CN114354661A - 一种微区x射线光谱分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微区X射线光谱分析系统，包括：X射线光束会聚模块、样品探测模块、计算机；所述X射线光束会聚模块用于获得聚焦的X射线微焦斑；所述X射线微焦斑包括多色微区X射线微焦斑和单色微区X射线微焦斑；所述样品探测模块用于探测样品被所述X射线微焦斑激发后所产生的特征信号；所述计算机用于根据所述特征信号获得样品表面相关信息。本发明提出的微区X射线光谱分析装置采用组合透镜的方式，通过毛细管透镜与平晶的组合，可以根据需求产生多色或单色聚焦X射线微束，扩展了其应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及微区X射线光谱分析技术领域，尤其涉及一种基于毛细管X 光聚焦光学器件的微区X射线光谱分析系统。
背景技术
微区X射线光谱分析技术相比于常规X射线光谱分析技术能够获得待测样品的局部信息，经过逐点扫描分析可以获得样品表面信息，其在材料，生物，文物鉴定，化学分析等领域具有广泛应用。
微区X射线光谱分析技术发展与X射线光学聚焦器件的发展密不可分, 光学器件聚焦性能决定了微区X射线光谱分析装置性能。上世纪90年代苏联科学家Kumakhov发明的毛细管X光透镜是目前微区X射线分析装置常用的X射线聚焦器件之一。毛细管X光透镜基于表面全返射原理制造而成，具有高带宽，广角的特点。因此毛细管X光透镜所会聚X射线光束为多色X 射线，会聚多色X射线和单色X射线相比，既有优势又有劣势，优势是会聚光源的多色X射线其光子利用率高，所产生微焦斑光强增益高，探测效率高。另一方面，劣势体现在，例如用于X射线荧光光谱分析，会聚的多色X射线束产生噪声较多，信噪比较差。然而，目前的微区X射线光谱分析装置功能单一，只能实现会聚多色X射线和单色X射线其中的一种。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于毛细管 X光聚焦光学器件的微区X射线光谱分析系统。
一种微区X射线光谱分析系统，包括：X射线光束会聚模块、样品探测模块、计算机；
所述X射线光束会聚模块用于获得聚焦的X射线微焦斑；所述X射线微焦斑包括多色微区X射线微焦斑和单色微区X射线微焦斑；
所述样品探测模块用于探测样品被所述X射线微焦斑激发后所产生的特征信号；
所述计算机用于根据所述特征信号获得样品表面相关信息。
进一步地，如上所述的微区X射线光谱分析系统，所述X射线光束会聚模块包括能够产生多色微区X射线微焦斑的多色会聚单元；
所述多色会聚单元包括：X射线光源、遮光器、对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜、对称设置的两个抛物线型单毛细管聚焦透镜；
所述X射线光源位于所述对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜前焦点处，所述遮光器位于所述对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜的入射光或出射光处，用于阻挡直通光；
所述对称设置的两抛物线型单毛细管聚焦透镜位于所述对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜后用于接收其出射的多色X射线束，并将其会聚为微焦斑，并照射在样品表面。
进一步地，如上所述的微区X射线光谱分析系统，所述X射线光束会聚模块包括能够产生单色微区X射线微焦斑的单色会聚单元；
所述单色会聚单元包括：X射线光源、遮光器、对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜、对称设置的两个抛物线型单毛细管聚焦透镜、单色器；
所述X射线光源位于所述对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜前焦点处，所述遮光器位于所述对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜的入射光或出射光处，用于阻挡直通光；
所述单色器用于将所述对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜所出射的多色准平行光束以一定角度入射至单色器，并将其转变为准单色X射线束，并出射至所述对称设置的两个抛物线型单毛细管聚焦透镜上；
所述对称设置的两抛物线型单毛细管聚焦透镜位于所述对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜后，用于接收单色器出射的单色X射线束，并将其会聚为微焦斑，并照射在样品表面。
进一步地，如上所述的微区X射线光谱分析系统，所述单色会聚单元包括两个对称设置的所述单色器。
进一步地，如上所述的微区X射线光谱分析系统，当所述遮光器位于X 射线光源与对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜之间时，其直径小于对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜的入口直径；当置于对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜与对称设置的两抛物线型单毛细管聚焦透镜之间时，其直径等于聚焦透镜出口直径。
进一步地，如上所述的微区X射线光谱分析系统，所述样品探测模块包括：X射线能谱探测器、正比计数探测器、样品调节架；
所述X射线能谱探测器与正比计数探测器分别置于样品的入射光和出射光一侧；
所述X射线能谱探测器用于接收X射线微焦斑照射在样品表面所激发的荧光信号；所述正比计数探测器用于接收X射线微焦斑经过样品后的衰减透射信号；
所述样品调节架用于固定样品，通过样品调节架调节样品与X射线微焦斑之间的相对运动，从而完成对样品的表面逐点扫描。
进一步地，如上所述的微区X射线光谱分析系统，所述X射线光源为微焦斑光管，其焦斑尺寸不大于80微米，光源焦斑形状为点状。
进一步地，如上所述的微区X射线光谱分析系统，所述抛物线型单毛细管准直透镜、抛物线型单毛细管聚焦透镜均采用中空玻璃管制造而成，其内部曲线为抛物线形，内壁镀有光滑的重金属薄膜，该重金属为铱，金，锇。
进一步地，如上所述的微区X射线光谱分析系统，所述单色器为平面晶体。
进一步地，如上所述的微区X射线光谱分析系统，所述遮光器的材质为铅。
有益效果：
本发明提出的微区X射线光谱分析装置采用组合透镜的方式，通过毛细管透镜与平晶的组合，可以根据需求产生多色或单色聚焦X射线微束，扩展了其应用范围。
附图说明
图1为多色微区X射线光谱分析装置示意图；
图2为单色微区X射线光谱分析装置示意图；
图3为复合式单色X射线聚焦光学系统示意图；
图4为抛物线型单毛细管透镜几何示意图；
附图标记：
1-X射线光源；2-遮光器；3-抛物线型单毛细管准直透镜；4-抛物线型单毛细管聚焦透镜；5-X射线能谱探测器；6-荧光信号；7-样品；8-透射信号；9-正比计数探测器；10-单色器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种能够进行多色和单色X射线微区光谱分析的装置。为了实现上述目的，本发明拟采取以下技术方案：
一种微区X射线光谱分析装置，该装置主要包括两个部分：一部分为X 射线光束会聚系统，一部分为样品探测系统。X射线光束会聚系统用于获得聚焦的X射线微焦斑，主要包括X光源和光学会聚系统；样品探测系统主要用于探测样品被X射线微焦斑激发后所产生的特征信号，主要包含样品调节器件和探测器。
具体地，本发明装置具体主要包含：X射线光源1，抛物线型单毛细管准直透镜3，单色器10，抛物线型单毛细管聚焦透镜4，样品7，探测器9、样品调节架、及信号处理终端。
X射线光源1用于产生发散的X射线，光学会聚系统置于X射线光源之后，将X射线光源1产生的发散X射线会聚为微焦斑照射到样品，X射线能谱探测器5与光学会聚系统置于同一侧用于获得样品7在微焦斑照射区域的光谱信号。对于较薄样品可以在会聚光束出射方向放置正比计数探测器9，用于记录会聚光束穿透样品后的信号衰减信息。通过样品调节架调节样品与微焦斑的相对位置，使微焦斑逐点扫描样品表面，可以同时获得样品表面的荧光光谱分布以及吸收成像。
所述光学会聚系统，其主要包含：抛物线型单毛细管准直透镜3，遮光器2，单色器10，抛物线型单毛细管聚焦透镜4。经过不同的组合，光学会聚系统分为两种模式，一种为多色会聚模式，一种为单色会聚模式。
其中，所述多色会聚模式为：此模式只包含抛物线型单毛细管准直透镜 3，遮光器2和抛物线型单毛细管聚焦透镜4，X射线光源1置于抛物线型单毛细管准直透镜3前焦点处，抛物线型单毛细管准直透镜3将X光源发出的发散X射线调控成准平行X射线束，遮光器2可以置于X射线光源1和抛物线型单毛细管准直透镜3之间或者透镜之后，用于阻挡未经过抛物线型单毛细管准直透镜3调控的直通光，抛物线型单毛细管聚焦透镜4置于其后，将接收到的准平行X射线会聚成微焦斑。
所述单色会聚模式为：抛物线型单毛细管准直透镜3将X射线光源1发出的发散X射线调控成准平行X射线束，遮光器2可以置于X射线光源1 和抛物线型单毛细管准直透镜3之间或者抛物线型单毛细管准直透镜3之后，用于阻挡未经过抛物线型单毛细管准直透镜3调控的直通光，准平行X射线束以一定角度照射至单色器10，单色器10出射单色后的准平行X射线束，抛物线型单毛细管聚焦透镜4接收出射单色准平行X射线束，并将其会聚为微焦斑。
从而，本发明提供的微区X射线光谱分析装置选用不同的光学会聚系统便可实现多色或单色微区X射线光谱分析。
优选地，所述X射线光源1为微焦斑光管，其焦斑尺寸不大于80微米，光源焦斑形状为点状。
优选地，抛物线型单毛细管准直透镜3和抛物线型单毛细管聚焦透镜4 采用中空玻璃管制造而成，其内部曲线为抛物线形，内壁镀有光滑的重金属薄膜，所选金属应为高原子序数，如铱，金，锇等。
优选地，遮光器2用于阻挡中间的直通X射线，优选的为铅，金等重金属所制作而成的球状或柱状物体，如置于光源与透镜之间其直径应小于抛物线型单毛细管准直透镜入口直径，如置于准直透镜与聚焦透镜之间其直径应等于聚焦透镜出口直径。
优选地，所述单色器10为平面晶体，平面晶体与毛细管X光半透镜出射方向成一定角度，用于把多色准平行X射线束转变成单色准平行X射线束。
进一步，两个探测器：其中之一与光源置于样品一侧，优选的为半导体探测器，用于获得样品的荧光光谱信号，另一探测器置于样品另一面用于探测扫描微束的衰减信号，优选的为正比计数管。
参见附图二，本发明实施例提供一种单色微区X射线光谱分析装置，包括： X射线光源1，遮光器2，两个对称设置的抛物线型单毛细管准直透镜3，两个对称设置的抛物线型单毛细管聚焦透镜4，X射线能谱探测器5，荧光信号6，样品7，透射信号8，正比计数探测器9和平晶10。
所述X射线光源1位于所述对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜3 前焦点处，其发出的多色发散X射线被所述对称设置的抛物线型单毛细管准直透镜3所接收调控为准平行光束，遮光器2位于X射线光源1与两个对称设置的抛物线型单毛细管准直透镜3之间用于阻挡直通光，两个对称设置的抛物线型单毛细管准直透镜3所出射的多色准平行光束以一定角度入射至平晶10，多色准平行光束经过平晶10，转变为准单色X射线束出射，根据晶体布拉格公式可知入射角度等于出射角。对称设置的两抛物线型单毛细管聚焦透镜4位于对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜3后接收平晶10所出射的单色X射线束，并将其会聚为微焦斑，照射在样品7表面。平晶10所出射准单色X射线束能量与光束入射角度有关。可以通过调节入射光束与平晶10之间的角度，控制所聚焦微束X射线能量。微焦斑照射在样品表面所激发的荧光信号6被同侧所放置的X射线能够探测器5所接收。若样品7为薄样，可以在抛物线型单毛细管聚焦透镜4所会聚管束方向，即样品7另一侧放置正比计数探测器9，用于接收微束经过样品7后的衰减透射信号8。样品7被固定于样品调节架上，通过样品调节架调节样品7与光束微焦斑之间的相对运动，可以完成对样品的表面逐点扫描。X射线能谱探测器5、正比计数探测器9分别与计算机连接，通过数据分析进而可以获得样品表面相关信息。
参见附图一，此为多色微区X射线光谱分析装置，与附图二单色微区X射线光谱分析装置之间区别在于光学会聚系统。多色装置光学会聚系统不包含平晶10，仅由抛物线型单毛细管准直透镜3所设准平行多色X射线束被抛物线型单毛细管聚焦透镜4接收并会聚。多色微区X射线光谱分析装置对于X射线光源1所发出X射线利用率高，所获得微焦斑光强更强，分析效率更好，只是信噪比略差，元素检出限较高。
参见附图三，此为复合式单色X射线聚焦光学系统，即在图二所示的单色微区X射线光谱分析装置基础之上，叠加了一个平晶10。
具体地，此系统为单色微区X射线光谱分析装置光学会聚系统的组合，由遮光器2，对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜3，对称设置的两个抛物线型单毛细管聚焦透镜4和两个平晶10组成。其光学会聚系统可以采用多套叠加的方式，进而增强光学透镜的光束接收角，进而增加光学会聚系统对于X射线光源1所发出X射线的利用率，提升装置的整体分析效率。通过此种措施可以降低装置对于X射线光源1功率的要求，便于装置的小型化。
参见附图四为抛物线型单毛细管透镜的几何示意图，其内部曲线为抛物线，透镜焦点为其曲线焦点，当其用于抛物线型单毛细管准直透镜3时，X射线光源1置于透镜焦点处，用于将光源发出的发散光调控为准平行光束。当用于抛物线型单毛细管聚焦透镜4时，接收准平行光束聚焦为微焦斑。f1为透镜焦距， Di为透镜入口直径，L为透镜长度，Do为透镜出口直径。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种微区X射线光谱分析系统，其特征在于，包括：X射线光束会聚模块、样品探测模块、计算机；
所述X射线光束会聚模块用于获得聚焦的X射线微焦斑；所述X射线微焦斑包括多色微区X射线微焦斑和单色微区X射线微焦斑；
所述样品探测模块用于探测样品被所述X射线微焦斑激发后所产生的特征信号；
所述计算机用于根据所述特征信号获得样品表面相关信息。
2.根据权利要求1所述的微区X射线光谱分析系统，其特征在于，所述X射线光束会聚模块包括能够产生多色微区X射线微焦斑的多色会聚单元；
所述多色会聚单元包括：X射线光源(1)、遮光器(2)、对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜(3)、对称设置的两个抛物线型单毛细管聚焦透镜(4)；
所述X射线光源(1)位于所述对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜(3)前焦点处，所述遮光器(2)位于所述对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜(3)的入射光或出射光处，用于阻挡直通光；
所述对称设置的两抛物线型单毛细管聚焦透镜(4)位于所述对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜(3)后用于接收其出射的多色X射线束，并将其会聚为微焦斑，并照射在样品(7)表面。
3.根据权利要求1所述的微区X射线光谱分析系统，其特征在于，所述X射线光束会聚模块包括能够产生单色微区X射线微焦斑的单色会聚单元；
所述单色会聚单元包括：X射线光源(1)、遮光器(2)、对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜(3)、对称设置的两个抛物线型单毛细管聚焦透镜(4)、单色器(10)；
所述X射线光源(1)位于所述对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜(3)前焦点处，所述遮光器(2)位于所述对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜(3)的入射光或出射光处，用于阻挡直通光；
所述单色器(10)用于将所述对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜(3)所出射的多色准平行光束以一定角度入射至单色器(10)，并将其转变为准单色X射线束，并出射至所述对称设置的两个抛物线型单毛细管聚焦透镜(4)上；
所述对称设置的两抛物线型单毛细管聚焦透镜(4)位于所述对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜(3)后，用于接收单色器(10)出射的单色X射线束，并将其会聚为微焦斑，并照射在样品(7)表面。
4.根据权利要求3所述的微区X射线光谱分析系统，其特征在于，所述单色会聚单元包括两个对称设置的所述单色器(10)。
5.根据权利要求2或3或4所述的微区X射线光谱分析系统，其特征在于，当所述遮光器(2)位于X射线光源(1)与对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜(3)之间时，其直径小于对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜(3)的入口直径；当置于对称设置的两个抛物线型单毛细管准直透镜(3)与对称设置的两抛物线型单毛细管聚焦透镜(4)之间时，其直径等于聚焦透镜出口直径。
6.根据权利要求1所述的微区X射线光谱分析系统，其特征在于，所述样品探测模块包括：X射线能谱探测器(5)、正比计数探测器(9)、样品调节架；
所述X射线能谱探测器(5)与正比计数探测器(9)分别置于样品的入射光和出射光一侧；
所述X射线能谱探测器(5)用于接收X射线微焦斑照射在样品表面所激发的荧光信号(6)；所述正比计数探测器(9)用于接收X射线微焦斑经过样品(7)后的衰减透射信号(8)；
所述样品调节架用于固定样品，通过样品调节架调节样品(7)与X射线微焦斑之间的相对运动，从而完成对样品的表面逐点扫描。
7.根据权利要求2所述的微区X射线光谱分析系统，其特征在于，所述X射线光源(1)为微焦斑光管，其焦斑尺寸不大于80微米，光源焦斑形状为点状。
8.根据权利要求2所述的微区X射线光谱分析系统，其特征在于，所述抛物线型单毛细管准直透镜(3)、抛物线型单毛细管聚焦透镜(4)均采用中空玻璃管制造而成，其内部曲线为抛物线形，内壁镀有光滑的重金属薄膜，该重金属为铱，金，锇。
9.根据权利要求3或4平面晶体所述的微区X射线光谱分析系统，其特征在于，所述单色器(10)为平面晶体。
10.根据权利要求2所述的微区X射线光谱分析系统，其特征在于，所述遮光器(2)的材质为铅。
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