CN204789416U - K荧光x射线辐射装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例涉及一种K荧光X射线辐射装置,包括：X射线光机，产生X射线；荧光发生装置，接收所述X射线光机射出的X射线，并对所述X射线进行过滤，得到辐射质荧光射线；次级光阑，装设于所述荧光发生装置内，对所述辐射质荧光射线的射束发射角进行限定，使出射的辐射质荧光射线的射束为锥形。

Description

K荧光X射线辐射装置

技术领域

本实用新型涉及一种光学装置，尤其涉及一种K荧光X射线辐射装置。

背景技术

近几十年来，核辐射探测器的发展十分迅猛，标志着核技术的快速进展，这得益于电子技术飞跃发展和核探测技术的不断突破。探测器是进行实验的重要仪器设备，其精度的不断提高才能最大限度的促进核技术的发展。核辐射探测器在低能区(8-100)keV内的响应随能量变化很大，微小的能量差别都可能使仪器仪表出现较大的响应变化。因此，需要建立能量准确已知的低能光子参考辐射，为仪表能量响应的准确测量提供计量保障。

放射性同位素能适用于探测器能量和效率刻度，由于放射源无时无刻都在衰减，长时间使用需要对半衰期系数修正；由于其体积较小，其保存、运输、管理较为复杂，时常有关工业应用放射源丢失造成财产损失的报道。同步辐射源产生的辐射束大、剂量率高、能量点多，但是建立同步辐射装置耗资巨大，设备维护也很昂贵，占地面积大，使用极其不方便。利用布拉格原理，通过双晶体衍射分离出单能光子也可以应用于探测器计量刻度，其能量点多、纯度也非常高，有一定应用范围，但其辐射束小、剂量率低，有一定的局限性。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种K荧光X射线辐射装置，采用紧凑合理的结构设计可以最大化的利用材料，节约成本，使光子的路径最小化，保证了荧光产额的最大化；同时，有效的降低了装置环境外部及自身内部引起的散射辐射对K_α荧光纯度的影响。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种K荧光X射线辐射装置，所述K荧光X射线辐射装置包括：

X射线光机，产生X射线；

荧光发生装置，接收所述X射线光机射出的X射线，并对所述X射线进行过滤，得到辐射质荧光射线；

次级光阑，装设于所述荧光发生装置内，对所述辐射质荧光射线的射束发射角进行限定，使出射的辐射质荧光射线的射束为锥形。

优选的，所述K荧光X射线辐射装置还包括：

屏蔽箱，所述X射线光机、荧光发生装置和次级光阑设置于所述屏蔽箱内，通过所述屏蔽箱屏蔽外界的环境干扰；

其中，所述屏蔽箱上设置有光孔，由所述荧光发生装置射出的辐射质荧光射线，经由所述光孔射出。

优选的，所述荧光发生装置包括：

壳体，为四棱台结构，截面为直角梯形；其中，所述四棱台结构壳体的底面朝向初级辐射源设置，使所述初级辐射源射出的射线束的射束中心方向垂直所述底面；所述壳体的底面具有初级过滤安装孔；在垂直所述底面和顶面的侧面上具有出射孔；

初级过滤器，设置于所述初级过滤安装孔内，所述初级辐射源射出的射线束通过所述初级过滤器过滤后进入所述荧光发生装置；

初级光阑，沿所述初级辐射源射线束的射束方向设置于所述初级过滤器之后，对经初级过滤器过滤后的射线束进行限束，使所述辐射束的面积小于辐射体的面积；

所述辐射体，设置于所述四棱台结构壳体的斜面内侧；所述辐射体在所述底面的垂直投影与所述初级过滤安装孔的位置相重合；经过限束的射线束照射在辐射体上激发出相应的特征射线束；所述特征射线束的射束中心方向与所述初级辐射源的射束中心方向相垂直；

次级过滤器，垂直所述壳体的顶面和底面设置于所述壳体之内；所述次级过滤器对所述特征射线束中的特定能量范围内的射线进行吸收，得到所述辐射质荧光射线，由所述出射孔射出。

进一步优选的，所述辐射体为GeO₂材料制成，所述次级过滤器为Ga₂O₃材料制成。

进一步优选的，所述特征射线束包括L、K_α和K_β射线，所述特定能量范围内的射线包括K_β和L射线。

进一步优选的，所述斜面与所述顶面和底面的夹角均为45°。

进一步优选的，所述K荧光X射线辐射装置还包括：

捕集器，沿所述初级过滤器过滤后的射线束的照射方向设置于所述辐射体之后，对穿透所述辐射体泄漏出的射线进行捕集。

本实用新型实施例提供的K荧光X射线辐射装置，采用紧凑合理的结构设计可以最大化的利用材料，节约成本，使光子的路径最小化，保证了荧光产额的最大化；同时，有效的降低了装置环境外部及自身内部引起的散射辐射对K_α荧光纯度的影响。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供光子激发辐射体荧光原理图；

图2为本实用新型实施例提供的K荧光X射线辐射装置的示意图；

图3为本实用新型实施例提供的荧光发生装置的示意图；

图4a为本实用新型实施例提供的未经初级过滤的光谱图；

图4b为本实用新型实施例提供的经初级过滤的光谱图；

图5为本实用新型实施例提供的Ga的质量衰减系数和质能吸收系数曲线图；

图6a为本实用新型实施例提供的辐射质Ge初级荧光注量谱图；

图6b为本实用新型实施例提供的辐射质Ge次级荧光注量谱图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

为了更好的理解本实用新型的目的、意图和实现方式，首先对光子激发辐射体荧光原理进行简要介绍。

具体原理如图1所示。用初级辐射源激发次级靶，靶原子核接受能量使内层电子向外层跃迁而形成空穴，使整个原子体系处于不稳定的激发态，促使外层电子自发地跃迁到内层电子空位，当较外层的电子跃入内层空穴所释放的能量不在原子内吸收，而是以辐射的形式放出，便产生荧光X射线，从外层跃迁到K层辐射的X射线被称为K荧光X射线。其中L层跃迁到K层辐射的X射线被称K_α射线，从M层跃迁到K层被称为K_β射线。

K荧光辐射源，其有效实现的能量范围在(8.64-98.40)keV，满足探测器在低能段计量刻度，相对于其它单能辐射源，K荧光有着纯度较高、辐射束大、能量点多、制作成本低，可控性好等诸多优点。

图2为本实用新型实施例提供的K荧光X射线辐射装置的示意图，如图2所示，本实用新型实施例的K荧光X射线辐射装置包括：X射线光机1、荧光发生装置2、次级光阑3、捕集器4和屏蔽箱5。

X射线光机1，产生X射线。

具体的，以X射线机为初级辐射源，X射线管的靶为反射型靶材，靶面取向与轰击电子方向的夹角小，散射低；X射线管高压要求稳定，其变化不超过预置电压的±5％,确保产生荧光的稳定性。

荧光发生装置2，接收X射线光机射出的X射线，并对所述X射线进行过滤，得到辐射质荧光射线；

具体的，荧光发生装置2可以如图3所示，包括壳体21、初级过滤器22、初级光阑(图中未示出)、辐射体23和次级过滤器24。

壳体21，为四棱台结构，截面为直角梯形。

其中，所述四棱台结构壳体21的底面211朝向X射线光机1的射线射出方向设置，使X射线光机1射出的射线束的射束中心方向垂直底面211。

壳体21的底面211具有初级过滤安装孔201；在垂直底面211和顶面212的侧面213上具有出射孔202。

为了对壳体的屏蔽能力进行检测，可以在壳体21的外壁上设置监测单元，检测通过所述壳体到达壳体之外的射线。

初级过滤器22，设置于所述初级过滤安装孔201内。X射线光机1射出的射线束通过初级过滤器22过滤后进入荧光发生装置2中。

具体的，由于X射线光机1是以韧致辐射为背景产生光子，是一个连续的谱，使用初级过滤器22过滤掉对产生荧光没有贡献的低能部分光子。

初级过滤器22一般为高纯度铝制片(纯度>99.99％)，根据激发荧光能量不同，厚度分别为0.5mm和1mm，为了准确验证初级过滤的作用，通过MCNP模拟软件确定初级辐射源经过初级过滤的谱。模拟入射源选用德国联邦物理技术研究院(PTB)实验室管电压为100kV未经过滤的钨靶谱数据，所用初级过滤为1mmAl，模拟结果如图4a、图4b。由图中对比可以看出，初级过滤器22能够有效地过滤掉能量在20keV以下的低能光子，是提高荧光纯度不可或缺的重要组成部分。

初级光阑，沿X射线光机1射线束的射束方向设置于初级过滤器22之后，对经初级过滤器22过滤后的射线束进行限束，使辐射束的面积小于辐射体23的面积。

具体的，初级光阑22将X射线光机1的射线束面积限定在辐射体面积之内，以便将来自辐射体支撑物和荧光器件壁的外部散射辐射减到最小。初级光阑22可以采用高纯度铅(纯度>99.9％)材料制成。

辐射体23，设置于四棱台结构壳体21的斜面214内侧；辐射体23在底面211的垂直投影与初级过滤安装孔201的位置相重合。

经过限束的射线束照射在辐射体23上激发出相应的特征射线束。斜面214与顶面212和底面213的夹角均优选为45°，因此特征射线束的射束中心方向与X射线光机21的射束中心方向相垂直。

具体的，辐射体23是产生荧光的核心部件，不同材料被激发出相应的特征X射线，辐射体材料的最低纯度应为99.9％，防止杂质产生荧光二次污染。辐射体23可以是金属薄片或是散布在可塑性粘合剂中的粉末状化合物(氧化物、碳酸盐或硫酸盐)。粘合剂中只含有原子序数低于荧光元素的原子序数的物质(即Zeff≤8)。辐射体23的支撑物也应由原子序数低于辐射体元素的原子序数的物质构成。ISO-4037推荐的低能K荧光参考辐射所用的辐射体和过滤材料参数如表1所示

表1

次级过滤器24，垂直壳体21的顶面212和底面211设置于壳体21之内。

次级过滤器24对特征射线束中的特定能量范围内的射线进行吸收，得到辐射质荧光射线，并由出射孔202射出。

按照图3中所示，X射线光机1射线束的射束方向为垂直向下，壳体21的底面211以及初级过滤器22均是沿水平方向设置，初级光阑设置于初级过滤器22的下方。特征射线束的射束中心方向为水平向右。辐射质荧光射线的射束中心方向也为水平向右。

具体的，初级辐射源激发辐射体后主要有K_β、K_α、L射线以及X射线机高能段光子，为了得到纯度较高的K_α线，在次级射束中应使用K吸收缘介于K_β和K_α线之间的次级过滤器来消除L线并减少K_β线相对于K_α线的强度。

当一束X射线通过物质时，该物质会吸收X射线能量形成电离或者激发态，入射X射线的能量大于原子某内层电子的激发能时，就会使物质的原子辐射出内层电子。吸收缘就是利用X射线能量正好可以令原子的外层电子变成自由电子，此时物质吸收X射线的概率大大增加，其质能吸收系数会急剧增加，在现有的条件下很难找到这种恰好使荧光中K_β部分完全吸收掉的物质。但是可以利用K_α、K_β之间的能量差，找到一种材料能够被K_β射线能量激发出内层电子而K_α能量不满足，从而吸收大部分的K_β和L射线，提高K_α的纯度。辐射体23的荧光能量及所对应的次级过滤K吸收缘如表2所示

表2

从上表中可以看出，当辐射体为GeO₂，次级过滤为Ga₂O₃。Ga的质量衰减系数和质能吸收系数随能量变化的曲线可以在美国国家标准与技术研究院(NIST)查得如下图5所示，从图中可以看出Ga在能量10.37keV右侧的质量衰减系数明显高于左侧，由于10.37keV介于Ge荧光K_α和K_β射线能量之间，因此当Ge的荧光辐射束穿过Ga₂O₃次级过滤器时，K_β会比K_α衰减更多。

次级光阑3，装设于荧光发生装置2内，对辐射质荧光射线的射束发射角进行限定，使出射的辐射质荧光射线的射束为锥形。

具体的，如图3所示，次级光阑3包括：铅筒31和限束装置32。

铅筒31呈圆柱形筒状结构；铅筒31的一个端面上具有辐射束入射孔，另一端面上具有辐射束出射孔；辐射束入射孔、辐射束出射孔和铅筒分别同轴；

限束装置32，包括一个或多个铅质的圆环，设置于31铅筒的内壁上；铅质的圆环的外径与铅筒31的内径尺寸相匹配，从而与铅筒31一体连接；射入次级光阑3的辐射束，经由所述一个或多个铅质的圆环进行限束后，呈锥形状射出。

捕集器4，沿初级过滤器22过滤后的射线束的照射方向设置于辐射体23之后(按照图中所示方向为辐射体23的下方)，对穿透辐射体泄漏出的射线进行捕集。

屏蔽箱5，X射线光机1、荧光发生装置2次级光阑3和捕集器4都设置于屏蔽箱5内，通过屏蔽箱5屏蔽外界的环境干扰；

屏蔽箱5上设置有光孔(图中未示出)，由荧光发生装置射出的辐射质荧光射线，经由光孔射出。

根据表1中给出的辐射体、初级过滤以及次级过滤材料的面质量厚度值，就可得到相应的参考厚度值，源选用德国联邦物理技术研究院(PTB)实验室60kV未过滤的轫致辐射谱作为模拟入射谱。在荧光发生装置2的外壁设置多个2cm×2cm×2cm的体栅元作为监测单元，其计数值都为0，说明装置的屏蔽效果良好。

对荧光发生装置2进行模拟测试，使用F1计数卡模拟胜定面积穿过的光子数，并作图处理：

从图6a中可以显示出，未过滤的荧光谱有四个吸收限，其中两个是铜荧光装置材料产生的荧光，对应的能量为8.0keV、8.9keV，另外两个是辐射体材料Ge产生的K_α、K_β能量分别是9.9keV、11.0keV，在其两侧发现会有部分的散射，这是由K_α和K_β发生瑞利散射和康普顿散射而形成的两个平台，而高能段的散射光子主要来自X射线机初始能谱中光子的散射成分。这部分光子在总的光子数目中所占比例较小，相对于K_α和K_β贡献可以忽略不计。从图6b中可以看出，Ga₂O₃材料的次级过滤器可以有效的消除辐射质Ge的K_β光子，同时抑制了装置Cu材料荧光，大大提高了K_α荧光纯度。

本实用新型实施例提供的K荧光X射线辐射装置，可以通过在辐射质荧光射线的出束方向上设置监督电离室和标准电离室，来检测其电荷量，从而得到空气比释动能。

具体的，再如图2所示，可以在靠近屏蔽箱5的光孔位置设置监督电离室6，并且在监督电离室6的前后设置限束光阑7，限定辐射野范围，避免射束的散射。

监督电离室6检测辐射质荧光射线的电荷量，并转化为空气比释动能。其中，监督电离室6主要检测电荷的变化幅度，当变化幅度越小的时候，说明辐射质荧光射线越稳定。

基准电离室8可以设置在辐射野中心，在一种实际操作中，将基准电离室设置在距离辐射体1m位置上。通过精确测量电荷的带电量，能够得到辐射野内的空气比释动能。

此外，还可以在基准电离室8的位置上设置可切换位置的待标定的计量计或检测仪，通过基准电离室8对待标定的计量计或检测仪进行标定。

本实施例提供的K荧光X射线辐射装置，采用紧凑合理的结构设计可以最大化的利用材料，节约成本，使光子的路径最小化，保证了荧光产额的最大化；同时，有效的降低了装置环境外部及自身内部引起的散射辐射对K_α荧光纯度的影响。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种K荧光X射线辐射装置，其特征在于，所述K荧光X射线辐射装置包括：

X射线光机，产生X射线；

荧光发生装置，接收所述X射线光机射出的X射线，并对所述X射线进行过滤，得到辐射质荧光射线；

次级光阑，装设于所述荧光发生装置内，对所述辐射质荧光射线的射束发射角进行限定，使出射的辐射质荧光射线的射束为锥形。

2.根据权利要求1所述的K荧光X射线辐射装置，其特征在于，所述K荧光X射线辐射装置还包括：

屏蔽箱，所述X射线光机、荧光发生装置和次级光阑设置于所述屏蔽箱内，通过所述屏蔽箱屏蔽外界的环境干扰；

其中，所述屏蔽箱上设置有光孔，由所述荧光发生装置射出的辐射质荧光射线，经由所述光孔射出。

3.根据权利要求1所述的K荧光X射线辐射装置，其特征在于，所述荧光发生装置包括：

壳体，为四棱台结构，截面为直角梯形；其中，所述四棱台结构壳体的底面朝向初级辐射源设置，使所述初级辐射源射出的射线束的射束中心方向垂直所述底面；所述壳体的底面具有初级过滤安装孔；在垂直所述底面和顶面的侧面上具有出射孔；

初级过滤器，设置于所述初级过滤安装孔内，所述初级辐射源射出的射线束通过所述初级过滤器过滤后进入所述荧光发生装置；

初级光阑，沿所述初级辐射源射线束的射束方向设置于所述初级过滤器之后，对经初级过滤器过滤后的射线束进行限束，使所述辐射束的面积小于辐射体的面积；

所述辐射体，设置于所述四棱台结构壳体的斜面内侧；所述辐射体在所述底面的垂直投影与所述初级过滤安装孔的位置相重合；经过限束的射线束照射在辐射体上激发出相应的特征射线束；所述特征射线束的射束中心方向与所述初级辐射源的射束中心方向相垂直；

次级过滤器，垂直所述壳体的顶面和底面设置于所述壳体之内；所述次级过滤器对所述特征射线束中的特定能量范围内的射线进行吸收，得到辐射质荧光射线，并由所述出射孔射出。

4.根据权利要求3所述的K荧光X射线辐射装置，其特征在于，所述辐射体为GeO₂材料制成，所述次级过滤器为Ga₂O₃材料制成。

5.根据权利要求4所述的K荧光X射线辐射装置，其特征在于，所述特征射线束包括L、K_α和K_β射线，所述特定能量范围内的射线包括K_β和L射线。

6.根据权利要求3所述的K荧光X射线辐射装置，其特征在于，所述斜面与所述顶面和底面的夹角均为45°。

7.根据权利要求3所述的K荧光X射线辐射装置，其特征在于，所述K荧光X射线辐射装置还包括：

捕集器，沿所述初级过滤器过滤后的射线束的照射方向设置于所述辐射体之后，对穿透所述辐射体泄漏出的射线进行捕集。