CN113728247B - 基于辐射的测厚仪 - Google Patents

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Abstract

本发明描述用于使用电磁辐射测量材料层的厚度的系统及方法实施例。在一些实施例中，一种系统包含辐射源，所述辐射源经配置以将第一辐射引导朝向材料层的第一表面，所述材料层具有在所述第一表面和与所述第一表面相对的第二表面之间的厚度。所述第一辐射使所述材料层发射二次辐射。滤波器定位于所述材料层和辐射检测器之间以及所述第二辐射的光束路径中，以便衰减与所述材料的荧光相关联的所述第二辐射的部分以发射第三辐射。接着，所述辐射检测器经配置以检测所述第三辐射，且控制器经配置以基于所述所检测的第三辐射提供对应于所述材料层的所述厚度的测量值。

Description

基于辐射的测厚仪
相关申请案的交叉参考
本申请案主张在2019年1月30日申请的第62/799,001号美国临时申请案的权利，所述申请案以其全文引用方式并入本文中。
技术领域
本公开大体上涉及用于使用电磁辐射测量材料层的厚度的系统及方法。
背景技术
基于辐射的测量仪通常通过将电磁辐射束引导于材料层处并基于穿过材料层的辐射束的衰减量来测量材料层的特性而操作。由于辐射束的光子和材料层内的粒子(例如原子)之间的相互作用而发生衰减。光子能量低于约1.022MeV时的总衰减是以下四种类型的辐射-物质相互作用的组合的结果：光电、康普顿散射、对产生，及汤姆森或瑞利散射。基于辐射的测量仪的准确度及测量灵敏度取决于这些辐射-物质相互作用相对于材料成分的特性。
发明内容
在工业制造中，基于辐射的测量仪通常是X射线测厚仪，其发射能级低于500KeV的X射线束以测量选择材料层的厚度范围。在此能量范围内，穿过材料层的X射线的衰减主要是由光电效应引起。光电效应是指如下过程：辐射束中的光子的能量被材料层内的原子吸收，由此从辐射束移除所述光子并降低总束强度(即，有时被称为辐照度)。
光电效应固有地是非线性过程且取决于材料层的成分。特别来说，取决于原子的轨道壳特性，原子的电子可在若干不同的离散光子能量(例如K边沿)下被激发到较高能态，且随后衰变以发射较低能量的光子。因此，光电效应可导致材料层发射包含这些较低能量光子的荧光辐射。这种荧光辐射可降低X射线测厚仪的测量准确度或精度，这会限制厚度可被测量的材料成分的类型。
在一些实施例中，为了减少这种荧光辐射的量，X射线测厚仪可经配置以发射具有低于许多材料的K边沿(例如低于5keV)的能级的X射线。然而，在这些较低能级下，穿过材料层的X射线衰减非常高，这会严重限制可测量的材料厚度范围。
在一些实施例中，为了降低由基于辐射的测量仪测量的材料层厚度的灵敏度并由此提高所测量厚度的准确度，基于辐射的测量仪可经配置以过滤由材料层发射的荧光辐射的至少一部分并防止其被检测到。这种方法克服了使用低能辐射源的缺点，而不会损失测量灵敏度。
在一些实施例中，一种用于使用电磁辐射测量材料层的厚度的系统包括：辐射源，其经配置以将第一辐射引导朝向材料层的第一表面，所述材料层包括在所述第一表面和与所述第一表面相对的第二表面之间的厚度，其中所述第一辐射使所述材料层发射第二辐射；滤波器，其定位于所述材料层和辐射检测器之间且经配置以衰减与所述材料的荧光相关联的所述第二辐射的部分以发射第三辐射，其中所述辐射检测器经配置以检测所述第三辐射；及控制器，其经配置以基于所述所检测的第三辐射提供对应于所述材料层的所述厚度的测量值。
在所述系统的一些实施例中，所述滤波器包括一或多个滤波器层，所述滤波器层经配置以过滤与所述材料层的所述荧光相关联的能级范围。
在所述系统的一些实施例中，所述能级范围是基于所述材料层的元素成分及与所述元素成分中的每一元素相关联的轨道壳特性而预定。
在所述系统的一些实施例中，所述滤波器经配置以从所述第二辐射过滤具有低于预定阈值的能级的光子。
在所述系统的一些实施例中，所述预定阈值与所述材料层的元素成分及与所述元素成分中的每一元素相关联的轨道壳特性相关联。
在所述系统的一些实施例中，所述第一辐射包括X射线。
在所述系统的一些实施例中，所述第一辐射包括伽马辐射。
在所述系统的一些实施例中，所述辐射源及所述辐射检测器安置在所述材料层的相对侧上。
在所述系统的一些实施例中，所述辐射源及所述辐射检测器安置在所述材料层的同一侧上。
在所述系统的一些实施例中，所述测量值包括长度单位。
在所述系统的一些实施例中，所述测量值包括面积密度。
在所述系统的一些实施例中，所述第一辐射包括预定能级，且为了提供所述测量值，所述控制器经配置以：测量所述第三辐射的强度；及基于所述所测量强度及与无材料层相关联的默认强度计算对应于所述材料层的所述厚度的所述测量值。
在所述系统的一些实施例中，为了提供所述测量值，所述控制器经配置以：将对数函数应用于所述所测量强度以确定对数值；及将多项式函数应用于所述对数值以计算所述测量值，其中所述多项式函数中的系数是基于所述材料层的元素成分及待测量的所述材料层的厚度范围而预定。
在所述系统的一些实施例中，所述系统包含显示器，其经配置以显示对应于所述材料层的所述厚度的所述测量值。
在一些实施例中，一种用于使用电磁辐射测量材料层的厚度的方法包含：将来自辐射源的第一辐射引导朝向材料层的第一表面，所述材料层包括在所述第一表面和与所述第一表面相对的第二表面之间的厚度，其中在所述第一表面处接收的所述第一辐射使所述材料层发射第二辐射；衰减与所述材料层的荧光相关联的所述第二辐射的部分以发射第三辐射；在辐射检测器处检测所述第三辐射；及基于所述所检测的第三辐射提供对应于所述材料层的所述厚度的测量值。
在所述方法的一些实施例中，所述第二辐射的所述部分被包括一或多个滤波器层的滤波器衰减，所述滤波器层经配置以过滤与所述材料层的所述荧光相关联的能级范围。
在所述方法的一些实施例中，所述能级范围是基于所述材料层的元素成分及与所述元素成分中的每一元素相关联的轨道壳特性而预定。
在所述方法的一些实施例中，所述第二辐射的所述部分被经配置以从所述第二辐射过滤具有低于预定阈值的能级的光子的滤波器衰减。
在所述方法的一些实施例中，所述预定阈值与所述材料层的元素成分及与所述元素成分中的每一元素相关联的轨道壳特性相关联。
在所述方法的一些实施例中，所述第一辐射包括X射线。
在所述方法的一些实施例中，所述第一辐射包括伽马辐射。
在所述方法的一些实施例中，所述辐射源及所述辐射检测器安置在所述材料层的相对侧上。
在所述方法的一些实施例中，所述辐射源及所述辐射检测器安置在所述材料层的同一侧上。
在所述方法的一些实施例中，所述测量值包括长度单位。
在所述方法的一些实施例中，所述测量值包括面积密度。
在所述方法的一些实施例中，所述第一辐射包括预定能级，且提供所述测量值包括：测量所述第三辐射的强度；及基于所述所测量强度及与无材料层相关联的默认强度计算对应于所述材料层的所述厚度的所述测量值。
在所述方法的一些实施例中，提供所述测量值包括：将对数函数应用于所述所测量强度以确定对数值；及将多项式函数应用于所述对数值以计算所述测量值，其中所述多项式函数中的系数是基于所述材料层的元素成分及待测量的所述材料层的厚度范围而预定。
在所述方法的一些实施例中，所述方法包含显示对应于所述材料层的所述厚度的所述测量值。
附图说明
当结合附图阅读时，可更佳理解前述概述以及实施例的以下详细描述。为了说明本公开，图式展示本公开的实例实施例；然而，本公开不限于所公开的特定方法及手段。在图式中：
图1A-C说明根据一些实施例的用于使用电磁辐射测量材料层的厚度的系统；
图2说明根据一些实施例的展示针对不同类型的材料成分的辐射衰减效应的图形；且
图3说明根据一些实施例的用于使用电磁辐射测量材料层的厚度的方法。
具体实施方式
下文描述使用基于辐射的测量仪来使用电磁辐射测量材料层的厚度的系统、方法及设备实施例。在一些实施例中，基于辐射的测量仪朝向材料层发射第一辐射，材料层安置在第一辐射的辐射源和辐射检测器之间。在一些实施例中，辐射源及辐射检测器可安置在材料层的同一侧上。在一些实施例中，第一辐射可被称为代表源辐射的一次辐射。作为接收第一辐射并与第一辐射相互作用的结果，材料层可发射第二辐射，第二辐射包含第一辐射的未吸收部分且包含荧光辐射(即，有时被称为二次辐射)。为了提高厚度测量准确度，基于辐射的测量仪包含滤波器，滤波器安置在材料层和辐射检测器之间且经配置以过滤与由材料层发射的荧光相关联的预选能级(及对应波长)。在一些实施例中，辐射检测器可经配置以基于所过滤第二辐射提供对应于材料层的厚度的测量值。例如，辐射检测器可以长度单位(例如毫米或微米)或面积密度(例如克/平方米)提供测量值。
图1A-C说明根据一些实施例的用于使用电磁辐射测量材料层116的厚度的系统100A-C。如图1A中所展示，系统100A包含辐射源系统102A，其生成及发射辐射束130C(即，有时被称为一次辐射束并指示源辐射)朝向材料层(layer of material)116(即，还被称为材料层(material layer))。如图1A中所展示，材料层116具有由第一表面116A及与第一表面116A相对的第二表面116B界定的厚度。在一些实施例中，如图1A中所展示，材料层116安置在辐射源系统102A和辐射检测系统120A之间，所述辐射检测系统经配置以基于由材料层116发射的辐射束130D提供对应于材料厚度的测量值。
在一些实施例中，辐射束130C可大致上垂直于(例如在90度内)材料层116进行发射。在一些实施例中，辐射束130C可以预定义角度被引导于材料层116处。在一些实施例中，辐射束130C可作为电离电磁辐射进行发射，其包含具有足够高的能量(例如动能)以使材料层116内的原子电离的光子。在一些实施例中，辐射束130C可包含X射线、伽马射线、无线电波、紫外线、红外线、太赫兹波(Terahertz)等等。在一些实施例中，辐射束130C可作为其它类型的能量束进行发射，例如超声波或电离非电磁辐射，例如基于粒子的辐射(例如α辐射或β辐射)。
在一些实施例中，材料层116可包含具有由第一表面116A及与第一表面116A相对的第二表面116B界定的厚度的材料片或带。在一些实施例中，材料片或带可具有大致上均一厚度。在一些实施例中，材料层116可由单种元素或多种元素构成。例如，材料层116可由铝、钢、不锈钢、包含钢的各种合金等等构成。在一些实施例中，材料层116可大致上由按质量计的单种元素或按质量计的单种合金构成。例如，材料层116可包含铝片、钢片等等。在一些实施例中，如本文中的本公开中所使用的术语“大致上”可指90％或更多。例如，大致上包含铝的材料是指质量为90％或更多铝的材料。
在一些实施例中，如本文中的本公开中所使用的术语“层”可包含单个层或多个层(即，子层)。在一些实施例中，多个层中的每一层可具有相关联的相应厚度。例如，材料层116可包含多层或包含各种百分比的多元素的复合物。例如，材料层116可为特定等级的钢，所述等级对钢的成分及物理性质进行分类。
在一些实施例中，辐射源系统102A包含用户接口103、控制器104、高压发生器106、辐射发生器108、束准直器110及束硬化滤波器112。在一些实施例中，辐射源系统102A可包含由具有低衰减的材料制成的防尘罩114A。例如，防尘罩114A可包含具有低吸收窗的材料薄层，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。例如，薄层可小于1mm，例如在0.5mm和1mm之间。
在一些实施例中，高压发生器106可经配置以生成高压以使电磁辐射能够由辐射发生器108生成。在一些实施例中，高压发生器106可经配置以从基于材料层116的类型以及待测量的厚度范围的电压范围(例如在5kV和500kV之间)生成电压电平(例如50kV)。例如，高压发生器106可生成0-500kV、5-300kV、5-200kV、5-100kV或10-50kV的电压范围。
在一些实施例中，辐射发生器108可经配置以基于由高压发生器106生成的高压生成辐射束130A。在一些实施例中，辐射发生器108可生成具有基于高压发生器106的电压电平的能谱且能谱的端点能量对应于电压电平的辐射束130A。例如，在50kV的电压电平下操作辐射发生器108可生成具有能级范围从几keV(例如1-2keV)到高达50keV的光子的辐射束130A。在另一实例中，在例如100kV的电压电平下操作辐射发生器108可生成具有从几keV到高达100keV的能谱的辐射束130A。
在一些实施例中，辐射束130A可经配置以在基于待测量的材料层116的厚度范围及材料层116的成分的特定能级范围内操作。在一些实施例中，如图1A中所展示，辐射发生器108可包含X射线管，X射线管经配置以基于由高压发生器106生成的电压电平生成呈X射线形式的辐射束130A。取决于阳极材料以及X射线管的阴极和阴极之间的电势差，辐射发生器108可以连续辐射(即，轫致辐射(Bremstrahlung radiation))的形式发射辐射束130A。另外，辐射束130A的能谱可包含叠加在连续辐射上的阳极材料的荧光峰特性。
在一些实施例中，准直器110可经配置以相对于材料层116成形束点束立体角，或辐射束130C的束点及束立体角两者。例如，准直器110可经配置以过滤辐射束130A的流，使得只有平行于指定方向行进的那些辐射束才被允许通过并被展示为辐射束130B。准直器110的其它实例可包含但不限于针孔准直器、会聚准直器、锥形束准直器等等。在一些实施例中，准直器110可包含束快门111，其经配置以控制准直器110的操作以成形或限制由辐射发生器108生成的辐射束130A的束立体角。
在一些实施例中，束硬化滤波器112可经配置以在辐射束130B作为辐射束130C(即，有时被称为一次辐射)进行发射之前对辐射束130B应用束硬化。在一些实施例中，束硬化滤波器112可包含经配置以选择性地衰减辐射束130B的较低能量光子的材料。在一些实施例中，束硬化滤波器112的材料可包含各种金属，例如铝、铜、钢、钨等等，这取决于待测量的材料层116的材料成分及待测量的材料层116的厚度范围。在一些实施例中，较低能量光子可包含具有低于20keV、低于15keV或低于5keV的能级的光子。在一些实施例中，束硬化滤波器112可包含充当带通滤波器以允许辐射束130B的能级带宽作为辐射束130C进行发射的材料。在一些实施例中，将束硬化滤波器112定位于准直器110之后可使从辐射源系统102A发射的辐射束130C具有增加的平均束能量(即，“硬化”)。
在一些实施例中，用户接口103可使操作者能够通过控制器104控制辐射源系统102A的操作。在一些实施例中，用户接口103可经由提供基于web的接口的网络接口被提供。在一些实施例中，网络接口可经配置以接入跨越广域网(WAN)的有线及/或无线网络，例如因特网、内联网、局域网(LAN)、城域网(MAN)等等。在一些实施例中，网络接口可使用多种通信标准、协议及技术中的任一者，包含但不限于全球移动通信系统(GSM)、长期演进(LTE)、码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、蓝牙、无线保真(Wi-Fi)(例如IEEE 802.11a、IEEE802.11b、IEEE 802.11g及/或IEEE 802.11n)、Wi-MAX、以太网等等。
在一些实施例中，由辐射源系统102A朝向材料层116发射的辐射束130C可使材料层116发射辐射束130D。如上文所论述，由于辐射束130C内的光子和材料层116内的原子之间的相互作用而发生辐射束130C的衰减。在一些实施例中，辐射束130C可经配置以供应具有低于500keV的能级的光子。在此能量范围内，辐射束130C的衰减可主要由光电效应引起，其中辐射束130C中的一些光子的能量被材料层116中的原子吸收。因此，所发射的辐射束130D可排除辐射束130C内的光子的一部分。另外，由于材料层116内的元素的轨道壳特性，光电效应可导致发射相较于入射光子具有较低能级的光子，还被称为荧光且有时被称为二次辐射。这些较低能量光子具有取决于结合能以及材料层116内的元素的轨道壳特性的能级。因此，辐射束130D可包含辐射束130C的未吸收部分(即，一次辐射)且还包含由光电效应引起的荧光辐射(即，二次辐射)。
在一些实施例中，辐射检测系统120A可经配置以基于穿过材料层116并作为辐射束130D而接收的辐射束130C的衰减来提供对应于材料层116的厚度的测量值。在一些实施例中，辐射检测系统120A包含能量滤波器122A、辐射检测器124A、前端电子装置126、控制器128及显示器130。在一些实施例中，辐射检测系统120包含具有低衰减的防尘罩114B。防尘罩114B可对应于防尘罩114A且类似地包含例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄层。
在一些实施例中，能量滤波器122A可包含一或多个滤波器层，所述滤波器层经配置以衰减对应于与来自材料层116的荧光相关联的能级范围的预定波长范围。在一些实施例中，能量滤波器122A可经配置以过滤具有低于50keV、低于40keV、低于30keV、低于20keV、低于15keV、低于10keV、低于9keV、低于8keV、低于7keV、低于6keV或低于5keV的能级的较低能量光子。
能量滤波器122A可经配置以发射所过滤的辐射束130D作为辐射束130E。如相关技术中所熟知，光子波长和其能量之间的关系由普朗克-爱因斯坦(Planck-Einstein)关系指定：E＝(h*c)/λ，其中E是光子能量(eV)，h是普朗克常数，c是光速(m/s)，且λ是波长(m)。在一些实施例中，待过滤的波长范围及对应能级范围可基于材料层116内不同类型的元素的轨道壳特性而确定。在一些实施例中，能级范围可基于辐射束130C的预配置能量及与材料层116相关联的一或多个K边沿能级而预定。在一些实施例中，能量滤波器122A可由各种金属构成，例如铝、铜、钢、钨或其组合，这取决于待过滤的能级范围。在一些实施例中，能量滤波器122A可包含多个层，其中每一层经配置以过滤对应能级范围。
在一些实施例中，辐射检测器124A可经配置以检测由能量滤波器122A发射的辐射束130E。在一些实施例中，辐射检测器124A可经配置以生成对应于辐射束130E的强度(即，辐照度)度量的信号。例如，所述信号可为与辐射束130E的强度成比例的电流(例如AC电流或DC电流)、特性对应于辐射束130E的强度的电流或光脉冲序列，或具有对应于辐射束130E的强度的特性的声波等等。
在一些实施例中，辐射检测器124A可包含能谱不可知检测器，其经配置以生成代表辐射束130E的总强度的信号。例如，辐射检测器124A可包含电离室，其测量由辐射束130E引起的电离室内的气体电离。在这些实施例中，电离室可经配置以在电离室的阴极和阳极之间施加偏置电压以生成电场以在适当极性电极处收集带电电离碎片(例如正离子被吸引到阴极且电子移动朝向阳极)。
在一些实施例中，电离室可经配置以生成由辐射束130E所引起的电离而产生的信号(例如电流)，且所生成信号可对应于辐射束130E的强度。在一些实施例中，气体可包含氩气、氙气、P10、空气等等。在一些实施例中，电离室可以线性模式、以比例模式或以盖革模式(Geiger mode)操作，这取决于待生成的电场以及阴极几何形状。
在一些实施例中，辐射检测器124A可包含多通道检测器(例如多室)以检测辐射束130E的辐射强度分布。在一些实施例中，与可检测辐射束130E的能谱的辐射检测器对比，辐射检测器124A可包含为能谱特定的辐射检测器。此类辐射检测器的实例可包含光电倍增管(PMT)、一些固态检测器(例如基于硅)，或基于气体的检测器等等。在一些实施例中，辐射检测器124A可生成代表辐射束130E的总光子能级的信号，其测量值对任何荧光能量敏感。因此，通过包含能量滤波器122A，任何荧光能量可在由辐射检测器124A检测及处理之前被过滤(例如吸收)。
在一些实施例中，辐射检测器124A可包含半导体检测器，其使用半导体来测量由辐射束130E引起的入射带电粒子或光子的效应。在一些实施例中，半导体检测器可包含硅检测器、锗检测器(例如高纯度锗(HPGe)检测器)、金刚石检测器、碲化镉检测器或碲化镉锌检测器。在一些实施例中，可取决于材料层及待测量的厚度范围来提供辐射检测器124A的类型。例如，硅检测器可能无法有效地衰减能量大于20keV的辐射(例如X射线及伽马射线)，且因此这会限制厚度范围以及材料类型。
在一些实施例中，辐射检测器124A可包含闪烁检测器。在一些实施例中，闪烁检测器包含闪烁晶体，闪烁晶体经配置以在被辐射束130E的电离辐射激发时发光。在一些实施例中，闪烁晶体可包含例如碘化钠、碘化铯、LSO、钨酸铅、BGO、溴化镧及氯化物、塑料闪烁体、液体闪烁体(线性及苯环基)、闪烁纤维及纤维束、硫化锌等等的材料。在这些实施例中，辐射检测器124可包含一或多个光电检测器(例如硅光电二极管、雪崩光电二极管、光电倍增管等等)，其经配置以检测由闪烁晶体发射的发光(即，光)。
在一些实施例中，前端电子装置126可经配置以放大或处理由辐射检测器124A生成的信号。例如，前端电子装置126可包含放大器、数字电路系统、数字信号处理等等。
在一些实施例中，控制器128可经配置以基于如由辐射检测器124A所检测的辐射束130E提供对应于材料层116的厚度的测量值。例如，控制器128可基于由前端电子装置126放大或处理并代表辐射束130E的信号来计算厚度测量值(例如长度单位或面积密度)，如下文将进一步所描述。在一些实施例中，控制器128可经配置以在显示器130上显示所计算的测量值。在一些实施例中，控制器128可经配置以连续地或周期性地计算层厚度。
在一些实施例中，为了确定对应于厚度的测量值，控制器128可基于来自例如用户接口103的用户输入来选择所存储的配置以应用于信号。在一些实施例中，用户输入可包含厚度待测量的材料层116的材料类型(例如元素成分)、待测量的厚度范围，或其组合。在一些实施例中，辐射检测系统120A可包含多个能量滤波器，且取决于用户输入，控制器128可经配置以从多个能量滤波器选择对应能量滤波器122A以供使用。在一些实施例中，取决于用户输入，控制器128可经配置以向用户显示(在显示器130上)需要插入在辐射检测系统120A内的能量滤波器122A的类型。
在一些实施例中，信号可经配置以与如由辐射检测器124A基于具有厚度t的材料层116从辐射束130E所检测及收集的总电荷QT成比例。总电荷QT可相关联于与由辐射束130C提供的能谱(即，从零到最大能量)相关联并跨其收集的电荷。
在一些实施例中，信号(即，s)可经配置以根据以下关系与QT成比例：s＝[QT-Q0]/[Qmax-Q0]，其中Q0表示系统的偏移(即，没有材料层116定位于辐射源系统102A和辐射检测系统120A之间)且Qmax表示辐射检测器124的电荷，其中材料层116具有“无限”厚度。在一些实施例中，“无限”厚度可为至少50,000g/cm2，其与待测量的材料厚度的目标范围相比较大。
在一些实施例中，为了计算对应于材料层116的厚度的测量值，控制器128可经配置以将对数函数应用于信号(即，s)以生成对数值(即，x)。例如，控制器128可根据以下函数生成对数值：x＝ln(s)。在一些实施例中，控制器128可经配置以将跨越测量范围的多项式函数或正交函数应用于对数值以计算对应于材料层116的厚度的测量值。在一些实施例中，正交函数可包含正交三角函数、正交多项式以及其它类型的正交函数。在一些实施例中，多项式函数可具有带有多个对应系数的多个项。在一些实施例中，项的数目及对应系数是基于根据待测量的材料层116的厚度范围所获得的实验值而预定。例如，多项式函数可具有四个项：t＝a0+a1x+a2x2+a3x3+a4x4，其中a0、a1、a2、a3及a4是预定系数且x是对数值(例如x＝ln(s))。
图1B-C说明根据一些实施例的用于使用电磁辐射测量材料层116的厚度的系统100B-C。在系统100B-C中的每一者中，辐射源系统102B-C及辐射检测系统120B-C可与材料层116定位于同一侧上(例如在第一表面116A的侧上)。在一些实施例中，辐射源系统102B-C及辐射检测系统120B-C可分别对应于辐射源系统102A及辐射检测系统120A，如上文关于图1A所描述。类似于辐射检测系统120A，辐射检测系统120B-C中的每一者可包含定位于材料层116和相应辐射检测器124B-C之间的相应能量滤波器122B-C。
在一些实施例中，辐射检测系统120B-C类似于辐射检测系统120A而操作，且配置有相应能量滤波器122B-C以选择性地过滤对应于材料层116的荧光特性的预定能级(即，波长)范围。然而，与依赖于光电效应来提供对应于材料层116厚度的测量值的辐射检测系统120A对比，辐射检测系统120B-C依赖于由辐射源系统102B-C引起的康普顿效应(即，有时被称为康普顿散射或非相干散射)来提供测量值。虽然由辐射检测系统120B-C检测的辐射主要由康普顿效应引起，但所检测的辐射还可包含由光电效应引起的辐射的一部分(例如荧光辐射)，如下文将进一步所描述。
如系统100B中所展示，辐射源系统102B可在材料层116处发射辐射束132A(即，一次辐射)。例如，辐射束132A可以预配置角度进行发射或大致上垂直于第一表面116A进行发射。在一些实施例中，当辐射束132A中的入射光子基于与材料层116内的原子(例如电子)的相互作用而从其原始路径偏转且因此在具有较少能量的更改路径上行进时，会发生康普顿散射。光子能量变化取决于散射角及光子能量。因此，由于康普顿效应，辐射束132A的一部分将被偏转并作为背向散射辐射进行发射。在一些实施例中，辐射束132A可使材料层116发射包含背向散射辐射及荧光辐射的辐射束132B，如上文关于图1A所描述。类似于能量滤波器122A，能量滤波器122B可经配置以过滤荧光辐射且发射表示所过滤的辐射束132B的辐射束132C。然后，辐射检测系统120B可经配置以基于由辐射检测器124B检测的辐射束132C的强度来提供对应于材料层116的厚度的测量值。
在一些实施例中，系统100C可包含安置在第二表面116B的与辐射源系统102C及辐射检测系统120C的侧相对的侧上的反射器117。在一些实施例中，反射器117可为固体材料，例如金属板。如图1C中所展示，辐射源系统102C可经配置以在材料层116的第一表面116A处发射辐射束134A。材料层116可经配置以发射辐射束134B，其包含辐射束134A的未吸收部分以及荧光辐射，各自由上文关于图1A所描述的光电效应引起。反射器117可发射辐射束134C，其表示基于康普顿效应的辐射束134B的背向散射。另外，辐射束134C可包含由反射器117生成的荧光辐射。在一些实施例中，材料层116可经配置以发射辐射束134D，其包含由于康普顿效应而来自辐射束134A的光子的一部分、由于光电效应而来自辐射束134C的光子的一部分，及基于来自辐射束134A及134C的光子与材料层116中的原子的相互作用而生成的荧光辐射。
图2说明根据一些实施例的展示针对不同类型的材料成分的辐射衰减效应的图形200。如所展示，图形200在不同X射线能级202(keV)下以对数标度为如图例206中所展示的各种元素成分标绘质量-能量衰减系数(cm2/g)204。例如，图例206指示原子序数(即，Z)是针对单元素被展示的以下元素成分：铍(Z＝4)、铝(Z＝13)、钛(Z＝22)、锡(Z＝50)、钨(Z＝74)、铅(Z＝82)、铜(Z＝29)，及双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯(BoPET)(例如Mylar)，其为由各种元素(即，C10H8O4)制成的聚酯薄膜。如图形200中所展示，因为BoPET跨X射线能级202具有低衰减且在用于测量材料厚度范围的能谱中不含有K边沿，所以可在厚度测量期间考虑BoPET的光电效应。
如上文所论述，K边沿是指原子中K壳电子的结合能。光电效应是指当辐射被引导于材料处时发射电子或其它自由载流子。当光子具有接近并超过原子的K边沿的能级时，所述光子比具有恰好低于K边沿的光子能量的光子更可能被吸收，并导致光电吸收。例如，如图形200中所展示，成分的K边沿特性可导致光子的质量-能量衰减系数的突然增加在恰好高于所述成分的K边沿的光子能量处发生。例如，钛的K边沿212处于约5keV且硅的K边沿210处于约1.8keV。如上文所论述，在K边沿能级下，可生成荧光辐射，这可能会降低测厚仪系统的准确度。
图3说明根据一些实施例的用于使用电磁辐射测量材料层的厚度的方法300。在一些实施例中，方法300可由测厚仪系统执行，所述测厚仪系统是例如基于辐射的测量仪系统100A-C，如上文关于图1A-C所描述。在一些实施例中，测厚仪系统包含定位于辐射源和辐射检测器之间的材料层，如图1A中所展示。在一些实施例中，测厚仪系统包含与材料层定位于同一侧上的辐射源及辐射检测器，如图1B-C中所展示。
在步骤302中，测厚仪系统将来自辐射源的第一辐射引导朝向材料层的第一表面，所述材料层具有在第一表面和与第一表面相对的第二表面之间的厚度。在一些实施例中，在第一表面处接收的第一辐射使材料层发射第二辐射。在一些实施例中，第一辐射可包含电离电磁辐射，例如X射线或伽马射线。
在一些实施例中，由材料层发射的第二辐射包含来自第一辐射的光子的一部分，且包含由于第一辐射的光子和材料层的原子之间的相互作用而由材料层发射的荧光辐射。在一些实施例中，由材料层发射的第二辐射包含来自第一辐射的光子的第一部分，且排除已由于光电效应而被材料层吸收的来自第一辐射的光子的第二部分。在一些实施例中，由材料层发射的第二辐射包含已根据康普顿效应偏转的来自第一辐射的光子的第三部分。如上文所论述，在低能级(例如低于500keV)下，光电效应对第一辐射的衰减的主要辐射-物质相互作用类型的贡献最大。
在步骤304中，测厚仪系统衰减与材料层的荧光相关联的第二辐射的部分以发射第三辐射。因此，第三辐射包含所过滤第二辐射。在一些实施例中，第二辐射的部分被定位于材料层和辐射检测器之间的滤波器衰减，如图1A-C中所展示。
在一些实施例中，滤波器包含一或多个滤波器层，所述滤波器层经配置以过滤与材料层的荧光相关联的能级范围，如上文关于图1A所论述。在一些实施例中，滤波器可由经配置以过滤来自第二辐射的具有低于预定阈值的能级的光子的材料构成。在一些实施例中，预定阈值可为至少5keV、6keV、7keV、8keV、9keV、10keV、15keV或20keV。在一些实施例中，预定阈值可小于50keV、20keV、15keV、10keV、9keV、8keV、7keV或6keV。在一些实施例中，预定阈值可在5-50keV、5-20keV、5-10keV或6-10keV之间。
在一些实施例中，滤波器包含多个滤波器层以过滤多个能级。在一些实施例中，待过滤的能级范围是基于材料层的元素成分及与元素成分中的每一元素相关联的轨道壳特性而预定。
在一些实施例中，与用于确定材料的元素成分的传统辐射荧光分析对比，本文中所描述的测厚仪系统设法衰减及阻挡荧光辐射以降低厚度测量值对元素成分及待测量的材料厚度范围的敏感性。通过使用滤波器，如上文关于图1A-C所描述，测厚仪系统可经配置以使用能谱不可知辐射检测器来提供对应于材料层的厚度的测量值。
在步骤306中，测厚仪系统在辐射检测器处检测第三辐射。在一些实施例中，测厚仪系统的辐射检测器(例如辐射检测器124)可经配置以量化第三辐射的强度。在一些实施例中，辐射检测器可经配置以生成对应于第三辐射的强度的信号。例如，所述信号可为电流、脉冲序列、声波等等。在一些实施例中，所生成的信号经配置以与强度成比例。例如，当第一辐射是X射线时，辐射检测器可为电离室，其经配置以生成量值与强度成比例的电流。
在步骤308中，测厚仪系统基于所检测的第三辐射提供对应于层厚度的测量值。在一些实施例中，所提供的测量值包含对应于层厚度的长度的长度单位。在一些实施例中，所提供的测量值包含对应于层厚度的面积密度。特别来说，所属领域的技术人员将认识到，根据以下关系，可鉴于量中的一者而容易地导出面积密度及厚度长度：面积密度＝厚度长度*密度。
在一些实施例中，测厚仪系统的控制器(例如控制器128)可经配置以基于由辐射检测器生成且代表所检测的第三辐射的检测强度的信号来计算测量值。在一些实施例中，控制器可经配置以将对数函数应用于信号的所测量电流以确定对数值，且然后将所存储的配置应用于对数值以计算对应于厚度的测量值。例如，所存储的配置可为应用于对数值以计算测量值的多项式函数。在一些实施例中，控制器可经配置以基于用户输入而从多个所存储的配置选择所存储的配置。例如，用户输入可指定所存储的配置。在一些实施例中，用户输入可包含待测量的材料类型及/或待测量的厚度范围。
在一些实施例中，多项式函数中的系数是基于材料层的元素成分及待测量的材料层的厚度范围而预定(且在所存储的配置中提供)。在一些实施例中，多项式函数中的系数是基于具有类似材料性质的多种元素成分而预定。例如，多种元素成分可具有对于待测量的厚度范围大致上相同的衰减特性或荧光特性。在一些实施例中，控制器可经配置以在测厚仪系统的显示器上显示所计算的测量值。例如，所计算的测量值可被显示为单位长度(例如毫米或微米)或面积密度(例如克/平方米)。
前述描述阐述了示范性方法、参数等等。然而，应认识到，此类描述并不旨在限制本公开的范围，而是作为示范性实施例的描述被提供。上述说明性实施例并不意味是详尽的或将本公开限制为所公开的精确形式。鉴于上述教示，许多修改及变化是可能的。选择及描述实施例以最佳解释所公开技术的原理及其实际应用。由此使所属领域的其他技术人员能够最佳利用这些技术以及具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施例。
尽管已参考附图彻底描述了本公开及实例，但应注意，所属领域的技术人员将明白各种改变及修改。此类改变及修改应被理解为包含在由权利要求书界定的公开内容及实例的范围内。在本公开及实施例的先前描述中，参考附图，其中以图解说明的方式展示了可实践的特定实施例。应理解，可实践其它实施例及实例，且可在不脱离本公开的范围的情况下做出改变。
尽管先前描述使用术语第一、第二等等来描述各种元件，但这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一种元件与另一种元件。
此外，还应理解，除非上下文另有指示，否则前述描述中使用的单数形式“一”、“一个”及“所述”也旨在包含复数形式。还应理解，本文中所使用的术语“及/或”是指且涵盖一或多个相关联的所列项目的任何及所有可能组合。进一步应理解，术语“包含(includes)”、“包含(including)”、“包括(comprises)”及/或“包括(comprising)”在本文中使用时指定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件、组件及/或单元，但不排除存在或添加一或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件、单元及/或它们的群组。
取决于上下文，术语“如果”可被解释为意指“何时”或“在……后”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，取决于上下文，短语“如果确定”或“如果检测到[所陈述的条件或事件]”可被解释为意指“在确定……后”或“响应于确定”或“在检测到[所陈述的条件或事件]后”或“响应于检测到[所陈述的条件或事件]”。
在一些实施例中，非暂时性计算机可读存储媒体存储经配置以由装置的一或多个处理器执行的一或多个程序，所述一或多个程序包含用于实施本文中所描述或所主张的任何步骤的指令。本公开还涉及一种用于执行本文中的操作的装置。此装置可为所需目的而专门构建或配置，且包含例如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)，或它可包含通用计算机，所述通用计算机由存储在所述计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置。
此类计算机程序可存储在非暂时性计算机计算机可读存储媒体中，例如但不限于任何类型的碟，包含软碟、光碟、CD-ROM、磁光碟、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电程序只读存储器(EPROM)、电可擦除程序只读存储器EEPROM、磁卡或光卡、专用集成电路(ASIC)、USB闪存驱动器，或适合于存储电子指令的任何类型的媒体，且各自耦合到计算机系统总线。此外，本公开中所引用的装置可包含单个处理器或可为采用多处理器设计以用于增加计算能力的架构。
本文中所描述的方法、装置及系统并不与任何特定计算机或其它设备固有地相关。各种通用系统也可与根据本文中的教示的程序一起使用，或建构更专门的设备来执行所需方法步骤可被证明是方便的。从上文描述可看出各种这些系统所需的结构。此外，没有参考任何特定编程语言来描述本公开。应了解，可使用多种编程语言来实施如本文中所描述的本公开的教示。
尽管已参考附图充分描述了本公开及实例，但应注意，所属领域的技术人员将明白各种改变及修改。此类改变及修改应被理解为包含在由权利要求书界定的公开内容及实例的范围内。

Claims (46)

1.一种用于使用电磁辐射测量材料层的厚度的系统，其包括：
辐射源，其经配置以将第一辐射引导朝向材料层的第一表面，所述材料层包括在所述第一表面和与所述第一表面相对的第二表面之间的厚度，其中所述第一辐射使所述材料层发射第二辐射；
滤波器，其定位于所述材料层和辐射检测器之间，且经配置以衰减与所述材料的荧光相关联的所述第二辐射的部分以发射第三辐射，
其中所述辐射检测器经配置以检测所述第三辐射；及
控制器，其经配置以基于所检测的所述第三辐射，提供对应于所述材料层的所述厚度的测量值，
其中所述辐射源及所述辐射检测器安置在所述材料层的相对侧上。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述滤波器包括一或多个滤波器层，所述一或多个滤波器层经配置以过滤与所述材料层的所述荧光相关联的能级范围。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述能级范围是基于所述材料层的元素成分及与所述元素成分中的每一元素相关联的轨道壳特性而预定的。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述滤波器经配置以从所述第二辐射过滤具有低于预定阈值的能级的光子。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述预定阈值与所述材料层的元素成分及与所述元素成分中的每一元素相关联的轨道壳特性相关联。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一辐射包括X射线。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一辐射包括伽马辐射。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量值包括长度单位。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量值包括面积密度。
10.根据权利要求1所述的系统，其包括：
显示器，其经配置以显示对应于所述材料层的所述厚度的所述测量值。
11.一种用于使用电磁辐射测量材料层的厚度的方法，其包括：
将来自辐射源的第一辐射引导朝向材料层的第一表面，所述材料层包括在所述第一表面和与所述第一表面相对的第二表面之间的厚度，其中在所述第一表面处接收的所述第一辐射使所述材料层发射第二辐射；
衰减与所述材料层的荧光相关联的所述第二辐射的部分以发射第三辐射；
在辐射检测器处检测所述第三辐射；及
基于所检测的所述第三辐射提供对应于所述材料层的所述厚度的测量值，其中所述辐射源及所述辐射检测器安置在所述材料层的相对侧上。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第二辐射的所述部分被包括一或多个滤波器层的滤波器衰减，所述一或多个滤波器层经配置以过滤与所述材料层的所述荧光相关联的能级范围。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述能级范围是基于所述材料层的元素成分及与所述元素成分中的每一元素相关联的轨道壳特性而预定的。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述第二辐射的所述部分被滤波器衰减，所述滤波器经配置以从所述第二辐射过滤具有低于预定阈值的能级的光子。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述预定阈值与所述材料层的元素成分及与所述元素成分中的每一元素相关联的轨道壳特性相关联。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一辐射包括X射线。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一辐射包括伽马辐射。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述测量值包括长度单位。
19.根据权利要求11所述的方法，其中所述测量值包括面积密度。
20.根据权利要求11所述的方法，其包括：
显示对应于所述材料层的所述厚度的所述测量值。
21.一种用于使用电磁辐射测量材料层的厚度的系统，其包括：
辐射源，其经配置以将第一辐射引导朝向材料层的第一表面，所述材料层包括在所述第一表面和与所述第一表面相对的第二表面之间的厚度，其中所述第一辐射使所述材料层发射第二辐射；
滤波器，其定位于所述材料层和辐射检测器之间，且经配置以衰减与所述材料的荧光相关联的所述第二辐射的部分以发射第三辐射，
其中所述辐射检测器经配置以检测所述第三辐射；及
控制器，其经配置以基于所检测的所述第三辐射，提供对应于所述材料层的所述厚度的测量值，其中所述第一辐射包括预定能级，且其中为了提供所述测量值，所述控制器经配置以：
测量所述第三辐射的强度；及
基于所测量的所述强度及与无材料层相关联的默认强度，计算对应于所述材料层的所述厚度的所述测量值。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述滤波器包括一或多个滤波器层，所述一或多个滤波器层经配置以过滤与所述材料层的所述荧光相关联的能级范围。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述能级范围是基于所述材料层的元素成分及与所述元素成分中的每一元素相关联的轨道壳特性而预定的。
24.根据权利要求21所述的系统，其中所述滤波器经配置以从所述第二辐射过滤具有低于预定阈值的能级的光子。
25.根据权利要求24所述的系统，其中所述预定阈值与所述材料层的元素成分及与所述元素成分中的每一元素相关联的轨道壳特性相关联。
26.根据权利要求21所述的系统，其中所述第一辐射包括X射线。
27.根据权利要求21所述的系统，其中所述第一辐射包括伽马辐射。
28.根据权利要求21所述的系统，其中所述辐射源及所述辐射检测器安置在所述材料层的相对侧上。
29.根据权利要求21所述的系统，其中所述辐射源及所述辐射检测器安置在所述材料层的同一侧上。
30.根据权利要求21所述的系统，其中所述测量值包括长度单位。
31.根据权利要求21所述的系统，其中所述测量值包括面积密度。
32.根据权利要求21所述的系统，其中为了提供所述测量值，所述控制器经配置以：
将对数函数应用于所测量的所述强度以确定对数值；及
将多项式函数应用于所述对数值以计算所述测量值，其中所述多项式函数中的系数是基于所述材料层的元素成分及待测量的所述材料层的厚度范围而预定的。
33.根据权利要求21所述的系统，其包括：
显示器，其经配置以显示对应于所述材料层的所述厚度的所述测量值。
34.一种用于使用电磁辐射测量材料层的厚度的方法，其包括：
将来自辐射源的第一辐射引导朝向材料层的第一表面，所述材料层包括在所述第一表面和与所述第一表面相对的第二表面之间的厚度，其中在所述第一表面处接收的所述第一辐射使所述材料层发射第二辐射；
衰减与所述材料层的荧光相关联的所述第二辐射的部分以发射第三辐射；
在辐射检测器处检测所述第三辐射；及
基于所检测的所述第三辐射，提供对应于所述材料层的所述厚度的测量值，其中所述第一辐射包括预定能级，且其中提供所述测量值包括：
测量所述第三辐射的强度；及
基于所测量的所述强度及与无材料层相关联的默认强度，计算对应于所述材料层的所述厚度的所述测量值。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述第二辐射的所述部分被包括一或多个滤波器层的滤波器衰减，所述一或多个滤波器层经配置以过滤与所述材料层的所述荧光相关联的能级范围。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述能级范围是基于所述材料层的元素成分及与所述元素成分中的每一元素相关联的轨道壳特性而预定的。
37.根据权利要求34所述的方法，其中所述第二辐射的所述部分被滤波器衰减，所述滤波器经配置以从所述第二辐射过滤具有低于预定阈值的能级的光子。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述预定阈值与所述材料层的元素成分及与所述元素成分中的每一元素相关联的轨道壳特性相关联。
39.根据权利要求34所述的方法，其中所述第一辐射包括X射线。
40.根据权利要求34所述的方法，其中所述第一辐射包括伽马辐射。
41.根据权利要求34所述的方法，其中所述辐射源及所述辐射检测器安置在所述材料层的相对侧上。
42.根据权利要求34所述的方法，其中所述辐射源及所述辐射检测器安置在所述材料层的同一侧上。
43.根据权利要求34所述的方法，其中所述测量值包括长度单位。
44.根据权利要求34所述的方法，其中所述测量值包括面积密度。
45.根据权利要求34所述的方法，其中提供所述测量值包括：
将对数函数应用于所测量的所述强度以确定对数值；及
将多项式函数应用于所述对数值以计算所述测量值，其中所述多项式函数中的系数是基于所述材料层的元素成分及待测量的所述材料层的厚度范围而预定的。
46.根据权利要求34所述的方法，其包括：
显示对应于所述材料层的所述厚度的所述测量值。
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