CN112859146B - 一种x射线能谱联合测量谱仪及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X射线能谱联合测量谱仪，用于在同一方位上联合晶体衍射方法和滤片堆栈方法测量X射线能谱，包括前后依次共轴安装于屏蔽外壳内的辐射屏蔽模块、晶体衍射测谱模块和滤片堆栈测谱模块，以及用于对中的瞄准组件。本发明联合了晶体衍射和滤片衰减两种测谱方法，解决了现有技术无法同时实现高精度和大量程的技术难题，在单一视角内实现了高精度大量程的能谱测量，可用于诊断激光X射线源、X光管射线源等从keV至MeV的能谱数据。本发明具有测谱范围大，能谱分辨高，抗碎片打击，抗等离子体喷溅，占用空间立体角小，应用范围广等优点。

Description

一种X射线能谱联合测量谱仪及其实现方法

技术领域

本发明涉及X射线能谱测量技术领域，具体地讲，是涉及一种X射线能谱联合测量谱仪及其实现方法。

背景技术

X射线自发现以来，就在工业、农业、医疗等许多领域得到了广泛的应用，在科学研究和国计民生方面发挥了重要的作用。目前，主要的普遍使用的X射线装置包括：放射源、X光机、加速器X光源等。随着强激光技术的不断进步，利用强激光驱动能够通过多种方式产生X射线，成为一种新型的X射线产生途径。放射源是产生X射线的能谱特性比较单一，其余的方式均基于电子束与物质的相互作用，这种方式产生的X射线能谱较为复杂，即包含物质的特征X射线辐射也包含轫致辐射成分。精确测量各种X射线源装置的能谱结构，获得其特征谱线和轫致辐射，在X射线装置运维、新型X射线装置研发、X射线辐射材料特性研究、透视照相、X射线无损检测、各类CT研制等方面都具有重要意义。

X射线能谱测量方式多种多样，各有适用范围。基于半导体的探测器是常见的能谱探测器，但是受电子学采样频率限制无法用于超高计数率的X射线源，如激光X射线源等。基于晶体衍射分光的晶体谱仪能谱分辨率高，但是受晶体衍射角度和衍射效率的限制，其测谱范围比较窄，通常从几keV值至百keV。基于滤片法的能谱诊断技术包括滤片堆栈、扇形滤片，使用滤片和时间积分的记录介质测量伽马射线能谱，但是滤片法测谱精度太低不适用于精细谱线结构的测量。目前基于上述测量原理的X射线能谱测量设备都是分立设备，为了同时测量X射线源具有精细结构的特征谱线和宽能区范围的轫致辐射，需要安装多套设备，需要的诊断立体角大，各设备测量方位不一致，难以获得各项异性的X射线源的精确光谱。对于激光打靶产生的新型X射线源，打靶同时产生的大量高能电子、质子、重离子等射线会严重干扰X射线能谱测量，这又增加了精确测量X射线能谱的困难。

发明内容

针对上述现有技术中的上述问题，本发明提供一种高精度和大量程的X射线能谱联合测量谱仪及其实现方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种X射线能谱联合测量谱仪，用于在同一方位上联合晶体衍射方法和滤片堆栈方法测量X射线能谱，包括前后依次共轴安装于屏蔽外壳内的辐射屏蔽模块、晶体衍射测谱模块和滤片堆栈测谱模块，其中，

所述辐射屏蔽模块用于偏转和吸收单一视角入射谱仪的高能带电粒子、屏蔽碎片打击和等离子体溅射，

所述晶体衍射测谱模块利用晶体衍射部分X射线，根据布拉格衍射原理实现不同能量X射线能谱的高精度测量，

所述滤片堆栈测谱模块用于对未被晶体衍射且穿过晶体衍射测谱模块的直穿X射线采用滤片堆栈衰减的方式根据X射线穿透深度实现大量程的能谱测量。

具体地，所述辐射屏蔽模块包括永磁体和前屏蔽狭缝，所述永磁体内部为空腔且放置于谱仪入口，用于偏转入射谱仪的高能带电粒子，如电子、质子、离子等，减小其对X射线能谱测量的影响；所述前屏蔽狭缝采用高原子序数金属制成，用于阻挡经永磁体偏转的高能带电粒子和屏蔽高速碎片，其上开设有用于通过X射线的限光狭缝。所述高原子序数金属是指元素周期表中第六周期的金属元素，由于其原子核重，对于高能带电粒子具有较好的阻止本领，适合用于射线屏蔽。常用的屏蔽材料包括：铅、钽、钨、金等单质金属，以及它们的合金材料。

并且，所述辐射屏蔽模块包括还包括置于前屏蔽狭缝与晶体衍射测谱模块之间的旋转防护膜，用于保护所述晶体衍射测谱模块。

更具体地，所述旋转防护膜包括置于前屏蔽狭缝与晶体衍射测谱模块之间的保护膜，以及用于步进旋转带动保护膜移动的旋转电机。所述保护膜是薄金属膜或者塑料膜，用于保护衍射晶体防止被激光物理实验产生的等离子体溅射以及高速碎片破坏。

进一步地，所述晶体衍射测谱模块包括前后依次共轴布置的衍射晶体、后屏蔽狭缝和第一X射线记录介质，其中，

所述衍射晶体用于将X射线分光衍射形成不同衍射角的衍射射线，所述后屏蔽狭缝上开设有用于透过衍射射线的通光口，所述第一X射线记录介质具备空间分辨率，用于探测被晶体衍射的衍射射线。

具体地，所述衍射晶体包括晶体薄片和弯晶基底，所述弯晶基底用于弯曲和固定晶体薄片，所述晶体薄片用于将X射线发生衍射。所述弯晶基底是一对具有凹凸柱面的机械件，前后开有通光孔；所述晶体薄片放置于弯晶基底的凹凸柱面中间，通过螺钉或者胶水将两者紧固在一起。所述晶体薄片的材料可以为氟化锂(LiF)、石英(quartz)、锗(Ge)等。

所述第一X射线记录介质用于探测被晶体衍射的射线，具备高的空间分辨率，一般以空间分辨率优于100微米为基本要求，可以是时间积分型的成像板、胶片、X射线CCD、闪烁体耦合的CCD、闪烁体耦合的CMOS等，也可以是具有时间分辨能力的光子计数型半导体探测器等。

更进一步地，所述滤片堆栈测谱模块包括以堆栈方式放置的多个不同厚度和材料的片状滤片，以及放置于每个片状滤片后的第二X射线记录介质，其中，所述片状滤片由前至后厚度逐渐增加，每个片状滤片后的第二X射线记录介质至少为一个。所述片状滤片的材料可以是金属单质，如铝、铜、钛、铅等，也可以其他材料，如聚四氟乙烯、聚碳酸酯等。所述第二X射线记录介质可以具备空间分辨能力，如成像板、胶片等，也可以不具备空间分辨能力，如热释光剂量片、光致发光剂量片以及闪烁体耦合的光电探测系统。

更具体地，所述屏蔽外壳采用在金属硬铝壳体内壁紧固高原子序数材料的二层复合结构，高原子序数材料用于屏蔽杂散射线，金属硬铝用于支撑外壳结构和降低成本。

更进一步地，所述X射线能谱联合测量谱仪，还包括瞄准组件，用于实现谱仪与X射线源的对中。所述瞄准组件是光学镜头耦合的相机或者激光二极管模块，数量为二个或者更多。离线装调谱仪时，在谱仪中轴线上合适的距离处放置小球代替射线源，通过多台相机交叉视场成像方式确定瞄准位置，或者利用交叉的激光光点确定瞄准位置。

基于上述构造，本发明还提供了上述X射线能谱联合测量谱仪的实现方法，包括：

在测量前将X射线源和谱仪的中心轴线进行对中；

X射线源向谱仪入口发出的X射线进入并穿过辐射屏蔽模块，其间由永磁体偏转高能带电粒子，由前屏蔽狭缝阻挡高能带电粒子和屏蔽高速碎片；

X射线进入晶体衍射测谱模块，被衍射晶体分光衍射，再经后屏蔽狭缝入射到第一X射线记录介质，根据布拉格公式，不同能量的X射线对应的衍射角不同，以此实现X射线能谱的高精度测量；

未被晶体衍射且通过后屏蔽狭缝的直穿X射线进入滤片堆栈测谱模块，经滤片衰减后被第二X射线记录介质探测，根据X射线能量不同穿透深度不同，以此实现对X射线能谱大量程的测量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明联合了晶体衍射和滤片衰减两种测谱方法，解决了现有技术无法同时实现高精度和大量程的技术难题，可同时获得X射线源的特征谱线和高能轫致辐射结构，测谱范围从几keV至几MeV。

(2)本发明在单一视角内实现了高精度大量程的能谱测量，减小了探测立体角的需求，尤其在有限空间场景下使用极具优势。同时，单一视角测量尤其适用于激光打靶等方式产生的各项异性的X射线源的角分布测量，相比于多套设备测量提高了测谱的一致性。

(3)本发明中的滤片堆栈测谱模块测试数据和晶体衍射数据均来源于相同视角内的X射线，可以直接进行交叉标定，提高测谱数据的精度。晶体属于易损耗器件，标定较难；然而滤片堆栈模块易于标定且不易损坏，一次标定后可长期作为晶体衍射模块的基准数据，从而减少了谱仪对标定的需求。

(4)本发明综合设计了带电粒子、高速碎片和等离子体喷溅等的屏蔽，可延长谱仪的寿命，拓展谱仪的适用场景，提高谱仪测量数据的信噪比。

附图说明

图1为本发明-实施例的结构示意图。

图2为本发明-实施例中衍射晶体的结构示意图。

图3为本发明-实施例中第一X射线记录介质探测的晶体衍射的能谱信号。

图4为本发明-实施例中滤片堆栈衰减后的X射线信号。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1-辐射屏蔽模块，2-晶体衍射测谱模块，3-滤片堆栈测谱模块，4-永磁体，5-前屏蔽狭缝，6-旋转保护膜，7-衍射晶体，8-后屏蔽狭缝，9-第一X射线记录介质，10-滤片，11-第二X射线记录介质，12-屏蔽外壳，13-瞄准组件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1所示，该X射线能谱联合测量谱仪，用于在同一方位上联合晶体衍射方法和滤片堆栈方法测量X射线能谱，包括前后依次共轴安装于屏蔽外壳12内的辐射屏蔽模块1、晶体衍射测谱模块2和滤片堆栈测谱模块3，以及用于实现谱仪与X射线源的对中的瞄准组件13。

所述辐射屏蔽模块用于屏蔽单一视角入射谱仪的高能带电粒子、高速碎片、等离子体溅射。

所述晶体衍射测谱模块用于将部分X射线经晶体衍射形成不同衍射角的射线根据布拉格衍射原理对X射线进行精细能谱的测量。

所述滤片堆栈测谱模块用于对未被晶体衍射且穿过晶体衍射测谱模块的直穿X射线采用滤片堆栈衰减的方式根据X射线穿透深度进行大量程的能谱测量。

所述屏蔽外壳采用在金属硬铝壳体内壁紧固高原子序数材料的二层复合结构，高原子序数材料用于屏蔽杂散射线，金属硬铝用于支撑外壳结构和降低成本。

所述瞄准组件是光学镜头耦合的相机或者激光二极管模块，数量为二个或者更多。离线装调谱仪时，在谱仪中轴线上合适的距离处放置小球代替射线源，通过多台相机交叉视场成像方式确定瞄准位置，或者利用交叉的激光光点确定瞄准位置。

具体地，所述辐射屏蔽模块包括前后依次共轴布置的永磁体4、前屏蔽狭缝5和旋转防护膜6。

所述永磁体内部为空腔，且放置于谱仪入口，用于偏转入射的X射线中的高能带电粒子，如电子、质子、离子等，减小其对X射线能谱测量的影响。

所述前屏蔽狭缝采用高原子序数金属制成，用于阻挡经永磁体偏转的高能带电粒子，在激光物理实验等有高速碎片产生的场景中，也可用于碎片屏蔽。同时，所述前屏蔽狭缝上开设有用于通过X射线的限光狭缝。

所述旋转防护膜包括置于前屏蔽狭缝与晶体衍射测谱模块之间的保护膜，以及用于步进旋转带动保护膜移动的旋转电机。所述保护膜是薄金属膜或者塑料膜，用于保护衍射晶体，防止被激光物理实验产生的等离子体溅射以及高速碎片破坏。

具体地，所述晶体衍射测谱模块包括前后依次共轴布置的衍射晶体7、后屏蔽狭缝8和第一X射线记录介质9。

所述衍射晶体用于将X射线分光衍射形成不同衍射角的衍射射线，包括晶体薄片和弯晶基底。所述弯晶基底是一对具有凹凸柱面的机械件，前后开有通光孔；所述晶体薄片放置于弯晶基底的凹凸柱面中间，通过螺钉或者胶水将两者紧固在一起。所述晶体薄片的材料可以为氟化锂(LiF)、石英(quartz)、锗(Ge)等。

所述后屏蔽狭缝放置于衍射晶体和第一X射线记录介质中间，其上开设有用于透过衍射射线的通光口，并阻挡狭缝口外的直穿X射线。

所述第一X射线记录介质用于探测被晶体衍射的射线，具备高的空间分辨率用于实现高精度能谱测量，一般以空间分辨率优于100微米为基本要求，可以是时间积分型的成像板、胶片、X射线CCD、闪烁体耦合的CCD、闪烁体耦合的CMOS等，也可以是具有时间分辨能力的光子计数型半导体探测器等。

具体地，所述滤片堆栈测谱模块包括以堆栈方式放置的多个不同厚度和材料的片状滤片10，以及放置于每个片状滤片后的第二X射线记录介质11。所述片状滤片由前至后厚度逐渐增加，每个片状滤片后的第二X射线记录介质数量至少为一个。所有片状滤片和第二X射线记录介质堆叠放置于谱仪的中心轴线上。所述滤片堆栈测谱模块内还配置有电源、光电盒子等辅助配件，以实现供电和通信等基本功能。

所述片状滤片的材料选择化学性能稳定、容易加工、成本适中、环保无害的材料，可以是金属单质，如铝、铜、钛、铅等，也可以其他材料，如聚四氟乙烯、聚碳酸酯等。所述第二X射线记录介质可以具备空间分辨能力，如成像板、胶片等，也可以不具备空间分辨能力，如热释光剂量片、光致发光剂量片以及闪烁体耦合的光电探测系统。

基于上述构造，该谱仪的测量X射线源能谱的过程如下：

在测量前将X射线源和谱仪的中心轴线进行对中；

从X射线源发出的X射线进入辐射屏蔽模块，并穿过永磁体内部空腔、前屏蔽狭缝内的限光孔和旋转保护膜，其间由永磁体偏转高能带电粒子，由前屏蔽狭缝阻挡高能带电粒子和屏蔽高速碎片，由保护膜保护衍射晶体；

X射线进入晶体衍射测谱模块，被衍射晶体分光衍射，再经后屏蔽狭缝入射到第一X射线记录介质，根据布拉格公式，不同能量的X射线对应的衍射角不同，以此实现对X射线能谱的高精度测量；

未被晶体衍射且通过后屏蔽狭缝的直穿X射线进入滤片堆栈测谱模块，经滤片衰减后被第二X射线记录介质探测，根据X射线能量不同穿透深度不同，以此实现对X射线能谱大量程的测量。

以下以一数据实例对本发明进行说明。

永磁体采用磁场强度为0.5T的一对强磁铁；前屏蔽狭缝采用20mm厚的铅板制成，开有尺寸为56mm×9mm的限光狭缝；旋转保护膜采用100微米厚的PET薄膜。衍射晶体的弯晶基底外形尺寸80mm×20mm×30mm，通光口径为60mm×10mm，晶体薄片为石英，衍射晶面为101，晶格常数d＝0.3343nm，晶体薄片被弯晶基底弯曲成曲率半径为250mm的圆柱面，如图2所示；后屏蔽狭缝采用20mm的铅板制成，上面开有2mm的狭缝，距离晶体薄片前表面88mm；第一X射线记录介质采用成像板，距离晶体薄片前表面250mm，记录的X射线光谱信号如图3所示。堆栈方式放置的滤片和第二X射线记录介质包括包含12层金属片状滤片，采用Ti、Cu、Ag、Ta、W、Pb等，厚度由0.1mm变化至20mm，第二X射线记录介质采用成像板，记录的X射线信号如图4所示。屏蔽外壳采用7mm厚的金属铅内层紧固在12mm厚的金属硬铝壳体内壁上的复合结构。瞄准组件采用二个激光二极管模块，利用调节镜架将激光交叉汇聚于射线源上，实现谱仪的对中。

测试实验中采用强激光打靶产生的X射线源，实验参数为：激光能量120J，脉宽0.8ps，靶为Mo靶。实验中在同一视角诊断了X射线源的能谱，其中晶体衍射测谱模块测量的X射线光谱信号如图3所示；滤片堆栈测谱模块记录的X射线信号如图4所示。可以看出，本发明可以在单发实验中仅利用单一视角测量到联合的能谱数据，具有广阔且重要应用前景。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种X射线能谱联合测量谱仪，其特征在于，用于在同一方位上联合晶体衍射方法和滤片堆栈方法测量X射线能谱，包括前后依次共轴安装于屏蔽外壳内的辐射屏蔽模块、晶体衍射测谱模块和滤片堆栈测谱模块，其中，

所述辐射屏蔽模块用于偏转和吸收入射谱仪的高能带电粒子、屏蔽碎片打击和等离子体溅射，

所述晶体衍射测谱模块利用晶体衍射部分X射线，根据布拉格衍射原理实现不同能量X射线能谱的高精度测量，

所述滤片堆栈测谱模块用于对未被晶体衍射且穿过晶体衍射测谱模块的直穿X射线采用滤片堆栈衰减的方式根据X射线穿透深度实现大量程的能谱测量；

所述辐射屏蔽模块包括永磁体和前屏蔽狭缝，所述永磁体内部为空腔且放置于谱仪入口，用于偏转入射谱仪的高能带电粒子；所述前屏蔽狭缝用于阻挡经永磁体偏转的高能带电粒子和屏蔽高速碎片，其上开设有用于通过X射线的限光狭缝；所述辐射屏蔽模块还包括置于前屏蔽狭缝与晶体衍射测谱模块之间的旋转防护膜，用于保护所述晶体衍射测谱模块，防止被激光物理实验产生的等离子体溅射以及高速碎片破坏；

所述晶体衍射测谱模块包括前后依次共轴布置的衍射晶体、后屏蔽狭缝和第一X射线记录介质；

所述滤片堆栈测谱模块包括以堆栈方式放置的多个不同厚度和材料的片状滤片，以及放置于每个片状滤片后的第二X射线记录介质。

2.根据权利要求1所述的X射线能谱联合测量谱仪，其特征在于，所述旋转防护膜包括置于前屏蔽狭缝与晶体衍射测谱模块之间的保护膜，以及用于步进旋转带动保护膜移动的旋转电机。

3.根据权利要求1～2任一项所述的X射线能谱联合测量谱仪，其特征在于，所述衍射晶体用于将X射线分光衍射形成不同衍射角的衍射射线，所述后屏蔽狭缝上开设有用于透过衍射射线的通光口，所述第一X射线记录介质具备高的空间分辨率，用于探测被晶体衍射的衍射射线。

4.根据权利要求 3所述的X射线能谱联合测量谱仪，其特征在于，所述衍射晶体包括晶体薄片和弯晶基底，所述弯晶基底用于弯曲和固定晶体薄片，所述晶体薄片用于将X射线发生衍射。

5.根据权利要求1～2任一项所述的X射线能谱联合测量谱仪，其特征在于，所述片状滤片由前至后厚度逐渐增加。

6.根据权利要求1～2任一项所述的X射线能谱联合测量谱仪，其特征在于，所述屏蔽外壳包括用于支撑的金属硬铝壳体，以及紧固于金属硬铝壳体内壁形成复合结构的用于屏蔽杂散射线的由高原子序数材料制成的内层。

7.根据权利要求1～2任一项所述的X射线能谱联合测量谱仪，其特征在于，还包括瞄准组件，用于实现谱仪与X射线源的对中。

8.如权利要求1～7任一项所述的X射线能谱联合测量谱仪的实现方法，其特征在于，包括：

在测量前将X射线源和谱仪的中心轴线进行对中；

X射线源向谱仪入口发出的X射线进入并穿过辐射屏蔽模块，其间由永磁体偏转高能带电粒子，由前屏蔽狭缝阻挡高能带电粒子和屏蔽高速碎片；

X射线进入晶体衍射测谱模块，被衍射晶体分光衍射，再经后屏蔽狭缝入射到第一X射线记录介质，根据布拉格公式，不同能量的X射线对应的衍射角不同，以此实现对X射线能谱的高精度测量；

未被晶体衍射且通过后屏蔽狭缝的直穿X射线进入滤片堆栈测谱模块，经滤片衰减后被第二X射线记录介质探测，根据X射线能量不同穿透深度不同，以此实现对X射线能谱大量程的测量。

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