專利名稱：X射線管和x射線分析設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及例如用于能量分散x射線熒光分析設備的x射線管和 x射線分析設備，該x射線管和x射線分析設備適合用于小的、重量 輕的可攜帶x射線分析設備以及便攜的x射線分析設備。
背景技術：
X射線熒光分析通過以下的方式用于樣品的定性分析或定量分
析。從x射線源發(fā)出的主x射線輻射到樣品。接著，通過x射線檢
測器對從樣品發(fā)出的熒光X射線進行檢測以獲得來自熒光X射線能量
的譜。然后，給獲得的鐠加以定性分析或定量分析。因為熒光x射線 分析使快速且非破壞分析樣品成為可能，所以廣泛用于過程和質量控制等。
就X射線熒光分析中的分才斤方法而言，有波長分散法和能量分散 法等，波長分散法用于通過分析晶體分離熒光X射線以測量X射線的 波長與強度，能量分散法用于不分離熒光X射線而使用半導體檢測器
檢測熒光x射線以采用脈沖高度分析器測量x射線的波長與強度。
按照慣例，比如，在日本專利申請公開特許公報No.8-115694 (下 文中，故稱為專利文獻l)中，為了增加對熒光X射線的靈敏度，做 了以下的嘗試。X射線管設有抽取窗，該抽取窗用于在外面獲得穿過 該X射線管的熒光X射線。以這種方式，X射線管和X射線檢測器 更接近樣品。
另外，如日本專利No.3062685 (在下文中，稱為專利文獻2)所 述，由于在尺寸上減小了 X射線管和X射線分析器，可攜帶能量分散 X射線熒光分析設備被普及。
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上述的常規(guī)技術還存在以下問題。
例如，通過使x射線管和x射線分析器更接近樣品，在專利文獻 1中描述的x射線分析設備非常有效地增加了檢測靈敏度。然而，因 為每個x射線管和x射線分析器具有受限的但是等于或大于某一尺寸 的尺寸，所以x射線管和x射線檢測器接近樣品的程度也是受限的。
另一方面，常規(guī)的可攜帶能量分散X射線熒光分析設備要求在尺
寸上及在重量上被進一步減小。然而，因為x射線管和x射線檢測器 由于作為設備配置的體積和質量占據(jù)了 x射線分析設備的大部分，所 以常規(guī)的設備配置在尺寸與重量的減小上有限制。而且，因為可攜帶 能量分散x射線熒光分析設備是一種開放型設備，其在大氣中直接向 樣品輻射主x射線而不是在密封封閉樣品室中容納并分析樣品，所以 從x射線管產生的x射線的量因為安全原因受到限制。因此，有必要
更有效地檢測來自樣品的熒光X射線。

發(fā)明內容
考慮到上述問題設計了本發(fā)明且本發(fā)明的目的是提供X射線管 和X射線分析設備，該X射線管和X射線分析設備能夠進一步降低
尺寸與重量并能更有效地檢測熒光x射線等以增加靈敏度。
本發(fā)明釆用以下配置來解決上述問題。具體地，依照本發(fā)明的x
射線管包含真空殼，所述真空殼具有處于真空狀態(tài)的內部與由能透 射X射線的X射線透射膜構成的窗部件；電子束源，所述電子束源設 置在真空殼中以發(fā)射電子束；目標件，所述目標件設置在真空殼中以
被電子束照射來產生主x射線并能發(fā)射所產生的主x射線穿過窗部件
到外部樣品；X射線檢測件，所述X射線檢測件設置在真空殼中以能 檢測從樣品發(fā)射以穿過窗部件入射的熒光X射線和散射X射線來輸出 含有所述熒光X射線和所述散射X射線的能量信息的信號；以及防護 部分，所述防護部分設置在X射線檢測件與目標件的電子束照射區(qū)之 間。
因為與x檢測器組成元件對應的x射線檢測件設置在真空殼中以 便能檢測穿過窗部件入射的熒光x射線和散射x射線。因此，與x
射線管組成元件對應的X射線檢測件與電子束源及目標件集成地容
納在真空殼中。結果，整個設備在尺寸與重量上進一步減小。而且，
因為X射線檢測件設置在真空殼中以與用于產生供檢測用的主X射線
的目標件一起更接近樣品，所以能夠非常有效地執(zhí)行激發(fā)與檢測。具 體地，因為本發(fā)明應用到開放型可攜帶x射線分析設備允許有效的檢
觀'J,所以即使當產生的X射線的量被進一步抑制的時候X射線分析設
備仍能夠以高靈敏度檢測樣品。結果能獲得高安全性。
而且，因為防護部分設置在x射線檢測件與目標件的電子束照射 區(qū)之間，所以能夠阻擋并阻止主x射線、第二電子、反射電子或者從 目標件產生且發(fā)出的輻射熱入射到X射線檢測件而成為噪聲。
而且，在依照本發(fā)明的x射線管中，防護部分由金屬制成并設為 地電位和正電位之一。特別是，因為在x射線管中由金屬制成的防護 部分^皮設為地電位和正電位之一，所以來自目標件的第二電子能夠^皮 電場引向金屬防護部分以獲得更高的阻擋效果。
而且，在依照本發(fā)明的x射線管中，防護部分是由設置在x射線 檢測件與目標件之間的金屬構成的防護構件。特別是，因為在x射線
管中該防護部分是由設置在X射線檢測件與目標件之間的金屬構成
的防護構件，所以能夠阻擋來自生熱目標件的輻射熱以抑制對x射線 檢測件的冷卻的影響。此外，因為通過將金屬材料用于該防護部分， 在布置、形狀等方面獲得了高自由度，所以能夠獲得更有效的屏蔽效 果。例如，通過構成材料不同于目標件的防護部分，比如諸如適合用
于使X射線檢測件屏蔽反射電子的銅(Cu)的重金屬，能夠更有效地
阻擋該反射電子。
而且，在依照本發(fā)明的x射線管中，目標件包含與所述照射區(qū)對
應的目標件主體以及在目標件主體與X射線檢測件之間從目標件主
體的外緣部分突起以充當防護部分的突起的壁部分。特別是，因為在
x射線管中充當防護部分的突起的壁部分設置到目標件本身，所以不
必要設置該防護部分為獨立構件。結果能夠降低構件成本。
依照本發(fā)明的X射線分析設備包括依照本發(fā)明的X射線管；分
析器，所述分析器用t分析所述信號；以及顯示部件，所述顯示部件
用于顯示所述分析器的分析的結果。特別是，因為該X射線分析設備 設置有依照本發(fā)明的X射線管，所以能夠減小整個設備的尺寸。
而且，在依照本發(fā)明的x射線分析設備中，分析器與顯示部件設 置在真空殼中以使該x射線分析設備便攜。特別是，因為通過把分析
器與顯示部件以集成的方式設置在真空殼中使得X射線分析設備便
攜，所以能夠獲得允許分析結果通過分析器與顯示部件被即時確認 的、小而輕的可攜帶x射線分才斤設備。 本發(fā)明具有以下效果。
特別是，根據(jù)依照本發(fā)明的x射線管與x射線分析設備，x射線
檢測件設置在真空殼中以便能4企測穿過窗部件入射的熒光X射線和 散射x射線。因此，整個設備能夠在尺寸上與重量上進一步減小。同
時，能夠更有效地執(zhí)行激發(fā)與檢測。此外，因為在x射線檢測件與目 標件的電子束照射區(qū)之間設置了防護部分，所以能夠阻擋主x射線、 第二電子、反射電子、來自目標件的輻射熱等以抑制對x射線檢測件 的不利影響。結果能夠獲得高精確的測量。具體地，當本發(fā)明^皮應用
到開放型的可攜帶X射線分析i殳備的時候，即使抑制所產生的X射線 的量，仍然能夠以高靈敏度檢測該x射線。因此，獲得了高安全性。


在附圖中，
圖1是依照本發(fā)明第一實施例的x射線分析設備的整體示意配置
圖2是依照第一實施例從X射線檢測件正上方看去的布置平面 圖，示出了x射線檢測件、金屬引導構件、目標件與窗部件之間的位
置關系；以及
圖3是依照本發(fā)明第二實施例的X射線分析設備的主要部分的示 意截面圖。
具體實施例方式
在下文中，參考圖1和圖2來描述依照本發(fā)明的X射線管和X射 線分析設備的第一實施例。在下面的描述里提及的各個附圖中，適當 改變了比例尺寸以用能識別或易識別的方式示出每個組件。
依照本第一實施例的X射線分析設備是一種便攜的(可攜帶的) 能量分散X射線熒光分析設備。如圖1所示，X射線分析設備包含 真空殼2，電子束源3，目標件T, X射線檢測件4，金屬防護構件(防 護部分)10，分析器5以及顯示部件6。真空殼2內部的一部分處于 真空狀態(tài)。真空殼2具有由能透射X射線的X射線透射膜制成的窗部 件l。電子束源3設置在真空殼2中以發(fā)射電子束e。目標件T設置 在真空殼2中以使其被電子束e照射的時候產生主X射線X1。同時， 目標件T發(fā)射所產生的主X射線X1穿過窗部件1到外部的樣品S上。 X射線檢測件4設置在真空殼2中以能夠檢測從樣品S發(fā)射以穿過窗 部件1入射到X射線檢測件4上的熒光X射線和散射X射線X2。 X 射線檢測件4輸出包含熒光X射線和散射X射線X2的能量信息的信 號。金屬防護構件10設置在X射線檢測件4和目標件T的電子束e 照射區(qū)之間。分析器5分析信號。顯示部件6顯示分析器5所作分析 的結果。X射線管包含作為主要組件的真空殼2、電子束源3、目標 件T、 X射線檢測件4以及金屬防護構件10。
真空殼2包含內部處于真空狀態(tài)的前室部件2a與內部處于空氣狀 態(tài)的、用分隔壁2c與前室部件2a分開的后室部件2b。
窗部件1由諸如作為X射線透射膜的鈹(Be)箔制成。依照樣品 選擇的、與由銅(Cu)、鋯(Zr)、鉬(Mo)等制成的薄金屬膜或 薄金屬板對應的主過濾器可以附在窗部件1的前面。窗部件1和目標
件T設為地電位或者正電位以4立回通過入射在目標件T上的電子束e 與目標件T之間的交互作用而產生并發(fā)射的第二電子。因為第二電子 通常具有僅約幾eV的能量，所以設置地電位或正電位以形成等于或 高于第二電子能量的電場。
電子束源3包括充當陰極的燈絲7和電流/電壓控制部件8,該電 ;^/電壓控制部件8控制燈絲7與充當陽極的目標件T之間的電壓(管 電壓)及電子束e的電流(管電流)。電子束源3產生X射線，該X 射線以下列方式生成為主X射線。由充當陰極的燈絲7產生的熱離子 (電子束)經加在燈絲7和充當陽極的目標件T之間的電壓(例如， 50keV)加速以對著目標件T碰撞。結果，作為主X射線的X射線產 生了。
碳納米管可以代替燈絲7用作陰極。
例如，鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、銠(Rh)等用作目標 件T。目標件T與窗部件1接近或接觸地放置。
X射線檢測件4是諸如硅(Si)元件的半導g測件，所述硅元 件例如是PIN 二極管。當單個X射線光子入射到X射線檢測件4的 時候，X射線檢測件4產生與該單個X射線光子相應的電流脈沖。該 電流脈沖的瞬間電流值與入射的熒光X射線的能量成比例。
X射線檢測件4位于電子束源3的燈絲7與目標件T之間的區(qū)域， 如圖1與圖2所示。X射線檢測件4具有可傳送電子束e的傳送孔4a。 目標件T正好設置在傳送孔4a下接近傳送孔4a。 X射線檢測件4的 受光面設置在目標件T的周圍。
采用冷卻機制(未示出；例如以液氮作為冷卻劑或者釆用珀耳帖 效應元件的冷卻機制)X射線4企測件4 ^皮設為保持在恒定溫度。通過 冷卻到大約-30度到-100度，X射線檢測件4能夠保證其正常性能。
金屬防護構件lO設置在目標件T的電子束e照射區(qū)與X射線檢 測件4之間以阻止主X射線XI、笫二電子、反射電子以及來自目標 件T的輻射熱進入X射線檢測件4。金屬防護構件10通過支撐件(未示出)固定到真空殼2。金屬防護構件IO是環(huán)形構件，該環(huán)形構件在 中央為電子束e設有傳送孔10a以允許電子束e穿過該孔傳送。支撐 件不但用于支撐金屬防護構件10而且也用于釋^t第二電子與輻射熱。
本實施例中的金屬防護構件10具有設置于中央的、內部充當傳 送孔10a的圓筒形部分10b。該圓筒形部分10b也可以插入到X射線 檢測件4的傳送孔4a。依照目標件T與X射線檢測件4之間的位置 關系等來決定金屬防護構件10的尺寸和形狀，以阻止從目標件T線 性發(fā)射的反射電子入射到X射線檢測件4。以此方式，金屬防護構件 10設置在反射電子的路徑中以允許阻擋反射電子。金屬防護構件10 由諸如銅Cu的重金屬制成。如同在窗部件1和目標件T的情況，金 屬防護構件l(H皮設為地電位或正電位。
通過設置X射線檢測件4為負定位，能夠阻止熱離子(電子束e ) 入射到X射線檢測件4。
燈絲7、目標件T、 X射線4僉測件4以及金屬防護構件10均設置 在真空殼2的前室部件2a中。
上述分析器5對應X射線信號處理部分。該分析器5是多路脈沖 高度分析器，該多路脈沖高度分析器用來把產生于X射線檢測件4的 電流脈沖轉換為電壓脈沖，放大該電壓脈沖以獲得信號，且從所述信 號獲取電壓脈沖的脈沖高度以生成能量鐠。
電流/電壓控制部件8與分析器5被連接到CPU 9。在電流/電壓 控制部件8與分析器5上通過設置執(zhí)行不同的控制。
例如，顯示部件6是液晶的顯示裝置。顯示部件6連接到CPU9 以依照設置不僅允許諸如能量i普的分析結果的顯示而且允許不同的 屏幕顯示。
分析器5、電'二t/電壓控制部件8以及CPU9均設置在真空殼2的 后室部件2b中，而顯示部件6神皮設置成將其顯示面設于后室部件2b 的外表面上。特別是，分析器5與顯示部件6以集成方式設置在真空 殼2中。上述要求功率供給與電位設置的各個結構均被連接到功率源部 件(未示出)。
如上所述，在該第一實施例中，X射線檢測件4設置在真空殼2 中以便能檢測穿過窗部件1入射的熒光X射線與散射X射線X2。因 此，X射線檢測件4與電子束源3以及目標件T在整體上容納在真空 封閉件2內。結果能夠在尺寸與重量上進一步減小整個設備。而且， 因為X射線檢測件4在真空封閉件2中設置成和產生用于檢測的主X 射線XI的目標件T 一起更接近樣品S,所以使非常有效的激發(fā)與檢 測成為可能。尤其是，因為將本發(fā)明應用于開放型的可攜帶X射線分 析設備允許有效的檢測，所以即l吏當所產生的X射線的量一皮進一步抑 制的時候X射線分析設備仍能夠以高靈敏度檢測樣品。結果能夠獲得 高安全性。
而且，因為X射線檢測件4的受光面設置在目標件T的周圍，所 以當在窗部件1附近分析樣品S的時候，來自目標件T的主X射線 XI能夠有效地入射到樣品S。而且，產生于樣品S的熒光X射線等 能夠被設置在目標件T周圍(具體地，在窗1附近)的X射線檢測件 4有效地檢測。
而且，因為電子束e穿過設置在電子束源3與目標件T之間的X 射線檢測件4的傳送孔4a放射到目標件T,所以該電子束e在被所述 傳送孔4a聚焦后能夠放射到目標件T。
因為金屬防護構件10設置在X射線檢測件4與目標件T的電子 束e照射區(qū)之間，所以能夠阻擋并阻止由對應X射線產生部件的目標 件T產生并發(fā)射的第二電子與反射電子入射到X射線檢測件4而成為 噪聲。同時，能夠阻擋來自生熱目標件T的輻射熱以抑制對X射線檢 測件4的冷卻的影響。
而且，因為金屬防護構件10 ^皮設為地電位或正電位，所以來自 目標件T的第二電子能夠被電場引向金屬防護構件10。結果能夠獲得 更高的阻擋效果。
而且，因為目標件T與窗部件1 ^皮設為地電位或正電位，所以來 自目標件T的第二電子被電場向目標件T與窗部件1拉回。結果能夠 阻止笫二電子入射到X射線檢測件4。
此外，因為X射線分析設備^^制成為便攜的X射線分析設備，其 包括以集成方式設置在真空殼2中的分析器5與顯示部件6，所以該 X射線分析設備能夠被構造成允許分析結果通過分析器5與顯示部件 6被即時識別的、小而輕的可攜帶X射線分析設備。
接下來，參照圖3描述依照本發(fā)明第二實施例的X射線管和X射 線分析設備。在以下第二實施例的描述中，與那些在第一實施例中描 述相同的組件用相同的標號表示，且在下面省略了其描述。
第二實施例在以下點上不同于第一實施例。盡管在第一實施例中 金屬防護構件10被設置在目標件T與X射線檢測件4之間，但是在 第二實施例的X射線管和X射線分析設備中突起的壁部分(防護部分) Tl向目標件T本身設置以充當防護部分，如圖3所示。具體地，在 笫二實施例中目標件T包含對應電子束e照射區(qū)的目標件主體TO與 充當防護部分的、在目標件主體T0與X射線檢測件4之間從目標件 主體TO的外緣部分突起的突起的壁部分T1。
目標主體件TO以盤似形狀制成，而突起的壁部分Tl是在目標件 主體與X射線檢測件4之間從目標件主體TO的外緣部分突起的凸體。 突起的壁部分Tl也可以插入X射線檢測件4的傳送孔4a。
如上所述，在第二實施例的X射線管和X射線分析設備中，目標 件T本身設置有充當能夠阻擋第二電極與反射電極的防護部分的突起 的壁部分T1。因此，由于該防護部分不要求^f皮設置為獨立構件，所以 能夠降低構件成本。
本發(fā)明的技術范圍不局限于上述的實施例，在不脫離本發(fā)明的范 圍的情況下不同的改變是可能的。
例如，雖然能量分散X射線熒光分析設備被用在以上的各個實施 例中，但是本發(fā)明也可以被應用到使用其它分析方法的X射線熒光分
析設備，比如應用到波長分散x射線熒光分析設備。
此外，雖然本發(fā)明如在上述的實施例中那樣適合于可攜帶的x射
備，它包含真空殼2、電子束源3、目標件T、和X射線檢測件4，以 及作為與所述X射線管分離的構件的分析器5、控制系統(tǒng)、顯示部件 6等。
權利要求
1.一種X射線管，包括真空殼，所述真空殼包含處于真空狀態(tài)的內部與由透射X射線的X射線透射膜構成的窗部件；電子束源，所述電子束源設置在所述真空殼中以發(fā)射電子束；目標件，用所述電子束照射所述目標件以產生主X射線并發(fā)射所產生的主X射線穿過所述窗部件到外部樣品，所述目標件設置在所述窗部件上且具有比所述窗部件的外直徑小的外直徑；X射線檢測件，所述X射線檢測件設置在所述真空殼中來檢測熒光X射線和散射X射線以輸出含有所述熒光X射線和所述散射X射線的能量信息的信號，所述熒光X射線和所述散射X射線從所述樣品發(fā)射以穿過所述窗部件入射；以及防護部分，所述防護部分設置在所述X射線檢測件與所述目標件的所述電子束照射區(qū)之間。
2. 依照權利要求1的X射線管，其中，所述防護部分由金屬制 成且祐j殳為地電位和正電位之一 。
3. 依照權利要求1或2的X射線管，其中，所述防護部分是由 設置在所述X射線檢測件與所迷目標件之間的金屬制成的防護構件。
4. 依照權利要求1或2的X射線管，其中，所述目標件包含與X射線^以充當戶斤迷P方護部分的突起的壁 部分。
5. —種X射線分析設備，包括 依照權利要求1的X射線管；分析器，所述分析器用于分析所述信號；以及顯示部件，所述顯示部件用于顯示所述分析器的分析的結果。
6. 依照權利要求5的X射線分析設備，其中，所述分析器與所 述顯示部件設置在所述真空殼中以使所述X射線分析設備便攜。
全文摘要
本發(fā)明公開能進一步減小尺寸與重量且能更有效檢測熒光X射線等以增加靈敏度的X射線管和X射線分析設備。X射線管包含具有處于真空狀態(tài)的內部與由透射X射線的X射線透射膜構成的窗部件(1)的真空殼(2)；設于真空殼(2)中以發(fā)射電子束(e)的電子束源(3)；設于真空殼(2)中被電子束(e)照射以產生主X射線且能發(fā)射所產生的主X射線穿過窗部件(1)到外部樣品(S)的目標件；設于真空殼(2)中、能檢測從樣品(S)發(fā)射而穿過所述窗部件入射的熒光X射線和散射X射線來輸出含有該光X射線和散射X射線的能量信息的X射線檢測件(4)；以及設于X射線檢測件(4)與目標件(T)的電子束(e)照射區(qū)之間的金屬防護構件(10)。
文檔編號G01N23/223GK101355003SQ200810145530
公開日2009年1月28日 申請日期2008年7月28日 優(yōu)先權日2007年7月28日
發(fā)明者一宮豐, 的場吉毅 申請人:精工電子納米科技有限公司