專利名稱：在高度校準(zhǔn)的包裝中具有多個激發(fā)能量帶的xrf系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種X射線分析系統(tǒng)，并且更特別地，涉及提供多個激發(fā)能量 以改進(jìn)多個元件在均質(zhì)和非均質(zhì)樣品結(jié)構(gòu)中多個元素的檢測和分析的X射線源組件。
背景技術(shù)：
存在新興的需要來提供其中毒素的級別被減小到最低或完全消除的所有類型的 產(chǎn)品。這需要具有清楚的基本醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)并且由恐懼和待處理的立法一這是許多近期的廣受 宣傳的產(chǎn)品中的毒素(例如，玩具中的鉛)的案例的結(jié)果而加速。不安全產(chǎn)品的成本超過 健康影響以包括商業(yè)的大量損失、對品牌和公司形象的永久傷害和提高級別的法人和個人責(zé)任。響應(yīng)這些問題，全世界對于消費者產(chǎn)品都具有增長趨勢的日益嚴(yán)格的環(huán)境和健康 法規(guī)。調(diào)節(jié)的產(chǎn)品的列表迅速地提高并且毒素的類型和允許水平變得更加嚴(yán)格。一些工 業(yè)玩家通過在它們的供應(yīng)鏈中批準(zhǔn)更清潔的產(chǎn)品而超越它們銷售的產(chǎn)品的法規(guī)。法規(guī)有 效地旨在通過減少我們的環(huán)境中的毒素來減少人直接暴露于毒素中。幾個更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn) 可以追溯至始于20世紀(jì)90年代早期的歐洲環(huán)保指令，始于包裝材料和電池中的規(guī)章。在 隨后的年代中，EU引入了對于汽車的危險物質(zhì)的減少(ELV)和兩個涉及電子產(chǎn)品的指令 (Restriction of Hazardous Substances 或 RoHS 禾口 Waste Electrical and Electronic Equipment或TOEE)。未決的美國聯(lián)邦立法將玩具上油漆中的鉛水平降低六個因子并且威 脅對違反的公司的單次違反處以罰金從1000萬美元到1億美元的刑事訴訟。另外，限制就 中其它已知的毒素，包括汞、砷、鎘、鋇和鉻。這種人類健康和環(huán)保措施的傳播對于產(chǎn)品設(shè)計、制造并且最終地丟棄或再循環(huán)的 方式具有深遠(yuǎn)的全球影響。用于產(chǎn)品中毒素的當(dāng)前測量方法并不符合從工廠到最終消費者的供應(yīng)鏈的要求。 在從原材料到部件到完成的產(chǎn)品的鏈條的每個步驟中都需要毒素的識別和測量。盡管原材 料測量對于工廠是最高效的，但是分銷渠道通常需要對最終產(chǎn)品進(jìn)行測量。迫切地需要新 的技術(shù)來精確地、迅速地、始終如一地并且成本節(jié)約地在每個階段測量毒素，且在產(chǎn)品的制 造和分銷的流動中具有最小的中斷。因為玩具和其它產(chǎn)品通常具有小的油漆特征(色素通 常是毒素的源頭)，所以需要測量小的區(qū)域同時把油漆與基底材料加以區(qū)別?，F(xiàn)有的低成本毒素檢測方法通常是無效的，例如拭子測試。提供所需精度的更高 成本的方法是昂貴并且消耗時間的。這些方法有時涉及手動地刮擦樣品，在提高的溫度和
4壓力下蒸煮它們，并且將它們導(dǎo)入燃燒室中，然后分析燃燒產(chǎn)物。一種當(dāng)今廣泛使用的方法 是感應(yīng)耦合等離子光學(xué)發(fā)射光譜學(xué)(ICP-OES)-—種昂貴、破壞性和緩慢的方法?；蛘?，手 持X射線熒光(XRF)槍是快速和非破壞性的，但是僅僅對于高于調(diào)節(jié)濃度才是可靠的，并且 在大的樣品區(qū)域中被平均，并且不能單獨地評價油漆層。如下面進(jìn)一步討論的那樣，本發(fā)明提供了一種對于產(chǎn)品中的毒素具有由復(fù)雜的專 有X射線光學(xué)器件實現(xiàn)的快速、精確的結(jié)果的測量解決方案。這種專有光學(xué)器件通常提供 了聚焦X射線的能力中的10-1，OOOx的改進(jìn)；并且光學(xué)啟用的分析器尤其適于這些目標(biāo)的 市場一將測量從實驗室移動到工廠、野外和診所。在X射線分析系統(tǒng)中，高的X射線射束強(qiáng)度和小的射束斑尺寸對于減少樣品曝光 時間、提高空間分辨率并因此改進(jìn)信號與背景之比和X射線分析測試的總體質(zhì)量是很重要 的。在過去，昂貴和大功率的X射線源例如旋轉(zhuǎn)陽極X射線管或同步加速器是在實驗室中 生成高強(qiáng)度X射線射束的唯一可用選項。近來，X射線光學(xué)設(shè)備的發(fā)展已經(jīng)使之可以通過聚 焦X射線從X射線源收集發(fā)散輻射。X射線聚焦光學(xué)器件和小的低功耗X射線源的組合可 以生成具有可與更昂貴設(shè)備實現(xiàn)的強(qiáng)度相比較的X射線射束。因此，基于小的便宜的X射 線源、激發(fā)光學(xué)器件和收集光學(xué)器件的組合的系統(tǒng)已經(jīng)極大地擴(kuò)展了 X射線分析設(shè)備在例 如小型實驗室和在野外、工廠或診所等中的可用性和能力。X射線射束在激發(fā)和/或檢測路徑中的單色化也用于激勵和/或檢測對應(yīng)于感興 趣的各種元素(鉛等)的X射線能譜的非常精確的部分。X射線單色化技術(shù)基于X射線在 光學(xué)晶體例如鍺(Ge)或硅(Si)晶體上的衍射。彎晶可以提供發(fā)散輻射從X射線源到目標(biāo) 上的偏轉(zhuǎn)，以及提供達(dá)到目標(biāo)的光子的單色化。兩種常見類型的彎晶被稱為單彎晶和雙彎 晶(DCCs)。使用本領(lǐng)域中已知為羅蘭圓幾何形狀的單彎晶可以提供在兩維中的聚焦，而X 射線輻射在第三或正交平面中未聚焦。雙彎晶提供了 X射線從源到所有三維中的點目標(biāo)的 聚焦。該三維聚焦在本領(lǐng)域中被稱為“點到點”聚焦。編號為6，285，506和7，035，374的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利公開了用于X射線聚焦和 單色化的彎曲X射線光學(xué)器件的各種配置。一般而言，這些專利公開了形成到彎曲光學(xué)元 件中的柔性層的結(jié)晶材料(例如Si)。光學(xué)器件的單色化功能和傳輸效率是由光學(xué)器件的 晶體結(jié)構(gòu)確定的。使用聚焦和單色X射線光學(xué)器件將X射線輻射聚焦到具有更高強(qiáng)度的小斑的能力 能夠降低X射線管的尺寸和成本，并且因此X射線系統(tǒng)已經(jīng)從實驗室擴(kuò)展到現(xiàn)場的野外使 用。全部在此包含作為參考的編號為6，934，359和7，072，439的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利公開 了單色波長色散X射線熒光(MWD XRF)技術(shù)和系統(tǒng)，在激發(fā)和/或檢測路徑中使用雙彎晶 光學(xué)器件。在這些專利中描述的X射線光學(xué)器件啟用的系統(tǒng)在實驗室中享有普遍的成功， 用于測量多種精煉廠、終端和管線環(huán)境中的石油燃料中的硫。在這種系統(tǒng)中，需要沿著由源和試樣斑界定的軸線的精確的光學(xué)校準(zhǔn)，如在上面 包含的編號為7，035，374的美國專利中所顯示的，該專利提出了圍繞依照布拉格衍射條件 操作的中心軸線的彎曲的單色光學(xué)器件的配置。圖Ia是具有彎曲光學(xué)器件152、X射線源 位置154和X射線目標(biāo)位置156的該X射線光學(xué)配置150的典型的等角視圖。X射線源位 置154和X射線目標(biāo)位置156界定了源到目標(biāo)的傳輸軸線162。光學(xué)器件152可以包括多 個各自的光學(xué)晶體164，它們所有均可以圍繞軸線162對稱地布置。
圖Ib是沿圖Ia的剖面線Ib-Ib剖開的剖視圖，其中光學(xué)器件152的表面、X射線 源位置154和X射線目標(biāo)位置156界定了用于光學(xué)器件152的半徑R的一個或多個羅蘭 (或聚焦)圓160和161。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以認(rèn)識到，與晶體光學(xué)器件152或各自的晶 體164相關(guān)的羅蘭圓的數(shù)目和朝向?qū)㈦S著光學(xué)晶體152的表面的位置例如光學(xué)晶體152上 環(huán)形位置的差異而變化。光學(xué)晶體152的內(nèi)部原子衍射平面也可能不平行于其表面。例如，如圖Ib中所示， 在表面的切點158及其相應(yīng)的光學(xué)圓160或161處，晶體152的原子衍射平面與X射線所指 示的平面形成角度h。θ B是晶體光學(xué)器件152的布拉格角，該角確定了其衍射效果。在 一個實例中每個各自的光學(xué)晶體可以依照在上面包含的編號為6，285，506的題為“Curved Optical Device and Method of Fabrication”的美國專利中公開的方法制造。為了適當(dāng)?shù)牟祭駰l件，所有的各自晶體164應(yīng)該被校準(zhǔn)到源至目標(biāo)軸線162。因 此光學(xué)校準(zhǔn)尤其是用于這種多晶體光學(xué)器件的改進(jìn)保持為感興趣的重要領(lǐng)域。尤其地影響 大量制造的另一個問題是需要校準(zhǔn)從不同賣主那里購買的不同部件。例如，X射線管，當(dāng)從 一個賣主那里大量購買時，可能具有相對于它們自己的外殼不始終如一地定中心的源X射 線斑。重定中心這些X射線管斑是需要的，作為整個X射線源組件的校準(zhǔn)處理中的初始步 馬聚O已經(jīng)提出了各種光學(xué)/源組合來處理熱穩(wěn)定性、射束穩(wěn)定性和校準(zhǔn)問題，例如在 編號為7，110，506、7，209，545和7，257，193的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利中所公開的。這些 專利中的每一個的全部均在此引入作為參考。特別是，編號為7，209，545(題為1-1 對 Source Assembly Having Enhanced Output Stability, and Fluid Stream Analysis Applications Thereof”)和 7，257，193(題為“X_Ray Source Assembly Having Enhanced Output Stability Using Tube Power Adjustments and Remote Calibration，，)的專利 使用實時、校正反饋的方法用于管焦斑、光學(xué)器件和輸出焦斑之間的校準(zhǔn)從而解決了源操 作期間的特定管/光學(xué)器件校準(zhǔn)問題。傳感器被用于檢測各種運行狀況，并且做出機(jī)械和 /或熱調(diào)節(jié)以校正包括未校準(zhǔn)在內(nèi)的不穩(wěn)定。這些類型的系統(tǒng)是需要的并且對某些應(yīng)用是 有價值的，但是也會增加成本和野外系統(tǒng)的復(fù)雜性。上述XRF技術(shù)和系統(tǒng)在用于測量通常均一的樣品結(jié)構(gòu)(例如，石油產(chǎn)品中的硫) 的單個元素分析器中是有用的。然而，產(chǎn)品中毒素的測量提供了附加的挑戰(zhàn)級別。首先，器 具應(yīng)該具有從如上面所述的大約10種有毒元素的相對有限的列表中同時或近乎同時地測 量一種以上元素的能力。此外，產(chǎn)品可能在本質(zhì)上是非均質(zhì)的，這就要求小的斑點分辨率， 以及檢測多個非均質(zhì)的層之一中的毒素(例如，在油漆層中和油漆下面的襯底層中鉛的水 平)的能力。因此，需要改進(jìn)的X射線分析方法和系統(tǒng)以解決與在潛在地非均質(zhì)樣品中測量多 種毒素有關(guān)的問題，以能夠?qū)Ξa(chǎn)品中的毒素進(jìn)行廠內(nèi)和/或野外測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的缺點并且提供了附加的優(yōu)點，且本發(fā)明在一個方面是 用于使用X射線射束照射試樣斑的X射線分析裝置。提供了一種具有源斑的X射線管，由 該源斑生成具有特性第一能量和韌致輻射能量的發(fā)散X射線射束。第一 X射線光學(xué)器件接收發(fā)散的X射線射束并朝試樣斑指引射束，同時使射束單色化；和接收發(fā)散的X射線射束并 朝試樣斑指引射束同時使射束單色化為第二能量的第二X射線光學(xué)器件。第一X射線光學(xué) 器件使來自源斑的特征能量單色化并且第二X射線光學(xué)器件使來自源斑的韌致輻射能量 單色化。X射線光學(xué)器件可以是彎曲的衍射光學(xué)器件，用于從X射線管接收發(fā)散的X射線射 束并且將射束聚焦在試樣斑上。還提供了檢測以檢測和測量在例如包括玩具和電子產(chǎn)品的 產(chǎn)品中的各種毒素。發(fā)明者已經(jīng)開發(fā)了這些新穎和有效的技術(shù)來解決詳細(xì)檢查制造的產(chǎn)品中的毒素 的不斷增長的市場需求。光學(xué)啟用的、單色激發(fā)的、微聚焦能量色散的XRF使用上面討論的 先進(jìn)的X射線光學(xué)器件連同低瓦特的X射線管、商業(yè)上可用的傳感器和緊湊的觸發(fā)設(shè)計的 專用軟件算法。光學(xué)器件極大地改進(jìn)了信噪比并且將強(qiáng)度集中在小斑點上。光學(xué)啟用的分 析器可以在通常于產(chǎn)品例如玩具和電子產(chǎn)品中找到的小特征中非破壞性地檢測并且同時 量化多種有毒元素，而無論產(chǎn)品的形狀、尺寸或均質(zhì)性。其使用簡單的設(shè)計能夠使毒素濃度 的可量化測量低至lppm。系統(tǒng)維持可靠的記錄，包括玩具和所測量特征的清楚的時間戳的 攝像標(biāo)識，保證審計順應(yīng)性。雙彎晶(DCC)單色光學(xué)器件可以通過從發(fā)散源捕獲X射線并且將它們重定向到產(chǎn) 品表面上的強(qiáng)聚焦射束中而用于增強(qiáng)測量強(qiáng)度。它們的小斑點尺寸允許分析器檢查內(nèi)徑低 至1. 5mm的小特征而不會降低速度或數(shù)據(jù)質(zhì)量。該獨特的能力將區(qū)分在玩具和電子產(chǎn)品中 通?？梢姷姆浅Ｐ〉奶卣?。法規(guī)要求每種材料被單獨地測定；限制是每種材料和顏色在多 個特征上并不是平均的。光學(xué)器件提供的有利的信噪比向分析器提供了極低的檢測下限。檢測的該性能限 度增大了結(jié)果的可靠性，因此顯著地減少了假陽性或假陰性的數(shù)目。分析器將保持有效，甚 至是在對于最低的對鉛提出的40ppm的管理極限下。油漆涂層在玩具市場是特別感興趣的，這樣玩具分析器就包含了具有隔離油漆層 的最佳能級和角度的專用涂層光學(xué)器件。沒有光學(xué)器件的傳統(tǒng)XRF技術(shù)取得涂層和襯底層 的中間值，這可以屏蔽油漆層中的高毒素水平。玩具分析器可以區(qū)分油漆涂層與襯底的組 成。多元素能力可以同時提供玩具和其它消費品中大多數(shù)請求的毒素的結(jié)果?？梢栽?系統(tǒng)可以同時檢測至少26種不同的元素，且重點在制造商最感興趣的10種毒素上，包括 Cr、As、Br、Cd、Sb、Ba、Se、Hg、Cl 禾口 Pb。另外，通過本發(fā)明的技術(shù)實現(xiàn)了附加的特征和優(yōu)點。其它實施例和本發(fā)明的方面 詳細(xì)描述在此并且被認(rèn)為是所要求保護(hù)的發(fā)明的一部分。


在說明書的末尾部分的權(quán)利要求書中尤其地指出并且清楚地要求了被視為本發(fā) 明的主題。通過下面的詳細(xì)說明并結(jié)合附圖，本發(fā)明的前述和其它目的、特征和優(yōu)點將會顯 而易見，其中圖la-b顯示了圍繞需要校準(zhǔn)的軸線的晶體X射線光學(xué)器件的示例性配置；圖2是依照本發(fā)明的一個方面的校準(zhǔn)的X射線光學(xué)器件和源組件的透視圖；圖3是圖2的組件的剖視7
圖4是圖2的組件的分解圖；圖5a_b顯示了來自X射線管的典型特征線和軔致輻射；圖6a_b顯示了使X射線管能量單色化的影響和改進(jìn)的檢測結(jié)果；圖7a_b顯示了依照本發(fā)明由于單色激發(fā)能量的各種元素峰和多個單色激發(fā)能量 射束的電勢布置；圖8是由依照本發(fā)明的三個不同聚焦的單色X射線光學(xué)器件確定的X射線路徑的 簡圖；并且圖9顯示了使用依照本發(fā)明提出的裝置處理的樣品的示例性激發(fā)，用于測量感興 趣的10種元素。
具體實施例方式用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳樽式高度校準(zhǔn)的X射線源組件:依照本發(fā)明，圖2-4以各種視圖(使用相似的數(shù)字表示相似的元件)顯示了依照 本發(fā)明的高度校準(zhǔn)的X射線光學(xué)器件和源組件200。該包裝的各個方法已經(jīng)公布在2008 年 3 月 5 日提交的序列號為 61/033,899 的題為 “X-RAY OPTIC AND SOURCE ASSEMBLY FOR PRECISION X-RAY ANALYSIS APPLICATIONS” 禾口 2008 年 3 月 25 日提交的序列號為 61/039，220 的題為“HIGHLY ALIGNED X-RAY OPTIC AND SOURCE ASSEMBLY FOR PRECISION X -RAY ANALYSIS APPLICATIONS”的共同轉(zhuǎn)讓的、預(yù)先提交的美國臨時申請中，它們均全部 包含在此作為參考。如這些申請中所述，該組件包括第一部分210、第二部分220和第三部分230，它們 一起使X射線管240沿著中心傳輸軸線Z對準(zhǔn)試樣斑250。保持也需要對準(zhǔn)傳輸軸線Z的 示例性單色光學(xué)器件(如上相對于圖la-b所述)的多個光學(xué)托架組件222、224和226也 沿著該軸線校準(zhǔn)。第一外殼部分210可以圍繞其周邊包括可調(diào)節(jié)管安裝特征212、214用于可調(diào)節(jié)地 安裝管240，因此保證管X射線斑242圍繞部分210的中心軸(未顯示)在中心地定中心。 如下文所述，組件部分210、220和230的進(jìn)一步連接將保證每個各自部分的軸線(未顯示) 最終對準(zhǔn)傳輸軸線Z。因此，本發(fā)明允許潛在地不同的部件沿著中心傳輸軸線Z的增量校 準(zhǔn)。對于X射線管240，它們在從制造商運送時可以具有偏心的管斑，因此需要使用可調(diào)節(jié) 安裝特征212和214 (例如止動螺釘)沿著部分210的軸線再定中心。提供高效、經(jīng)濟(jì)、便攜分析性能的能力在很大程度上取決于X射線管和光學(xué)技術(shù)。 在這一點上，可以對于較小的便攜系統(tǒng)例如緊湊的電子轟擊X射線管組合特定的管和光學(xué) 技術(shù)?？梢詮腛xford Instruments #5011型獲得該類X射線管的一個實例，相對于花費數(shù) 千或幾十萬美元的大功率實驗室源，它在小于100瓦特(即75瓦特)下操作，成本為小于 每個管$1500，這對于許多應(yīng)用可以抑制成本。另一個實例是Varian VF-50J(類似于在此 顯示的)，形狀為管形，并且在50瓦特或更低下操作，其成本為每個幾千美元，且使用了下 面討論的鉬材料。第二外殼部分220包括附加的校準(zhǔn)特征。首先，提供了互補(bǔ)的配合表面216和 228 (圖4)，一旦裝配即一旦將管部分210插入部分220中，就將部分210和220的軸線校
8準(zhǔn)。部分210和220被單獨地制造以保證當(dāng)配合表面接觸時沿著它們的軸線校準(zhǔn)，并且因 此對準(zhǔn)中心軸線Z。部分210、220和230顯示為管形。特別地，部分顯示近似的圓柱形式，具有一種管 形的環(huán)形橫截面。管形部分210和220的橫截面也可以是正方形、矩形等等。顯示為具有 環(huán)形橫截面的管形使用部分210的外周邊配合表面216和部分220的內(nèi)周邊配合表面218 提供了一種部分對部分校準(zhǔn)技術(shù)。完全封閉的管形部分還提供了所需的X射線屏蔽。其次，部分220還容納光學(xué)托架222、224和226的連接，它們被制造成可調(diào)節(jié)地安 裝并且將X射線光學(xué)器件223、225和227 (未顯示但是暗含在托架226內(nèi))分別對準(zhǔn)部分 220并且最終地對準(zhǔn)傳輸軸線Ζ。X射線射束聚焦和/或單色化可以使用特定聚焦和/或 平行光學(xué)器件實現(xiàn)，例如在編號為6，285，506,6, 317，483和7，035，374的共同轉(zhuǎn)讓的美國 專利中公開的彎晶單色光學(xué)器件；和/或多層光學(xué)器件；和/或例如在編號為5，192，869、 5，175，755,5, 497，008,5, 745，547,5, 570，408 和 5，604，353 的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利中公開 的那些毛細(xì)管光學(xué)器件。上述專利中的每一個均在此全部引入作為參考。特別感興趣的是 彎曲的單色光學(xué)器件(上面參照圖la-b討論的)，它們需要沿著傳輸軸線精確的校準(zhǔn)并且 與之相距一定距離以滿足感興趣的適當(dāng)?shù)牟祭駰l件。還特別感興趣的是沿著單個Z軸線 對準(zhǔn)多個這種光學(xué)器件(例如223、225、227)的要求。第二外殼部分內(nèi)的示例性彎晶光學(xué)器件223、225和227從X射線管斑242接收發(fā) 散的X射線射束并且將衍射射束聚焦至試樣斑250。托架222、224和226可直接或間接地 安裝至第二外殼部分，這樣光學(xué)器件的作用表面就沿著傳輸軸線Z校準(zhǔn)并且定位在與之期 望的距離處。安裝了托架的第二外殼部分的外表面區(qū)域(例如，外徑)可以適當(dāng)?shù)卦O(shè)定尺 寸(例如，由外徑)并且制造成至少一個X射線光學(xué)器件定位在與傳輸軸線相距期望距離 處。此外，可以應(yīng)用墊片229和/或其它間距調(diào)節(jié)器(止動螺釘?shù)鹊?以保證適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué) 校準(zhǔn)(圖3-4)。特別是，為了維持它們的布拉格條件，這些類型的光學(xué)器件可以沿著第二外 殼部分的表面安裝而又與傳輸軸線Z分開。第三外殼部分230包括在其尖端處的孔，它需要對準(zhǔn)傳輸軸線Z用于使用來自光 學(xué)器件的聚焦X射線射束對試樣斑250適當(dāng)?shù)恼彰?。該部分?nèi)也可以包括錐體231用于附 加的屏蔽、剛性地或可調(diào)節(jié)地安裝至部分230。部分230也可以在其上剛性地安裝示例性能 量色散的檢測器260，它自身需要對傳輸軸線Z的緊密校準(zhǔn)。為了實現(xiàn)部分230與部分220 和210的校準(zhǔn)(因此完成整個源組件沿著傳輸軸線Z的校準(zhǔn))，可以應(yīng)用互補(bǔ)的配合表面 和/或可調(diào)節(jié)安裝裝置(例如，止動螺釘)以使外殼部分230對準(zhǔn)部分220并因此對準(zhǔn)部 分210。部分230和/或錐體231也可以沿著與傳輸軸線Z正交的方向調(diào)節(jié)。也可以使用 在檢測路徑中具有或不具有相似光學(xué)器件的其它類型的檢測器(例如，波長色散的)。應(yīng)該 針對檢測器校準(zhǔn)考慮附加的問題。能量色散的檢測器260也可以在空間中具有其自己的焦 斑，它還需要校準(zhǔn)射束/樣品焦斑250 (例如，圖2-3)。(試樣斑250可以在樣品的表面上 或表面下方；這取決于X射線射束的焦點。)如圖所示，檢測器安裝至錐體31，它可以具有 可調(diào)節(jié)的安裝裝置(墊片、止動螺釘?shù)鹊?以及保證檢測器的校準(zhǔn)的預(yù)定配合表面。使用 該方法，提供了 X射線管、光學(xué)器件、試樣斑和檢測器的端對端校準(zhǔn)。附加的墊片可以放置在每個部分(210，220，230)之間以控制它們各自的間距并 且因此控制它們沿著傳輸軸線Z的縱向布置。
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還顯示了具有其自己的托架272、電動機(jī)274和快門板276的自動快門系統(tǒng)。該快 門可以用于X射線安全性目的(即，完全堵塞快門)，并且還用于選擇應(yīng)用至樣品的X射線 射束(從光學(xué)器件)，其混合范圍從各自的非同時激發(fā)到完全同時激發(fā)或其任意混合。這對 于下面討論的多個能量激發(fā)技術(shù)尤其重要。也可以沿著射束路徑提供其它堵縫282和284以裁定沖擊光學(xué)器件的射束并且減 少其它噪音和/或散射。上述方法使用各種技術(shù)提供了高度校準(zhǔn)的X射線光學(xué)器件和源組件以保證小的 堅固的便攜分析器中不同部件(光學(xué)器件、X射線管、檢測器等等)的校準(zhǔn)用于在工業(yè)處理、 臨床和野外調(diào)定中的現(xiàn)場在線測量。能夠進(jìn)行大量制造，即使是當(dāng)改變的尺寸公差的部件 導(dǎo)入生產(chǎn)中時。此外，高度校準(zhǔn)組件通過依照布拉格條件聚焦衍射光學(xué)器件提供了所需的 精確校準(zhǔn)。光學(xué)器件的任意誤校準(zhǔn)將直接地影響設(shè)備的精確性。在不同能量處的單餼光學(xué)器件可以參照圖5a中顯示的典型X射線鉬目標(biāo)管的輸出光譜更好地理解對于這種包 裝中的XRF使用單色激發(fā)射束的益處，該圖顯示了在大約17keV下來自管的目標(biāo)材料的特 征線和更寬的軔致輻射光譜。當(dāng)該X射線射束撞擊到樣品上時，從樣品上發(fā)射的輔助X射 線具有兩個分量樣品中元素的熒光特征線和來自如圖5b中所示的源的散射X射線。能量 色散(ED)檢測器測量兩者之和。因此，樣品中痕量元素的熒光信號可以由背景變暗。在源 和樣品之間使用點聚焦單色光學(xué)器件，光學(xué)器件就僅僅從源衍射管的特征線。因此撞擊在 樣品上的射束的光譜就非常簡單，如圖6a中所示?，F(xiàn)在，除了在康普頓散射區(qū)域之外，由樣 品出現(xiàn)的光譜就在所有能量下具有很低的背景。圖6b顯示了使用來自樣品的熒光信號的 散射光譜?，F(xiàn)在可以清楚地檢測到圖5b中無法檢測的痕量元素信號。依照本發(fā)明的另一個方面，裝置200的多個光學(xué)器件223和225 (和其它)可以是 不同的，即可以調(diào)節(jié)至X射線能譜的不同部分，以優(yōu)化X射線能帶的各自區(qū)域中的元素檢測 和量化。一般而言，對于發(fā)熒光并且因此受到檢測和測量的元素，激發(fā)能量必須在元素的X 射線吸收限處或之上。因此使所有感興趣的元素發(fā)熒光就需要激發(fā)能量在所有感興趣的元 素的吸收限之上。參照圖7a的比較曲線圖，該曲線圖最初顯示了光學(xué)器件生成單色激發(fā)按照數(shù)量 級提高元素檢測(痕量710)對比傳統(tǒng)的多色激發(fā)(痕量720)。如上所述，并且還參考圖7b，來自例如近似17keV處的鉬目標(biāo)X射線管的特征能量 線El使用如上所述的點聚焦單色光學(xué)器件聚焦至樣品，通常使具有低于17keV的感興趣的 熒光線的所有元素發(fā)熒光(例如痕量710)。然而，對于具有很低(例如，在該實例中低于 IOkeV)的熒光線的元素，其激發(fā)效果會逐漸減弱。依照本發(fā)明，可以應(yīng)用附加的光學(xué)器件以同時捕獲從同一個X射線管傳遞的非特 征、寬廣的軔致能量，并且在例如能量E2、E3、E4、E5……處提供附加的激發(fā)能量線，每條線 均來自各自的點聚焦單色光學(xué)器件。也可以使用高于17keV的能量(未顯示)。該技術(shù)可 以用于周期表中元素的各個范圍的高效、低背景激發(fā)。在于此顯示并且還參考圖8的X射線路徑圖形的特定系統(tǒng)實施例200中，三個光 學(xué)器件223、225和227分別提供了 31keV(來自軔致輻射)、17keV特征鉬線和7keV線(也 來自軔致輻射)。
這些線提供了周期表中感興趣的元素(連同它們的原子序數(shù)列出)的下列近似范 圍的優(yōu)化激發(fā)3IkeV 從大約 Zr (40)到 Te (52)17keV 從大約 Cl(17)到 Br (35) ；RB (37)到 Sr (38) ；Zr (40)；Cs (55)到 Bi (83) ；Th (90) ；U (92)7keV 從大約 Al (13)到 Co (27)通過使用不同的光學(xué)器件，可以向樣品同時(或連續(xù)地，或使用快門系統(tǒng)的其任 意混合)應(yīng)用不同的激發(fā)角和/或能量。因為不同的能量導(dǎo)致不同的熒光效果，所以可以 在檢測路徑中確定更多信息。例如，更高能量刺入更深的深度并且可以用于檢測材料中的 襯底(而不是油漆)層。此外，盡管較低能量可能刺入油漆層，但是生成的熒光可能并不刺 入油漆層，對材料構(gòu)成給出更多了解。某些元素出現(xiàn)在通常超過檢測器分辨的能力的間距中的能帶中(例如Cd和Sn)， 并且事實上具有重疊的K/L線并且吸收能量。通常使用的鉛替代物一錫(Sn)可以屏蔽檢 測路徑中的鎘。因此，只是低于較高元素(Sn)的吸收因此并不激發(fā)錫但是有效地激發(fā)所有 的鎘的激發(fā)可以用于隔離較低的元素(Cd)。由兩種不同的激發(fā)能量導(dǎo)致的熒光光譜比也可以用于樣品的附加信息。圖9顯示了使用依照本發(fā)明提出的裝置處理的樣品的示例性激發(fā)，該裝置用于測 量10種感興趣的元素?？梢砸勒丈厦姘拿绹鴮＠?，035，374使用多元素光學(xué)器件(例如，223)。此 外，可以使用依照多層技術(shù)的層狀光學(xué)器件和/或如在2007年11月16日提交的編號為 11/941，377 的題為 “X-RAY FOCUSING OPTIC HAVING MULTIPLE LAYERS WITH RESPECTIVE CRYSTAL ORIENTATIONS”的美國專利申請中公開的多晶體層技術(shù)，其全部包含作為參考。這 種DCC在此被稱為LDCC。LDCC光學(xué)器件具有幾個獨特的特征。光學(xué)器件的搖擺曲線寬度 可以設(shè)計成比單層DCC光學(xué)器件高2到5倍。這將提高帶寬并且提供通量增加用于切斷韌 致輻射光譜。對于單層Si或Ge DCC，搖擺曲線可以收窄這樣其效率就會由典型X射線點源 的有限尺寸而降低。LDCC可以設(shè)計成與源尺寸匹配并且促進(jìn)也用于聚焦特征線的透射通 量。LDCC光學(xué)器件也可以更好地工作用于更高的能量光子。由于降低的吸收，可以為高能 X射線建立更多層的結(jié)構(gòu)。用于LDCC的有用能量范圍期望為6-50keV。在一個特定實例中，三個LDCC光學(xué)器件可以用于從小斑點Cu目標(biāo)源提供三色聚 焦射束。第一 LDCC向試樣斑聚焦Cu Ka 1 8. 04keV特征X射線。斑點尺寸大約為50 μ m 至75μπι。Cu LDCC覆蓋了包括Cr的從硅(Si)到錳(Mn)的元素的激發(fā)。第二 LDCC對于 Hg、Pb和Br激發(fā)選擇和聚焦在16keV處定中心的韌致輻射帶。第三LDCC對于Cd激發(fā)選 擇和聚焦在28keV處定中心的韌致輻射帶。兩個韌致輻射光學(xué)器件具有100 μ m至300 μ m 的聚焦斑。韌致輻射光學(xué)器件的帶寬設(shè)計成為聚焦能量的大約1_2%。PIN 二極管檢測器 用于EDXRF光譜測定法?？梢栽赬射線源和光學(xué)器件之間或光學(xué)器件和樣品(如上所述) 之間構(gòu)成快門方案以具有在任意組合中將來自每個光學(xué)器件的射束開啟和斷開的選項。照 相機(jī)和/或激光斑可以放入三個光學(xué)器件的中心從而在視覺上定位測量斑。照相機(jī)還用于 存儲圖像與光譜數(shù)據(jù)。小激光高度計用于輔助樣品在焦點處的定位。提高毒素的全球調(diào)節(jié)的趨勢對于這種高度校準(zhǔn)的系統(tǒng)作為解決許多當(dāng)前重要的
11應(yīng)用的平臺技術(shù)提供了一個機(jī)會。所公開的系統(tǒng)提供了超過此前的毒素檢測技術(shù)的幾個優(yōu) 點，即具有非破壞性地檢測很低水平的隔離的小特征的組合能力，并且在有毒元素的寬范 圍內(nèi)給出可靠的結(jié)果。傳統(tǒng)的XRF分析器和更標(biāo)準(zhǔn)的分析化學(xué)技術(shù)不具有可靠結(jié)果、一些 級別的便攜性和當(dāng)今的嚴(yán)格的規(guī)章環(huán)境中所需的每次試驗的低成本的所需組合。需要這些 特征的領(lǐng)域包括消費品、電子產(chǎn)品、空氣質(zhì)量監(jiān)督、體液、食品和藥物。在原則上，這些應(yīng)用 中的很多可以共享公共的硬件和軟件平臺以促進(jìn)新產(chǎn)品導(dǎo)入、降低制造成本并且提高更高 數(shù)量的精密儀器。 雖然已經(jīng)在此顯示和詳細(xì)描述了優(yōu)選實施例，但是對于相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)人員而 言，顯而易見，可以做出各種修改、增補(bǔ)、置換等而不脫離本發(fā)明的精神并且這些因此被認(rèn) 為是在下面的權(quán)利要求中界定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于使用X射線射束照射試樣斑的X射線分析裝置，包括具有源斑的X射線管，由該源斑生成具有特征第一能量和韌致輻射能量的發(fā)散X射線射束；用于接收發(fā)散的X射線射束并朝試樣斑指引射束的第一X射線光學(xué)器件，該第一X射線光學(xué)器件使射束單色化；用于接收發(fā)散的X射線射束并朝試樣斑指引射束的第二X射線光學(xué)器件，該第二X射線光學(xué)器件使射束單色化為第二能量。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，第一X射線光學(xué)器件使來自源斑的特征能量 單色化并且第二 X射線光學(xué)器件使來自源斑的韌致輻射能量單色化。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，X射線光學(xué)器件是彎曲的衍射光學(xué)器件，用 于從X射線管接收發(fā)散的X射線射束并且將射束聚焦在試樣斑上。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，X射線光學(xué)器件是聚焦的單色光學(xué)器件。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，聚焦的單色光學(xué)器件是雙彎晶光學(xué)器件或 雙彎曲的多層光學(xué)器件。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括用于接收發(fā)散X射線射束并且朝試樣 斑指引射束的第三X射線光學(xué)器件，該第三X射線光學(xué)器件將來自源斑的韌致輻射能量單 色化為第三能量。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，源斑需要沿著經(jīng)過試樣斑的傳輸軸線校準(zhǔn)， 該裝置還包括X射線管沿著其第一軸線連接的第一管形外殼部分，這樣源斑就與第一軸線重合，第一 外殼部分還包括與第一軸線校準(zhǔn)的配合表面；具有與傳輸軸線重合的第二軸線和與第二軸線校準(zhǔn)的配合表面的第二管形外殼部分；和裝接到第二外殼部分上用于接收發(fā)散的X射線射束并且朝試樣斑指引射束的第一和 第二 X射線光學(xué)器件，第一和第二光學(xué)器件需要沿著傳輸軸線校準(zhǔn)；第一外殼部分和第二外殼部分沿著它們各自的配合表面可以配合以因此將第一和第 二軸線與傳輸軸線校準(zhǔn)，因此校準(zhǔn)源斑、X射線光學(xué)器件和試樣斑。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，每個光學(xué)器件裝接到第二外殼部分上用于 接收發(fā)散的X射線射束并且朝試樣斑指引射束的各自部分，并且需要沿著傳輸軸線校準(zhǔn)， 沿著第二外殼部分的表面安裝，并且與傳輸軸線分開。
9.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，還包括第三外殼部分，第三外殼部分包括沿 著傳輸軸線且當(dāng)照射試樣斑時X射線射束穿過的孔，第二外殼部分和第三外殼部分沿著各 自的配合表面可配合以因此校準(zhǔn)該孔與傳輸軸線并因此校準(zhǔn)試樣斑，該裝置還包括與試樣 斑對齊安裝至第三外殼部分的X射線檢測器。
10.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，第一和第二外殼部分的形狀是管形的，并 且第一和第二外殼部分的配合表面包括一旦連接第一和第二管形外殼部分就彼此接觸的 表面部分。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，X射線光學(xué)器件是聚焦的單色光學(xué)器件。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，聚焦單色光學(xué)器件是沿著第二外殼部分的表面安裝并且與第二軸線分開的雙彎晶光學(xué)器件或雙彎曲的多層光學(xué)器件。
13.一種用于使用X射線射束照射試樣斑的X射線分析裝置，包括具有源斑的X射線管，發(fā)散的X射線射束由源斑生成的，該源斑需要沿著經(jīng)過該試樣斑 的傳輸軸線校準(zhǔn)；X射線管沿著其第一軸線連接的第一外殼部分，第一外殼部分包括用于在其中可調(diào)節(jié) 地安裝X射線管以便源斑就與第一軸線重合的可調(diào)節(jié)安裝特征，第一外殼部分還包括與第 一軸線校準(zhǔn)的配合表面；具有與傳輸軸線重合的第二軸線和與第二軸線校準(zhǔn)的配合表面的第二外殼部分；和裝接到第二外殼部分上用于接收發(fā)散的X射線射束并且在不同的各自能量下朝試樣 斑指引射束的第一和第二不同的X射線光學(xué)器件，所述至少兩個X射線光學(xué)器件需要沿著 傳輸軸線校準(zhǔn)；第一外殼部分和第二外殼部分沿著它們各自的配合表面可以配合以因此將第一和第 二軸線與傳輸軸線校準(zhǔn)，因此校準(zhǔn)源斑、X射線光學(xué)器件和試樣斑。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，第一光學(xué)器件使來自源斑的特征能量單 色化并且第二 X射線光學(xué)器件使來自源斑的韌致輻射能量單色化。
15.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，X射線光學(xué)器件是彎曲的衍射光學(xué)器件， 用于從X射線管接收發(fā)散的X射線射束并且將射束聚焦在試樣斑上。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，X射線光學(xué)器件是聚焦的單色光學(xué)器件。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，聚焦的單色光學(xué)器件是雙彎晶光學(xué)器件 或雙彎曲的多層光學(xué)器件。
18.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，還包括用于接收發(fā)散X射線射束并且朝試 樣斑指引射束的第三X射線光學(xué)器件，該第三X射線光學(xué)器件將來自源斑的韌致輻射能量 單色化為第三能量。
19.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，第二外殼部分的形狀為管形，且第二軸線 在其中縱向地延伸。
20.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，X射線管的形狀為管形，在其一端處具有 其源斑。
21.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，第一和第二外殼部分的形狀是管形，并且 第一和第二外殼部分的配合表面包括一旦連接第一和第二管形外殼部分就彼此接觸的表 面部分。
22.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，還包括用于將每個X射線光學(xué)器件安裝 至第二外殼部分以接收發(fā)散的X射線射束的托架，托架可直接或間接地安裝至第二外殼部 分，這樣X射線光學(xué)器件的作用表面就沿著傳輸軸線校準(zhǔn)并且定位在與之相距期望距離 處。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，安裝了托架的第二外殼部分的表面制造 成使至少一個X射線光學(xué)器件定位在與傳輸軸線相距期望距離處。
全文摘要
一種用于使用X射線射束照射試樣斑的X射線分析裝置。提供了一種具有源斑的X射線管，由該源斑生成具有特征第一能量和韌致輻射能量的發(fā)散X射線射束；第一X射線光學(xué)器件接收發(fā)散的X射線射束并朝試樣斑指引射束，同時使射束單色化；和接收發(fā)散的X射線射束并朝試樣斑指引射束同時使射束單色化為第二能量的第二X射線光學(xué)器件。第一X射線光學(xué)器件使來自源斑的特征能量單色化并且第二X射線光學(xué)器件使來自源斑的韌致輻射能量單色化。X射線光學(xué)器件可以是彎曲的衍射光學(xué)器件，用于從X射線管接收發(fā)散的X射線射束并且將射束聚焦在試樣斑上。還提供了檢測以檢測和測量在例如包括玩具和電子產(chǎn)品的產(chǎn)品中的各種毒素。
文檔編號G01N23/225GK101981651SQ200980111618
公開日2011年2月23日 申請日期2009年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日
發(fā)明者A·貝利, D·M·吉布森, R·S·塞姆肯, W·M·吉布森, 小J·H·伯德特, 辛凱, 陳澤武 申請人:X射線光學(xué)系統(tǒng)公司