CN208432556U - 用于微型化x射线阵列组合折射透镜集成组件的x射线折光器 - Google Patents
用于微型化x射线阵列组合折射透镜集成组件的x射线折光器 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的X射线折光器,所述X射线折光器与X射线阵列组合折射透镜贴近放置,所述X射线折光器具有用于实现入射X射线光束整形的整形结构,所述整形结构是指X射线折光器对X射线阵列组合折射透镜中的正负一级组合透镜折光θ角度,对X射线阵列组合折射透镜中的正负二级组合透镜折光2θ角度,依此类推,最终实现对X射线阵列组合折射透镜中每一个单一组合折射透镜的类平行光入射。本实用新型应用于微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件,可同时实现高微区分辨率和高灵敏度,并可进行现场分析。
Description
技术领域
本实用新型涉及X射线探测和成像领域,尤其是一种用于微束X射线荧光分析系统的X射线阵列组合折射透镜集成组件的X射线折光器。
背景技术
X射线荧光(XRF,X-Ray Fluorescence)分析系统能在常压下对各种形态(固态/液态/粉末等)样品进行简单快速、高分辨率和无损的元素定量测量分析。而微束X射线荧光分析系统(micro-XRF)因其具有更高的微区分辨率而受到广泛关注。
微束X射线荧光分析系统(micro-XRF)通常都需要配备X射线聚焦器件。使用了X射线聚焦器件的X射线荧光分析系统,虽然微区分辨率大幅度提高(通常可以提高一个数量级以上),但计数率会下降,影响了探测灵敏度。已有技术基于X射线毛细管器件的荧光光谱仪(专利号:201010180956.6),使用X射线毛细管器件进行聚焦,微区分辨率通常只能达到几十微米,不仅微区分辨率不够高,且因计数率下降导致探测灵敏度也有一定程度的降低;同时结构复杂、尺寸庞大,无法实现便携。发明人之前也提出了一种便携式微束X射线荧光光谱仪(专利号:201310356270.1,是与本发明最接近的已有技术),用X射线组合折射透镜获得探测微束,虽然微区分辨率大幅度提高,但计数率低,影响了探测灵敏度。
X射线组合折射透镜是集成型微结构器件,数值口径小,X射线光管发出的光不能全部被组合透镜接收,不仅使得计数率降低、而且浪费了X射线光能量,还增加了噪声。如果能发明新的器件结构,尽可能多的利用X射线光管发出的X射线光,则不仅能大幅度增加计数率、进而提高探测灵敏度,同时还能降低能耗、减小噪声。
发明内容
为了克服已有X射线荧光光谱仪微区分辨率还不够高,特别是因计数率低而导致的探测灵敏度不够高,且结构复杂、尺寸庞大、无法实现便携的不足,本实用新型提供一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的X射线折光器,将其应用于小型化微束X射线荧光分析系统,可同时实现高微区分辨率和高灵敏度,并可进行现场分析。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种用于微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的X射线折光器,所述X射线折光器与X射线阵列组合折射透镜贴近放置,所述X射线折光器具有用于实现入射X射线光束整形的整形结构,所述整形结构是指X射线折光器对X射线阵列组合折射透镜中的正负一级组合透镜折光θ角度,对X射线阵列组合折射透镜中的正负二级组合透镜折光2θ角度,依此类推,最终实现对X射线阵列组合折射透镜中每一个单一组合折射透镜的类平行光入射。
进一步,所述X射线折光器选择折射特性满足下列公式的任何单质或化合物材料,
X射线波段材料的折射系数:
其中,NA代表阿伏伽德罗常数,r0代表电子半径,λ代表波长,A代表原子质量,下标i表示化合物中的元素种类,下标j为正整数,ρ代表电子密度,下标i表示化合物中的元素种类,当材料为单质时i=1,v代表原子个数,下标i表示化合物中的元素种类,下标j为正整数,Z代表原子序数,下标i表示化合物中的元素种类。
再进一步,所述X射线折光器的非折光区材料厚度用tZ0表示,所述X射线折光器的非折光区宽度尺寸TZ=T0+2G2,T0为零级透光带的宽度;tZ0为非折光区的材料厚度,折光区的材料厚度tZM由下列公式计算得出:
tZM=tZ0+TM·tan(0.5M·θ) (2)。
其中,G2为正负二级阻光带的宽度,TM为各级透光带的宽度。
本实用新型的有益效果主要表现在:1、利用所述的X射线折光器,对X射线光束进行整形,结构简单、可一体化批量制作;2、X射线阵列组合折射透镜基于折射效应工作,在对X射线束聚焦时不需要折转光路,因此所形成的探测装置或仪器结构紧凑、尺寸小、重量轻,适合制作便携式仪器装置,可以实现现场分析。
附图说明
图1是本实用新型用于微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的X射线折光器的结构示意图(只画出了M≤2的局部结构),其中TZ为非折光区的宽度,tZ0为非折光区的材料厚度、tZM为折光区的材料厚度,(a)正视图,(b)俯视图。
图2是本实用新型一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件中X射线光阑的结构示意图(只画出了M≤2的局部结构),其中,T0为零级透光带的宽度,T2为正负一级透光带的宽度,t为X射线光阑的厚度,(a)正视图,(b)俯视图。
图3是本实用新型一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的结构示意图,其中1代表X射线光阑、2代表X射线折光器、3代表X射线阵列组合折射透镜、4代表组件承载台。
图4是本实用新型一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件中X射线阵列组合折射透镜的结构示意图(只画出了M≤2的局部结构),其中T0为折射单元的口径、l为折射单元的轴向厚度尺寸。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
参照图1~图4,一种用于微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的X射线折光器,所述X射线折光器与X射线阵列组合折射透镜贴近放置,所述X射线折光器具有用于实现入射X射线光束整形的整形结构,所述整形结构是指X射线折光器对X射线阵列组合折射透镜中的正负一级组合透镜折光θ角度,对X射线阵列组合折射透镜中的正负二级组合透镜折光2θ角度,依此类推,最终实现对X射线阵列组合折射透镜中每一个单一组合折射透镜的类平行光入射。
进一步,所述X射线折光器选择折射特性满足下列公式的任何单质或化合物材料,
X射线波段材料的折射系数:
其中,NA代表阿伏伽德罗常数,r0代表电子半径,λ代表波长,A代表原子质量,下标i表示化合物中的元素种类,下标j为正整数,ρ代表电子密度,下标i代表化合物中的元素种类,当材料为单质时i=1,v代表原子个数,下标i表示化合物中的元素种类,下标j为正整数,Z代表原子序数,下标i表示化合物中的元素种类。
再进一步,所述X射线折光器的非折光区材料厚度用tZ0表示,所述X射线折光器的非折光区宽度尺寸TZ=T0+2G2,T0为零级透光带的宽度;tZ0为非折光区的材料厚度,折光区的材料厚度tZM由下列公式计算得出:
tZM=tZ0+TM·tan(0.5M·θ) (2)。
其中,G2为正负二级阻光带的宽度,由公式(8)取M=2时计算得出;TM为透光带的宽度,由公式(7)计算得出。
将本实施例的X射线折光器应用于微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件,所述集成组件包括X射线光阑1、X射线折光器2、X射线阵列组合透镜3和组件承载台4,X射线光束照射在所述X射线阵列组合折射透镜集成组件上,首先被X射线光阑接收,并进行第一次整形和滤波,所述第一次整形是指依据所述X射线阵列组合折射透镜的数值口径,对入射X射线光波进行整形;所述滤波是指将入射X射线光波分裂形成多个子光束,子光束的数目与X射线阵列组合折射透镜中的组合折射透镜数目相同。已分裂成多个子光束的X射线光波接着入射进所述X射线折光器,经X射线折光器进行光束第二次整形,所述光束的第二次整形保证从X射线折光器出射的多个X射线子光束,均以类平行光的方式入射阵列中对应的X射线组合折射透镜。所述X射线阵列组合折射透镜对入射的多个X射线子光束分别进行聚焦,所述X射线阵列组合折射透镜的阵列结构布局,保证每一个子光束所形成的聚焦焦斑在同一位置,并位于光轴上。所述组件承载台用于承载所述X射线光阑、X射线折光器、X射线阵列组合折射透镜,并在所述X射线光阑、X射线折光器、X射线阵列组合折射透镜的相对位置和光轴调整完毕后进行固定。
进一步地,所述X射线阵列组合折射透镜中包含(M+1)个X射线组合折射透镜,所述M为正整数且为偶数。所述X射线阵列组合折射透镜沿其光轴呈轴对称分布,所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中零级X射线组合折射透镜的光轴重合,所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负一级X射线组合折射透镜的光轴夹角为θ,所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负二级X射线组合折射透镜的光轴夹角为2θ,依此类推。
再进一步,所述X射线阵列组合折射透镜中(M+1)个组合折射透镜的布局结构,使得所有(M+1)个X射线组合折射透镜聚焦的焦斑在相同位置,且位于光轴上。
进一步地,所述(M+1)个X射线组合折射透镜的结构和性能参数,依据下列公式得出:
X射线波段的光学常数:n=1-δ+iβ (3)
X射线组合折射透镜的焦距:
X射线组合折射透镜的焦斑尺寸:
X射线组合折射透镜的数值口径:
其中n代表光学常数,δ代表X射线波段材料的折射,β代表X射线波段材料的吸收,N代表X射线组合折射透镜中折射单元的个数,以抛物面型折射单元为例,组合折射透镜抛物面顶点的曲率半径为R,抛物面的开口尺寸为R0,f代表X射线组合折射透镜的焦距,λ代表波长,μ代表X射线的线吸收系数,
更进一步,所述X射线折光器,与所述X射线阵列组合折射透镜贴近放置,实现入射X射线光束的第二次整形,所述第二次整形,是指X射线折光器可对X射线阵列组合折射透镜中的正负一级组合透镜折光θ角度,对X射线阵列组合折射透镜中的正负二级组合透镜折光2θ角度,依此类推,最终实现对X射线阵列组合折射透镜中每一个单一组合折射透镜的类平行光入射。
再进一步,所述X射线光阑的结构尺寸,根据所述X射线阵列组合折射透镜的结构尺寸确定,实现入射X射线光束的第一次整形和滤波,所述光束的第一次整形,是指利用X射线光阑结构阻隔射入X射线阵列组合折射透镜之外的杂散光并对光束进行初步准直的功能;所述滤波是指X射线光阑结构中透光带和阻光带交替布置的滤波结构,并通过滤波结构将X射线光波分裂成多个子光束。
所述透光带的数目为(M+1)个,与所述X射线阵列组合折射透镜中组合折射透镜的数目相同。所述透光带和阻光带的宽度分别由下列公式计算得出:
零级透光带T0,与X射线组合折射透镜的数值口径尺寸相同,正负一级透光带、正负二级透光带…,依此类推,透光带宽度表示为:
正负一级阻光带、正负二级阻光带…,依此类推,阻光带宽度表示为:
GM=L·tan(0.5M·θ) (8)
其中L代表X射线组合折射透镜的几何长度,表示为L=N·l,其中l为折射单元轴向厚度尺寸。
所述X射线光阑可选择吸收特性满足下列公式的任何材料,通常选择铜、铅等金属材料,
X射线波段材料的吸收系数:
其中NA代表阿伏伽德罗常数,r0代表电子半径,A代表原子质量,f2代表原子散射因子,ρ代表电子密度,i代表化合物中的元素种类,当材料为单质是i=1。
所述X射线光阑的材料厚度t满足表达式e-β·t<<1。
Claims (2)
1.一种用于微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的X射线折光器,其特征在于,所述X射线折光器与X射线阵列组合折射透镜贴近放置,所述X射线折光器具有用于实现入射X射线光束整形的整形结构,所述整形结构是指X射线折光器对X射线阵列组合折射透镜中的正负一级组合透镜折光θ角度,对X射线阵列组合折射透镜中的正负二级组合透镜折光2θ角度,依此类推,最终实现对X射线阵列组合折射透镜中每一个单一组合折射透镜的类平行光入射;所述X射线折光器的非折光区材料厚度用tZ0表示,所述X射线折光器的非折光区宽度尺寸TZ=T0+2G2,T0为零级透光带的宽度;tZ0为非折光区的材料厚度,折光区的材料厚度tZM由下列公式计算得出:
tZM=tZ0+TM·tan(0.5M·θ) (2),
其中,G2为正负二级阻光带的宽度,TM为透光带的宽度。
2.如权利要求1所述的用于微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的X射线折光器,其特征在于,所述X射线折光器选择折射特性满足下列公式的任何单质或化合物材料,
X射线波段材料的折射系数:
其中,NA代表阿伏伽德罗常数,r0代表电子半径,λ代表波长,A代表原子质量,下标i表示化合物中的元素种类,下标j为正整数,ρ代表电子密度,下标i表示化合物中的元素种类,当材料为单质时i=1,v代表原子个数,下标i表示化合物中的元素种类,下标j为正整数,Z代表原子序数,下标i表示化合物中的元素种类。
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CN108398449A (zh) * | 2018-04-23 | 2018-08-14 | 浙江工业大学 | 用于微型化x射线阵列组合折射透镜集成组件的x射线折光器 |
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2018
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