X射线分析引擎和分析仪的支撑结构及高度对准的单色x射线光学器件的制作方法
【专利摘要】一种支撑结构，该结构具有多个高度对准的弯曲x射线光学器件，该支撑结构具有多个内部的部分同心或者完全同心的表面，所述光学器件安装在这些表面上，因此沿着它的中心光学轴线使所述光学器件对准并且因此对准源、样品和/或探测器，支撑结构可以与该源、样品和/或探测器相组合使用。这些表面绕中心光学轴线被套装；及该支撑结构借助一些壁绕中心光学轴线沿纵向被分隔成多个部分。在聚焦单色型光学器件的一个实施例中，至少一个X射线光学器件包括弯曲的衍射光学器件，以接纳散射X射线射束并且使该X射线射束聚焦到聚焦区域。在改进的实施例中，光学器件包括单层、塑性变形的LiF光学器件。
【专利说明】X射线分析引擎和分析仪的支撑结构及高度对准的单色X射线光学器件
[0001]相关串请的交叉参照
[0002]本申请要求2011年10月26日提交的美国临时专利申请系列号N0.61/551，602的优先权，因此该申请的全部内容在这里引入以作参考。
[0003]本申请还涉及2005年8月23日公布的、名称为“XRF System IncludingFocusing Optic on Excitation Side and Monochromatic Collection，， 的美国专利 N0.6，934，359B2、2010 年 6 月 16 日公布的、名称为 “Highly Aligned X-RayOptic and Source Assembly for Precision X-Ray Analysis Applications” 的美国专利No7, 738，630B2和2011年7月14日公开的、名称为“XRF System HavingMultiple Excitation Energy Bands in Highly Aligned Package，，的美国专利公开N0.2011/0170666A1,这些专利中的每一个都转让给了 X-Ray Optical Systems, Inc.、即本发明的受让人，以及因此这些专利每一个的全部内容在这里引入以作参考。
【背景技术】
[0004]当前例如在玩具、环境空气和水中发现毒素的事件得到关注，并且因此而制订的法规决定紧急需要分析仪来进行毒素成分确定。先进的X射线荧光(XRF)分析仪在各种样品中的这些毒素和许多其他感兴趣物质的量化中可以扮演有价值的角色，例如消费产品中的毒素和石油产品中的各种有害成分。
[0005]作为一个突出的例子，制造商、供应商、批发商、零售商和监管实体需要长期的解决方案，以对各种消耗品进行有毒成分的分析。许多新法规需要制造商探测许多成分如铅(Pb)、汞(Hg)、砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、溴(Br)、硒(Se)、锑(Sb) JJKBa)和氯(Cl)。在欧盟法规中，在同匀材料中对于六价铬(Cr6+，)、Hg、Pb、多溴化联苯(PBB)和多溴化联苯醚(PBDE)的最大浓度而言为lOOOppm，以及对于Cd而言为lOOpprn。新的美国儿童产品法规(CPSIA)更加严格得多。例如，玩具和儿童珠宝类中的最大允许铅值在产品的任何可接触部分处小于或者等于lOOpprn。
[0006]目前的测量方法足够精确但是不能用于工厂车间，或者它们可以方便地用在工厂车间，但是不能接近足够的敏感或者重复。其结果是，需要真正适合此目的的分析仪来进行这种应用。
[0007]一般地说，市场强烈需要一种快速、可靠、方便、非破坏性的、高度敏感的、定量的、划算的分析仪，以在线上的或实时地在制造设备上，或者在分销链的任何位置上，通过一台设备实现关键且决定性的测量。在该过程的最有利位置上可以消除污染的产品，从而基本上减轻或者甚至消除偶然的生产废料和错误。在分销的许多阶段中还被监管者强烈需要这样一种相同的能力，以校验材料和产品的一致性。
[0008]在X射线分析系统中，高的X射线射束强度和较小的射束点尺寸大小,对于减少样品曝光时间、提高空间分辨率和因此改善信号对背景的比率和X射线分析测量的总质量，是重要的。在过去，在实验室中昂贵且功率大的X射线源如旋转阳极X射线管或者同步加速器是产生高强度X射线束所能做出的唯一选择。最近，X射线光学器件的研究借助使X射线聚焦可以实现X射线源的发散辐射的收集。X射线聚焦光学器件和较小低功率X射线源的组合，可以产生强度与通过更大高功率且更贵的装置所获得的强度相差不大的X射线射束。其结果是，基于较小不贵X射线源、激励光学器件和收集光学器件的组合的系统可大大地扩大了在例如小实验室和在该领域、工厂或者诊所等等中X射线分析设备的可用性和性倉泛。
[0009]在激励和/或探测路径中的X射线射束的单色化也有利于激励和/或探测与感兴趣的各种成分(铅等)相对应的X射线能量光谱的非常精确部分。X射线单色技术基于X射线在光学晶体例如锗(Ge)或者硅(Si)晶体上的衍射。弯曲的晶体可以提供从X射线源到目标之间的散射辐射的偏转，以及提供到达目标的光子的单色化。两种通用型的弯曲晶体公知为单曲面晶体和双曲面晶体(DCC)。使用在现有技术中公知为罗兰圆几何形状，单曲面晶体提供了二维聚焦，留下X射线辐射没有聚焦在第三或者垂直平面中。双曲面晶体提供了在所有三维中从源到目标点的X射线的聚焦。三维聚焦在本领域中称为“点对点”聚焦。
[0010]本发明解决了在新型X射线分析系统中进行制造和安装这种单色光学器件的挑战，其中在该新型X射线分析系统中，不断需要改进性能和对准以及减少尺寸大小、重量、功率和费用。
【发明内容】
[0011]本发明解决了在X射线分析系统中制造、对准和安装这种单色光学器件过程中的难题。在这方面，本发明在一个方面是一种支撑结构，该结构具有多个高度对准的弯曲X射线光学器件，该支撑结构具有多个内部的部分或者完全对中的表面，所述光学器件安装在这些表面上，因此沿着它的中心光学轴线使所述光学器件对准并且因此对准源、样品和/或探测器，其中支撑结构与源、样品和/或探测器相组合使用。
[0012]这些表面绕中心光学轴线可以被套装；及该支撑结构借助一些壁可以沿纵向绕中心光学轴线被分隔成多个部分。
[0013]在聚焦单色型光学器件的一个实施例中，至少一个X射线光学器件包括弯曲的衍射光学器件，以接纳散射X射线射束并且使该X射线射束聚焦到聚焦区域。
[0014]在改进的实施例中，该光学器件包括单层、塑性变形的LiF光学器件。
[0015]该光学器件可以包括多个区段，每个区段弯曲成曲面形状并且在支撑结构内布置成弯曲型式。
[0016]第一 X射线光学器件可以使来自X射线源的第一能量实现单色化，以及第二光学器件可以使来自X射线源的第二能量或者韧致辐射能量实现单色化。
[0017]在另一个实施例中，本发明涉及一种弯曲的单色X射线光学器件和形成它的方法，该光学器件包括单层材料，该单层可塑性变形成接受X射线能量并使之重新定向的形状。该材料可以是LiF，并且该光学器件可以是单曲面的或者双曲面的。
[0018]该光学器件可以借助加热单层材料、以及使该层材料弯曲同时被加热来形成，以使得该单层材料在冷却之后保持它的弯曲形状，其结构刚度允许方便地安装在这里所公开的支撑结构中。
[0019]借助本发明的技术可以实现其他的、辅助的特征和优点。本发明的其他实施例和方面被认为是要求保护的发明的一部分。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]在说明书后面的权利要求中具体地指出和清楚地要求保护本发明的主题。附图使得本发明的前面和其他目的、特征和优点更加清楚，在附图中:
[0021]图1是可以与本发明支撑结构和光学器件一起使用的示例MWD XRF型X射线引擎的不意图；
[0022]图2是可以与本发明支撑结构和光学器件一起使用的示例ME EDXRF型x射线引擎的示意图；
[0023]图3-4各自是本发明的未填充光学器件支撑结构的端视图和透视图；
[0024]图5-6各自是填充有本发明的单片式(单件式)单色光学器件的光学器件支撑结构的端视图和透视图；
[0025]图7示出了本发明的完工后的4层单色光学器件；
[0026]图8a示出了点聚焦型双曲面单色光学器件的另一个实施例；
[0027]图Sb是沿着线A-A所截取的、图8a的光学器件的横剖视前视图；
[0028]图9示出了使用上述光学器件结构的多个例子(相同或者不同)的聚焦弯曲单色光学器件(及示出了罗兰圆形几何形状)的另一个可能实施例；
[0029]图1Oa是本发明单层的一维弯曲光学器件的透视图；
[0030]图1Ob是本发明单层的二维弯曲光学器件的透视图；
[0031]图11是本发明具有吊挂在样品上方的X射线引擎的分析仪的透视图；
[0032]图12是本发明的示例性手持X射线分析工具和相关人机界面模块的透视图；
[0033]图13是图11和/或图12的分析仪的示例性图形用户界面。
【具体实施方式】
[0034]如上面所讨论的那样，单色聚焦光学器件在X射线分析仪中可以提供优点。简要地讨论这些分析仪的两个“引擎”方法，即MWDXRF型和ME-EDXRF型。
[0035]示例件MWDXRF型x射线分析引擎
[0036]本发明的受让人在以前公开了一种使用了这一引擎的单色波长扩散型X射线荧光(MWDXRF型)分析仪，即该引擎具有两个单色光学设备(美国专利6，934，359和7，072，439，它们在这里全部引入以作参考)，如图1示意性所示。测量柴油和其他燃料中的硫的相关SINDIE (Sulfur IN DIEsel，硫在柴油中)生产线蒸馏出了彻底改革性的XRF并且提供了许多优点，这些优点包括:(1)信号/背景(S/B)由于DCCl的样品的单色激励而得到改善，即处于荧光峰值(在正常情况下，这些峰值淹不感兴趣的这些峰值)下具有引擎的韧致辐射光子通过散射可以只到达探测器，因此与多色激励相比，大大地改善了 S/B比例；
(2)优越的能量分辨率，这消除了所有的普通干扰问题并且为上游的应用提供了物理基础；
(3)固有的稳健性和维护费用较低，该分析引擎的功率较小、紧凑，没有运动零件或者没有可消耗的气体；及(4)空前的动态范围，例如从样品中的0.3ppm到5%硫的量大小。
[0037]示意性地示出在图1中的MWD XRF引擎10包括处于激励和探测路径内的弧形单色光学器件14，从而在样品12上形成了聚焦区域，这是上述SINDIE硫分析仪的结构。但是，光学器件可以只存在于这些路径中的一个中，其仍然需要精确地对准。在一个实施例中，这里所描述的任何一种光学器件可以只存在于激励路径中，并且探测路径将包括能量扩散探测器。这是能量扩散型X射线荧光(EDXRF)系统的共同构型。
[0038]示例件ME EDXRF型x射线分析引擎
[0039]单色激励的能量扩散型X射线荧光(ME-EDXRF型)分析仪也可以获益于这里所描述的光学技术。这种引擎技术公开在例如共同转让的美国专利公布N0.2011-0170666A1和名称为 “XRF SYSTEM HAVING MULTIPLE EXCITATION ENERGY BANDS IN HIGHLY ALIGNEDPACKAGE ”的PCT公布N0.W02009111454 (AI)中，这些专利申请的全部内容在这里引入以作参考。在一个实施例中，该引擎20包括示意性示出在图2中的、称为HDXRF的单色激励，该HDXRF是多元素分析技术，相对于传统ED或者WD XRF,该技术提供了明显改善了的探测性能。该技术应用了多个现有技术的单色聚焦光学器件24，这些光学器件24照亮样品上的聚焦区域22，从而能够产生多个选择能量型激励光束，这些光束有效地激励在样品中较宽范围的目标元素。单色激励在荧光峰值下大大地减少了散射背景，从而大大地提高了元素探测极限和精确度。HDXRF是直接测量技术，并且不需要消耗品或者特殊的样品制备。
[0040]单色光学器件的示例性支撑结构
[0041]先进的X射线分析仪(例如上述的这些)需要多个X射线光学器件和/或下面这样光学器件所用的改进型安装装置，即这些光学器件由多个零部件形成，这些零部件一起接近一个光学器件。(术语光学器件在这里被广泛用来表示一个区段(segment)，该区段的主要部分或者全部用来使入射的X射线进行聚焦和/或单色化，或者表示多个区段中的单独区段，该区段全部结合地进行工作以使入射X射线聚焦和/或单色化)。参照图3-4，在这里它们示出了根据本发明的、多个高度对准的光学器件的支撑结构100。该结构可以具有:部分或者全部共心的内表面102、104，在这些内表面上可以安装光学器件；和/或其他突片状导向器或者结构106，在该突片状导向器或者结构106上可以安装光学器件。这些表面绕中心光学轴线可以套起来，如所示那样。根据本发明，该结构可以被用来安装X射线光学器件，该光学器件包括在这里所公开的这些和在这里所引入的文献所公开的这些。该结构可以铸造成单一的金属结构，或者由单独(例如金属)片材形成。
[0042]如在图5-6的完全填充的结构200中所示那样，局部或者完全圆形的光学器件203,205,207安装于其中，以及例如与它们的输入和/或输出聚焦点相对准，而这些聚焦点沿着中心轴线对准。使用胶或者其他结合化合物或者其他机械安装结构可以进行安装。在这个例子中，“低能量”光学器件203可以由超过大约240度旋转的两个区段形成，以及“中等能量”光学器件205和“高能量”光学器件207可以由完整360度旋转的3个区段形成，这些示出在支撑结构中。在这个示例实施例中，光学器件203是层叠型光学器件，以及光学器件205和207包括单层光学器件，这些在下面进一步讨论。
[0043]支撑结构的特征和优点包括:
[0044]-以下的能力，即在制造期间，沿着光学轴线使光学器件对准而不需要插入到X射线引擎(即管和探测器部分)的其他活动部件中。利用精确地制造和对准的支撑结构，使这些光学器件安装在该结构中并且自动地对准它的中心轴线(及对准例如上面图1和2中的管、样品和/或探测器)，并且当填充的结构被插入到引擎(在制造过程的后面部分)时，光学器件在引擎内自动地对准。在该生产过程的更早时，这不需要在引擎内进行单个光学器件对准的昂贵费时步骤。
[0045]-零件更少，在优选实施例中，利用安装复合物，不需要独立的机械安装零件。
[0046]-圆形X射线孔(没有示出)，这些孔控制进入和离开支撑结构的照明路径，这些孔可以方便地安装到支撑结构的圆形端中。
[0047]-呈坚固圆柱形结构形状的强健性，并且具有三个支撑内部壁，这些壁形成了120度的内部区段，其被示成增加了额外强度。对于可以承受落下动作等等的手持式分析仪(参见下面的图12)，这是特别重要的。
[0048]相对于图5-6的填充结构，在下面简要地讨论可安装在支撑结构中的光学器件的示例类型。但是，一般地X射线光学器件可以包括例如弧形晶体单色光学器件如公开在共同转让的美国专利6，285，506、6，317，483、7，035，374和7，738, 629中的这些光学器件、和/或多层光学器件、和/或HOPG光学器件、和/或X射线过滤器、和/或聚毛细管型光学器件例如公开在共同转让的美国专利5，192，869,5, 175，755,5, 497，008,5, 745，547、5，570, 408和5，604, 353中的这些光学器件。光学器件/源组合如公开在共同转让的美国专利7，110, 506和7，209, 545中的这些组合也是可以使用的。因此，每个上述专利和专利申请在这里全部引入以作参考。
[0049]低能暈型DCC光学器件-203
[0050]两种不同类型的示例性低能量DCC光学器件在这里仅作为例子被公开，其中一种具有5.4keV衍射能量和80mm输入聚焦距离(IFD)，而另一种可以具有7keV衍射能量和120mm IFD。在需要更加紧凑系统的情况下，可设计较短的输入聚焦距离。两个示例晶体材料被公开了，即锗(Ge) (111)和季戊四醇(PET) (002)。
[0051]中等能量型DCC光学器件-205:
[0052]两种中等能量光学器件被公开了，它们使用了不同晶体材料:硅(Si)和氟化锂(LiF)0由光学器件所选择的目标能量需要成为来自阳极目标材料的强大特征线，从而使光学器件的性能最大化。其他材料可以用来在17.5keV处与中等能量源如Mo Ka有效地形成一体。
[0053]LiF(200)可以提高弧形晶体光学器件的单色光束流。LiF具有较宽的摇摆曲线，并且可以捕获来自较大源点尺寸大小的更多光子，因此来自较大源点尺寸大小的衍射效率高于Si晶体的衍射效率。因此,衍射流比用于较大源点尺寸大小(例如，> 500 ym)的Si晶体大得多。此外，与厚度相同的Si相比，LiF可以更加容易地进行弯曲。由Si和LiF所形成的两种光学器件可以具有Johann几何设计，如在这里的其他地方所讨论的那样。
[0054]高能暈型DCC光学器件-207
[0055]中等能量光学器件被用来捕获来自X射线源的特征线，即多色光谱的最强烈部分，同时高能量光学器件可以用来捕获背景或者来自示例Mo源的韧致辐射(Bremsstrahlung radiation)。韧致福射强度比特征线的要低得多。在这里公开了两种示例高能量光学器件实现技术。第一方面包括层叠的双弯曲晶体(LDCC)光学器件设计，以及第二方面是为这个单层的光学器件使用LiF。LDCC设计基于多层技术，以捕获在30-40keV范围内的韧致辐射能量的较宽带宽。LDCC光学器件可以具有多层结构，每一层捕获邻近的较窄带宽。用在中等能量光学器件中的LiF晶体材料也可以用于高能量光学器件中。光束流随着衍射晶体区域而增加，因为LiF具有更宽的摇摆曲线，以及更厚的LiF晶体具有更高的衍射效率。以与在中等能量光学器件部分中所述相类似的方式借助增大衍射区域，以及借助收集较大的多面角(或立体角，solid angle)，光束流可大大地提高。如果所需要的光束流更高，那么LiF晶体的厚度可以增大，因为LiF更加容易弯曲。与Si相比，LiF可以用在更厚的晶体中，从而增大光学器件的衍射效率。
[0056]为了实现高强度的光束，因此公开了具有非常大的收集多面角的几何形状。为图5-6所示的高能量光学器件公开了 LiF的完全旋转的(fully revolved)椭圆体点对点聚焦。为了获得完全360度椭圆体的光学器件，公开了三个类似的椭圆体区段，每区段具有大约120度的旋转角度。这三区段对准了相同的焦点并且形成了完全旋转(fully rotated)的光学器件。这种设计的总收集多面角可以> 0.03sr.，它是前面的设计大大约40X (40倍)。由于对于从椭圆焦点所发射的点源的入射角稍稍变化了，因此反射能量带宽被扩宽了。该带宽被估计是30keV光学器件的能量的大约10%，该光学器件的聚焦长度为80mm及其光程为45mm。
[0057]还公开了替代方法，即高能量光学器件使用MgO晶体材料。使用MgO (220)晶片，可以精确地控制平面220和晶体表面之间的角度。这允许使用Johansson几何形状的逐步逼近(在这里的其他地方进行讨论)。MgO (220)的另一个优点是，与LiF (200)相比，布雷格角(Bragg angle)更大。较大的布雷格角可以实现提高光学器件的收集多面角。使用MgO晶体的缺点是，与LiF相比，整体反射率较低。
[0058]通过任何上述聚焦光学器件可达到的光点尺寸大小是直径为大约0.4mm到
0.8_，直到1.0mm到2.0_，从而有利于消费产品上的小特征分析。此外，光学器件根据光学器件形状可以产生任何形状的光点尺寸。
[0059]光学器件实现技术:
[0060]作为第一个例子，上述的任何层叠光学器件根据描述在共同转让的、前期提交的名称为 “X-RAY FOCUSING OPTIC HAVING MULTIPLE LAYERS WITH RESPECTIVE CRYSTALORIENTATIONS”的美国专利申请、即2012年6月15日公开的美国专利N0.7，738,629中的技术可以被实现，该专利的全部内容在这里引入以作参考。
[0061]图7示出了这种最终薄的层叠结构1110的一部分的横剖视图，该结构具有四个制成层，每个制成层具有它自己的预定结晶方向。尽管在这个例子中示出了四层，但是根据设计参数，本发明可以包括若干层。及，不是所有的方向都需要是不相同的。借助预先确定每层的晶体方向，该结构作为整体的衍射性能可以被最佳化。
[0062]每个单独晶体层可以提供单个衍射作用。这些衍射作用可以独立地被设计，并且根据最终的设计标准它们在最终光学器件中的集体作用可以被预测并且实现。这与公开的“多层”光学器件形成了对比，它具有埃级/纳米级厚度的许多层，每层没有单个衍射作用，但是在这些层之间的相互作用产生了整体的衍射作用。
[0063]在本发明的另一个方面，由不同材料成分所形成的一些层可以用在相同的光学器件中，该光学器件在这些层(或者它们的混合物)之间具有相同或者不同的晶体方向；可以采用由类似(或者相同)材料成分所形成的一些层，其在这些层(或者它们的混合物)之间也具有相同或者不同的晶体方向。在本发明的任何方面中，可以使用绝缘体上的材料，或者根据在组合应用中所讨论的步骤顺序，胶粘剂(例如，环氧树脂)层可以被用来使邻近晶体层进行结合。[0064]然后，结构1110可以形成弯曲的单色光学器件，其包括双曲面晶体(DCC)光学器件(或者它的单个区段)。这种双曲面光学装置的一个实施例示出在图8a和Sb中，并且详细地记载在美国专利N0.6，285，506B1中，该专利于2001年9月4日公布，该专利的全部内容在这里引入以作参考。
[0065]层叠光学结构提供了下面优点:
[0066]-借助层定向设计来控制光学器件的镶嵌图案和摇摆曲线。
[0067]-光学器件的效率得到提高，每个层(它具有自己的自定义方向)可以具有它自己的视野域，从而产生了合成视野域，该合成视野域提高了效率并且允许光学器件适应较大源点尺寸大小。及，借助适应较大源点尺寸大小，系统的实施更加容易。
[0068]-可以控制光学器件的带宽(即单色化)，以及有利的是该带宽在某些单色化应用中增大。
[0069]作为另一个例子，在图8a的实施例中，双曲面光学装置可以包括柔性层叠的光学器件1110 (或者单层光学器件)、厚环氧树脂层1112和支撑板1114。该装置的结构进一步示出在图8b的横剖视图中。这些结构公开在共同转让的、名称为“⑶RVED OPTICALDEVICE AND METHOD OF FABRICATION”的美国专利、即2001年9月4日公布的美国专利N0.6，285，506中，该专利的全部内容在这里引入以作参考。
[0070]在这种装置中，环氧树脂层1112把柔性层1110保持和限制到具有曲率的选择型几何形状中。优选地，环氧树脂层的厚度大于20 μπι并且柔性层的厚度大于5 μπι。此外，环氧树脂层的厚度典型地厚于柔性层的厚度。柔性层可以是大量各种材料中的一种，包括这里所公开的这些。环氧树脂层1112可以是糊状物型，其粘度大约为IO3-1O4泊和30-60分钟的适用期。支撑板1114可以是固态物体，该固态物体与环氧树脂结合得很好。支撑板的表面1118可以是平坦的(参见图8a)或者弯曲的，并且它的确切形状和表面光洁度对柔性层的形状和表面光洁度而言不重要。在图8a-b的装置中，不需要特殊制造的支撑板。
[0071]保护材料1116的薄片例如薄塑料可以包围柔性层，该薄片用来环绕柔性层边缘(参见图8a)。保护材料保护制造模具，因此模具可以再次使用，并且不需要这样的模具，即该模具尺寸大小与柔性层的尺寸大小刚好相同或者小于柔性层的尺寸大小，或者不需要一牺牲模具。
[0072]根据应用，这里所公开的任何光学器件可以以任何方式来形成，其包括但不局限于弯曲的单个方向(单个弯曲的晶体-SCC)、弯曲的双方向(双曲面晶体-DCC)和其他设计。双曲面光学装置如双曲面晶体(DCC)光学器件可以用于材料分析中，以收集和聚焦来自较大多面角的X-射线并且提高来自X射线源的可使用通量。借助来自与小X射线源一起使用的环形晶体的衍射，可以获得特性X射线的三维聚焦。点对点的Johan几何形状示出在图9中。每个晶体光学元件1200的衍射平面可以平行于晶体表面。如果包含点源和聚焦点的聚焦圆1210具有半径Rtl，然后晶体表面在聚焦圆的平面内例如具有的弯曲半径R，并且在垂直平面内具有的弯曲半径F=ZRtlSin2 0Brag，其中半径在位于源和聚焦点之间所画出的线段上对中。从源发散的、并且以落入晶体摇摆曲线内的角度入射在晶体表面上的X射线被有效地反射到聚焦点或者图像点上。基于DCC的系统的聚焦点处的单色通量密度是比传统系统的通量密度大几个数量级的大小，而传统系统具有较高的电源和到达目标距离的类似源。这种增大用在许多不同应用中产生了非常高的灵敏度，这些应用包括(如这里所描述的那样)X射线突光和衍射。
[0073]作为进一步的改进，图9示出了光学装置可以包括多个双曲面晶体光学段1200，这些光学段绕着罗兰圆(Rowland circle)以栅格的模式进行布置，每个元件由柔性结构1110形成，如上述那样(具有类似或者不同的元件对元件型层结构)。这种结构可以布置成通过布拉格衍射使发散辐射的捕获和改方向最佳化。在一个方面中，具有可变的原子衍射平面定向的若干光学晶体可以被用来把发散的X射线捕获和聚焦到聚焦点上。在另一个方面中，可以相对于X射线源来设置晶体的二维或者三维矩阵，从而在三维内捕获和聚焦发散X射线。这种结构的进一步细节公开在名称为“AN OPTIC DEVICE FOR DIRECTIONGX-RAYS HAVING A PLURALITY OF OPTICAL CRYSTALS” 的美国专利、即 2006 年 4 月 25 日公布的美国专利N0.7，035, 374中，该专利的全部内容在这里引入以作参考。
[0074]单层光学器件:
[0075]在另一种改进中，并且参照图10a-b，根据本发明示出了三维的“单层”光学器件1300和1400。如上所述那样，对于高能量应用，LiF可以是光学材料的优选选择。高能量光子可以进一步穿透到LiF，因此更厚的LiF型DCC可以提高更高的效率。因此，更厚的LiF单层片在这个目的、以及对于需要保持曲率的结构整体性、以及对于放置到上述支撑结构中的方便性是优选的。
[0076]使更厚的LiF晶片弯曲成三维形状是形成本发明的这些高能量X射线光学器件的基础。由于提出了三维弯曲，因此可以产生应力，并且如果该应力在< 100>处超出了断裂应力，那么它可以使晶体破裂。尽管LiF在室温下具有一些塑性变形，但是典型地它不足以忍受和保持三维弯曲成功能光学器件。
[0077]本发明人已经发现，在没有任何额外支撑的情况下，LiF在高温下提高了塑性变形的能力并且之后在冷却时保持它的形状。根据本发明，一般为平坦的晶体切片在高温下被弯曲，并且仍然保持在室温下进行冷却之后所需要的精确形状，与它们的成形工具(未示出)或者任何其他支撑层或者材料相分离。
[0078]例如，加热室的温度提高到1000摄氏度或者甚至更高。其理想曲率与例如图10a-b中所示的理想光学曲率轮廓相匹配的成形光学工具可以被用来把LiF晶体保持在加热室内的合适位置上，并且使它形成与工具相互补的形状。然后，在高温下使晶片呈该形状，以及当它与工具或者任何其他支撑层或者材料相分离时保持那个形状，及在该室的外部进行冷却。
[0079]以这种方式可以制造出具有98keV高能量和或甚至120keV的更高能量的单曲面或者双曲面光学器件。厚度为例如大约0.5mm的LiF晶片可以被使用并且提供了所需要的结构整体性，如上所述那样。这些光学器件在图6所示的填充结构200中可以用作例如中等能量(205)和高能量(207)的光学器件。
[0080]改进后的分析系统
[0081 ] 根据本发明所构造出的示例ME EDXRF分析仪使用了示例SDD探测器、改进型源和低、中等和高能量光学器件，该分析仪被示出在图11中用于测量样品玩具。
[0082]具有康普顿/瑞利(Compton/Rayleigh, C/R)模型的单色系统的基本参数(FP)技术可以用来处理从样品所探测到的X射线荧光数据，该样品用由上述的光学器件和/或管所产生的多个单色光束来模拟。FP技术基于单个能量激励光束并且适合于大批量的均匀测量。可以使用多个单色光束来探测光谱的不同部分和使喷涂层解卷积所述毒素，以及在基体内分离。
[0083]光谱处理器(SP)可以用来根据多个单色光束激励来配合于能量色散X射线荧光(EDXRF型)光谱。来自计算-能量光谱中的探测器的原始光谱数据可以用于这种输入。许多技术可以用来解决光谱中的各种各样成分，如峰值配合的高斯模型。也考虑来自系统和探测器的噪声。
[0084]基于基本参数(FP)的技术也对涂层定量分析有利。在该技术中，基于许多测量因素来模拟吸收、荧光和散射。由于使用了单色光束，因此与用于单色激励的FP方法相比，计算可以得到简化。
[0085]分层模式FP可以需要来自涂料和基体的组合体的光谱，然后只是来自基体的光谱，从而分辨出涂料/基体样品的独立组成。一个技术挑战在于，每单位涂料面积的质量是不知道的，因为不能被探测到的涂料中的Z元素(C，H，O)较低。每单位涂层面积的质量称为Pt (密度*厚度)，它应该被确定以计算出毒素的质量分数。通过两个或者更多个单色光束、涂料中的毒素浓度及个别基体，可以确定样品。
[0086]此外，根据本发明，以及参照图12，根据本发明原理也可以实现更小的“手持式”x射线分析仪。手持式X射线分析仪在过去的一些年中非常流行，因为它们便于运输和容易使用。此外，图12示出了人界面模块，该模块可以包括使用者界面、FP处理器和/或手持式分析仪用的电源。这种界面也可以与分析仪成一体。
[0087]这些系统中任一个的示例图形用户界面(⑶I)示出在图13中。示例性⑶I允许使用者选择样品类型、显示10成分浓度和相关的光谱。⑶I还可以显示了活动的样品图像，从而有助于样品定位。GUI的快照示出在图13中。
[0088]尽管优选实施例在这里已经被示出和描述，但是本领域普通技术人员应该知道，在没有脱离本发明精神实质的情况下可以进行各种改进、增加、取代等等，并且因此这些改进、增加、取代等等也被认为落入在下面权利要求中所限定出的本发明范围内。
【权利要求】
1.一种支撑结构，其具有多个高度对准的弯曲X射线光学器件，该支撑结构具有多个内部的部分同心或者完全同心的、被所述多个光学器件安装于其上的表面，进而沿支撑结构的中心光学轴线使所述多个光学器件对准，并且因此使所述多个光学器件对准于与支撑结构相组合使用的源、样品和/或探测器。
2.根据权利要求1所述的支撑结构，其特征在于，这些表面绕中心光学轴线被套装。
3.根据权利要求1所述的支撑结构，其特征在于，该支撑结构绕中心光学轴线沿纵向被分隔成多个部分。
4.根据权利要求3所述的支撑结构，其特征在于，这些部分被平行于中心轴线延伸的多个壁来分隔。
5.根据权利要求1所述的支撑结构，其特征在于，至少一个X射线光学器件包括弯曲的衍射光学器件，以接纳散射X射线射束并且使该X射线射束聚焦到聚焦区域。
6.根据权利要求5所述的支撑结构，其特征在于，X射线光学器件是聚焦单色型光学器件。
7.根据权利要求5所述的支撑结构，其特征在于，X射线光学器件是双曲面型晶体光学器件、或者HOPG光学器件、或者多层光学器件。
8.根据权利要求5所述的支撑结构，其特征在于，该光学器件包括单层的、塑性变形的LiF光学器件。
9.根据权利要求5所述的支撑结构，其特征在于，该光学器件包括多个区段，每个区段被弯折成弯曲形状并且在支撑结构内被布置成弯曲型式。
10.根据权利要求1所述的支撑结构，其特征在于，第一X射线光学器件使来自X射线源的第一能量实现单色化，以及第二光学器件使来自X射线源的第二能量或者韧致辐射能量实现单色化。
11.一种弯曲的单色X射线光学器件，该光学器件包括单层材料，其被塑性变形成接受X射线能量并使之重新定向的形状。
12.根据权利要求11所述的光学器件，其特征在于，该材料是LiF。
13.根据权利要求11所述的光学器件，其特征在于，该光学器件是单曲面的。
14.根据权利要求11所述的光学器件，其特征在于，该光学器件是双曲面的。
15.一种形成单色X射线光学器件的方法，该方法包括加热单层材料，并且使该单层材料进行弯曲同时被加热，以使得该单层材料在冷却之后保持它的弯曲形状。
16.根据权利要求15所述的光学器件，其特征在于，该材料是LiF。
17.根据权利要求15所述的光学器件，其特征在于，该光学器件是单曲面的。
18.根据权利要求15所述的光学器件，其特征在于，该光学器件是双曲面的。
【文档编号】G02B27/00GK103765201SQ201280040742
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年10月25日 优先权日:2011年10月26日
【发明者】陈泽武, R·D·德莱尼, J·H·伯德特, 辛凯 申请人:X射线光学系统公司