移传感器对数控平台在XYZ三轴方向的位移量进行调控。

通过采用上述技术方案，通过数控平台控制样品在XYZ三轴方向任意移动，通过光栅尺位移传感器对数控平台在每个方向上的位移量进行精确控制，保证元素分布图生成时的精确度。

本发明的另一个目的是提供一种多探测器的X射线荧光微区扫描仪器的成像方法。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种多探测器的X射线荧光微区扫描仪器的成像方法，包括：

一种多探测器的X射线荧光微区扫描仪器的成像方法，其特征是，包括：

S1、X射线发生装置产生X射线照射样品，移动装置带动样品以设定速度移动，移动装置同时将移动的坐标信息发送到计算机；

S2、多个探测器采集荧光信号，根据不同能量/波长进行分别计数，并将探测得到的数据发送到计算机；

S3、将多个探测器测得的数据汇总后计算样品在射出焦点位置的各元素含量，将测得的不同元素以不同的示意颜色复合在对应的坐标位置上，生成样品的各元素含量分布图。

通过采用上述技术方案，收集样品坐标信息和探测器得到的该坐标对应位置上的各元素含量信息，然后将测得的不同元素以不同的颜色复合在对应的坐标位置上最终形成元素分布图。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：在将多个探测器测得的数据汇总前，并以任一特征峰位为基准调节多个探测器的峰位数据。

通过采用上述技术方案，多个探测器在实际使用时总会出现特征峰位有些许偏移的情况。在这种情况下直接将多个探测器测得的数据进行汇总加和会导致分辨率变差和测量结果的不准确。因此在数据汇总之前，先以特征峰位为基准，通过计算机自动或人工手动的方式调节多个探测器的峰位数据、保证协调一致，再进行汇总加和，从而保证结果的精确度。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：包括：S4、图像采集装置拍摄样品图像，并发送到计算机，计算机对图像采集装置拍摄的图像进行倾斜修正，修正后的实物图像用于和各元素含量分布图进行对比分析。

通过采用上述技术方案，形成实物图像，将实物图像和各元素含量分布信息对比分析。

综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过设置多个探测器来增加探测面积和计数率，同时探测器的死时间并不会增加，有效提高扫描效率的同时并不会降低扫描的精度，实现高精度且高效率的扫描；

2.将测得的不同元素以不同的颜色复合在对应的坐标位置上最终形成元素含量分布图；

3.对多个探测器测得的数据根据特征峰位为基准进行调节，使多个探测器的峰位数据一致，以获得更精确的扫描结果。

附图说明

图1是实施例一的结构示意图；

图2是实施例一隐藏移动装置后的结构示意图；

图3是实施例一中的同轴双眸摄像机的示意图。

附图标记：1、X射线发生装置；2、X射线收束装置；3、图像采集装置；4、探测装置；5、移动装置；6、壳体； 8、安装架；9、空腔；10、第一安装面；11、探测器；12、第二安装面；13、物镜；14、分光镜；15、第一感光元件；16、第二感光元件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

如图1和图2所示，一种多探测器的X射线荧光微区扫描仪器，包括X射线发生装置1、X射线收束装置2、采集图像信息的图像采集装置3、探测荧光的探测装置4、样品移动的移动装置5以及分析处理数据信息的计算机。

如图2所示，X射线发生装置1包括壳体6以及位于壳体6内的小焦斑X射线管。X射线收束装置2为安装在壳体6下方与小焦斑X射线管相连接的多毛细管X射线透镜，小焦斑X射线产生的X射线经过多毛细管X射线透镜汇聚后形成最小5um的焦斑照射样品，使样品接收到的射线强度达到使用小孔准直器时的5000倍以上。

如图2所示，X射线发生装置1的下方连接有安装架8，安装架8下端面的中部成型有空腔9，多毛细管X射线透镜的下端伸入空腔9内。安装架8的外侧面均布成型有四个第一安装面10，第一安装面10从上往下均向远离空腔9的方向倾斜。探测装置4包括安装在每个第一安装面10上的探测器11（可以选用FastSDD探测器，亦可以选用其他的元素探测器），探测器11的探测面伸入空腔9内。单个探测器11的探测面积为25mm2，在计数率200kcps时，死时间小于15%，分辨率125eV。四个探测器11组合使用时，探测面积和计数率线性叠加分别达到100 mm2和800kcps，死时间是四个探测器11的平均值小于15%。四个探测器11围绕多毛细管X射线透镜的射出焦点均布设置，且探测器11的探测面和射出焦点之间的距离相等。

如图2和图3所示，安装架8的外侧面位于两个第一安装面10之间的位置成型有第二安装面12，图像采集装置3为安装在第二安装面12上的同轴双眸摄像机。同轴双眸摄像机仅有一个物镜13，且物镜13的焦点和多毛细管X射线透镜的射出焦点聚焦在同一点。同轴双眸摄像机的机体内安装有与物镜13轴线方向呈45度夹角的分光镜14，同轴双眸摄像机与物镜13同轴且远离物镜13的一端设置有第一感光元件15，同轴双眸摄像机侧面正对分光镜14的位置设置有第二感光元件16，部分光线透过分光镜14被第一感光元件15接收，部分光线经分光镜14反射被后第二感光元件16接收。第一感光元件15和第二感光元件16与分光镜14之间的距离不同，因此同轴双眸摄像机能够观察一个目标，但能够同时摄录两个不同放大倍数的图像。

如图1所示，移动装置5选用高精度大行程的XYZ三轴数控平台，数控平台的平台上表面成型有样品腔。数控平台在XY轴方向的最大位移行程均达到200mm，数控平台在Z轴（高度方向）方向的最大行程为150mm。数控平台采用光栅尺位移传感器对数控平台在XYZ三轴方向的位移量进行调控，且定位精度能够达到2.5um。数控平台具有消除抖动功能以维持数控平台带动样品运动时的稳定性。

X射线发生装置1、图像采集装置3、探测装置4以及移动装置5均通过USB或RS-232接口与计算机相连接，控制各个部件之间的同步协调，确保能够进行精确定点扫描。

实施例二：

一种多探测器的X射线荧光微区扫描仪器的成像方法，包括：

S1、X射线发生装置1产生X射线照射样品，数控平台带动样品以设定速度移动，数控平台同时将移动的坐标信息发送到计算机。

S2、四个探测器11采集荧光信号，根据不同能量/波长进行分别计数，并将探测得到的数据发送到计算机。

S3、计算机对四个探测器11测得的数据分别记录，并以任一特征峰位为基准调节四个探测器11的峰位数据，将调节后的数据汇总加和（可以通过计算机自动，亦可以通过手动方式调节）。

S4、根据汇总后的数据计算样品在射出焦点位置的各种元素含量，将测得的不同元素以不同的颜色（射出焦点对应的某种元素含量越高，该元素对应的颜色越亮）复合在对应的坐标位置上，生成样品的各元素含量分布图。

S5、同轴双眸摄像机拍摄样品图像（与S2同步进行），并发送到计算机，计算机对同轴双眸摄像机拍摄的图像进行倾斜修正，修正后的实物图像用于和各元素含量分布图进行对比分析。

其中S5仅为生成展示图，并非成像过程中的必要步骤。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多探测器的X射线荧光微区扫描仪器，包括X射线发生装置(1)、X射线收束装置(2)、探测装置(4)、移动装置(5)及分析处理数据信息的计算机，其特征是：所述探测装置(4)包括至少两个探测器(11)，所有探测器(11)的探测面与X射线收束装置(2)的射出焦点之间的距离相等。

2.根据权利要求1所述的多探测器的X射线荧光微区扫描仪器，其特征是：所述X射线发生装置(1)包括小焦斑X射线管，所述X射线收束装置(2)为将X射线发生装置(1)产生的X射线汇聚的多毛细管X射线透镜。

3.根据权利要求2所述的多探测器的X射线荧光微区扫描仪器，其特征是：所述X射线发生装置(1)的下方连接有安装架(8)，所述安装架(8)下端面的中部成型有空腔(9)，所述多毛细管X射线透镜竖直向下伸入空腔(9)内。

4.根据权利要求3所述的多探测器的X射线荧光微区扫描仪器，其特征是：所述安装架(8)的外侧面均布成型有数量与探测器(11)数量相同的第一安装面(10)，第一安装面(10)从上往下均向远离空腔(9)的方向倾斜，每个探测器(11)单独对应安装在一个第一安装面(10)上，所述探测器(11)上设置有探测面的一端伸入空腔(9)内。

5.根据权利要求4所述的多探测器的X射线荧光微区扫描仪器，其特征是：所述安装架(8)的外侧面位于两个第一安装面(10)之间的位置成型有第二安装面(12)，所述第二安装面(12)上安装有同轴双眸摄像机，同轴双眸摄像机的物镜(13)端伸入空腔(9)内，所述同轴双眸摄像机的物镜(13)的焦点和多毛细管X射线透镜的射出焦点聚焦在同一点。

6.根据权利要求5所述的多探测器的X射线荧光微区扫描仪器，其特征是：所述移动装置(5)选用XYZ三轴数控平台，数控平台采用光栅尺位移传感器对数控平台在XYZ三轴方向的位移量进行调控。

7.一种多探测器的X射线荧光微区扫描仪器的成像方法，其特征是，包括：

S1、X射线发生装置(1)产生X射线照射样品，移动装置(5)带动样品以设定速度移动，移动装置(5)同时将移动的坐标信息发送到计算机；

S2、多个探测器(11) 采集荧光信号，根据不同能量/波长进行分别计数，并将探测得到的数据发送到计算机；

S3、将多个探测器(11)测得的数据汇总后计算样品在射出焦点位置的各元素含量，将测得的不同元素以不同的示意颜色复合在对应的坐标位置上，生成样品的各元素含量分布图。

8.根据权利要求7所述的多探测器的X射线荧光微区扫描仪器的成像方法，其特征是：在将多个探测器(11)测得的数据汇总前，以任一特征峰位为基准调节多个探测器(11)的峰位数据。

9.根据权利要求8所述的多探测器的X射线荧光微区扫描仪器的成像方法，其特征是，包括：S4、图像采集装置(3)拍摄样品图像，并发送到计算机，计算机对图像采集装置(3)拍摄的图像进行倾斜修正，修正后的实物图像用于和各元素含量分布图进行对比分析。

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