CN101553881A - 两级x射线集中器 - Google Patents

Abstract

一种从标准x射线管或其它多波长发射源获得集中的、单色x射线光束的方法。来自x射线管阳极的x射线使邻近的独立目标发荧光，产生单色光谱，其中的一部分通过x射线光学系统进行聚焦。这种两级方法为系统提供相当的多功能性而没有不当的信号损失。该两级集中器使得在手持和便携设备中使用聚焦光学系统成为现实。

Description

两级X射线集中器

本申请要求于2006年10月24日提交的美国临时专利申请序列号为No.60/853875的优先权，该临时申请作为参考在此并入。

技术领域

本发明涉及用于对来自宽带源的x射线集中并同时进行光谱滤波的方法和设备。

背景技术

x射线的简单瞄准结合紧凑的结构允许基于x射线荧光(XRF)的手持分析仪可以在厘米级尺寸目标上获得高水平性能。图1示出了一种XRF分析仪的各部分结构的示意图，例如由Thermo NITON AnalyersLLC制造的氡XRF分析仪，总体上用标号10表示。当电子(或其它带电粒子)114朝目标加速时，x射线管100发射宽光谱的x射线发射112，这里所述的目标是指阳极116，但不限于此。x射线光束112的能量光谱由一个或多个滤波器118调制(tailored)，由准直器126准直形成准直的光束128，并(通过用仪器10瞄准)被导向样本120。探测器124对该样本发射的荧光x射线122进行探测。

通常x射线光束112所探测的样本区域超过5mm²，而通常样本到阳极和样本到探测器的距离均小于15mm。在该氡XL型XRF分析仪种，x射线管的长度小于5cm。

图2的上方曲线200表示相对于来自现有技术中运行在50keV的金阳极x射线管发射源的能量光谱的输出强度。该轫致辐射连续光谱对于测量低浓度(concentration)水平不是最佳的。通过用滤波器使光束成形能够充分增强对于给定的元素(atomic element)的信噪比。图2的下方曲线202是经滤波的光谱例子，该光谱对于测量有毒元素镉的23.2keV的特征x射线特别有用，其中镉的K电子以26.7keV的能量跃迁。其信噪比与通过未经滤波的光谱所获得的信噪比相比增益超过10倍。

X射线聚焦光学器件能够数量级地增加从x射线管到目标上的有用光通量。如在此以及在任一所附权利要求中所用，术语“聚焦光学器件”是指使x射线在目标上的强度增加超过没有使用该光学器件时所获得的强度的一类装置中的任一种。除非本文中另有规定，否则术语“x射线透镜”和“x射线集中器”在此与“聚焦光学器件”在此等效使用，不受限制。

参考图3说明了用于聚焦x射线的现有技术例子的基本部分。在x射线管100的阳极116上的x射线生成区域301是聚焦部分303的(在光学意义上的)“对象”，该聚焦部分将x射线光谱的一部分集中在通常小于0.1mm²的照射区域。X射线产生区域301有时可以是指x射线产生“点”。为了实现这样的集中，在阳极116上的电子束斑305的尺寸通常与在目标上的分辨率相称。可以理解例如直线性加速器等其它x射线辐射的多波长发射源也可以用作在本发明范围内的x射线源。吸收器309吸收没有撞击在聚焦部分303上而可能以其它方式撞击在目标120上的x射线。

实际的光学集中器通常以它们是使用全反射还是布拉格散射来分类。全反射方法利用材料的折射率小于电磁波在x射线能量区中的一致性(unity)的事实。从光滑玻璃表面全反射的条件是非常接近Eθ≤30，其中E是以keV为单位的x射线能量，而θ是相对于媒质表面的以毫弧度为单位的入射角。例如，对于入射角小于大约1毫弧度时30keV的x射线会全反射，或者在固定的1毫弧度的入射角时，小于大约30keV的全部x射线将全反射。

布拉格散射，有时称为水晶散射利用x射线能够从定向晶体相干地散射的事实。布拉格散射的条件为2d sinθ＝12.4n/E，其中如上所述，θ和E分别是相对于晶体平面的入射角和以keV为单位的x射线能量，d是以埃为单位的在晶体(晶格空间)各平面之间的距离，而次序数n通常为1或2的整数。例如：使用具有2′的d间距的晶体，对于30keV的第一次布拉格散射发生在角度θ＝5.9°时。

该全反射和布拉格散射技术都是用在可能量分散和角度分散的实验室分光仪中。这些分光仪的尺寸、重量和能量要求迄今仍然与手持或便携式XRF分光仪相矛盾，手持或便携式XRF分光仪重量必须不能超过几磅并且必须具有许多小时的电池寿命。这里所介绍的方法使得x射线光学系统可以用于手持XRF系统的集中器。

发明内容

根据本发明的优选实施例，提供一种用于以高集中度的x射线辐射照射目标的两级集中器。该集中器具有多波长的x射线辐射源，该x射线辐射从x射线产生区发出，基本上紧邻该x射线产生区放置用于产生基本上单色的x射线光束的转换器，和用于将该基本上单色的x射线光束聚合在该目标上的聚焦部分。

根据本发明的其它一些实施例，该x射线产生区可以是在其上激发高能粒子束的阳极，而该x射线产生区还可以是x射线管。该转换器可以与该阳极毗邻，并且可以是在该阳极的一部分上提供的涂层，或者可以是与该阳极邻接或共同延伸的。

在另一些实施例中，该转换器是铁、锌、钼、银、碲、铋或钍中的一种，通常可以由一种材料构成，其特征在于厚度大于该单色x射线光束在该材料中的平均自由行程的十分之一，小于该平均自由行程的十倍。该聚焦部分可以为形状符合例如截去尖端的对数螺旋(truncatedlogarithmic spiral)，截去尖端的椭圆或抛物面的布拉格反射器。覆盖在该反射器外表的该可反射材料可以是高定向性的热解石墨或任何其它有利于有效进行该x射线布拉格散射的鲁棒(robust)结晶体材料。

根据本发明的另一方面，提供一种x射线照射器，其具有多个两级集中器，每个两级集中器都依照前面所述的任一种集中器。该两级集中器的每一个可以包括实质上独特的元素材料。可以将该多个两级集中器放置在排序机构内，该排序机构可以是转动圆筒或转换梭，或其它允许依次插入该两级集中器的结构。

根据本发明的有一个方面，是一种用于以高集中度x射线辐射照射目标的方法。该方法包括以下步骤：

a.产生多色x射线辐射的第一级光束；

b.将该多色x射线辐射转换为基本上单色的x射线光束；和

c.将该基本上单色的x射线辐射光束聚焦在目标上。

在本发明的具体实施例中，将多色x射线辐射转换成基本上单色的x射线辐射光束的步骤可以包括使该多色x射线辐射穿过特征为6keV和28keV之间的K_α辐射的材料。

附图说明

通过参考下面结合附图的具体说明，本发明的上述特征将会更容易理解，附图中：

图1是说明现有技术的x射线荧光仪的主要部件的示意图；

图2示出了相对于现有技术的x射线发射源在滤波前后能量光谱的输出强度；

图3表示用于集中x射线的现有技术的光学系统的基本部分；

图4表示根据本发明实施例的x射线的光谱和空间集中的两步处理；

图5示出了根据本发明实施例的经计算对于转换器与阳极直径的不同比率，作为间隙长度G的函数的最初x射线被转换器截取的一部分的图表；

图6示出了使用图5中交点的具体参数的特定例子更详细地示出了截取的可能性；

图7是为50keV的电子束入射在2μm的金阳极上，并且该光谱随后到达距离该金阳极75μm放置的碲转换器的情况计算的蒙特卡洛光谱的对数表；

图8是来自该转换器的光谱的线性图表，清楚地表示与连续光谱相比碲的单色特征性x射线的强度；

图9是说明根据本发明实施例的在HOPG椭圆体透镜的焦点处使用碲转换器的两级集中器的XRF系统部件的示意图；

图10是说明根据本发明实施例的使用多个两级集中器的XRF系统的示意图，其中每个两级集中器具有在HOPG椭圆体透镜焦点处的转换器，这样可以在发射源和样本之间将该多个集中器依次插入。

本发明具体实施例的详细说明

在例如图3所示和在前面背景技术部分所述的，可以在此看作基于单级集中器的现有技术的x射线聚焦系统中，x射线管100的阳极305是由聚焦部分303构成的x射线光学透镜的对象。

根据本发明的优选实施例，现在参考图4进行说明，放入转换器400，直接与x射线管100的阳极305毗连或与其相邻，由此将所发射的在此称为“第一级”x射线的x射线402转换为在此称为“第二级x射线光谱”的以近乎单色x射线光谱为特征的x射线404。转换器400现在成为该x射线光学透镜的新对象。所述方法在此可以称为“两级集中器”(TSC)。按照实际应用中的参数，根据将要介绍的原理来选择该转换器的最佳组成、尺寸和厚度。

所述方法特别适于布拉格集中器，但是对于基于全反射的集中器也具有优点。

在图4中大大夸大了在阳极305和在转换器400的该聚焦光学器件的新对象之间标为G的空间以清楚地表示出该两级处理。事实上，在本发明的优选实施例中，为了使转换效率最大化，转换器400优选为毗连该阳极。在本发明的优选实施例中该转换器与阳极的邻接是该两级集中器的重要特征。

几何效率取决于该间隙G和该转换器的直径。如果电子斑可以忽略(即有效地为点发射源)，那么关系恰好为立体角等式：Ω＝0.5(1-cosθ)。在这种理想化的情况下，如果该间隙为该转换器半径的两倍，则该转换的几何效率下降10倍。在图5和图6的图表中所反映的计算考虑到了该电子斑的有限尺寸并反映了几何效率的进一步减小。对于1∶1放大倍率的集中器和200μm的部门光斑大小，该转换器半径为100μm，而该间隙G应当不大于200μm。

在受限的情况下，可以通过让转换器400直接毗连阳极305，或通过溅射(sputtering)或通过其它喷镀(deposition)技术在阳极305的部分上覆盖构成转换器400的材料来使间隙G最小化。确实，阳极305和转换器400可以邻接或共同延伸，并且可以组成同一个结构部件，但是还要与如下所述的适合于该转换器厚度的设计考虑相符。

图5和图6用定量的方式展示了间隙G的重要(critical)特性。图5示出了对于从0.9(由最下方曲线表示)到2(由最上方曲线表示)的范围内以0.1为增量的转换器直径与阳极直径的不同比率(d/D)，作为该间隙长度的函数的最初x射线被转换器截取的一部分。x轴是在以该转换器直径为单位的该间隙宽带G。该转换器直径d以阳极上该光束直径为单位。

能够被截取的最大值部分为0.5，因为来自阳极305的该第一级x射线光谱的一半发射在该后半球。在图5中所示的交点表示一组实际的参数：直径200μm的电子束轰击由在75μm厚的铍窗口上2μm的金构成的阳极，毗连铍具有400μm直径的转换器。这些参数造成该转换器截取30％的轫致辐射。

图6使用图5中交点的具体参数的特定例子更详细地示出了截取的可能性。每单位面积的截取可能性具备最大值在该转换器中央处的高斯状形态。在由阳极发射的全部x射线中累积有30％部分到达半径200μm的转换器。

转换器的厚度

选择该转换器的材料以产生想要的用于特定应用的单色特性的x射线；例如铁、钼和碲分别产生6.4keV、17.5keV和27.5keV的单色辐射。应当注意的是，通常超过一种的转换器元素会产生几乎相同的单色x射线能量。例如，在1％的碲K_α1线中，铟的K_β线为23.3keV。可以应用铟转换器作为一种更适当的转换器。

选择转换器材料的厚度以使探寻用信号的信噪比最大化。通常，该转换器的厚度会在大约该转换器材料中转换器x射线的平均自由行程的量级范围内，即，在该转换器材料中转换器x射线的平均自由行程的十分之一和十倍之间。例如：27.5keV的K_αx射线在碲中的平均自由行程为175μm。从100μm到175μm之间的转换器厚度具有较高的转换效率。图7示出了一个例子：图7是为下面的优选实施例计算的蒙特卡洛光谱的对数表。上方曲线70是特征线以及来自在2μm金阳极上的50keV电子束的连续轫致辐射的光谱。下方曲线72示出了从距离该金阳极75μm的150μm厚的碲转换器正向脱出(emerge)的光谱。图8是来自该转换器的光谱的线性图表，表示该正向射束的单色性强度。

这里所述的根据本发明实施例的两级转换器有利地避免了对专门的x射线管或x射线管与集中器专门的校准需要。由此造就了重量轻、体积小XRF系统，其不比传统的手持仪器耗电。类似地，两级集中器也可以有利地用于其它x射线系统中，例如便携式系统、工作台面(bench-top)和实验室系统以及波长分散的分光计。

为了了解该两级聚焦光束方法的优点和缺点，非常有用地将其与平行光束方法和传统单级聚焦光束方法相比。尽管没有象该单级方法那样提供那么高的总能量在目标上，但是该两级方法仍然比该平行光束方法具有更高量级的效率。对测量在塑料、土壤和其它矩阵(matrices)中的有毒元素镉的优选应用进行比较。

示范性实施例

参考图9，根据示范性实施例，提供一种用于低量级镉的XRF测量的27.5keV单色x射线的集中光束，其中镉是一种在材料中其浓度受管制的有毒元素。尽管列举了为本次应用所选择的特定值，但是应当理解，在本发明的范围内，为了适用不同的应用，所有的参数值能够在较宽的范围内变换。

能够以较宽的几何结构范围满足符合反射的布拉格条件。在图9中所示的一种部件几何结构使用高定向性热解石墨(HOPG)的截去尖端的椭圆90用于27.5keV的x射线第一级散射。该截去尖端的椭圆90为3cm长；在中央处的内部直径为4.2mm。碲转换器92在左侧焦点处，距离该椭圆中心4.5cm；目标120在其右侧4.5cm。在可选实施方式中，该截去尖端的聚焦部分可以形成为parboloid或截去尖端的对数螺旋形状。

该碲转换器92加上椭圆聚焦光学器件90包括一个单个的刚性独立单元，我们出于方便称为集中器95。发射x射线管具有在其75μm厚的铍端窗口上的金阳极。该碲转换器毗连该铍窗口，因此如图4至6中示意性所示的间隙G为75μm。集中器95相对于x射线管的对准并不重要，和单级方法中的情况一样。

0.4mm直径的碲转换器92截取了在该金阳极305中产生的x射线的30％并将所截取的高于31.7keV的x射线的大约35％转换为27.5keV的碲K_αx射线。该椭圆90的几何效率为大约10^-3。覆盖椭圆90的HOPG的反射率是～35％。这些值在上述三种方法的比较中处于第一位。

表1示出了对于与转换器具有相同直径的0.4mm的目标的模型计算结果：该椭圆具有1∶1的放大倍率。我们已经假设在覆盖有2μm厚度层金的75μm厚的铍阳极上为50keV的20μA电子束(1瓦)。

表1.两级光学器件、一级光学器件和校准的相对效率

	两级HOPG金阳极+碲转换器	单级HOPG碲阳极	仅是金阳极校准
				电子通量：20μA	1.2×1014	1.2×1014	1.2×1014
产生x射线的电子：2μm Au，50keV(p/e/sr)	7×10-4	4×10-4	7×10-4
				x射线部分＞E(Te/Cd边界)	0.07	0.12	0.12
Au光谱向Te Kx射线转换	0.35	——	——
				由于在阳极材料(Au)和转换器之间的间隙造成的几何损失	0.3	——	——
滤波器的吸收	——	——	0.3
				激励Cd的PE效率增益*	10	5
几何效率，sr**	10-3	10-3	2×10-5***
				反射的部分	0.35	0.35
在0.3mm D目标上的27-28keV通量	2×106	107	6×104

*碲转换器将高于31.8keV的x射线的相当多一部分转换成27keV的x射线。较低激发能量具有比从31.8keV至50keV的x射线大得多得使镉发荧光的概率。

**在HOPG方法中几何立体角是从碲焦点到透镜，在校准方法中是从碲焦点到目标，假设其距离x射线管阳极20mm。

***假设在15mm处有0.3mm的校准。

表1中特定例子的比较结果说明了大体上的结论，即为了在小的目标圆点中获得最高的强度，带有聚焦光学器件的该两级转换器明显要比不带转换器的聚焦光学系统的效率低，但是却明显比不使用聚焦光学器件的简单校准的效率要高。

这种两步方法具有第二个优点是在重量轻和功率低很重要的情况下该方法很吸引人。

通过适当选择x射线管的高压和该转换元素，能够将独立于x射线管的集中器与该x射线管一起使用以产生能量范围从几keV至100keV的集中光束。大致的基本规则是该高压应当在该转换器元素的K结合能的1.5倍至2倍之间。转换器元素的选择需要考虑其荧光产量，其是所发射的x射线数量与激发数量的比，当原子序数低于30时会迅速下降。碲(Z＝52)、锌(Z＝30)、铁(Z＝26)、钙(Z＝20)和铝(Z＝13)分别具有87％、50％、33％、17％和4％的荧光产量。

通过下面不甚详尽的考虑因素的列举可以了解适于具体应用的转换器的选择：

a用于在样本中发荧光的一种或多种元素：锑K_α(或者铟K_α)是用于探测镉的优良选择，以其大约15keV的L电子边界，其还可以用于探测铅。

b消除荧光性的元素。当镉(Z＝48)被激发荧光时，常常需要消除那些在镉的区域中提供不想要背景的锑(51)或锡(50)的荧光性。31keV的碲的K_β能够激发上述锑和锡。仅仅具有锑的K_α效能的20％的27.3keV的铟的K_β线可以激发镉，但是它无法激发锑或锡。考虑到有限的，有时是充足的HOPG的接受带宽，铟可能是优选的。

c产生初级韧致辐射的电子能量。

d处于稳定状态的转换器材料有效性。带有在空气中的转换器元素的该两级集中器允许使用比通常在图3的单级形式中允许的更宽范围的元素没有任何意义。在图3的形式中，在铍基底上的阳极元素处在真空中，并且必须消除由电子堆积的能量。

根据本发明的各种可选择实施例，能够以例如炮桶状结构将可以独立于x射线管的范围内的集中器进行复合，使得能够选择不同的单色能量用于使目标发荧光。现在参考图10说明一个示例性方案。将复合的集中器902、992安装到排序机构950，该排序机构950为集中器在发射源100和样本120之间的顺序插入留有空间。排序机构950可以是转换梭(shuttle)或承载器，可以用于在基本上垂直于x射线光束404的方向910上调换，这样能够将集中器992放置在发射源和样本之间的路径上以替换集中器902。作为选择，机械结构950可以是设置为绕轴900旋转的圆筒，逐一地重新布置复合的集中器。每个集中器可以具有独特元素成分的转换器92、992，这样就可以在排序机构950的每个位置上提供不同能量的单色x射线。

以下两种应用属于举例说明性质的。

a 27.2keV和27.5keV的碲K_αx射线的集中器，和25.0keV和25.3keV的锡K_αx射线的集中器，用于通过相减分离镉x射线的强度；x射线管的高压不变。

b使用50keV的高压以测量有毒元素镉和铅的27.2keV和27.5keV的碲K_αx射线的集中器，和使用15keV高压以测量有毒元素铬de 6.4keV的铁x射线的集中器。

需要注意的是，按照该两步方法的校准远没有在单步聚焦方法中的校准问题重要。在后一种情况中，该聚焦部分与阳极上该电子斑的校准往往是成功实施的最困难的挑战。在该两步方法中，透镜对象，即优选实施例中的碲的校准是通过机械结构来固定的。该透镜对象与阳极上的电子斑的校准不是特别重要。

单毛细管和多毛细管光学系统集中的x射线等于由全反射的临界角确定的最大能量。对于许多应用来说，撞击到目标上的连续光谱不像单色光束那么有效。至少有一种通过结合多毛细管集中器和布拉格单色仪产生单色光束的商品化多毛细管聚焦系统可用。这里所述的两级集中器是一种用于为单毛细管或多毛细管光学系统产生接近单色光源的不昂贵且非常简单高效的方法。

尽管在本申请的用于x射线发荧光应用中已经说明了该两级方法，但是该方法还可以有利地应用于需要x射线的小直径单色光束的角散和能散分光仪。

这里所述的本发明实施例仅仅是用于说明目的，而且本领域技术人员会清楚许多的变化和修改。所有这些变化和修改都将包含在如所附权利要求书定义的本发明范围内。

Claims (18)

1.一种用于以高集中度的x射线辐射照射目标的两级集中器，所述两级集中器包括：

a.多波长的x射线辐射源，所述x射线辐射从x射线产生区发出；

b.基本上紧邻所述x射线产生区放置，并用于产生基本上单色的x射线光束的转换器；和

c.用于将所述基本上单色的x射线光束聚合在所述目标上的聚焦部分。

2.根据权利要求1所述的两级集中器，其中所述x射线产生区是在其上激发高能粒子束的阳极。

3.根据权利要求2所述的两级集中器，其中所述转换器直接毗邻所述阳极。

4.根据权利要求2所述的两级集中器，其中所述转换器是在所述阳极的一部分上提供的涂层。

5.根据权利要求2所述的两级集中器，其中所述转换器接近阳极。

6.根据权利要求1所述的两级集中器，其中所述x射线产生区是x射线管。

7.根据权利要求1所述的两级集中器，其中所述转换器是铁、锌、钼、银、碲、铋或钍中的一种。

8.根据权利要求1所述的两级集中器，其中所述转换器由如下特征的材料组成：厚度大于所述单色x射线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。

9.根据权利要求1所述的两级集中器，其中所述聚焦部分是布拉格反射器。

10.根据权利要求1所述的两级集中器，其中所述聚焦部分是：截去尖端的对数螺旋或抛物面之一。

11.根据权利要求1所述的两级集中器，其中所述聚焦部分是高定向性的热解石墨。

12.一种包括多个两级集中器的x射线照射器，其中每个两级集中器为根据权利要求1-11中任一项权利要求所述的。

13.根据权利要求12所述的x射线照射器，其中所述转换器与所述多个两级集中器中每一个包含基本上独特元素材料的集中器配合。

14.根据权利要求12所述的x射线照射器，其中所述多个两级集中器放置在排序机构内。

15.根据权利要求14所述的x射线照射器，其中所述排序机构是旋转圆筒。

16.根据权利要求14所述的x射线照射器，其中所述排序机构是转换梭。

17.一种用于以高集中度照射目标的方法，所述方法包括：

a.产生多色x射线辐射的第一级光束；

b.将所述多色x射线辐射转换为基本上单色的x射线光束；和

c.将所述基本上单色的x射线辐射光束聚焦在所述目标上。

18.根据权利要求17所述的方法，其中将所述多色x射线辐射转换成所述基本上单色的x射线辐射光束的步骤可以包括使所述多色x射线辐射穿过特征为6keV和28keV之间的K_α辐射的材料。

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