CN201440132U - 波长色散x荧光光谱仪的弯面晶体分光装置 - Google Patents

Abstract

一种波长色散X荧光光谱仪的弯面晶体分光装置，其特征在于它包括前狭缝导管、分光盒体、晶体托架、晶体托架角度调整顶杆、复位弹簧、后盖、后狭缝导管及探测器。优越性：楔形内腔结构和后开口的结构设计，最大程度上减少了X射线散射的面的数量，有利于降低仪器检测数据的背景信号的强度，最大程度减小了分光器的内外形尺寸，有利于真空密封和分光器的布置；分光器与真空室间的密封由传统的端面密封改为双重径向轴密封，大大提高了分光器与真空室的定位精度。同时杜绝了传统端面密封分光器在使用期间由于密封件变形而造成的数据漂移的现象。分光器的定位面和晶体轴心距离尺寸易于加工和测量，提高了晶体安装的位置精度。

Description

波长色散X荧光光谱仪的弯面晶体分光装置

(一)技术领域：

本实用新型涉及一种X射线晶体分光装置，尤其是一种波长色散X荧光光谱仪的弯面晶体分光装置，它是X射线分析用波长色散X荧光光谱仪的重要部件，分光装置结构和性能直接决定光谱仪性能的好坏。

(二)背景技术：

波长色散X荧光光谱仪是定量检测材料化学成份精密仪器，广泛应用于建材、冶金、环保和科研等领域。X射线晶体分光装置是核仪器最核心的部件。其工作原理(如图1)，将样品被X射线管激发出的带有各组份元素特征谱线的二次X射线通过前级狭缝收集到分光器中，在分光器中放置一块特定晶格间距的晶体，当入射X射线的光程长度和入射晶体的角度满足布拉格方程(2dsinθ＝λ式中d为晶面间距；θ入射线和衍射面之间的夹角；λ为特征X射线的波长)时，就可以在与晶体表面特定的角度和距离处得到某种元素的单色特征X射线，在这个位置上设置X射线探测器，将X射线光能信号转为电信号而进行精确的定量分析，检测出某种元素在样品中的含量。

(三)实用新型内容：

本实用新型的目的在于设计一种波长色散X荧光光谱仪的弯面晶体分光装置，它采用楔形结构及双倍曲率法或等角螺线法弯面晶体进行波长色散，是一种分光效率高、噪声背景低、结构简捷且真空密封可靠的新型高性能的分光器结构。

本实用新型的技术方案：一种波长色散X荧光光谱仪的弯面晶体分光装置，其特征在于它包括前狭缝导管、分光盒体、晶体托架、后狭缝导管及探测器；分光盒体的入射端即光路的入射口安装有前狭缝导管，分光盒体的出射端即光路的出射口密封安装有后狭缝导管；所说的晶体托架的光路轴心依销轴固定在分光盒体内，晶体托架上有晶体薄膜，晶体托架的光路轴心以销轴为旋转轴心；所说的后狭缝导管与探测器呈密封安装。

上述所说的前狭缝导管、分光盒体和后狭缝导管构成的分光器内腔依本发明专利工作原理中的方法计算出的光路形状加工成楔形。

上述所说的分光盒体依分光器定位与真空室安装的定位面前的双重径向O形密封圈与分光真空室安装孔密封安装，并依安装孔周边的螺钉呈压紧固定连接。

上述所说的分光器定位和真空室安装的定位面与晶体托架的光路轴心在同一面内，易于测量定位面与轴心孔的距离，这一位置的加工和安装精度是分光器功效的关键。

上述所说的晶体托架曲面是依本发明专利工作原理中的方法计算出的座标数据，由数控机床加工而成；在晶体托架两侧面的光路中心处留有轴心孔，销轴由分光盒两侧穿入，将晶体托架固定在分光盒体上，晶体托架可以沿销轴转动；销轴依螺纹和双重O形密封圈与分光盒体密封安装。

上述所说的分光盒体的底部留有安装晶体的开口，开口处依O形密封圈I密封安装有后盖；所说的后盖上安装有晶体托架角度调整顶杆和复位弹簧，晶体托架角度调整顶杆依O形密封圈II与后盖呈密封安装；晶体托架角度调整顶杆和复位弹簧分别连接于晶体托架的两端。分光盒体与后盖之间依螺钉连接。

上述所说的前狭缝导管及后狭缝导管的狭缝宽度可根据不同样品元素的需要而更换。

上述所说的前狭缝导管与分光盒体同处于真空中，无需密封，只需螺钉连接；后狭缝导管前端依O形密封圈III与分光盒体用螺钉密封安装，后端与探测器依O形密封圈IV用螺钉密封安装。

本实用新型的工作方法为：(1)按照双倍曲率法或等角螺线法设计分光光路，计算出光路中用于分光的曲线段的座标，并按曲线座标加工晶体托架，将加工好的晶体薄膜粘贴在晶体托架上，使晶体表面与计算出的光路曲线相吻合；(2)用销轴将晶体托架固定在分光盒体内中，然后盖上后盖，用后盖上设有的复位弹簧和晶体托架角度调整杆顶住晶体托架背面，通过它们的共同作用，旋动晶体托架调整顶杆，同时通过复位弹簧的作用，在一定范围内调整晶体托架的角度，当电信号最高时，认为晶体角度与计算值相符，用腊封住调节孔；(3)分光盒体内腔和晶体托架构成分光光路；(4)在分光盒体的入射端装上前狭缝导管，在分光盒体的出射端装上后狭缝导管；(5)将探测器与后狭缝导管连接；(6)使O形密封圈I、O形密封圈II和双重径向O形密封圈分别与密封面良好接触，拧紧压紧螺钉，确保分光装置的真空密封；(7)将分光装置的分光盒体的入射端的连同前狭缝导管插入真空室，用双重径向O形密封圈将连接处密封，并将分光装置与真空室的定位面压紧，分光装置开始对样品进行分光。

本实用新型的工作原理：本实用新型采用双倍曲率法或等角螺线法用弯面晶体进行波长色散；

双倍曲率法，又称全聚焦法：如图2，先将单晶块磨削成曲率半径为R的薄片，使此薄片中的原子面都与晶体中点的切面平行；然后再将此晶片弯成以O’为圆心、R/2为半径的柱面；于是，其中反射原子都被弯成以O为圆心、R为半径的柱面；从图1中看出，A、B和C三点原子面的切面uu都分别与OA、OB与OC垂直；图1中AP＝L＝nλR/2d＝Rsinθ符合布拉格条件；同理每一条入射线都符合布拉条件，且严格聚焦于P点；在晶体的制作实践中，一般是固定几种R值的晶体模，而对于不同的衍射角θ则调整狭缝到晶体中心的距离L值，使光路满足布拉格条件；

图3是以元素Ca为例的光路图，令R/2＝100mm，L＝OA，圆弧线要同时经过O和A点，P为O相对于A的对称点，令O为前狭缝点，A为晶体中心点，P为后狭缝点，将单晶块磨削成曲率半径为R的薄片，粘在内弧面为R/2的金属托，而作成晶体托架；这样分光器和晶体托架就构成了一个完整的分光光路，因此用这种结构的分光器就可以利用晶体两次弯曲晶格内部的特殊结构进行X射线分光；

等角螺线法，又称对数螺线法：等角螺线的极坐标数学表达式为：ρ＝Aeψctgθ，曲线如图2：其数学定义为：极点pts和曲线上任一点P的连线与P点处曲线的切线的夹角都为θ；我们利用等角螺线的这一性质，将式θ中取为布拉格角θ；极点为入射狭缝；晶体只需简单磨制成平面薄片，帖在加工成等角螺线形状的晶体托架上；这样每一条照射到晶体上的光线与晶体都成布拉格角；经衍射的X射线交汇于一个很小的区域，而不是完双倍曲率，但聚焦范围很小，远比平面晶体的强度高很多；

前狭缝到分光晶体中心的距离p、晶体有效直径D，样品到入射狭缝距离l、和晶体的有效长度S四个参数相互关联，光程越短越好，即l+p越短越好，但l越小，会使晶体长度越长，分光盒腔体直径加大，晶体的制作越加困难，成本也越高；由于真空室不可能太小，所以p值也要受结构的限制；因此，在设计过程中，要综合以上各种因素，反复优化计算，最终确定出晶体有效直径D、射线取出角

样品到入射狭缝距离l、前狭缝到分光晶体中心的距离p₀等参数作为基本经验参数；

晶体托架的表面曲线要与光路落在等角螺线上的那一段一致；经几何计算这段曲线上足够点的坐标值，输出给数控线切割机床将晶体托架表面加工出来，对数晶体做成一层很薄的晶体粘在晶体托架上；

分光装置(图5)的晶体轴心即销轴处为图4的P0点，前狭缝导管13中心为图4中pts点，后狭缝导管16中心为图4的F点，这样分光器和晶体托架就构成了一个完整的分光光路，因此用这种结构的分光器就可以利用等角螺线特殊的数学特性进行X射线分光；

分光器采用楔形结构，如图5：X射线光路12是楔形的，因此，分光器内腔紧紧围绕X射线光路设计成楔形。

本实用新型的优越性在于：a、弯面晶体对X射线有聚焦作用，聚焦后进入探测器的X射线强度比平面晶体分光高2个数量级；b、弯面晶体分光无需平面晶体分光所必须的前后准直器，前后准直器对X射线有成2个数量级的衰减；c、弯面晶体分光的前狭缝的结构尺寸小，可以向样品靠得更近，而最大程度地减小X射线在传播中的衰减；d、弯面晶体分光所用的晶体尺寸较小，有利于晶体的生长和加工；e、分光器内腔除供光路通过和空间外没有多余的空间，最大程度上减少真空系统的负担；f、楔形内腔最大程度上减少了X射线散射的面的数量，有利于降低仪器检测数据的背景信号的强度；g、楔形内腔结构和后开口的结构设计，最大程度上减少分光器的开口面积，有利于真空密封；h、楔形内腔结构的晶体安装轴中心相对分光器安装基准面的尺寸在机械加工中易于测量，可以大大提高机械加工的精度，也便于分光器部件的检验；i、分光器外形与内腔完全平行，外形尺寸最小，对于固定道X荧光光谱仪来说可以在真空室体积不变的情况下能增加更多的分光道；j、分光器的安装调试全部在后盖上完成，对于固定道X荧光光谱仪，从这个角度进行安装调试非常方便；k、分光器与真空室间的密封由传统的端面密封改为双重径向轴密封，大大提高了分光器与真空室的定位精度，同时杜绝了传统端面密封分光器在使用期间由于密封件变形而造成的数据飘移的现象；l、本装置中的前狭缝导管及后狭缝导管的狭缝宽度可根据不同样品元素的需要而更换。

(四)附图说明：

图1为平面晶体衍射原理图。

图2为全聚焦晶体衍射原理图。

图3为全聚焦分光光路图。

图4为对数螺分光光路图。

图5为本实用新型所涉一种波长色散X荧光光谱仪的弯面晶体分光装置的结构示意图。

其中，1为O形密封圈I，2为O形密封圈II，3为后盖，4为晶体托架角度调整顶杆，5为复位弹簧，6为分光盒体，7为晶体托架，8为销轴，9为晶体薄膜，10为分光器定位与真空室安装的定位面，11为双重径向O形密封圈，12为光路，13为前狭缝导管，14为O形密封圈III，15为O形密封圈IV，16为后狭缝导管，17为探测器。

(五)具体实施方式：

实施例：一种波长色散X荧光光谱仪的弯面晶体分光装置(见图5)，其特征在于它包括前狭缝导管13、分光盒体6、晶体托架7、晶体托架角度调整顶杆4、复位弹簧5、后盖3、后狭缝导管16及探测器17；其中，分光盒体6的内腔根据光路12的形状加工成楔形，分光盒体6的入射端端即光路12的入射口安装有前狭缝导管13，分光盒体6的出射端即光路12的出射口依O形密封圈III14密封安装有后狭缝导管16，分光盒体6的中部留有安装晶体的开口，开口处依O形密封圈I1密封安装有后盖3；所说的后盖3上安装有晶体托架角度调整顶杆4和复位弹簧5，晶体托架角度调整顶杆4依O形密封圈II2与后盖3呈密封安装；所说的晶体托架7的光路轴心依销轴8固定在分光盒体6内，晶体托架7上有晶体薄膜9，晶体托架7的两端分别连接晶体托架角度调整顶杆4和复位弹簧5，晶体托架7的光路轴心以销轴8为旋转轴心；所说的后狭缝导管16依O形密封圈IV15与探测器17呈密封安装。

上述所说的前狭缝导管13及后狭缝导管16的狭缝宽度可根据不同样品元素的需要而更换。(见图5)

上述所说的前狭缝导管13与分光盒体6依螺钉连接并安装在分光真空室内；所说的分光盒体6依分光器定位与真空室安装的定位面10处的双重径向O形密封圈11与分光真空室安装孔密封安装，并依安装孔周边的螺钉呈压紧固定连接。(见图5)

上述所说的分光盒体6与后盖3之间依螺钉连接。(见图5)

上述所说的后狭缝导管16分别与分光盒体6和探测器17依螺钉连接。(见图5)

上述所说的探测器17为流气式正比计数器(见图5)。

Claims (8)

1.一种波长色散X荧光光谱仪的弯面晶体分光装置，其特征在于它包括前狭缝导管、分光盒体、晶体托架、后狭缝导管及探测器；分光盒体的入射端即光路的入射口安装有前狭缝导管，分光盒体的出射端即光路的出射口密封安装有后狭缝导管；所说的晶体托架的光路轴心依销轴固定在分光盒体内，晶体托架上有晶体薄膜，晶体托架的光路轴心以销轴为旋转轴心；所说的后狭缝导管与探测器呈密封安装。

2.根据权利要求1所说的一种波长色散X荧光光谱仪的弯面晶体分光装置，其特征在于所说的前狭缝导管、分光盒体和后狭缝导管构成的分光器内腔依本发明专利工作原理中的方法计算出的光路形状加工成楔形。

3.根据权利要求1所说的一种波长色散X荧光光谱仪的弯面晶体分光装置，其特征在于所说的分光盒体依分光器定位与真空室安装的定位面前的双重径向O形密封圈与分光真空室安装孔密封安装，并依安装孔周边的螺钉呈压紧固定连接。

4.根据权利要求1所说的一种波长色散X荧光光谱仪的弯面晶体分光装置，其特征在于所说的分光器定位和真空室安装的定位面与晶体托架的光路轴心在同一面内。

5.根据权利要求1所说的一种波长色散X荧光光谱仪的弯面晶体分光装置，其特征在于所说的晶体托架曲面是依本发明专利工作原理中的方法计算出的座标数据，由数控机床加工而成；在晶体托架两侧面的光路中心处留有轴心孔，销轴由分光盒两侧穿入，将晶体托架固定在分光盒体上，晶体托架可以沿销轴转动；销轴依螺纹和双重O形密封圈与分光盒体密封安装。

6.根据权利要求1所说的一种波长色散X荧光光谱仪的弯面晶体分光装置，其特征在于所说的分光盒体的底部留有安装晶体的开口，开口处依O形密封圈I密封安装有后盖；所说的后盖上安装有晶体托架角度调整顶杆和复位弹簧，晶体托架角度调整顶杆依O形密封圈II与后盖呈密封安装；晶体托架角度调整顶杆和复位弹簧分别连接于晶体托架的两端。分光盒体与后盖之间依螺钉连接。

7.根据权利要求1所说的一种波长色散X荧光光谱仪的弯面晶体分光装置，其特征在于所说的前狭缝导管及后狭缝导管的狭缝宽度可根据不同样品元素的需要而更换。

8.根据权利要求1所说的一种波长色散X荧光光谱仪的弯面晶体分光装置，其特征在于所说的前狭缝导管与分光盒体同处于真空中，无需密封，只需螺钉连接；后狭缝导管前端依O形密封圈III与分光盒体用螺钉密封安装，后端与探测器依O形密封圈IV用螺钉密封安装。

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