專利名稱：一種非掃描式波長(zhǎng)色散型x射線熒光光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全新的X射線熒光光譜儀，一種非掃描式波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀，一種基于“小孔光闌+圓柱環(huán)分光晶體+光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器”的波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀。
本發(fā)明主要用于元素或是其它物質(zhì)成分的定性定量分析，可廣泛的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全、生物光學(xué)、材料科學(xué)、冶金化工、地質(zhì)勘探以及金屬檢測(cè)等眾多行業(yè)與學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)高能X射線源、放射性同位素源以及質(zhì)子或同步輻射源產(chǎn)生的能量高于原子內(nèi)層電子結(jié)合能的高能粒子與原子發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)將原子激發(fā)至一個(gè)不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，然后原子自發(fā)的由不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)躍遷到能量低的狀態(tài)。當(dāng)較外層的電子躍入內(nèi)層空穴所釋放的能量不在原子內(nèi)部被吸收，而是以輻射形式放出，便產(chǎn)生熒光X射線，其能量等于兩能級(jí)之間的能量差。因此，熒光X射線的波長(zhǎng)和能量是特征性的，與元素有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
傳統(tǒng)的波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀主要由X射線管、一級(jí)準(zhǔn)直器(又稱入射狹縫)、分光晶體、二級(jí)準(zhǔn)直器(又稱出射狹縫)、探測(cè)器、脈沖高度分析器以及精密復(fù)雜的測(cè)角裝置和位移機(jī)構(gòu)(或是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu))等構(gòu)成x射線管的作用是提供原級(jí)X射線激發(fā)樣品以產(chǎn)生熒光X射線；一級(jí)準(zhǔn)直器的作用是將熒光X射線變?yōu)槠叫泄馐丈涞椒止饩w；分光晶體的作用是通過晶體衍射把不同波長(zhǎng)或衍射角的熒光X射線分開；二級(jí)準(zhǔn)直器在分光晶體之后，作用是將晶體分光后的光束變?yōu)槠叫泄馐M(jìn)入探測(cè)器；探測(cè)器將入射的單個(gè)熒光X射線光子轉(zhuǎn)換為脈沖幅度與其能量(或波長(zhǎng))相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)；脈沖高度分析器根據(jù)設(shè)定的最小和最大閾值，將待分析譜線脈沖信號(hào)從某些干擾線和散射線所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)中分辨出來，并根據(jù)信號(hào)幅度將待分析譜線脈沖信號(hào)做一個(gè)統(tǒng)計(jì)，從而達(dá)到對(duì)試樣進(jìn)行定性定量分析的目的。
上述波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀是依靠分光晶體和探測(cè)器的順序轉(zhuǎn)動(dòng)來檢測(cè)不同波長(zhǎng)的熒光X射線，這種儀器稱為順序型(或掃描型)。另外還有一類波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀的分光晶體是固定的，只是在某些固定方向上安裝探測(cè)器以檢測(cè)某些具有特定衍射方向的熒光X射線，這種儀器稱為同時(shí)型(或固定型)。
對(duì)于順序型(或掃描型)的波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀來說，為了提高光譜分辨能力并使儀器正常運(yùn)行，通常需要配置一套精密復(fù)雜的測(cè)角裝置和位移機(jī)構(gòu)(或是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu))，其作用是保證熒光X射線經(jīng)一級(jí)和二級(jí)準(zhǔn)直器后，入射光束以θ角進(jìn)入分光晶體， 出射光束以2 θ角射入探測(cè)器，并且保證一級(jí)準(zhǔn)直器、分光晶體和二級(jí)準(zhǔn)直器三者之間的位置關(guān)系始終保持在一個(gè)半徑為R的聚焦圓(又稱羅蘭圓)的圓周上，分光晶體的入射表面與圓周相切，一級(jí)準(zhǔn)直器(入射狹縫)和二級(jí)準(zhǔn)直器(出射狹縫)到分光晶體的距離相等。由于測(cè)角裝置和位移機(jī)構(gòu)(或轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu))的精密復(fù)雜性以及順序掃描的時(shí)間特性，故這一類儀器的抗干擾能力往往不強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定性和調(diào)校方便性較差，不能同時(shí)分析多種物質(zhì)成分，工作速度也較慢。
此外，由于順序型(或掃描型)的波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀需要配置一套精密復(fù)雜的測(cè)角裝置和位移機(jī)構(gòu)(或是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu))，并且需要保證其運(yùn)轉(zhuǎn)的精密性，故此類儀器的結(jié)構(gòu)體積復(fù)雜龐大，X射線管、樣品、分光晶體以及探測(cè)器都相距較遠(yuǎn)，相應(yīng)的X射線有效利用率低下，需要大功率的X射線管才能維持儀器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由此導(dǎo)致此類儀器需為 X射線管配備價(jià)格昂貴的高壓發(fā)生器和穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置以及冷卻系統(tǒng)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為構(gòu)思一種全新的X射線熒光光譜儀，即一種非掃描式的波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀，一種基于“小孔光闌2+圓柱環(huán)分光晶體3+光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器 4”的波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀，提供一種創(chuàng)新性的技術(shù)思路與方案。
本發(fā)明的目的是為構(gòu)思一種全新的X射線熒光光譜儀，即一種非掃描式的波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀，一種基于“小孔光闌2+圓柱環(huán)分光晶體3+光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器 4”的波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀，提供一種創(chuàng)新性的技術(shù)思路與方案。
本發(fā)明的技術(shù)方案
一種非掃描式波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀，主要由X射線管1、小孔光闌2、圓柱環(huán)分光晶體3、光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4以及信息處理及顯示裝置5構(gòu)成
X射線管1，用于輸出原級(jí)X射線激發(fā)樣品以產(chǎn)生熒光X射線，熒光X射線通過小孔光闌2入射到圓柱環(huán)分光晶體3的內(nèi)柱面上；
小孔光闌2，用于調(diào)制入射熒光X射線的光束形狀和光通量；
圓柱環(huán)分光晶體3，用于將入射的熒光X射線按衍射角或波長(zhǎng)分開，并在光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4的像面上形成明暗相間的環(huán)形衍射條紋圖像，環(huán)形衍射條紋半徑與熒光X射線的衍射角或波長(zhǎng)一一對(duì)應(yīng)；
光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4，用于探測(cè)環(huán)形衍射條紋圖像，通過位敏探測(cè)和光子計(jì)數(shù)以數(shù)字化的方式重構(gòu)環(huán)形衍射條紋圖像；
信息處理及顯示5，用于接收和處理光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4輸出的數(shù)字環(huán)形衍射條紋圖像，并依據(jù)圖像中每一環(huán)形衍射條紋的半徑和亮度對(duì)樣品進(jìn)行定性定量分析；
X射線管1照射樣品的方向與觀測(cè)熒光X射線的方向成一角度；在樣品之后，熒光 X射線的傳播路徑上依次設(shè)置的是小孔光闌2、圓柱環(huán)分光晶體3以及光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器 4 ；小孔光闌2的通光口中心和光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4的像面中心與圓柱環(huán)分光晶體3的中軸線成一直線；小孔光闌2的通光口口徑要遠(yuǎn)小于通光口至圓柱環(huán)分光晶體3光輸入端的徑直距離，以便能夠?qū)⑿】坠怅@2的通光口視為一個(gè)射點(diǎn)；光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4與信息處理及顯示5之間主要是通過信號(hào)引線進(jìn)行電子學(xué)連接。
上述的X射線管1配有高壓發(fā)生器和穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置，并根據(jù)X射線管1的功率大小配備相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)；高壓發(fā)射器通過高壓引線與X射線管1進(jìn)行電連接，冷卻系統(tǒng)主要是通過冷卻X射線管1的靶極來降低X射線管1的溫度。
上述的小孔光闌2通光口的形狀包括但不限于圓形、橢圓形、三角形、矩形以及正多邊形，通光口的口徑設(shè)置成固定或可調(diào)。
上述的圓柱環(huán)分光晶體3的內(nèi)柱面為熒光X射線發(fā)生衍射的臨界面；圓柱環(huán)分光晶體3的晶體點(diǎn)陣面的曲率半徑與圓柱環(huán)分光晶體3的內(nèi)柱面的曲率半徑相同。
上述的光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4主要由光學(xué)輸入窗、光陰極、MCP、位敏陽(yáng)極、電子讀出電路以及直流高壓電源等部分構(gòu)成光陰極既可鍍?cè)诠鈱W(xué)輸入窗的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成透射式光陰極，也可鍍?cè)诘谝粔KMCP輸入端的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成反射式光陰極；光學(xué)輸入窗與MCP 輸入端之間和MCP輸出端與位敏陽(yáng)極之間設(shè)有間距；位敏陽(yáng)極鍍?cè)诮^緣襯底上，與電子讀出電路之間通過信號(hào)弓I線進(jìn)行電子學(xué)連接；直流高壓電源通過高壓引線或?qū)щ婋姌O分別與光陰極、MCP輸入端、MCP輸出端以及位敏陽(yáng)極進(jìn)行電連接，為偏置加速電場(chǎng)和MCP提供工作電壓。
進(jìn)一步，可在光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4的MCP輸出端與位敏陽(yáng)極之間加設(shè)一半導(dǎo)體層，MCP輸出端與半導(dǎo)體層之間設(shè)有間距，半導(dǎo)體層鍍?cè)诮^緣襯底上，直流高壓電源通過高壓引線或?qū)щ婋姌O與半導(dǎo)體層進(jìn)行連接。
進(jìn)一步，沿垂直于圓柱環(huán)分光晶體3中軸線的方向觀視圓柱環(huán)分光晶體3，可將所視的矩形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成其它形狀的結(jié)構(gòu)，包括但不限于梯形結(jié)構(gòu)、三角形結(jié)構(gòu)以及階梯形結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步，沿圓柱環(huán)分光晶體3的中軸線方向觀視圓柱環(huán)分光晶體3，可在所視的環(huán)形結(jié)構(gòu)上設(shè)置多種晶體點(diǎn)陣面間距的分光晶體以擴(kuò)大熒光X射線的衍射角覆蓋范圍，即圓柱環(huán)分光晶體3的晶體點(diǎn)陣面間距不限于單一固定值；一種晶體點(diǎn)陣面間距的分光晶體對(duì)應(yīng)一個(gè)弧跨度，相應(yīng)的環(huán)形衍射條紋演變?yōu)樯拳h(huán)形衍射條紋。
進(jìn)一步，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要可在X射線熒光光譜儀內(nèi)加設(shè)位移機(jī)構(gòu)，沿中軸線方向移動(dòng)圓柱環(huán)分光晶體3或是光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4再或是小孔光闌2，以擴(kuò)大熒光X射線的衍射角覆蓋范圍。
進(jìn)一步，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要可在X射線熒光光譜儀內(nèi)加設(shè)相應(yīng)的光學(xué)元件或是裝置，以實(shí)現(xiàn)濾光、減光、遮光、集光以及光闌限光等光學(xué)功能。
本發(fā)明的效果
1)由于免除了精密復(fù)雜的測(cè)角裝置和位移機(jī)構(gòu)(或是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu))，并且不需要對(duì)熒光X射線譜線進(jìn)行掃描，因此該X射線熒光光譜儀運(yùn)行穩(wěn)定，升級(jí)調(diào)教方便，可同時(shí)分析多種物質(zhì)成分，工作速度快。
2)由于不需要在儀器內(nèi)設(shè)置預(yù)留讓測(cè)角裝置和位移機(jī)構(gòu)(或是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu))正常運(yùn)轉(zhuǎn)的空間，儀器的結(jié)構(gòu)體積變得簡(jiǎn)單小巧，相應(yīng)的X射線管1、小孔光闌2、圓柱環(huán)分光晶體3以及光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4可設(shè)置在一個(gè)較小的空間范圍內(nèi)，因此不但可提高X射線的有效利用率，降低X射線管1所需的功耗，而且可降低與X射線管1相配套的高壓發(fā)生器和穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置以及冷卻系統(tǒng)的成本。
3)傳統(tǒng)的波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀的光譜分辨能力是通過機(jī)械結(jié)構(gòu)和光路結(jié)構(gòu)的精密性(精密的角度測(cè)量和位移控制以及其它措施)來保障的，而本發(fā)明只需通過簡(jiǎn)單的機(jī)械光路結(jié)構(gòu)和軟件算法(推求環(huán)形衍射條紋的半徑)既可達(dá)到同樣甚至是更好的效果，因此本發(fā)明不但提高了儀器的光譜分辨能力(波長(zhǎng)讀數(shù)精度)，而且降低了儀器對(duì)樣品形狀和位置變化的敏感性，從而簡(jiǎn)化了樣品的前期預(yù)處理過程，提高了儀器的適用性和魯棒性。
4)由于光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4無需掃描便可直接讀出熒光X射線的光譜強(qiáng)度分布圖像(環(huán)形衍射條紋圖像)，因此本發(fā)明不但可以同時(shí)分析多種物質(zhì)成分，而且可以充分的利用工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)的每一條譜線(包括背景譜線和干擾譜線)，通過優(yōu)化的背景和干擾校正算法，提高定性定量分析的準(zhǔn)確度。


為了更清楚的說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中需要使用的附圖作簡(jiǎn)單的介紹。顯而易見的，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例。
圖1為非掃描式波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀的基本結(jié)構(gòu)示意圖2為傳統(tǒng)的掃描式波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀的基本結(jié)構(gòu)示意圖3為前向衍射示意圖4為直接讀出方式的光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)示意圖5為電荷感應(yīng)讀出方式的光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)示意圖6為其它形狀的分光晶體否成示意圖7為多種晶體點(diǎn)陣面間距的分光晶體構(gòu)成示意圖8不同類型的位敏陽(yáng)極基本結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標(biāo)號(hào)說明
1、X射線管；2、小孔光闌；3、圓柱環(huán)分光晶體；4、光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器；5、信息處理及顯示。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
實(shí)施例一
本實(shí)施例，一種非掃描式波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀(如圖1所示)，是在傳統(tǒng)的掃描式波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀(如圖2所示)的基礎(chǔ)之上構(gòu)思設(shè)計(jì)的光闌方面用“小孔光闌2”替代傳統(tǒng)的“入射準(zhǔn)直器+出射準(zhǔn)直器”；分光系統(tǒng)方面用“圓柱環(huán)分光晶體3”替代傳統(tǒng)的“平面分光晶體”或“曲面分光晶體”；探測(cè)器方面用“光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4”替代傳統(tǒng)的“正比計(jì)數(shù)器”或“閃爍計(jì)數(shù)器”或“半導(dǎo)體探測(cè)器”;同時(shí)免除了傳統(tǒng)精密復(fù)雜的測(cè)角裝置和位移機(jī)構(gòu)(或是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu))。
如圖1所示，該X射線熒光光譜儀，主要由X射線管1、小孔光闌2、圓柱環(huán)分光晶體3、光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4以及信息處理及顯示5等部分構(gòu)成
X射線管1是一種能夠輸出原級(jí)X射線激發(fā)樣品以產(chǎn)生熒光X射線的X射線源裝置；
小孔光闌2是一種能夠調(diào)制入射X射線光束形狀和光通量的光闌裝置；
圓柱環(huán)分光晶體3是一種形狀呈圓柱環(huán)且晶體點(diǎn)陣面曲率半徑與圓柱環(huán)內(nèi)柱面曲率半徑相同的分光晶體；
光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4是一種能夠進(jìn)行位敏探測(cè)和光子計(jì)數(shù)的圖像傳感器；
信息處理及顯示5用于接收和處理光學(xué)圖像，并將處理分析結(jié)果以各種便于人們或機(jī)器理解的圖文形式表達(dá)出來；
X射線管1照射樣品的方向與觀測(cè)熒光X射線的方向成一角度；在樣品之后，熒光X射線的傳播路徑上依次設(shè)置的是小孔光闌2、圓柱環(huán)分光晶體3以及光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器 4 ；小孔光闌2通光口的中心和光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4像面的中心與圓柱環(huán)分光晶體3的中軸線成一直線；小孔光闌2通光口的口徑要遠(yuǎn)小于小孔光闌2通光口至圓柱環(huán)分光晶體 3光輸入端的徑直距離，以便能夠?qū)⑿】坠怅@2的通光口視為一個(gè)射點(diǎn)；光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4與信息處理及顯示5之間主要是通過信號(hào)引線進(jìn)行電子學(xué)連接。
上述的光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4，學(xué)名又稱“陽(yáng)極探測(cè)器”或“多陽(yáng)極探測(cè)器”，主要由光學(xué)輸入窗、光陰極、MCP、位敏陽(yáng)極、電子讀出電路以及直流高壓電源等部分構(gòu)成，如圖4 所示光陰極既可鍍?cè)诠鈱W(xué)輸入窗的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成透射式光陰極(如圖4、圖5所示)，也可鍍?cè)诘谝粔KMCP輸入端的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成反射式光陰極；光學(xué)輸入窗與MCP輸入端之間和MCP輸出端與位敏陽(yáng)極之間設(shè)有間距；位敏陽(yáng)極鍍?cè)诮^緣襯底上，與電子讀出電路之間通過信號(hào)引線進(jìn)行電子學(xué)連接；直流高壓電源通過高壓引線或?qū)щ婋姌O分別與光陰極、MCP 輸入端、MCP輸出端以及位敏陽(yáng)極進(jìn)行電連接，為偏置加速電場(chǎng)和MCP提供工作電壓。
該X射線熒光光譜儀的工作原理和工作流程如下
S100. X射線管1輸出原級(jí)X射線激發(fā)樣品以產(chǎn)生熒光X射線；
S200.熒光X射線經(jīng)小孔光闌2入射到圓柱環(huán)分光晶體3的內(nèi)柱面上；
S300.圓柱環(huán)分光晶體3將入射的熒光X射線按衍射角或波長(zhǎng)分開，并在光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4的像面上形成明暗相間的環(huán)形衍射條紋圖像，環(huán)形衍射條紋半徑與熒光X射線的衍射角或波長(zhǎng)一一對(duì)應(yīng)；
S400.光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4通過位敏探測(cè)和光子計(jì)數(shù)，以數(shù)字化的方式重構(gòu)環(huán)形衍射條紋圖像；
S500.信息處理及顯示5根據(jù)數(shù)字環(huán)形衍射條紋圖像中每一環(huán)形衍射條紋的半徑和亮度對(duì)樣品進(jìn)行定性定量分析，并將分析結(jié)果以各種便于人們或機(jī)器理解的圖文形式表達(dá)出來。
上述步驟S400，即光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4的工作原理和工作流程，更具體為
S510.環(huán)形衍射條紋圖像在時(shí)空范疇內(nèi)可看成是由一個(gè)接一個(gè)不同平面位置處的單個(gè)光子組成的光子流，光子流中的每個(gè)光子通過光學(xué)輸入窗依次順序轟擊不同位置處的光陰極；
S520.在一定的量子效率下，光陰極通過外光電效應(yīng)將單個(gè)的光子轉(zhuǎn)換為單個(gè)的光電子；
S530.單個(gè)的光電子在加速偏置電場(chǎng)的作用下徑直轟擊MCP，經(jīng)MCP倍增后形成一電子云團(tuán)；
S540.電子云團(tuán)在加速偏置電場(chǎng)的作用下渡越到位敏陽(yáng)極并被位敏陽(yáng)極所收集；
S550.電子讀出電路根據(jù)位敏陽(yáng)極上各個(gè)金屬導(dǎo)體收集到的電荷量或電子云團(tuán)到達(dá)各個(gè)金屬導(dǎo)體計(jì)時(shí)點(diǎn)的時(shí)刻，對(duì)電子云團(tuán)的質(zhì)心位置進(jìn)行解碼，該質(zhì)心位置便可反演為單個(gè)光子的入射位置；
S560.完成單個(gè)光子的位置解碼后便在相應(yīng)的位置上進(jìn)行一次計(jì)數(shù)；
S570.在一定的圖像積分時(shí)間內(nèi)，通過對(duì)大量光子的“位置解碼”和在不同位置上的光子計(jì)數(shù)，即反復(fù)循環(huán)步驟S510-S560，便可重構(gòu)環(huán)形衍射條紋圖像。
實(shí)施例二
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，不同之處在于在實(shí)施例一所述光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4的基礎(chǔ)之上，可在MCP輸出端與位敏陽(yáng)極之間加設(shè)一半導(dǎo)體層，MCP輸出端與半導(dǎo)體層之間設(shè)有間距，半導(dǎo)體層鍍?cè)诮^緣襯底上，直流高壓電源通過高壓引線或?qū)щ婋姌O與半導(dǎo)體層進(jìn)行電連接(如圖5所示)。此時(shí)，上述步驟S540，即位敏陽(yáng)極收集電子云團(tuán)的物理過程，演變?yōu)殡娮釉茍F(tuán)在加速偏置電場(chǎng)的作用下先渡越到半導(dǎo)體層，然后通過電荷感應(yīng)被感應(yīng)到位敏陽(yáng)極。
實(shí)施例三
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，變化之處在于在實(shí)施例一所述X射線熒光光譜儀的基礎(chǔ)之上，根據(jù)X射線管1的功耗大小，可配備相應(yīng)的高壓發(fā)生器和穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置以及冷卻系統(tǒng)，以滿足實(shí)際的應(yīng)用需要。
實(shí)施例四
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，變化之處在于在實(shí)施例一所述X射線熒光光譜儀的基礎(chǔ)之上，小孔光闌2通光口的形狀不限于圓形，也可以是橢圓形、三角形、矩形、正多邊形或是其它形狀，只要滿足通光口的口徑遠(yuǎn)小于通光口至圓柱環(huán)分光晶體3光輸入端的徑直距離即可。
實(shí)施例五
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，變化之處在于在實(shí)施例一所述X射線熒光光譜儀的基礎(chǔ)之上，圓柱環(huán)分光晶體3的形狀不限于圓柱環(huán)。
例如，沿垂直于圓柱環(huán)分光晶體3中軸線的方向觀視圓柱環(huán)分光晶體3，所視的矩形結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成其它形狀的結(jié)構(gòu)，包括但不限于梯形結(jié)構(gòu)、三角形結(jié)構(gòu)以及階梯形結(jié)構(gòu)， 如圖6所示。
實(shí)施例六
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，變化之處在于在實(shí)施例一所述X射線熒光光譜儀的基礎(chǔ)之上，圓柱環(huán)分光晶體3的晶體點(diǎn)陣面間距不限于單一固定值。
例如，沿圓柱環(huán)分光晶體3的中軸線方向觀視圓柱環(huán)分光晶體3，所視的環(huán)形結(jié)構(gòu)上能夠設(shè)置多種晶體點(diǎn)陣面間距的分光晶體以擴(kuò)大熒光X射線的衍射角覆蓋范圍，如圖7 所示。一種晶體點(diǎn)陣面間距的分光晶體對(duì)應(yīng)一個(gè)弧跨度，此時(shí)，相應(yīng)的環(huán)形衍射條紋演變?yōu)樯拳h(huán)形衍射條紋。
實(shí)施例七
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，變化之處在于在實(shí)施例一所述X射線熒光光譜儀的基礎(chǔ)之上，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要可加設(shè)位移機(jī)構(gòu)，沿中軸線方向移動(dòng)圓柱環(huán)分光晶體3 或是光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4再或是小孔光闌2，從而擴(kuò)大熒光X射線的衍射角覆蓋范圍。
實(shí)施例八
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，變化之處在于在實(shí)施例一所述X射線熒光光譜儀的基礎(chǔ)之上，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要可加設(shè)相應(yīng)的光學(xué)元件或是裝置，以實(shí)現(xiàn)濾光、減光、遮光、集光以及光闌限光等光學(xué)功能。
實(shí)施例九
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，變化之處在于在實(shí)施例一所述X射線熒光光譜儀的基礎(chǔ)之上，光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4可設(shè)置在距圓柱環(huán)分光晶體3輸出端較近的位置以觀察后向衍射的環(huán)形衍射條紋圖像(如圖1所示)，也可設(shè)置在較遠(yuǎn)位置以觀察前向衍射的環(huán)形衍射條紋圖像(如圖3所示)。
實(shí)施例十
本實(shí)施例與實(shí)施例一和實(shí)施例二基本相同，變化之處在于在實(shí)施例一或?qū)嵤├鯴射線熒光光譜儀的基礎(chǔ)之上，可采用不同種類、不同類型以及不同規(guī)格的“光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4”，以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。例如探測(cè)靈敏度、空間分辨率、圖像失真度、有效成像面積、最大計(jì)數(shù)率以及集成度等實(shí)際應(yīng)用需求。
1]根據(jù)X射線的特性，光學(xué)輸入窗的材料可選用鈦、鋁或是鈹?shù)取?br> 2]光陰極可選用CsI或是不需要光陰極當(dāng)選用CsI時(shí)，其既可鍍?cè)诠鈱W(xué)輸入窗的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成透射式光陰極(如圖4、圖5所示)，也可鍍?cè)诘谝粔KMCP輸入端的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成反射式光陰極(優(yōu)選為反射式光陰極)；當(dāng)沒有光陰極時(shí)，可由MCP直接完成光電轉(zhuǎn)換和電子倍增雙重功能。
3]可采用2塊、3塊甚至是更多數(shù)量的MCP以實(shí)現(xiàn)電子倍增功能2塊MCP采用“V” 型級(jí)聯(lián)，其電子增益可達(dá)IO6-IO7 ；3塊MCP采用“Z”型堆疊，其增益可達(dá)IO7-IO8。(MCP工作于“飽和增益”模式)
4]位敏陽(yáng)極由數(shù)個(gè)或是眾多個(gè)具有特定幾何形狀或是排列順序的金屬導(dǎo)體構(gòu)成； 金屬導(dǎo)體通常制作在絕緣襯底上，導(dǎo)體之間相互絕緣，導(dǎo)體材料可選用銅、鋁或是金等良導(dǎo)體；絕緣襯底可選用石英玻璃、氧化鋁陶瓷或是其它的絕緣材料；結(jié)構(gòu)類型包括但不限于多陽(yáng)極微通道陣列(MAMA/Multi-Anode MicroChannel Array)、楔條形陽(yáng)極(WSA/Wedge and Strip Anodes)、游標(biāo)陽(yáng)極(Vernier Anode)、延時(shí)線(De 1 ay-line)、交叉條紋(Cross Strip)以及電阻型陽(yáng)極(Resistive Anode)等，如圖8所示。
5]半導(dǎo)體層通常采用高純多晶鍺或是其它的半導(dǎo)體材料，厚度約數(shù)百納米，方塊電阻100ΜΩ左右；半導(dǎo)體層通常制作在絕緣襯底上，襯底厚度數(shù)個(gè)毫米，襯底材料通常采用便于和可閥材料或是銅封接的微晶玻璃、氧化鋁陶瓷或是其它的封接材料。
6]通常將光學(xué)輸入窗、光陰極、MCP以及位敏陽(yáng)極封裝成一個(gè)真空器件，并備有直流高壓輸入接口和信號(hào)輸出接口，如圖4所示；或是將光學(xué)輸入窗、光陰極、MCP以及半導(dǎo)體層封裝成一個(gè)真空器件，位敏陽(yáng)極則從真空器件外部以電荷感應(yīng)方式讀出半導(dǎo)體層收集到的電子云團(tuán)，如圖5所示。
7]電子讀出電路主要由電荷靈敏前置放大器、高斯整形主放、數(shù)據(jù)采集與處理模塊等構(gòu)成。
電荷靈敏前置放大器的作用是實(shí)現(xiàn)電荷-電壓或者是電荷-電流轉(zhuǎn)換。當(dāng)電子增益較大時(shí)，電子讀出電路中可以省略掉電荷靈敏前置放大器。
高斯整形主放的作用是對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)高斯整形以提高信噪比，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)低通濾波電路。
數(shù)據(jù)采集與處理模塊可采用“數(shù)據(jù)采集卡+微處理器”或是“模數(shù)轉(zhuǎn)換+可編程邏輯器件/現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列+數(shù)字信號(hào)處理器”再或是其它的模式。
8]直流高壓電源為MCP和各個(gè)加速偏置電場(chǎng)提供靜態(tài)工作電壓。
該實(shí)施例說明，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，本發(fā)明可采用不同種類、不同類型以及不同規(guī)格的光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4，由此可以派生出多種基于不同“光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器4”的非掃描式波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)、基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)和基本原理。在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入本發(fā)明要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種非掃描式波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀，其特征在于所述X射線熒光光譜儀主要由X射線管(1)、小孔光闌O)、圓柱環(huán)分光晶體(3)、光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器以及信息處理及顯示(5)構(gòu)成；其中，X射線管(1)用于輸出原級(jí)X射線激發(fā)樣品以產(chǎn)生熒光X射線，熒光X射線通過小孔光闌( 入射到圓柱環(huán)分光晶體(3)的內(nèi)柱面上；小孔光闌O)，用于調(diào)制入射熒光X射線的光束形狀和光通量； 圓柱環(huán)分光晶體(3)，用于將入射的熒光X射線按衍射角或波長(zhǎng)分開，并在光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器的像面上形成明暗相間的環(huán)形衍射條紋圖像，環(huán)形衍射條紋半徑與熒光X射線的衍射角或波長(zhǎng)一一對(duì)應(yīng)；光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器，用于探測(cè)環(huán)形衍射條紋圖像，通過位敏探測(cè)和光子計(jì)數(shù)以數(shù)字化的方式重構(gòu)環(huán)形衍射條紋圖像；信息處理及顯示(5)，用于接收和處理光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器(4)輸出的數(shù)字環(huán)形衍射條紋圖像，并依據(jù)圖像中每一環(huán)形衍射條紋的半徑和亮度對(duì)樣品進(jìn)行定性定量分析；X射線管(1)照射樣品的方向與觀測(cè)熒光X射線的方向成一角度；光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器(4)與信息處理及顯示(5)之間主要是通過信號(hào)引線進(jìn)行電子學(xué)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線熒光光譜儀，其特征在于所述X射線熒光光譜儀在樣品之后沿?zé)晒釾射線的傳播路徑上依次設(shè)置的是小孔光闌O)、圓柱環(huán)分光晶體C3)以及光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器；小孔光闌O)的通光口中心和光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器的像面中心與圓柱環(huán)分光晶體(3)的中軸線成一直線；小孔光闌(2)的通光口口徑要遠(yuǎn)小于通光口至圓柱環(huán)分光晶體C3)光輸入端的徑直距離，以便能夠?qū)⑿】坠怅@O)的通光口視為一個(gè)射點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線熒光光譜儀，其特征在于所述的X射線管(1)配有高壓發(fā)生器和穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置，并根據(jù)X射線管(1)的功率大小配備相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)；高壓發(fā)射器通過高壓引線與X射線管(1)進(jìn)行電連接，冷卻系統(tǒng)通過冷卻X射線管(1)的靶極來控制X射線管⑴的溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線熒光光譜儀，其特征在于所述的圓柱環(huán)分光晶體(3) 的內(nèi)柱面為熒光X射線發(fā)生衍射的臨界面；圓柱環(huán)分光晶體(3)的晶體點(diǎn)陣面的曲率半徑與圓柱環(huán)分光晶體(3)的內(nèi)柱面的曲率半徑相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線熒光光譜儀，其特征在于所述的光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器(4)主要由光學(xué)輸入窗、光陰極、微通道板(MCP/Microcharmel Plate)、位敏陽(yáng)極、電子讀出電路以及直流高壓電源構(gòu)成；其中，光陰極能夠鍍?cè)诠鈱W(xué)輸入窗的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成透射式光陰極，或是鍍?cè)诘谝粔K MCP輸入端的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成反射式光陰極；光學(xué)輸入窗與MCP輸入端之間和MCP輸出端與位敏陽(yáng)極之間設(shè)有間距； 位敏陽(yáng)極鍍?cè)诮^緣襯底上，與電子讀出電路之間通過信號(hào)引線進(jìn)行電子學(xué)連接； 直流高壓電源通過高壓引線或?qū)щ婋姌O分別與光陰極、MCP輸入端、MCP輸出端以及位敏陽(yáng)極進(jìn)行電連接，為偏置加速電場(chǎng)和MCP提供工作電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的X射線熒光光譜儀，其特征在于所述的光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器⑷能夠在MCP輸出端與位敏陽(yáng)極之間加設(shè)一半導(dǎo)體層，MCP輸出端與半導(dǎo)體層之間設(shè)有間距，半導(dǎo)體層鍍?cè)诮^緣襯底上，直流高壓電源通過高壓引線或?qū)щ婋姌O與半導(dǎo)體層進(jìn)行電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線熒光光譜儀，其特征在于所述的圓柱環(huán)分光晶體(3) 的形狀不限于圓柱環(huán)；沿垂直于圓柱環(huán)分光晶體(3)中軸線的方向觀視圓柱環(huán)分光晶體 (3)，所視的矩形結(jié)構(gòu)能夠設(shè)計(jì)成其它形狀的結(jié)構(gòu)，包括但不限于梯形結(jié)構(gòu)、三角形結(jié)構(gòu)以及階梯形結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線熒光光譜儀，其特征在于所述的圓柱環(huán)分光晶體(3) 的晶體點(diǎn)陣面間距不限于單一固定值；沿圓柱環(huán)分光晶體(3)的中軸線方向觀視圓柱環(huán)分光晶體(3)，所視的環(huán)形結(jié)構(gòu)上能夠設(shè)置多種晶體點(diǎn)陣面間距的分光晶體以擴(kuò)大熒光X射線的衍射角覆蓋范圍；一種晶體點(diǎn)陣面間距的分光晶體對(duì)應(yīng)一個(gè)弧跨度，相應(yīng)的環(huán)形衍射條紋演變?yōu)樯拳h(huán)形衍射條紋。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線熒光光譜儀，其特征在于所述X射線熒光光譜儀根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要能夠加設(shè)位移機(jī)構(gòu)，沿中軸線方向移動(dòng)圓柱環(huán)分光晶體(3)或是光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器(4)再或是小孔光闌O)，以擴(kuò)大熒光X射線的衍射角覆蓋范圍。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線熒光光譜儀，其特征在于所述X射線熒光光譜儀根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要能夠加設(shè)相應(yīng)的光學(xué)元件或是裝置，以實(shí)現(xiàn)濾光、減光、遮光、集光以及光闌限光。
全文摘要
本發(fā)明提供一種非掃描式波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀，主要由X射線管、小孔光闌、圓柱環(huán)分光晶體、光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器以及信息處理及顯示構(gòu)成X射線管輸出原級(jí)X射線激發(fā)樣品產(chǎn)生熒光X射線；熒光X射線通過小孔光闌入射到圓柱環(huán)分光晶體；圓柱環(huán)分光晶體對(duì)熒光X射線進(jìn)行衍射，形成明暗相間的環(huán)形衍射條紋圖像；光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器通過位敏探測(cè)和光子計(jì)數(shù)重構(gòu)環(huán)形衍射條紋圖像；信息處理及顯示根據(jù)環(huán)形衍射條紋圖像中環(huán)形衍射條紋的半徑和亮度對(duì)樣品進(jìn)行定性定量分析。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、魯棒性強(qiáng)、工作速度快、升級(jí)調(diào)教方便、功耗低、成本低、精度高、可同時(shí)分析多種物質(zhì)成分以及可充分利用工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)的每一條譜線。
文檔編號(hào)G01N23/223GK102507623SQ201110311400
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月14日
發(fā)明者呂權(quán)息, 尹延靜, 張利, 張慶, 文敏, 楊萍, 繆震華, 賴勝波 申請(qǐng)人:深圳市世紀(jì)天源環(huán)保技術(shù)有限公司, 繆震華