具有使用多材料x 射线管阳极和单色光学装置产生的多激励能带的x射线分析器的制造方法
【专利摘要】X射线管包括靶，电子冲击在靶上以形成发散的X射线光束。该靶具有由第一和第二靶材料形成的表面，每种靶材料制造成发出对应的X射线能线图。第一X射线光学装置可设置用于朝向样品斑点引导该光束，该第一X射线光学装置使得发散的X射线光束从第一靶材料发出的能量单色化为第一能量；并且，第二X射线光学装置可设置用于朝向样品斑点引导该光束，该第二X射线光学装置使得发散的X射线光束从第二靶材料发出的能量单色化为第二能量。由第一和第二单色能量引起的样品斑点的荧光被用于测量样品中的至少一种元素的浓度，或者单独地测量涂层和底下的衬底中的元素。
【专利说明】具有使用多材料X射线管阳极和单色光学装置产生的多激励能带的X射线分析器
[0001]关联申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年2月28日提交的N0.61/604，251号美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请以其整体通过引用被并入本文中。
[0003]美国政府权利
[0004]本发明的某些部分是在国家科学基金会的N0.1IP-0839615号补贴的补助下开发的。美国政府对于该发明可具有某些权利。
【背景技术】
[0005]例如在有利害关系的玩具、环境空气和水中发现毒素的时事以及因而导致的规章要求急迫的需要用于确定毒素元素的分析器。先进的X射线荧光(XRF)分析器在这种毒素和各种样品中有价值的许多其它物质(例如，在消费品中的毒素，和成品油中的各种有害元素)的量化方面扮演了有价值的角色。
[0006]作为一个典型的不例，制造商、供应商、批发商、零售商和管理机构需要一种用于宽泛的各种消费品的毒素元素分析的长期的解决方案。许多新的规章要求制造商检测许多元素，例如铅(Pb),汞(Hg),砷(As),镉(Cd),铬(Cr),溴(Br),硒(Se),锑(Sb),钡(Ba)和氯(Cl)。在欧盟的规章中，在同质材料中的最大浓度，对于六价铬(Cr6+)、汞、铅、多溴联苯(PBB)和多溴联苯醚(PBDE)而言是l，000ppm，对于镉而言是lOOppm。用于儿童用品的新的美国规章(CPSIA)是更加严格地多。例如，在玩具和儿童珠宝中在产品的任何可接近的部分中的最大容许铅水平是小于或者等于lOOppm。
[0007]当前的测量方法或者足够精确但是不能用于工厂车间，或者便于用在工厂车间但是不接近足够敏感或者不可重复。因此，对于本申请而言需要一种真正适用性的分析器。对于快速、可靠、便利、非破坏性的、高度灵敏性、定量的且具有成本效益的分析器，具有强烈的市场需求，用于在制造工厂中，在线或者线上，或者在分布链的任何位置，以单一的器具实现临界且决定性的测量。污染产品能够在加工过程中最有利的位置被排除，基本上减轻或者甚至消除偶然的生产废品和失误。在销售的几个阶段以及管理者也强烈需要类似的能力，以校验材料和产品的符合性。
[0008]检测毒素的现存的低成本方法通常是无效的，例如拭子试验。具有需要的精确性的较高成本的方法是昂贵且耗时的。这些方法可能包括用手刮擦取样、在升高的温度和压力下使得它们消解在酸中、使得它们引入到燃烧室中并且分析燃烧产物。一种普遍使用的方法是电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)- 一种昂贵、破坏性且慢的方法。可替代的，传统的手持X射线荧光(XRF)枪是快速且无破坏性的，但是仅对于比调节浓度高的浓度可靠的，并且在大样品区上是一般的，并且不能单独地估算漆层。
[0009]如下面进一步讨论的，本发明提供了一种在制造产品中毒素的测量方法，其具有快速、精确的结果，该方法通过成熟的X射线样品激励和单色化光学技术实现。这种专利光学装置通常在聚焦X射线的能力上具有10 -1, OOOx的改善；并且光功能分析器特别适合于这些目标市场:从实验室到工厂、野外和门诊的运动测量。
[0010]在X射线分析系统中，高的X射线光束强度和小的光束光斑尺寸对于减少样品暴露时间、增加空间分辨率和因而提高X射线分析测量值的信号背景比和总质量而言是重要的。在过去，在实验室中的昂贵且强烈的X射线源，例如旋转阳极X射线管或者同步加速器，它们是用于产生高强度X射线光束的唯一可用选择。最近，X射线光学装置的发展使得能够通过聚焦X射线从X射线源收集发散辐射。X射线聚焦光学装置和小的低功率X射线源的组合能够产生具有比得上那些具有较大高功率且更加昂贵的装置所实现的强度的X射线光束。因此，基于小的不贵的X射线源、激励光学装置和收集光学装置的系统大大地扩展了 X射线分析设备在例如小的实验室和在野外、工厂或者门诊部等的可用性和能力。
[0011]在激励和/或检测路径中使得X射线光束单色化也用于激励和/或检测X射线能量谱与感兴趣的各种元素(铅等)对应的非常精确的部分。X射线单色化技术基于在光学晶体，例如锗(Ge)或者硅(Si)晶体上的X射线的衍射。弯曲的晶体能够提供来自X射线源的发散辐射偏转到靶上，同时提供到达靶的光子的单色化。两种普通类型的弯曲晶体已知为单弯曲晶体和双弯曲晶体(DCC)。使用现有技术中已知为罗兰环几何形单弯曲晶体提供了在两个维度上的聚焦，使得X射线辐射不聚焦在第三平面或者直交平面上。双弯曲晶体使得来自光源的X射线聚焦到在所有的三维中的点标上。这种三维聚焦在本领域中被称为“点对点”聚焦。
[0012]以其整体通过引用并入本文中的共同转让的美国专利N0.6，285，506和N0.7，035，374公开了用于X射线聚焦和单色化的弯曲的X射线光学装置的各种配置。通常，这些专利公开了形成为弯曲的光学元件的水晶材料(例如，硅)的挠性层。该光学装置的单色化功能和传送效率由光学装置的晶体结构决定。
[0013]使用聚焦和单色化X射线光学装置将X射线辐射聚焦到具有较高强度的较小的点上的能力能够减少X射线管的尺寸和成本，并且X射线系统因而已经超出实验室扩展到原处现场使用。以其整体通过引用被并入本文中的共同转让的美国专利N0.6，934，359和N0.7，072，439公开了在激励和/或检测路径上使用双弯曲晶体光学装置的单色波长色散X射线荧光(MWD XRF)技术和系统。在这些专利中说明的X射线光学装置能实现的系统已经在实验室外得到了普遍的成功，例如，在各种的精炼厂、终端和管线的环境中测量石油燃料中的硫。
[0014]在这种系统中，沿着由光源和样品斑点限定的轴的精确的光学装置校直是必需的，如在上述合并的美国专利N0.7，035，374中所示，该专利提出了根据布拉格衍射条件操作的围绕中心轴的弯曲单色光学装置的一种配置。图1a是这种X射线光学配置150的典型的立体图，其具有弯曲光学装置152、X射线光源位置154和X射线靶位置156。X射线光源位置154和X射线靶位置156限定了光源到靶传送轴162。光学装置152可包括多个单独的光学晶体164，所有的这些光学晶体可以是弯曲的并且围绕轴162对称布置。多个晶体164可以围绕所述光源到靶传送轴162配置成旋转的一小部分到全旋转。
[0015]图1b是沿着图1a的截面线lb—lb截取的截面图，其中，光学装置152的表面、X射线光源位置154和X射线靶位置156为光学装置152限定了半径为R的一个或者多个罗兰圆(或者焦圆)160和161。本领域的普通技术人员会意识到，与晶体光学装置152或者单独的晶体164关联的罗兰圆的数量和取向会随着光学晶体152的表面的位置(例如，在光学晶体152上的环形位置的变化)而变化。
[0016]光学晶体152的内部原子衍射平面也可以不平行于它的表面。例如，如图1b所不，晶体152的原子衍射平面与如下表面形成角度Y I，在该表面和它的对应的光圆160或者161的相切点158处，在该表面上引导X射线。ΘB是晶体光学装置152的布拉格角，其确定它的衍射效果。在一个示例中，每个单独的光学晶体可以根据在上述合并的题目为“弯曲光学设备以及制造方法(Curved Optical Device and Method of Fabricat1n) ” 的美国专利N0.6，285，506中公开的方法制造。
[0017]所有的单个的晶体164应该被校直到光源到靶轴162上，满足正确的布拉格条件。因此在尤其用于这种多晶体光学装置的光学校直上的改进保留了有价值的重要范围。已经提出了各种的光学装置/光源组合，以处理热稳定性、光束稳定性和校直问题，例如在共同转让的美国专利N0.7，110，506 ；N0.7，209，545和N0.7，257，193中公开的那些组合。这些专利中的每一个也以其整体通过弓I用并入本文中。
[0018]上述的XRF技术和系统在用于测量一般的同类样品结构(例如在成品油中的硫)的单元素分析器中是有用的。但是，在制造品中的毒素的测量具有附加水平的挑战。首先，工具应该有能力同时地或者几乎同时地测量来自相对受限的列表中的不只一种元素，例如上述的10种有毒元素。此外，制造品可能实际上是不同种类的，要求小的点分辨率，以及能够检测在大量不同种类的层之一中的毒素(例如，在漆层以及单独地在漆下方的衬底层中的铅的水平)。
[0019]因此，需要一种改进的X射线分析方法和系统，用于解决与在可能的不同种类的样品中测量多种毒素相关的问题，以能够在工厂和/或在野外实现毒素的测量。
【发明内容】
[0020]本文公开了一种改进的多种单色X射线激励技术和系统，用于解决这些问题。这些技术能够在当前规章要求低水平的情况下量化消费品中的毒素(例如，铅、镉等)的水平，并且也能够区别漆层和漆层下面的衬底中的毒素，并且也提供了具有重要元素分析能力的其它工业品(例如石油)。
[0021]在那方面，一方面本发明是用于分析样品斑点的X射线分析设备。X射线管包括靶，电子冲击在靶上以形成发散的X射线光束。该靶具有由第一和第二靶材料形成的表面，每种靶材料制造成在电子撞击上时发出对应的能线图。第一X射线光学装置可设置用于接收发散的X射线光束并且朝向样品斑点引导该光束，该第一 X射线光学装置使得发散的X射线光束从第一靶材料发出的能量单色化为第一能量；并且，第二 X射线光学装置也可设置用于接收发散的X射线光束并且朝向样品斑点引导该光束，该第二 X射线光学装置使得发散的X射线光束从第二靶材料发出的能量单色化为第二能量。由第一和第二单色能量引起的样品斑点的荧光可被用于测量样品中的至少一种元素的浓度，或者单独地测量涂层和底下的衬底中的元素。
[0022]三种或者更多靶材料可用于靶上。靶材料可在靶上形成为单独的层，或者合金熔合成单层，或者上述两者的组合。材料可发出特征能量和/或韧致辐射；并且，该X射线光学装置可制造成单色化成特定的X射线能量。根据测量需求也可以设置管能量和/或光学装置之间的顺序。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]在说明书的结论部分中特别地指出并且清楚地要求了本发明的主题。结合附图从下面的具体说明中能够使得本发明的上述以及其它目的、特征和优势显而易见，附图中:
[0024]图la-b说明了要求校直的晶体X射线光学装置围绕轴的典型配置；
[0025]图2是根据本发明的一个方面的校直的X射线光学装置和光源组件的透视图；
[0026]图3示出了根据本发明的由于单色激励能的各种元素的峰值以及多种单色激励能光束的可能布置；
[0027]图4a_b是根据本发明具有改进的激励X射线管的EDXRF和MWDXRF分析器构造的示意图；
[0028]图5是根据本发明的典型X射线管的示意图，其具有在不同的层上由多种材料形成的阳极表面；
[0029]图6是根据本发明的典型的X射线管的示意图，其具有在单一合金层上由多种材料形成的阳极表面；
[0030]图7示出了根据本发明的一个方面的完工的4层X射线光学结构；
[0031]图8a示出了使用上述层状结构的点聚焦双弯曲单色光学装置的一个实施例；
[0032]图8b是图8a的光学装置沿着线A_A截取的截面正视图；
[0033]图9示出了使用上述层状结构的(相同或者不同的)多种情况的聚焦弯曲单色光学装置(并且示出了罗兰圆几何形状)的另一可能的实施例；
[0034]图10是根据本发明的原理的悬挂在样品上方的分析机的透视图；
[0035]图11是根据本发明的原理的典型手持式X射线分析仪器和关联的人机界面模块的透视图；和
[0036]图12是图10和/或图11的分析器的典型的图形用户界面。
【具体实施方式】
[0037]改进的X射线光源组件:
[0038]根据本发明，图2示出了根据本发明的高度校直X射线光学装置和光源组件200的一个实施例。该成套设备的各个方面已经在下列文献中被公开:序列号为n0.61/033,899的2008年3月5日提交的题目为“用于精确的X射线分析应用的X射线光学装置和光源组件(X-RAY OPTIC AND SOURCE ASSEMBLY FOR PRECIS1N X-RAY ANALYSISAPPLICAT1NS) ”的共同转让的在先提交的美国临时申请；和序列号为n0.61/039，220 (现在的美国专利号为N0.7，738，630B2)的2008年3月25日提交的题目为“用于精确的X射线分析应用的高度校直的X射线光学装置和光源组件(HIGHLY ALIGNED X-RAY OPTIC ANDSOURCE ASSEMBLY FOR PRECIS1N X-RAY ANALYSIS APPLICAT1NS) ” 的文献；和序列号为n0.61/042，974(现在的美国专利
【发明者】Z·陈 申请人:X射线光学系统公司