專利名稱:兩級x射線集中器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及用于對來自寬帶源的X射線集中并同時進(jìn)行光譜濾波的方法和設(shè)備。
背景技術(shù):
X射線的簡單瞄準(zhǔn)結(jié)合緊湊的結(jié)構(gòu)允許基于X射線熒光(XRF)的手持分析儀可以在厘米級尺寸目標(biāo)上獲得高水平性能。圖I示出了一種XRF分析儀的各部分結(jié)構(gòu)的示意圖,例如由Thermo NITON AnalyersLLC制造的氡XRF分析儀,總體上用標(biāo)號10表示。當(dāng)電子(或其它帶電粒子)114朝目標(biāo)加速時,X射線管100發(fā)射寬光譜的X射線發(fā)射112,這里所述的目標(biāo)是指陽極116,但不限于此。X射線光束112的能量光譜由一個或多個濾波器118 調(diào)制(tailored),由準(zhǔn)直器126準(zhǔn)直形成準(zhǔn)直的光束128,并(通過用儀器10瞄準(zhǔn))被導(dǎo)向樣本120。探測器124對該樣本發(fā)射的熒光X射線122進(jìn)行探測。
通常X射線光束112所探測的樣本區(qū)域超過5_2,而通常樣本到陽極和樣本到探測器的距離均小于15mm。在該氡XL型XRF分析儀種,x射線管的長度小于5cm。
圖2的上方曲線200表示相對于來自現(xiàn)有技術(shù)中運行在50keV的金陽極x射線管發(fā)射源的能量光譜的輸出強度。該軔致輻射連續(xù)光譜對于測量低濃度(concentration)水平不是最佳的。通過用濾波器使光束成形能夠充分增強對于給定的元素(atomic element)的信噪比。圖2的下方曲線202是經(jīng)濾波的光譜例子,該光譜對于測量有毒元素鎘的23. 2keV的特征X射線特別有用,其中鎘的K電子以26. 7keV的能量躍遷。其信噪比與通過未經(jīng)濾波的光譜所獲得的信噪比相比增益超過10倍。
X射線聚焦光學(xué)器件能夠數(shù)量級地增加從X射線管到目標(biāo)上的有用光通量。如在此以及在任一所附權(quán)利要求
中所用,術(shù)語“聚焦光學(xué)器件”是指使X射線在目標(biāo)上的強度增加超過沒有使用該光學(xué)器件時所獲得的強度的一類裝置中的任一種。除非本文中另有規(guī)定,否則術(shù)語“X射線透鏡”和“X射線集中器”在此與“聚焦光學(xué)器件”在此等效使用,不受限制。
參考圖3說明了用于聚焦X射線的現(xiàn)有技術(shù)例子的基本部分。在X射線管100的陽極116上的X射線生成區(qū)域301是聚焦部分303的(在光學(xué)意義上的)“對象”,該聚焦部分將X射線光譜的一部分集中在通常小于0. Imm2的照射區(qū)域。X射線產(chǎn)生區(qū)域301有時可以是指X射線產(chǎn)生“點”。為了實現(xiàn)這樣的集中,在陽極116上的電子束斑305的尺寸通常與在目標(biāo)上的分辨率相稱??梢岳斫饫缰本€性加速器等其它X射線輻射的多波長發(fā)射源也可以用作在本發(fā)明范圍內(nèi)的X射線源。吸收器309吸收沒有撞擊在聚焦部分303上而可能以其它方式撞擊在目標(biāo)120上的X射線。
實際的光學(xué)集中器通常以它們是使用全反射還是布拉格散射來分類。全反射方法利用材料的折射率小于電磁波在X射線能量區(qū)中的一致性(unity)的事實。從光滑玻璃表面全反射的條件是非常接近E θ <30,其中E是以keV為單位的X射線能量,而Θ是相對于媒質(zhì)表面的以毫弧度為單位的入射角。例如,對于入射角小于大約I毫弧度時30keV的X射線會全反射,或者在固定的I毫弧度的入射角時,小于大約30keV的全部X射線將全反射。
布拉格散射,有時稱為水晶散射利用X射線能夠從定向晶體相干地散射的事實。布拉格散射的條件為2d sin0 = 12.4n/E,其中如上所述,Θ和E分別是相對于晶體平面的入射角和以keV為單位的X射線能量,d是以埃為單位的在晶體(晶格空間)各平面之間的距離,而次序數(shù)η通常為I或2的整數(shù)。例如使用具有2'的d間距的晶體,對于30keV的第一次布拉格散射發(fā)生在角度Θ =5.9°時。
該全反射和布拉格散射技術(shù)都是用在可能量分散和角度分散的實驗室分光儀中。這些分光儀的尺寸、重量和能量要求迄今仍然與手持或便攜式XRF分光儀相矛盾,手持或便攜式XRF分光儀重量必須不能超過幾磅并且必須具有許多小時的電池壽命。這里所介紹 的方法使得X射線光學(xué)系統(tǒng)可以用于手持XRF系統(tǒng)的集中器。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例,提供一種用于以高集中度的X射線輻射照射目標(biāo)的兩級集中器。該集中器具有多波長的X射線輻射源,該X射線輻射從X射線產(chǎn)生區(qū)發(fā)出,基本上緊鄰該X射線產(chǎn)生區(qū)放置用于產(chǎn)生基本上單色的X射線光束的轉(zhuǎn)換器,和用于將該基本上單色的X射線光束聚合在該目標(biāo)上的聚焦部分。
根據(jù)本發(fā)明的其它一些實施例,該X射線產(chǎn)生區(qū)可以是在其上激發(fā)高能粒子束的陽極,而該X射線產(chǎn)生區(qū)還可以是X射線管。該轉(zhuǎn)換器可以與該陽極毗鄰,并且可以是在該陽極的一部分上提供的涂層,或者可以是與該陽極鄰接或共同延伸的。
在另一些實施例中,該轉(zhuǎn)換器是鐵、鋅、鑰、銀、碲、鉍或釷中的一種,通??梢杂梢环N材料構(gòu)成,其特征在于厚度大于該單色X射線光束在該材料中的平均自由行程的十分之一,小于該平均自由行程的十倍。該聚焦部分可以為形狀符合例如截去尖端的對數(shù)螺旋(truncatedlogarithmic spiral),截去尖端的橢圓或拋物面的布拉格反射器。覆蓋在該反射器外表的該可反射材料可以是高定向性的熱解石墨或任何其它有利于有效進(jìn)行該X射線布拉格散射的魯棒(robust)結(jié)晶體材料。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面,提供一種X射線照射器,其具有多個兩級集中器,每個兩級集中器都依照前面所述的任一種集中器。該兩級集中器的每一個可以包括實質(zhì)上獨特的元素材料??梢詫⒃摱鄠€兩級集中器放置在排序機構(gòu)內(nèi),該排序機構(gòu)可以是轉(zhuǎn)動圓筒或轉(zhuǎn)換梭,或其它允許依次插入該兩級集中器的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的有一個方面,是一種用于以高集中度X射線輻射照射目標(biāo)的方法。該方法包括以下步驟
a.產(chǎn)生多色X射線輻射的第一級光束;
b.將該多色X射線輻射轉(zhuǎn)換為基本上單色的X射線光束;和
c.將該基本上單色的X射線輻射光束聚焦在目標(biāo)上。
在本發(fā)明的具體實施例中,將多色X射線輻射轉(zhuǎn)換成基本上單色的X射線輻射光束的步驟可以包括使該多色X射線輻射穿過特征為6keV和28keV之間的Ka輻射的材料。
[0020]通過參考下面結(jié)合附圖的具體說明,本發(fā)明的上述特征將會更容易理解,附圖中[0021]圖I是說明現(xiàn)有技術(shù)的X射線熒光儀的主要部件的示意圖;[0022]圖2示出了相對于現(xiàn)有技術(shù)的X射線發(fā)射源在濾波前后能量光譜的輸出強度;[0023]圖3表示用于集中X射線的現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)的基本部分;[0024]圖4表示根據(jù)本發(fā)明實施例的X射線的光譜和空間集中的兩步處理;[0025]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的經(jīng)計算對于轉(zhuǎn)換器與陽極直徑的不同比率,作為間隙長度G的函數(shù)的最初X射線被轉(zhuǎn)換器截取的一部分的圖表;[0026]圖6示出了使用圖5中交點的具體參數(shù)的特定例子更詳細(xì)地示出了截取的可能[0027]圖7是為50keV的電子束入射在2 μ m的金陽極上,并且該光譜隨后到達(dá)距離該金陽極75 μ m放置的碲轉(zhuǎn)換器 的情況計算的蒙特卡洛光譜的對數(shù)表;[0028]圖8是來自該轉(zhuǎn)換器的光譜的線性圖表,清楚地表示與連續(xù)光譜相比碲的單色特征性X射線的強度;[0029]圖9是說明根據(jù)本發(fā)明實施例的在HOPG橢圓體透鏡的焦點處使用碲轉(zhuǎn)換器的兩級集中器的XRF系統(tǒng)部件的示意圖;[0030]圖10是說明根據(jù)本發(fā)明實施例的使用多個兩級集中器的XRF系統(tǒng)的示意圖,其中每個兩級集中器具有在HOPG橢圓體透鏡焦點處的轉(zhuǎn)換器,這樣可以在發(fā)射源和樣本之間將該多個集中器依次插入。[0031 ] 本發(fā)明具體實施例的詳細(xì)說明[0032]在例如圖3所示和在前面背景技術(shù)部分所述的,可以在此看作基于單級集中器的現(xiàn)有技術(shù)的X射線聚焦系統(tǒng)中,X射線管100的陽極305是由聚焦部分303構(gòu)成的x射線光學(xué)透鏡的對象。[0033]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例,現(xiàn)在參考圖4進(jìn)行說明,放入轉(zhuǎn)換器400,直接與X射線管100的陽極305毗連或與其相鄰,由此將所發(fā)射的在此稱為“第一級”x射線的X射線402 轉(zhuǎn)換為在此稱為“第二級X射線光譜”的以近乎單色X射線光譜為特征的X射線404。轉(zhuǎn)換器400現(xiàn)在成為該X射線光學(xué)透鏡的新對象。所述方法在此可以稱為“兩級集中器”(TSC)。 按照實際應(yīng)用中的參數(shù),根據(jù)將要介紹的原理來選擇該轉(zhuǎn)換器的最佳組成、尺寸和厚度。[0034]所述方法特別適于布拉格集中器,但是對于基于全反射的集中器也具有優(yōu)點。[0035]在圖4中大大夸大了在陽極305和在轉(zhuǎn)換器400的該聚焦光學(xué)器件的新對象之間標(biāo)為G的空間以清楚地表示出該兩級處理。事實上,在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中,為了使轉(zhuǎn)換效率最大化,轉(zhuǎn)換器400優(yōu)選為毗連該陽極。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中該轉(zhuǎn)換器與陽極的鄰接是該兩級集中器的重要特征。[0036]幾何效率取決于該間隙G和該轉(zhuǎn)換器的直徑。如果電子斑可以忽略(即有效地為點發(fā)射源),那么關(guān)系恰好為立體角等式Ω =0.5(l-cos9)o在這種理想化的情況下,如果該間隙為該轉(zhuǎn)換器半徑的兩倍,則該轉(zhuǎn)換的幾何效率下降10倍。在圖5和圖6的圖表中所反映的計算考慮到了該電子斑的有限尺寸并反映了幾何效率的進(jìn)一步減小。對于I : I放大倍率的集中器和200 μ m的部門光斑大小,該轉(zhuǎn)換器半徑為100 μ m,而該間隙G應(yīng)當(dāng)不大于200 μ m。[0037]在受限的情況下,可以通過讓轉(zhuǎn)換器400直接毗連陽極305,或通過濺射 (sputtering)或通過其它噴鍍(deposition)技術(shù)在陽極305的部分上覆蓋構(gòu)成轉(zhuǎn)換器 400的材料來使間隙G最小化。確實,陽極305和轉(zhuǎn)換器400可以鄰接或共同延伸,并且可以組成同一個結(jié)構(gòu)部件,但是還要與如下所述的適合于該轉(zhuǎn)換器厚度的設(shè)計考慮相符。[0038]圖5和圖6用定量的方式展示了間隙G的重要(critical)特性。圖5示出了對于從O. 9 (由最下方曲線表示)到2 (由最上方曲線表示)的范圍內(nèi)以O(shè). I為增量的轉(zhuǎn)換器直徑與陽極直徑的不同比率(d/D),作為該間隙長度的函數(shù)的最初X射線被轉(zhuǎn)換器截取的一部分。X軸是在以該轉(zhuǎn)換器直徑為單位的該間隙寬帶G。該轉(zhuǎn)換器直徑d以陽極上該光束直徑為單位。[0039]能夠被截取的最大值部分為O. 5,因為來自陽極305的該第一級X射線光譜的一半發(fā)射在該后半球。在圖5中所示的交點表示一組實際的參數(shù)直徑200 μ m的電子束轟擊由在75 μ m厚的鈹窗口上2 μ m的金構(gòu)成的陽極,毗連鈹具有400 μ m直徑的轉(zhuǎn)換器。這些參數(shù)造成該轉(zhuǎn)換器截取30 %的軔致輻射。[0040]圖6使用圖5中交點的具體參數(shù)的特定例子更詳細(xì)地示出了截取的可能性。每單位面積的截取可能性具備最大值在該轉(zhuǎn)換器中央處的高斯?fàn)钚螒B(tài)。在由陽極發(fā)射的全部X 射線中累積有30 %部分到達(dá)半徑200 μ m的轉(zhuǎn)換器。[0041]轉(zhuǎn)換器的厚度[0042]選擇該轉(zhuǎn)換器的材料以產(chǎn)生想要的用于特定應(yīng)用的單色特性的X射線;例如鐵、 鑰和碲分別產(chǎn)生6. 4keV、17. 5keV和27. 5keV的單色輻射。應(yīng)當(dāng)注意的是,通常超過一種的轉(zhuǎn)換器元素會產(chǎn)生幾乎相同的單色X射線能量。例如,在I %的碲Ka i線中,銦的Ke線為 23. 3keV??梢詰?yīng)用銦轉(zhuǎn)換器作為一種更適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器。[0043]選擇轉(zhuǎn)換器材料的厚度以使探尋用信號的信噪比最大化。通常,該轉(zhuǎn)換器的厚度會在大約該轉(zhuǎn)換器材料中轉(zhuǎn)換器X射線的平均自由行程的量級范圍內(nèi),即,在該轉(zhuǎn)換器材料中轉(zhuǎn)換器X射線的平均自由行程的十分之一和十倍之間。例如27. 5keV的KaX射線在碲中的平均自由行程為175 μ m。從IOOym到175 μ m之間的轉(zhuǎn)換器厚度具有較高的轉(zhuǎn)換效率。圖7示出了一個例子圖7是為下面的優(yōu)選實施例計算的蒙特卡洛光譜的對數(shù)表。上方曲線70是特征線以及來自在2 μ m金陽極上的50keV電子束的連續(xù)軔致輻射的光譜。下方曲線72示出了從距離該金陽極75 μ m的150 μ m厚的締轉(zhuǎn)換器正向脫出(emerge)的光譜。圖8是來自該轉(zhuǎn)換器的光譜的線性圖表,表示該正向射束的單色性強度。[0044]這里所述的根據(jù)本發(fā)明實施例的兩級轉(zhuǎn)換器有利地避免了對專門的X射線管或X 射線管與集中器專門的校準(zhǔn)需要。由此造就了重量輕、體積小XRF系統(tǒng),其不比傳統(tǒng)的手持儀器耗電。類似地,兩級集中器也可以有利地用于其它X射線系統(tǒng)中,例如便攜式系統(tǒng)、工作臺面(bench-top)和實驗室系統(tǒng)以及波長分散的分光計。[0045]為了了解該兩級聚焦光束方法的優(yōu)點和缺點,非常有用地將其與平行光束方法和傳統(tǒng)單級聚焦光束方法相比。盡管沒有象該單級方法那樣提供那么高的總能量在目標(biāo)上, 但是該兩級方法仍然比該平行光束方法具有更高量級的效率。對測量在塑料、土壤和其它矩陣(matrices)中的有毒元素鎘的優(yōu)選應(yīng)用進(jìn)行比較。[0046]示范性實施例
參考圖9,根據(jù)示范性實施例,提供一種用于低量級鎘的XRF測量的27. 5keV單色X射線的集中光束,其中鎘是一種在材料中其濃度受管制的有毒元素。盡管列舉了為本次應(yīng)用所選擇的特定值,但是應(yīng)當(dāng)理解,在本發(fā)明的范圍內(nèi),為了適用不同的應(yīng)用,所有的參數(shù)值能夠在較寬的范圍內(nèi)變換。
能夠以較寬的幾何結(jié)構(gòu)范圍滿足符合反射的布拉格條件。在圖9中所示的一種部件幾何結(jié)構(gòu)使用高定向性熱解石墨(HOPG)的截去尖端的橢圓90用于27. 5keV的x射線第一級散射。該截去尖端的橢圓90為3cm長;在中央處的內(nèi)部直徑為4. 2mm。碲轉(zhuǎn)換器92在左側(cè)焦點處,距離該橢圓中心4. 5cm ;目標(biāo)120在其右側(cè)4. 5cm。在可選實施方式中,該截去尖端的聚焦部分可以形成為parboloid或截去尖端的對數(shù)螺旋形狀。
該碲轉(zhuǎn)換器92加上橢圓聚焦光學(xué)器件90包括一個單個的剛性獨立單元,我們出于方便稱為集中器95。發(fā)射X射線管具有在其75 pm厚的鈹端窗口上的金陽極。該碲轉(zhuǎn)換器毗連該鈹窗口,因此如圖4至6中示意性所示的間隙G為75 y m。集中器95相對于x射線管的對準(zhǔn)并不重要,和單級方法中的情況一樣。
0. 4mm直徑的碲轉(zhuǎn)換器92截取了在該金陽極305中產(chǎn)生的x射線的30%并將所截取的高于31. 7keV的X射線的大約35%轉(zhuǎn)換為27. 5keV的碲KaX射線。該橢圓90的幾何效率為大約10_3。覆蓋橢圓90的HOPG的反射率是 35%。這些值在上述三種方法的比較中處于第一位。
表I示出了對于與轉(zhuǎn)換器具有相同直徑的0. 4mm的目標(biāo)的模型計算結(jié)果該橢圓具有I : I的放大倍率。我們已經(jīng)假設(shè)在覆蓋有2 厚度層金的75 厚的鈹陽極上為50keV的20 ii A電子束(I瓦)。
表I.兩級光學(xué)器件、一級光學(xué)器件和校準(zhǔn)的相對效率
權(quán)利要求
1.一種用于以高集中度的X射線輻射照射目標(biāo)的兩級集中器,所述兩級集中器包括 a.多波長的X射線福射源,所述X射線福射從X射線管發(fā)出; b.基本上緊鄰所述X射線管放置,并用于產(chǎn)生基本上單色的X射線光束的轉(zhuǎn)換器;和 C.用于將所述基本上單色的X射線光束聚合在所述目標(biāo)上的聚焦部分, 其中轉(zhuǎn)換器是聚焦部分的對象。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的兩級集中器,其中所述轉(zhuǎn)換器是鐵、鋅、鑰、銀、碲、鉍或釷中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的兩級集中器,其中所述轉(zhuǎn)換器由如下特征的材料組成厚度大于所述單色X射線光束在所述材料中的平均自由行程的十分之一,小于所述平均自由行程的十倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的兩級集中器,其中所述聚焦部分是布拉格反射器。
5.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的兩級集中器,其中所述聚焦部分是截去尖端的對數(shù)螺旋或拋物面之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的兩級集中器,其中所述聚焦部分是高定向性的熱解石墨。
7.—種X射線照射器,包括 a.多波長的X射線福射源,所述X射線福射從X射線管發(fā)出; b.多個兩級集中器,每個兩級集中器具有(i)轉(zhuǎn)換器,該轉(zhuǎn)換器基本上緊鄰所述X射線管放置,并用于產(chǎn)生基本上單色的X射線光束;和(ii)聚焦部分,該聚焦部分用于將所述基本上單色的X射線光束聚合在所述目標(biāo)上;其中轉(zhuǎn)換器是聚焦部分的對象,其中每個轉(zhuǎn)換器由基本上獨特的元素材料組成并且所述多個兩級集中器放置在排序機構(gòu)內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的X射線照射器,其中所述排序機構(gòu)是旋轉(zhuǎn)圓筒。
9.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的X射線照射器,其中所述排序機構(gòu)是轉(zhuǎn)換梭。
10.一種用于以高集中度的X射線輻射照射目標(biāo)的方法,所述方法包括 a.利用X射線管產(chǎn)生多色X射線輻射的第一級光束; b.利用基本上緊鄰所述X射線管的轉(zhuǎn)換器將所述多色X射線輻射轉(zhuǎn)換為基本上單色的X射線光束;和 C.將所述基本上單色的X射線輻射光束聚焦在所述目標(biāo)上。
11.根據(jù)權(quán)利要求
10所述的方法,其中將所述多色X射線輻射轉(zhuǎn)換成所述基本上單色的X射線輻射光束的步驟可以包括使所述多色X射線輻射穿過特征為6keV和28keV之間的Ka輻射的材料。
專利摘要
一種從標(biāo)準(zhǔn)x射線管或其它多波長發(fā)射源獲得集中的、單色x射線光束的方法。來自x射線管陽極的x射線使鄰近的獨立目標(biāo)發(fā)熒光,產(chǎn)生單色光譜,其中的一部分通過x射線光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦。這種兩級方法為系統(tǒng)提供相當(dāng)?shù)亩喙δ苄远鴽]有不當(dāng)?shù)男盘枔p失。該兩級集中器使得在手持和便攜設(shè)備中使用聚焦光學(xué)系統(tǒng)成為現(xiàn)實。
文檔編號G01N23/223GKCN101553881 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200780039789
公開日2013年2月27日 申請日期2007年10月23日
發(fā)明者李·格羅津斯, 哈爾·格羅津斯 申請人:塞莫尼根分析技術(shù)有限責(zé)任公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (5),