CN201417256Y - 毛细管x光透镜共聚焦微区x射线荧光谱仪 - Google Patents

毛细管x光透镜共聚焦微区x射线荧光谱仪 Download PDF

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毛细管X光透镜共聚焦微区X射线荧光谱仪是由X光源、样品台、显微镜、探测器、X射线光源和样品台之间的整体毛细管X光会聚透镜以及样品台和探测器之间的整体毛细管X光平行束透镜组成，它可用来对样品进行三维无损微区X射线荧光分析。本实用新型的核心部件是安放在光源和样品台之间的整体毛细管X光会聚透镜和安放在样品台和探测器之间的整体毛细管X光平行束透镜。本实用新型的核心是通过对整体毛细管X光会聚透镜与整体毛细管X光平行束透镜的合理调节实现共聚焦，从而对样品进行三维无损微区X射线荧光分析。同时，本实用新型可以利用功率较低的光源进行X射线荧光分析。本实用新型结构简单，造价低廉，便于推广和普及。

Description

毛细管X光透镜共聚焦微区X射线荧光谱仪
技术领域
本实用新型涉及一种使用整体毛细管X光透镜的共聚焦微区X射线荧光谱仪。它是国际上尚无商品推出的使用整体毛细管X光透镜的新型科学仪器。用它可以对样品进行三维无损微区X射线荧光分析。
背景技术
现有的共聚焦X射线荧光普仪，大多数是利用准直管来限制X射线束，众所周知，采用准直管只不过是起到滤光的作用，将准直管以外的光卡掉，这就大大降低了打在样品上的X射线强度，从而导致了在进行X射线荧光分析时需要很长的时间，以致影响所测谱的质量，所以在用准直管进行共聚焦X射线荧光分析时，必须用高强度X射线光源。所以，现有的共聚焦X射线荧光谱仪受到光源强度的限制，影响了它们的普及和推广。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种能够对材料进行三维无损微区X射线荧光分析的新型科学仪器。
本实用新型的目的通过如下措施实现：该谱仪包括X光源、整体毛细管X光会聚透镜、整体毛细管X光平行束透镜、探测器。其特点在于：在光源和样品台之间加有一整体毛细管X光会聚透镜，在样品台和探测器之间加有一整体毛细管X光平行束透镜，当整体毛细管X光会聚透镜的出口焦斑和整体毛细管X光平行束透镜的入口焦斑重合时，整体毛细管X光平行束透镜只能收集到来自该焦斑重合范围内(或者说“共聚焦微元内”)的X射线信号，所以，当两个整体毛细管X光透镜处于共聚焦时，两透镜不动，通过移动样品，就可以实现对样品的三维无损微区X射线分析。
整体毛细管X光透镜是利用X射线全反射原理设计成的X射线光学器件，X光在毛细导管中可借助于全反射从导管的一端传输到另一端，传输过程中，改变了X光的传播方向。每个整体毛细管X光透镜是由30-50万根内径为3-15微米单玻璃毛细管构成。该类器件的优点是：它可以对全波段的X射线进行聚焦，并且制作工艺简单、小巧灵便、种类齐全、造价低廉。整体毛细管X光透镜分为两类：整体毛细管X光会聚透镜(其中包括整体毛细管X光半会聚透镜)和整体毛细管X光平行束透镜，整体毛细管X光会聚透镜和整体毛细管X光平行束透镜是单一的、没有支撑的多孔玻璃固体，内有多根毛细管；这两种透镜沿长度的外形母线和X光导管的外形母线及X光导管的轴线近似为空间二次曲线段、二次曲线段的组合或二次曲线段与直线段的组合，透镜的母线和X光导管的外形母线的径向变化对于透镜的中心轴线是对称的。整体毛细管X光会聚透镜可以在大角度大范围内会聚发散的X光，且将发散的X光会聚成数十微米的微焦斑，从而可以对样品进行微区扫描，整体毛细管X光会聚透镜具有103数量级的放大倍数。整体毛细管X光会聚透镜的进口截面和出口截面尺寸小于透镜最大尺寸；进口端截面和X光导管在垂直于透镜中心轴线方向的截面分别为正六边形和圆形；进口端截面和出口端截面形状相同，X光导管沿垂直于透镜中心线方向的截面尺寸是空间的函数，越靠近两端，截面尺寸越小。整体毛细管X光平行束透镜可以对射入的X射线进行汇聚，形成准平行的光束。整体毛细管X光平行束透镜的出口截面为透镜的最大尺寸；进口端截面和X光导管在垂直于透镜中心轴线方向的截面分别为正六边形和圆形；进口端截面和出口端截面形状相同，X光导管沿垂直于透镜中心线方向的截面尺寸是空间的函数，在出口截面是最大值，越靠近入口截面，截面尺寸越小。
整体毛细管X光会聚透镜和整体毛细管X光平行束透镜的长度、入口直径、出口直径和最大截面的尺寸都是因共聚焦X射线荧光分析研究的特殊要求而特别设计，其中整体毛细管X光会聚透镜的出口焦斑和整体毛细管X光平行束透镜的入口焦斑相同，构成透镜毛细管的内径和数目以及拉制透镜采用的材料也因研究项目要求的不同而不同。
本实用新型与现有技术比较具有如下优点：
1.相对于其它共聚焦X射线荧光谱仪所采用的准直管，整体毛细管X光会聚透镜可以会聚发散的X光，所以，本实用新型采用整体毛细管X光会聚透镜可以将打在样品上的X光的功率密度提高数千倍，从而可以对样品进行微区扫描，同时可以缩短测量时间。
2.相对于其它共聚焦X射线荧光谱仪所采用的准直管，由于在探测器之前又加有整体毛细管X光平行束透镜，可以对射入X光平行束透镜的X射线再一次进行会聚，可以形成准平行光。
3.由于整体毛细管X光会聚透镜有很高的放大倍数，所以，本实用新型可以在低功率光源下进行X射线荧光分析。
4.整体毛细管X光会聚透镜和整体毛细管X光平行束透镜实现了共聚焦，当整体毛细管X光会聚透镜的出口焦斑和整体毛细管X光平行束透镜的入口焦斑重合时，整体毛细管X光平行束透镜只能收集到来自该焦斑重合范围内(或者“共聚焦微元内”)的X射线信号，所以，当两个整体毛细管X光透镜处于共聚焦时，两透镜不动，通过移动样品，就可以实现对样品的三维无损X射线荧光分析。
5.由于整体毛细管X光透镜没有支架，结构紧凑，所以本实用新型结构简单、造价低廉，便于普及和推广使用。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步的详述。
图1为毛细管X管透镜共聚焦微区X射线荧光谱仪结构示意图；
图2为本实用新型中整体会聚X光透镜的示意图；
图3为本实用新型中平行束X光透镜的示意图；
图4为图2中整体会聚X光透镜的沿垂直于透镜中心线的剖面图；
图5为图3中平行束X光透镜的沿垂直于透镜中心线的剖面图
具体实施方式：
参见附图1，本实用新型由X光源1、整体毛细管X光会聚透镜2、样品台3、整体毛细管X光平行束透镜4、探测器5和显微镜6组成。
自X光源发射的X光7被整体毛细管会聚X光透镜收集和会聚，从透镜2出射的X光8会聚成数十微米的微焦斑9。焦斑9打到样品上，激发出X射线荧光10。由于整体毛细管X光会聚透镜的出口焦斑和整体毛细管X光平行束透镜的入口焦斑重合，所以整体X光平行束透镜4所接受到的X光只能是来自共聚焦微元内的X光，当透镜2和透镜4不动时，样品3移动，可对样品3进行三维无损X射线荧光分析。
参见图2，图2给出了谱仪中所用的会聚透镜的主体结构。7是由X射线源1出射并为透镜2捕获的X射线，其捕获角为ωcapture。X射线在透镜内传播，部分被透镜壁吸收，部分为穿出透镜。剩余部分X射线8由透镜会聚成后形成焦斑9。会聚透镜的几何参量有：入口端焦距f1(X光源离透镜入口端的距离)，出口端焦距f2(透镜出口端到焦斑处的距离)，X光透镜长度L，透镜入口端大小Din，出口端大小Dout，最大尺寸Dmax(对圆透镜为其直径，对多边形透镜为其对边距离)。会聚透镜的物理参量有：传输效率，焦斑的大小，功率密度放大倍数。
参见图3，图3给出了谱仪中所用平行束透镜的主体结构。从会聚透镜焦斑9处样品激发出的X射线10被平行束透镜4收集并会聚，然后进入探测器。平行束透镜的几何参量有：入口端焦距f3，入口端大小Din1，出口端大小Dout1，透镜长度L1，收集角θ，平行束透镜的物理参量有：传输效率，功率密度放大倍数和占空比。
参见附图4，透镜沿垂直于透镜中心线方向的横截面的外形是正六边形，每根毛细管(图中标记为A)横截面的轮廓为圆形。毛细管紧密排列在一起，如果把中间一根毛细管所在的层数定义为1，则从内向外各层上的毛细管的数目为6(n-1)，其中n＞1为层数，毛细管的内径大小可以相同也可以不相同。
参见附图5，透镜沿垂直于透镜中心线方向的横截面的外形是正六边形，每根毛细管(图中标记为B)横截面的轮廓为圆形。毛细管紧密排列在一起，如果把中间一根毛细管所在的层数定义为1，则从内向外各层上的毛细管的数目为6(n-1)，其中n＞1为层数，毛细管的内径大小可以相同也可以不相同。
下面给出整体X光会聚透镜的实例：透镜共有275060根X光导管构成，在沿垂直于透镜中心线的方向截面上，每根毛细管的内径大小相同，在最大横截面上，每根毛细管的内径约为6μm；透镜的长度为70mm，透镜的入口端和出口端的直径分别为5mm和3mm，在17.4keV能量点，透镜入口焦距、出口焦距、传输效率、焦斑直径、放大倍数和捕获角，分别为78mm、13mm、1％、27μm、3000和2°。
下面给出整体X光平行束透镜的实例：透镜共有205060根X光导管构成，在沿垂直于透镜中心线的方向截面上，每根毛细管的内径大小相同，在最大横截面上，每根毛细管的内径约为7μm；透镜的长度为25mm，透镜的入口端和出口端的直径分别为3mm和5mm，在17.4keV能量点，透镜入口焦距、传输效率和功率密度放大倍数分别为15mm、12％、27μm和8。透镜入口对X光的收集角为7°。

Claims (5)

1.一种基于整体毛细管X光透镜的共聚焦微区X射线荧光谱仪，包括X光源、样品台、显微镜、探测器，其特征在于：该谱仪还包括在X光源和样品之间加有一整体毛细管X光会聚透镜，在样品和探测器之间加有一整体毛细管X光平行束透镜。
2.根据权利要求1所述的共聚焦微区X射线荧光谱仪，其特征在于：整体毛细管X光会聚透镜和整体毛细管X光平行束透镜是单一的、没有支撑的多孔玻璃固体，内有多根毛细管；这两种透镜沿长度的外形母线和X光导管的外形母线及X光导管的轴线近似为空间二次曲线段、二次曲线段的组合或二次曲线段与直线段的组合，透镜的母线和X光导管的外形母线的径向变化对于透镜的中心轴线是对称的。
3.根据权利要求1所述的共聚焦微区X射线荧光谱仪，其特征在于：整体毛细管X光会聚透镜具有103数量级的放大倍数。
4.根据权利要求1所述的共聚焦微区X射线荧光谱仪，其特征在于：整体毛细管X光会聚透镜的进口截面和出口截面尺寸小于透镜最大尺寸；进口端截面和X光导管在垂直于透镜中心轴线方向的截面分别为正六边形和圆形；进口端截面和出口端截面形状相同，X光导管沿垂直于透镜中心线方向的截面尺寸是空间的函数，越靠近两端，截面尺寸越小。
5.根据权利要求1所述的共聚焦微区X射线荧光谱仪，其特征在于：整体毛细管X光平行束透镜的出口截面为透镜的最大尺寸；进口端截面和X光导管在垂直于透镜中心轴线方向的截面分别为正六边形和圆形；进口端截面和出口端截面形状相同，X光导管沿垂直于透镜中心线方向的截面尺寸是空间的函数，在出口截面是最大值，越靠近入口截面，截面尺寸越小。
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