CN111537537A - 基于实验室x光源的单色共聚焦x射线荧光光谱分析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明主要涉及光谱分析技术领域，提供了一种基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置，采用实验室X光管产生发散的多色X射线，毛细管X光半透镜将发散的多色X射线转化成发散度较小且高强度增益的准平行X射线，再通过单色器将来自毛细管X光半透镜出射的多色的准平行X射线转化成单色的准平行X射线，再通过聚焦器与信号接收器形成共聚焦微元，使样品与共聚焦微元做相对运动产生样品荧光信号，控制分析终端对样品荧光信号进行分析处理，实现对位于共聚焦微元的样品部分进行高精度的空间元素分析，本发明提供的光谱分析装置体积小，设备的造价便宜，同时，产生的样品荧光信号杂散光更少，提高信噪比，进一步降低对样品的检测限。
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析技术领域，尤其涉及一种基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置。
背景技术
共聚焦X射线荧光光谱分析技术是一种直接的具有空间分辨的微区谱学分析技术，可以对微小不规则的样品任意空间位置的元素成分进行分析，是研究物质微区结构的有效工具，在生物，考古、地质，生物，材料及化学分析等科学领域具有广泛的应用前景。
现有技术中的共聚焦X射线荧光光谱分析设备通常使用同步辐射共聚焦X射线荧光光谱分析仪，同步辐射共聚焦X射线荧光光谱分析仪激发的射线为单色X射线束，几乎不存在连续谱，因此从样品出射的X射线除了样品中的元素被激发产生的荧光X射线和单色入射线的瑞利散射和康普顿散射以外，几乎不存在连续散射背景。因此待测元素特征线具有极低的背景，对于样品的检测限更低，有利于进行样品元素的定量分析。
但是，由于同步辐射光源设备体积庞大，造价昂贵，因此基于同步辐射光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析仪难以在实际应用中推广应用。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置，实现对微小样品进行高精度的空间元素分析，结构简单，降低成本，有利于促进共聚焦X射线荧光光谱分析技术的推广应用。
本发明提供了一种基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置，所述装置具体包括：
X射线发生器、毛细管X光半透镜、单色器、聚焦器、荧光信号接收器、三维调节平台、X射线探测器和控制分析终端；
所述X射线发生器设置于所述毛细管X光半透镜的入口焦点处，用于产生发散的多色X射线；
所述毛细管X光半透镜用于接收所述X射线发生器出射的所述发散的多色X射线，并将接收的所述发散的多色X射线转化成多色的准平行X射线；
所述单色器设置于所述毛细管X光半透镜的出射口之后，用于接收所述毛细管X光半透镜出射的所述多色的准平行X射线，并将接收的所述多色的准平行X射线转化成单色的准平行X射线；
所述聚焦器设置于所述单色器的出射光路中，用于接收所述单色器出射的所述单色的准平行X射线，并将接收的所述单色的准平行X射线会聚成微焦斑，所述微焦斑位于所述荧光信号接收器的入口焦点处，形成共聚焦微元；
在所述荧光信号接收器的入口焦点处设置有所述三维调节平台，所述三维调节平台上放置有样品，所述三维调节平台用于调节所述样品与所述共聚焦微元做相对运动，所述荧光信号接收器用于接收所述样品与所述共聚焦微元做相对运动而产生的样品荧光信号；
所述X射线探测器用于接收所述荧光信号接收器发送的样品荧光信号；
所述控制分析终端与所述X射线探测器连接，用于接收所述X射线探测器发送的样品荧光信号，并对接收的所述样品荧光信号进行分析和存储，所述控制分析终端与所述三维调节平台连接，用于控制所述三维调节平台调节所述样品与所述共聚焦微元做相对运动。
优选的，所述X射线发生器为实验室X光管。
优选的，所述实验室X光管的靶材为铜、钼、银或钨。
优选的，所述实验室X光管的功率为30-5000瓦。
优选的，所述X射线发生器的焦斑与所述毛细管X光半透镜的前焦斑重合。
优选的，所述单色器为平面晶体单色器。
优选的，所述聚焦器为毛细管X光半透镜或单毛细管X光聚焦透镜。
优选的，所述荧光信号接收器为毛细管X光半透镜。
优选的，所述X射线探测器为硅半导体X射线能量探测器。
优选的，所述控制分析终端包括计算机和移动终端设备。
有益效果：与现有技术相比，本发明实施例利用实验室X光管产生发散的多色X射线，设置毛细管X光半透镜将实验室X光管产生的发散的多色X射线转化成发散度较小且高强度增益的准平行X射线，再通过单色器将来自毛细管X光半透镜出射的多色的准平行X射线转化成单色的准平行X射线，再通过聚焦器将单色的准平行X射线会聚成几十微米的微焦斑，并使微焦斑与信号接收器的前焦点重合从而形成共聚焦微元，利用三维调节平台使样品与共聚焦微元做相对运动，产生样品荧光信号，再通过控制分析终端对样品荧光信号进行分析处理，实现对位于共聚焦微元的样品部分进行高精度的空间元素分析。采用实验室X光管产生发散的多色X射线，作为X射线光源，使得共聚焦X射线荧光光谱分析装置的体积小，设备的造价便宜，同时，本发明提供的基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置中，从单色器出射的准平行X射线是单色的，会聚成几十微米的微焦斑，对于样品元素更加敏感，微焦斑与信号接收器的前焦点重合从而形成共聚焦微元，利用三维调节平台使样品与共聚焦微元做相对运动，从而使产生的样品荧光信号杂散光更少，提高信噪比，进一步降低对样品的检测限。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中提供的一种共聚焦X射线荧光光谱分析仪的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置的结构示意图；
附图标记：1-X射线发生器；2-毛细管X光半透镜；3-单色器；4-聚焦器；5-样品；6-三维调节平台；7-共聚焦微元；8-荧光信号接收器；9-探测器；10-分析控制终端。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
下面将结合附图对本申请的实施例进行描述，但并非对本发明的限制。
如图1所示，为现有技术中提供的一种共聚焦X射线荧光光谱分析仪的结构示意图，X射线发生器1采用的是同步辐射X射线光源，产生多色X射线，出射到毛细管X光半透镜2，毛细管X光半透镜2将多色X射线会聚成微焦斑，使微焦斑与信号接收器8的前焦点重合从而形成共聚焦微元7，利用三维调节平台6使样品5与共聚焦微元7做相对运动，产生样品荧光信号，再通过控制分析终端10对样品荧光信号进行分析处理，实现对位于共聚焦微元7的样品部分进行高精度的空间元素分析。但由于同步辐射X射线光源设备体积庞大，造价昂贵，因此现有技术中的基于同步辐射光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析仪难以在实际应用中推广应用，同时，现有技术提供的共聚焦X射线荧光光谱分析仪中，从毛细管X光半透镜2出射的X射线是多色的，会聚成微焦斑，对于样品元素敏感度较低，微焦斑与信号接收器8的前焦点重合从而形成共聚焦微元7，利用三维调节平台6使样品5与共聚焦微元7做相对运动，从而使产生的样品荧光信号杂散光较多，降低信噪比，从而导致对样品的检测限提高。
实施例一
基于上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置，如图2所示，为本发明实施例提供的一种基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置的结构示意图，所述装置包括：X射线发生器1、毛细管X光半透镜2、单色器3、聚焦器4、荧光信号接收器8、三维调节平台6、X射线探测器9和控制分析终端10；所述X射线发生器1设置于所述毛细管X光半透镜2的入口焦点处，用于产生发散的多色X射线；所述毛细管X光半透镜2用于接收所述X射线发生器1出射的所述发散的多色X射线，并将接收的所述发散的多色X射线转化成多色的准平行X射线；所述单色器3设置于所述毛细管X光半透镜2的出射口之后，用于接收所述毛细管X光半透镜2出射的所述多色的准平行X射线，并将接收的所述多色的准平行X射线转化成单色的准平行X射线；所述聚焦器4设置于所述单色器3的出射光路中，用于接收所述单色器3出射的所述单色的准平行X射线，并将接收的所述单色的准平行X射线会聚成微焦斑，所述微焦斑位于所述荧光信号接收器8的入口焦点处，形成共聚焦微元7；在所述荧光信号接收器8的入口焦点处设置有所述三维调节平台6，所述三维调节平台6上放置有样品5，所述三维调节平台6用于调节所述样品5与所述共聚焦微元7做相对运动，所述荧光信号接收器8用于接收所述样品5与所述共聚焦微元7做相对运动而产生的样品荧光信号；所述X射线探测器9用于接收所述荧光信号接收器8发送的样品荧光信号；所述控制分析终端10与所述X射线探测器9连接，用于接收所述X射线探测器9发送的样品荧光信号，并对接收的所述样品荧光信号进行分析和存储，所述控制分析终端10与所述三维调节平台6连接，用于控制所述三维调节平台6调节所述样品5与所述共聚焦微元7做相对运动。
需要说明的是，所述X射线发生器1为常规点状光斑的实验室X光管，X光管的可选靶材为铜、钼、银或者钨，X射线发生器1的功率范围为30-5000瓦；所述X射线发生器1的焦斑设置于所述毛细管X光半透镜2的前焦斑处，即，所述X射线发生器1的焦斑与所述毛细管X光半透镜2的前焦斑重合，其中所述X射线发生器1的焦斑直径为50-500微米。所述毛细管X光半透镜2将所述X射线发生器1出射的发散的多色X射线转化成发散度较小且高强度增益的多色的准平行X射线，由于平面晶体单色器对准平行X射线具有更高的传输效率，因此可以提高X射线光通量，从而提升了光谱分析装置对X射线的利用率，有效提高光谱分析装置的分析效率。
在所述毛细管X光半透镜2的出射口之后设置有单色器3，具体的，所述单色器可以为平面晶体单色器，所述平面晶体单色器的平面与所述毛细管X光半透镜2出射方向成一定角度，多色的准平行X射线经过单色器3后转化成单色的准平行X射线。
所述聚焦器4设置于所述单色器3的出射光路中，用于接收所述单色器3出射的所述单色的准平行X射线，并将接收的所述单色的准平行X射线会聚成微焦斑，所述微焦斑位于所述荧光信号接收器8的入口焦点处，形成共聚焦微元7
所述聚焦器4设置于所述单色器3的出射光路中，聚焦器4入射方向指向单色器3出射方向，具体的，所述聚焦器4可为毛细管X光半透镜或者单毛细管X光聚焦透镜，所述聚焦器4用于接收单色器3出射的所述单色的准平行X射线，把单色的准平行X射线会聚成几十微米的微焦斑，此微焦斑具有较高的光强增益。
需要说明的是，所述荧光信号接收器8可以为毛细管X光半透镜，存在一个前焦斑，所述荧光信号接收器8具有接收其前焦斑处的荧光信号的作用，调节所述荧光信号接收器8与所述聚焦器4之间的相对位置，使所述聚焦器4出射的微焦斑与所述荧光信号接收器8的前焦斑重合，形成共聚焦微元7。
在所述荧光信号接收器8的前焦斑处设置有所述三维调节平台6，即共聚焦微元7处设置所述三维调节平台6，在所述三维调节平台6上放置有样品5，所述三维调节平台6用于调节所述样品5与所述共聚焦微元7做相对运动，从而产生样品荧光信号，使样品5不同位置的样品荧光信号都可以被探测。需要说明的是，只有置于共聚焦微元7区域的样品部位才能够产生样品荧光信号，从而被进行荧光光谱分析，从而实现探测该样品部位的空间元素分布。
具体的，X射线探测器9为硅半导体X射线能量探测器，位于所述荧光信号接收器8之后，所述X射线探测器9用于接收所述荧光信号接收器8发送的样品荧光信号；所述控制分析终端10与所述X射线探测器9连接，用于接收所述X射线探测器9发送的样品荧光信号，并对接收的所述样品荧光信号进行分析，从而获得样品5的空间元素分布。所述控制分析终端10与所述三维调节平台6连接，用于控制所述三维调节平台6调节所述样品5与所述共聚焦微元7做相对运动，经过三维运动，以便于调节所述样品5的不同部位处于共聚焦微元7区域内，从而实现对样品5不同部位的空间元素分布进行分析，从而可以探测任意空间的样品5的元素分布。其中，控制分析终端10可以为计算机，或者具有样品空间元素分布分析功能的移动终端设备。
需要说明的是，此外，本发明提供的一种基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置的各个部分，还需要支撑工件和位置调节器把各个部分合理的组合起来，具体的实施方式属于本领域公知常识，在此不再赘述。
有益效果：与现有技术相比，本发明实施例利用实验室X光管产生发散的多色X射线，设置毛细管X光半透镜将实验室X光管产生的发散的多色X射线转化成发散度较小且高强度增益的准平行X射线，再通过单色器将来自毛细管X光半透镜出射的多色的准平行X射线转化成单色的准平行X射线，再通过聚焦器将单色的准平行X射线会聚成几十微米的微焦斑，并使微焦斑与信号接收器的前焦点重合从而形成共聚焦微元，利用三维调节平台使样品与共聚焦微元做相对运动，产生样品荧光信号，再通过控制分析终端对样品荧光信号进行分析处理，实现对位于共聚焦微元的样品部分进行高精度的空间元素分析。采用实验室X光管产生发散的多色X射线，作为X射线光源，使得共聚焦X射线荧光光谱分析装置的体积小，设备的造价便宜，同时，本发明提供的基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置中，从单色器出射的准平行X射线是单色的，会聚成几十微米的微焦斑，对于样品元素更加敏感，微焦斑与信号接收器的前焦点重合从而形成共聚焦微元，利用三维调节平台使样品与共聚焦微元做相对运动，从而使产生的样品荧光信号杂散光更少，提高信噪比，进一步降低对样品的检测限。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置，其特征在于，所述装置包括：
X射线发生器(1)、毛细管X光半透镜(2)、单色器(3)、聚焦器(4)、荧光信号接收器(8)、三维调节平台(6)、X射线探测器(9)和控制分析终端(10)；
所述X射线发生器(1)设置于所述毛细管X光半透镜(2)的入口焦点处，用于产生发散的多色X射线；
所述毛细管X光半透镜(2)用于接收所述X射线发生器(1)出射的所述发散的多色X射线，并将接收的所述发散的多色X射线转化成多色的准平行X射线；
所述单色器(3)设置于所述毛细管X光半透镜(2)的出射口之后，用于接收所述毛细管X光半透镜(2)出射的所述多色的准平行X射线，并将接收的所述多色的准平行X射线转化成单色的准平行X射线；
所述聚焦器(4)设置于所述单色器(3)的出射光路中，用于接收所述单色器(3)出射的所述单色的准平行X射线，并将接收的所述单色的准平行X射线会聚成微焦斑，所述微焦斑位于所述荧光信号接收器(8)的入口焦点处，形成共聚焦微元(7)；
在所述荧光信号接收器(8)的入口焦点处设置有所述三维调节平台(6)，所述三维调节平台(6)上放置有样品(5)，所述三维调节平台(6)用于调节所述样品(5)与所述共聚焦微元(7)做相对运动，所述荧光信号接收器(8)用于接收所述样品(5)与所述共聚焦微元(7)做相对运动而产生的样品荧光信号；
所述X射线探测器(9)用于接收所述荧光信号接收器(8)发送的样品荧光信号；
所述控制分析终端(10)与所述X射线探测器(9)连接，用于接收所述X射线探测器(9)发送的样品荧光信号，并对接收的所述样品荧光信号进行分析和存储，所述控制分析终端(10)与所述三维调节平台(6)连接，用于控制所述三维调节平台(6)调节所述样品(5)与所述共聚焦微元(7)做相对运动。
2.根据权利要求1所述的基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置，其特征在于，所述X射线发生器(1)为实验室X光管。
3.根据权利要求2所述的基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置，其特征在于，所述实验室X光管的靶材为铜、钼、银或钨。
4.根据权利要求3所述的基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置，其特征在于，所述实验室X光管的功率为30-5000瓦。
5.根据权利要求1所述的基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置，其特征在于，所述X射线发生器(1)的焦斑与所述毛细管X光半透镜(2)的前焦斑重合。
6.根据权利要求1所述的基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置，其特征在于，所述单色器(3)为平面晶体单色器。
7.根据权利要求1所述的基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置，其特征在于，所述聚焦器(4)为毛细管X光半透镜或单毛细管X光聚焦透镜。
8.根据权利要求1所述的基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置，其特征在于，所述荧光信号接收器(8)为毛细管X光半透镜。
9.根据权利要求1所述的基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置，其特征在于，所述X射线探测器(9)为硅半导体X射线能量探测器。
10.根据权利要求1所述的基于实验室X光源的单色共聚焦X射线荧光光谱分析装置，其特征在于，所述控制分析终端(10)包括计算机和移动终端设备。
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- 2020-05-19 CN CN202010425768.9A patent/CN111537537A/zh active Pending
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