专利名称：在高度校准的包装中具有多个激发能量带的xrf系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种X射线分析系统，并且更特别地，涉及提供多个激发能量 以改进多个元件在均质和非均质样品结构中多个元素的检测和分析的X射线源组件。
背景技术：
存在新兴的需要来提供其中毒素的级别被减小到最低或完全消除的所有类型的 产品。这需要具有清楚的基本医学基础并且由恐惧和待处理的立法一这是许多近期的广受 宣传的产品中的毒素(例如，玩具中的铅)的案例的结果而加速。不安全产品的成本超过 健康影响以包括商业的大量损失、对品牌和公司形象的永久伤害和提高级别的法人和个人责任。响应这些问题，全世界对于消费者产品都具有增长趋势的日益严格的环境和健康 法规。调节的产品的列表迅速地提高并且毒素的类型和允许水平变得更加严格。一些工 业玩家通过在它们的供应链中批准更清洁的产品而超越它们销售的产品的法规。法规有 效地旨在通过减少我们的环境中的毒素来减少人直接暴露于毒素中。几个更严格的标准 可以追溯至始于20世纪90年代早期的欧洲环保指令，始于包装材料和电池中的规章。在 随后的年代中，EU引入了对于汽车的危险物质的减少(ELV)和两个涉及电子产品的指令 (Restriction of Hazardous Substances 或 RoHS 禾口 Waste Electrical and Electronic Equipment或TOEE)。未决的美国联邦立法将玩具上油漆中的铅水平降低六个因子并且威 胁对违反的公司的单次违反处以罚金从1000万美元到1亿美元的刑事诉讼。另外，限制就 中其它已知的毒素，包括汞、砷、镉、钡和铬。这种人类健康和环保措施的传播对于产品设计、制造并且最终地丢弃或再循环的 方式具有深远的全球影响。用于产品中毒素的当前测量方法并不符合从工厂到最终消费者的供应链的要求。 在从原材料到部件到完成的产品的链条的每个步骤中都需要毒素的识别和测量。尽管原材 料测量对于工厂是最高效的，但是分销渠道通常需要对最终产品进行测量。迫切地需要新 的技术来精确地、迅速地、始终如一地并且成本节约地在每个阶段测量毒素，且在产品的制 造和分销的流动中具有最小的中断。因为玩具和其它产品通常具有小的油漆特征(色素通 常是毒素的源头)，所以需要测量小的区域同时把油漆与基底材料加以区别。现有的低成本毒素检测方法通常是无效的，例如拭子测试。提供所需精度的更高 成本的方法是昂贵并且消耗时间的。这些方法有时涉及手动地刮擦样品，在提高的温度和
4压力下蒸煮它们，并且将它们导入燃烧室中，然后分析燃烧产物。一种当今广泛使用的方法 是感应耦合等离子光学发射光谱学(ICP-OES)-—种昂贵、破坏性和缓慢的方法。或者，手 持X射线荧光(XRF)枪是快速和非破坏性的，但是仅仅对于高于调节浓度才是可靠的，并且 在大的样品区域中被平均，并且不能单独地评价油漆层。如下面进一步讨论的那样，本发明提供了一种对于产品中的毒素具有由复杂的专 有X射线光学器件实现的快速、精确的结果的测量解决方案。这种专有光学器件通常提供 了聚焦X射线的能力中的10-1，OOOx的改进；并且光学启用的分析器尤其适于这些目标的 市场一将测量从实验室移动到工厂、野外和诊所。在X射线分析系统中，高的X射线射束强度和小的射束斑尺寸对于减少样品曝光 时间、提高空间分辨率并因此改进信号与背景之比和X射线分析测试的总体质量是很重要 的。在过去，昂贵和大功率的X射线源例如旋转阳极X射线管或同步加速器是在实验室中 生成高强度X射线射束的唯一可用选项。近来，X射线光学设备的发展已经使之可以通过聚 焦X射线从X射线源收集发散辐射。X射线聚焦光学器件和小的低功耗X射线源的组合可 以生成具有可与更昂贵设备实现的强度相比较的X射线射束。因此，基于小的便宜的X射 线源、激发光学器件和收集光学器件的组合的系统已经极大地扩展了 X射线分析设备在例 如小型实验室和在野外、工厂或诊所等中的可用性和能力。X射线射束在激发和/或检测路径中的单色化也用于激励和/或检测对应于感兴 趣的各种元素(铅等)的X射线能谱的非常精确的部分。X射线单色化技术基于X射线在 光学晶体例如锗(Ge)或硅(Si)晶体上的衍射。弯晶可以提供发散辐射从X射线源到目标 上的偏转，以及提供达到目标的光子的单色化。两种常见类型的弯晶被称为单弯晶和双弯 晶(DCCs)。使用本领域中已知为罗兰圆几何形状的单弯晶可以提供在两维中的聚焦，而X 射线辐射在第三或正交平面中未聚焦。双弯晶提供了 X射线从源到所有三维中的点目标的 聚焦。该三维聚焦在本领域中被称为“点到点”聚焦。编号为6，285，506和7，035，374的共同转让的美国专利公开了用于X射线聚焦和 单色化的弯曲X射线光学器件的各种配置。一般而言，这些专利公开了形成到弯曲光学元 件中的柔性层的结晶材料(例如Si)。光学器件的单色化功能和传输效率是由光学器件的 晶体结构确定的。使用聚焦和单色X射线光学器件将X射线辐射聚焦到具有更高强度的小斑的能力 能够降低X射线管的尺寸和成本，并且因此X射线系统已经从实验室扩展到现场的野外使 用。全部在此包含作为参考的编号为6，934，359和7，072，439的共同转让的美国专利公开 了单色波长色散X射线荧光(MWD XRF)技术和系统，在激发和/或检测路径中使用双弯晶 光学器件。在这些专利中描述的X射线光学器件启用的系统在实验室中享有普遍的成功， 用于测量多种精炼厂、终端和管线环境中的石油燃料中的硫。在这种系统中，需要沿着由源和试样斑界定的轴线的精确的光学校准，如在上面 包含的编号为7，035，374的美国专利中所显示的，该专利提出了围绕依照布拉格衍射条件 操作的中心轴线的弯曲的单色光学器件的配置。图Ia是具有弯曲光学器件152、X射线源 位置154和X射线目标位置156的该X射线光学配置150的典型的等角视图。X射线源位 置154和X射线目标位置156界定了源到目标的传输轴线162。光学器件152可以包括多 个各自的光学晶体164，它们所有均可以围绕轴线162对称地布置。
图Ib是沿图Ia的剖面线Ib-Ib剖开的剖视图，其中光学器件152的表面、X射线 源位置154和X射线目标位置156界定了用于光学器件152的半径R的一个或多个罗兰 (或聚焦)圆160和161。本领域的技术人员可以认识到，与晶体光学器件152或各自的晶 体164相关的罗兰圆的数目和朝向将随着光学晶体152的表面的位置例如光学晶体152上 环形位置的差异而变化。光学晶体152的内部原子衍射平面也可能不平行于其表面。例如，如图Ib中所示， 在表面的切点158及其相应的光学圆160或161处，晶体152的原子衍射平面与X射线所指 示的平面形成角度h。θ B是晶体光学器件152的布拉格角，该角确定了其衍射效果。在 一个实例中每个各自的光学晶体可以依照在上面包含的编号为6，285，506的题为“Curved Optical Device and Method of Fabrication”的美国专利中公开的方法制造。为了适当的布拉格条件，所有的各自晶体164应该被校准到源至目标轴线162。因 此光学校准尤其是用于这种多晶体光学器件的改进保持为感兴趣的重要领域。尤其地影响 大量制造的另一个问题是需要校准从不同卖主那里购买的不同部件。例如，X射线管，当从 一个卖主那里大量购买时，可能具有相对于它们自己的外壳不始终如一地定中心的源X射 线斑。重定中心这些X射线管斑是需要的，作为整个X射线源组件的校准处理中的初始步 马聚O已经提出了各种光学/源组合来处理热稳定性、射束稳定性和校准问题，例如在 编号为7，110，506、7，209，545和7，257，193的共同转让的美国专利中所公开的。这些 专利中的每一个的全部均在此引入作为参考。特别是，编号为7，209，545(题为1-1 对 Source Assembly Having Enhanced Output Stability, and Fluid Stream Analysis Applications Thereof”)和 7，257，193(题为“X_Ray Source Assembly Having Enhanced Output Stability Using Tube Power Adjustments and Remote Calibration，，)的专利 使用实时、校正反馈的方法用于管焦斑、光学器件和输出焦斑之间的校准从而解决了源操 作期间的特定管/光学器件校准问题。传感器被用于检测各种运行状况，并且做出机械和 /或热调节以校正包括未校准在内的不稳定。这些类型的系统是需要的并且对某些应用是 有价值的，但是也会增加成本和野外系统的复杂性。上述XRF技术和系统在用于测量通常均一的样品结构(例如，石油产品中的硫) 的单个元素分析器中是有用的。然而，产品中毒素的测量提供了附加的挑战级别。首先，器 具应该具有从如上面所述的大约10种有毒元素的相对有限的列表中同时或近乎同时地测 量一种以上元素的能力。此外，产品可能在本质上是非均质的，这就要求小的斑点分辨率， 以及检测多个非均质的层之一中的毒素(例如，在油漆层中和油漆下面的衬底层中铅的水 平)的能力。因此，需要改进的X射线分析方法和系统以解决与在潜在地非均质样品中测量多 种毒素有关的问题，以能够对产品中的毒素进行厂内和/或野外测量。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点并且提供了附加的优点，且本发明在一个方面是 用于使用X射线射束照射试样斑的X射线分析装置。提供了一种具有源斑的X射线管，由 该源斑生成具有特性第一能量和韧致辐射能量的发散X射线射束。第一 X射线光学器件接收发散的X射线射束并朝试样斑指引射束，同时使射束单色化；和接收发散的X射线射束并 朝试样斑指引射束同时使射束单色化为第二能量的第二X射线光学器件。第一X射线光学 器件使来自源斑的特征能量单色化并且第二X射线光学器件使来自源斑的韧致辐射能量 单色化。X射线光学器件可以是弯曲的衍射光学器件，用于从X射线管接收发散的X射线射 束并且将射束聚焦在试样斑上。还提供了检测以检测和测量在例如包括玩具和电子产品的 产品中的各种毒素。发明者已经开发了这些新颖和有效的技术来解决详细检查制造的产品中的毒素 的不断增长的市场需求。光学启用的、单色激发的、微聚焦能量色散的XRF使用上面讨论的 先进的X射线光学器件连同低瓦特的X射线管、商业上可用的传感器和紧凑的触发设计的 专用软件算法。光学器件极大地改进了信噪比并且将强度集中在小斑点上。光学启用的分 析器可以在通常于产品例如玩具和电子产品中找到的小特征中非破坏性地检测并且同时 量化多种有毒元素，而无论产品的形状、尺寸或均质性。其使用简单的设计能够使毒素浓度 的可量化测量低至lppm。系统维持可靠的记录，包括玩具和所测量特征的清楚的时间戳的 摄像标识，保证审计顺应性。双弯晶(DCC)单色光学器件可以通过从发散源捕获X射线并且将它们重定向到产 品表面上的强聚焦射束中而用于增强测量强度。它们的小斑点尺寸允许分析器检查内径低 至1. 5mm的小特征而不会降低速度或数据质量。该独特的能力将区分在玩具和电子产品中 通常可见的非常小的特征。法规要求每种材料被单独地测定；限制是每种材料和颜色在多 个特征上并不是平均的。光学器件提供的有利的信噪比向分析器提供了极低的检测下限。检测的该性能限 度增大了结果的可靠性，因此显著地减少了假阳性或假阴性的数目。分析器将保持有效，甚 至是在对于最低的对铅提出的40ppm的管理极限下。油漆涂层在玩具市场是特别感兴趣的，这样玩具分析器就包含了具有隔离油漆层 的最佳能级和角度的专用涂层光学器件。没有光学器件的传统XRF技术取得涂层和衬底层 的中间值，这可以屏蔽油漆层中的高毒素水平。玩具分析器可以区分油漆涂层与衬底的组 成。多元素能力可以同时提供玩具和其它消费品中大多数请求的毒素的结果。可以该 系统可以同时检测至少26种不同的元素，且重点在制造商最感兴趣的10种毒素上，包括 Cr、As、Br、Cd、Sb、Ba、Se、Hg、Cl 禾口 Pb。另外，通过本发明的技术实现了附加的特征和优点。其它实施例和本发明的方面 详细描述在此并且被认为是所要求保护的发明的一部分。
在说明书的末尾部分的权利要求书中尤其地指出并且清楚地要求了被视为本发 明的主题。通过下面的详细说明并结合附图，本发明的前述和其它目的、特征和优点将会显 而易见，其中图la-b显示了围绕需要校准的轴线的晶体X射线光学器件的示例性配置；图2是依照本发明的一个方面的校准的X射线光学器件和源组件的透视图；图3是图2的组件的剖视7
图4是图2的组件的分解图；图5a_b显示了来自X射线管的典型特征线和轫致辐射；图6a_b显示了使X射线管能量单色化的影响和改进的检测结果；图7a_b显示了依照本发明由于单色激发能量的各种元素峰和多个单色激发能量 射束的电势布置；图8是由依照本发明的三个不同聚焦的单色X射线光学器件确定的X射线路径的 简图；并且图9显示了使用依照本发明提出的装置处理的样品的示例性激发，用于测量感兴 趣的10种元素。
具体实施例方式用于执行本发明的最佳樽式高度校准的X射线源组件:依照本发明，图2-4以各种视图(使用相似的数字表示相似的元件)显示了依照 本发明的高度校准的X射线光学器件和源组件200。该包装的各个方法已经公布在2008 年 3 月 5 日提交的序列号为 61/033,899 的题为 “X-RAY OPTIC AND SOURCE ASSEMBLY FOR PRECISION X-RAY ANALYSIS APPLICATIONS” 禾口 2008 年 3 月 25 日提交的序列号为 61/039，220 的题为“HIGHLY ALIGNED X-RAY OPTIC AND SOURCE ASSEMBLY FOR PRECISION X -RAY ANALYSIS APPLICATIONS”的共同转让的、预先提交的美国临时申请中，它们均全部 包含在此作为参考。如这些申请中所述，该组件包括第一部分210、第二部分220和第三部分230，它们 一起使X射线管240沿着中心传输轴线Z对准试样斑250。保持也需要对准传输轴线Z的 示例性单色光学器件(如上相对于图la-b所述)的多个光学托架组件222、224和226也 沿着该轴线校准。第一外壳部分210可以围绕其周边包括可调节管安装特征212、214用于可调节地 安装管240，因此保证管X射线斑242围绕部分210的中心轴(未显示)在中心地定中心。 如下文所述，组件部分210、220和230的进一步连接将保证每个各自部分的轴线(未显示) 最终对准传输轴线Z。因此，本发明允许潜在地不同的部件沿着中心传输轴线Z的增量校 准。对于X射线管240，它们在从制造商运送时可以具有偏心的管斑，因此需要使用可调节 安装特征212和214 (例如止动螺钉)沿着部分210的轴线再定中心。提供高效、经济、便携分析性能的能力在很大程度上取决于X射线管和光学技术。 在这一点上，可以对于较小的便携系统例如紧凑的电子轰击X射线管组合特定的管和光学 技术。可以从Oxford Instruments #5011型获得该类X射线管的一个实例，相对于花费数 千或几十万美元的大功率实验室源，它在小于100瓦特(即75瓦特)下操作，成本为小于 每个管$1500，这对于许多应用可以抑制成本。另一个实例是Varian VF-50J(类似于在此 显示的)，形状为管形，并且在50瓦特或更低下操作，其成本为每个几千美元，且使用了下 面讨论的钼材料。第二外壳部分220包括附加的校准特征。首先，提供了互补的配合表面216和 228 (图4)，一旦装配即一旦将管部分210插入部分220中，就将部分210和220的轴线校
8准。部分210和220被单独地制造以保证当配合表面接触时沿着它们的轴线校准，并且因 此对准中心轴线Z。部分210、220和230显示为管形。特别地，部分显示近似的圆柱形式，具有一种管 形的环形横截面。管形部分210和220的横截面也可以是正方形、矩形等等。显示为具有 环形横截面的管形使用部分210的外周边配合表面216和部分220的内周边配合表面218 提供了一种部分对部分校准技术。完全封闭的管形部分还提供了所需的X射线屏蔽。其次，部分220还容纳光学托架222、224和226的连接，它们被制造成可调节地安 装并且将X射线光学器件223、225和227 (未显示但是暗含在托架226内)分别对准部分 220并且最终地对准传输轴线Ζ。X射线射束聚焦和/或单色化可以使用特定聚焦和/或 平行光学器件实现，例如在编号为6，285，506,6, 317，483和7，035，374的共同转让的美国 专利中公开的弯晶单色光学器件；和/或多层光学器件；和/或例如在编号为5，192，869、 5，175，755,5, 497，008,5, 745，547,5, 570，408 和 5，604，353 的共同转让的美国专利中公开 的那些毛细管光学器件。上述专利中的每一个均在此全部引入作为参考。特别感兴趣的是 弯曲的单色光学器件(上面参照图la-b讨论的)，它们需要沿着传输轴线精确的校准并且 与之相距一定距离以满足感兴趣的适当的布拉格条件。还特别感兴趣的是沿着单个Z轴线 对准多个这种光学器件(例如223、225、227)的要求。第二外壳部分内的示例性弯晶光学器件223、225和227从X射线管斑242接收发 散的X射线射束并且将衍射射束聚焦至试样斑250。托架222、224和226可直接或间接地 安装至第二外壳部分，这样光学器件的作用表面就沿着传输轴线Z校准并且定位在与之期 望的距离处。安装了托架的第二外壳部分的外表面区域(例如，外径)可以适当地设定尺 寸(例如，由外径)并且制造成至少一个X射线光学器件定位在与传输轴线相距期望距离 处。此外，可以应用垫片229和/或其它间距调节器(止动螺钉等等)以保证适当的光学 校准(图3-4)。特别是，为了维持它们的布拉格条件，这些类型的光学器件可以沿着第二外 壳部分的表面安装而又与传输轴线Z分开。第三外壳部分230包括在其尖端处的孔，它需要对准传输轴线Z用于使用来自光 学器件的聚焦X射线射束对试样斑250适当的照明。该部分内也可以包括锥体231用于附 加的屏蔽、刚性地或可调节地安装至部分230。部分230也可以在其上刚性地安装示例性能 量色散的检测器260，它自身需要对传输轴线Z的紧密校准。为了实现部分230与部分220 和210的校准(因此完成整个源组件沿着传输轴线Z的校准)，可以应用互补的配合表面 和/或可调节安装装置(例如，止动螺钉)以使外壳部分230对准部分220并因此对准部 分210。部分230和/或锥体231也可以沿着与传输轴线Z正交的方向调节。也可以使用 在检测路径中具有或不具有相似光学器件的其它类型的检测器(例如，波长色散的)。应该 针对检测器校准考虑附加的问题。能量色散的检测器260也可以在空间中具有其自己的焦 斑，它还需要校准射束/样品焦斑250 (例如，图2-3)。(试样斑250可以在样品的表面上 或表面下方；这取决于X射线射束的焦点。)如图所示，检测器安装至锥体31，它可以具有 可调节的安装装置(垫片、止动螺钉等等)以及保证检测器的校准的预定配合表面。使用 该方法，提供了 X射线管、光学器件、试样斑和检测器的端对端校准。附加的垫片可以放置在每个部分(210，220，230)之间以控制它们各自的间距并 且因此控制它们沿着传输轴线Z的纵向布置。
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还显示了具有其自己的托架272、电动机274和快门板276的自动快门系统。该快 门可以用于X射线安全性目的(即，完全堵塞快门)，并且还用于选择应用至样品的X射线 射束(从光学器件)，其混合范围从各自的非同时激发到完全同时激发或其任意混合。这对 于下面讨论的多个能量激发技术尤其重要。也可以沿着射束路径提供其它堵缝282和284以裁定冲击光学器件的射束并且减 少其它噪音和/或散射。上述方法使用各种技术提供了高度校准的X射线光学器件和源组件以保证小的 坚固的便携分析器中不同部件(光学器件、X射线管、检测器等等)的校准用于在工业处理、 临床和野外调定中的现场在线测量。能够进行大量制造，即使是当改变的尺寸公差的部件 导入生产中时。此外，高度校准组件通过依照布拉格条件聚焦衍射光学器件提供了所需的 精确校准。光学器件的任意误校准将直接地影响设备的精确性。在不同能量处的单饩光学器件可以参照图5a中显示的典型X射线钼目标管的输出光谱更好地理解对于这种包 装中的XRF使用单色激发射束的益处，该图显示了在大约17keV下来自管的目标材料的特 征线和更宽的轫致辐射光谱。当该X射线射束撞击到样品上时，从样品上发射的辅助X射 线具有两个分量样品中元素的荧光特征线和来自如图5b中所示的源的散射X射线。能量 色散(ED)检测器测量两者之和。因此，样品中痕量元素的荧光信号可以由背景变暗。在源 和样品之间使用点聚焦单色光学器件，光学器件就仅仅从源衍射管的特征线。因此撞击在 样品上的射束的光谱就非常简单，如图6a中所示。现在，除了在康普顿散射区域之外，由样 品出现的光谱就在所有能量下具有很低的背景。图6b显示了使用来自样品的荧光信号的 散射光谱。现在可以清楚地检测到图5b中无法检测的痕量元素信号。依照本发明的另一个方面，装置200的多个光学器件223和225 (和其它)可以是 不同的，即可以调节至X射线能谱的不同部分，以优化X射线能带的各自区域中的元素检测 和量化。一般而言，对于发荧光并且因此受到检测和测量的元素，激发能量必须在元素的X 射线吸收限处或之上。因此使所有感兴趣的元素发荧光就需要激发能量在所有感兴趣的元 素的吸收限之上。参照图7a的比较曲线图，该曲线图最初显示了光学器件生成单色激发按照数量 级提高元素检测(痕量710)对比传统的多色激发(痕量720)。如上所述，并且还参考图7b，来自例如近似17keV处的钼目标X射线管的特征能量 线El使用如上所述的点聚焦单色光学器件聚焦至样品，通常使具有低于17keV的感兴趣的 荧光线的所有元素发荧光(例如痕量710)。然而，对于具有很低(例如，在该实例中低于 IOkeV)的荧光线的元素，其激发效果会逐渐减弱。依照本发明，可以应用附加的光学器件以同时捕获从同一个X射线管传递的非特 征、宽广的轫致能量，并且在例如能量E2、E3、E4、E5……处提供附加的激发能量线，每条线 均来自各自的点聚焦单色光学器件。也可以使用高于17keV的能量(未显示)。该技术可 以用于周期表中元素的各个范围的高效、低背景激发。在于此显示并且还参考图8的X射线路径图形的特定系统实施例200中，三个光 学器件223、225和227分别提供了 31keV(来自轫致辐射)、17keV特征钼线和7keV线(也 来自轫致辐射)。
这些线提供了周期表中感兴趣的元素(连同它们的原子序数列出)的下列近似范 围的优化激发3IkeV 从大约 Zr (40)到 Te (52)17keV 从大约 Cl(17)到 Br (35) ；RB (37)到 Sr (38) ；Zr (40)；Cs (55)到 Bi (83) ；Th (90) ；U (92)7keV 从大约 Al (13)到 Co (27)通过使用不同的光学器件，可以向样品同时(或连续地，或使用快门系统的其任 意混合)应用不同的激发角和/或能量。因为不同的能量导致不同的荧光效果，所以可以 在检测路径中确定更多信息。例如，更高能量刺入更深的深度并且可以用于检测材料中的 衬底(而不是油漆)层。此外，尽管较低能量可能刺入油漆层，但是生成的荧光可能并不刺 入油漆层，对材料构成给出更多了解。某些元素出现在通常超过检测器分辨的能力的间距中的能带中(例如Cd和Sn)， 并且事实上具有重叠的K/L线并且吸收能量。通常使用的铅替代物一锡(Sn)可以屏蔽检 测路径中的镉。因此，只是低于较高元素(Sn)的吸收因此并不激发锡但是有效地激发所有 的镉的激发可以用于隔离较低的元素(Cd)。由两种不同的激发能量导致的荧光光谱比也可以用于样品的附加信息。图9显示了使用依照本发明提出的装置处理的样品的示例性激发，该装置用于测 量10种感兴趣的元素。可以依照上面包含的美国专利7，035，374使用多元素光学器件(例如，223)。此 外，可以使用依照多层技术的层状光学器件和/或如在2007年11月16日提交的编号为 11/941，377 的题为 “X-RAY FOCUSING OPTIC HAVING MULTIPLE LAYERS WITH RESPECTIVE CRYSTAL ORIENTATIONS”的美国专利申请中公开的多晶体层技术，其全部包含作为参考。这 种DCC在此被称为LDCC。LDCC光学器件具有几个独特的特征。光学器件的摇摆曲线宽度 可以设计成比单层DCC光学器件高2到5倍。这将提高带宽并且提供通量增加用于切断韧 致辐射光谱。对于单层Si或Ge DCC，摇摆曲线可以收窄这样其效率就会由典型X射线点源 的有限尺寸而降低。LDCC可以设计成与源尺寸匹配并且促进也用于聚焦特征线的透射通 量。LDCC光学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，可以为高能 X射线建立更多层的结构。用于LDCC的有用能量范围期望为6-50keV。在一个特定实例中，三个LDCC光学器件可以用于从小斑点Cu目标源提供三色聚 焦射束。第一 LDCC向试样斑聚焦Cu Ka 1 8. 04keV特征X射线。斑点尺寸大约为50 μ m 至75μπι。Cu LDCC覆盖了包括Cr的从硅(Si)到锰(Mn)的元素的激发。第二 LDCC对于 Hg、Pb和Br激发选择和聚焦在16keV处定中心的韧致辐射带。第三LDCC对于Cd激发选 择和聚焦在28keV处定中心的韧致辐射带。两个韧致辐射光学器件具有100 μ m至300 μ m 的聚焦斑。韧致辐射光学器件的带宽设计成为聚焦能量的大约1_2%。PIN 二极管检测器 用于EDXRF光谱测定法。可以在X射线源和光学器件之间或光学器件和样品(如上所述) 之间构成快门方案以具有在任意组合中将来自每个光学器件的射束开启和断开的选项。照 相机和/或激光斑可以放入三个光学器件的中心从而在视觉上定位测量斑。照相机还用于 存储图像与光谱数据。小激光高度计用于辅助样品在焦点处的定位。提高毒素的全球调节的趋势对于这种高度校准的系统作为解决许多当前重要的
11应用的平台技术提供了一个机会。所公开的系统提供了超过此前的毒素检测技术的几个优 点，即具有非破坏性地检测很低水平的隔离的小特征的组合能力，并且在有毒元素的宽范 围内给出可靠的结果。传统的XRF分析器和更标准的分析化学技术不具有可靠结果、一些 级别的便携性和当今的严格的规章环境中所需的每次试验的低成本的所需组合。需要这些 特征的领域包括消费品、电子产品、空气质量监督、体液、食品和药物。在原则上，这些应用 中的很多可以共享公共的硬件和软件平台以促进新产品导入、降低制造成本并且提高更高 数量的精密仪器。 虽然已经在此显示和详细描述了优选实施例，但是对于相关技术中的技术人员而 言，显而易见，可以做出各种修改、增补、置换等而不脱离本发明的精神并且这些因此被认 为是在下面的权利要求中界定的本发明的范围内。
权利要求
一种用于使用X射线射束照射试样斑的X射线分析装置，包括具有源斑的X射线管，由该源斑生成具有特征第一能量和韧致辐射能量的发散X射线射束；用于接收发散的X射线射束并朝试样斑指引射束的第一X射线光学器件，该第一X射线光学器件使射束单色化；用于接收发散的X射线射束并朝试样斑指引射束的第二X射线光学器件，该第二X射线光学器件使射束单色化为第二能量。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一X射线光学器件使来自源斑的特征能量 单色化并且第二 X射线光学器件使来自源斑的韧致辐射能量单色化。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，X射线光学器件是弯曲的衍射光学器件，用 于从X射线管接收发散的X射线射束并且将射束聚焦在试样斑上。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，X射线光学器件是聚焦的单色光学器件。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，聚焦的单色光学器件是双弯晶光学器件或 双弯曲的多层光学器件。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括用于接收发散X射线射束并且朝试样 斑指引射束的第三X射线光学器件，该第三X射线光学器件将来自源斑的韧致辐射能量单 色化为第三能量。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，源斑需要沿着经过试样斑的传输轴线校准， 该装置还包括X射线管沿着其第一轴线连接的第一管形外壳部分，这样源斑就与第一轴线重合，第一 外壳部分还包括与第一轴线校准的配合表面；具有与传输轴线重合的第二轴线和与第二轴线校准的配合表面的第二管形外壳部分；和装接到第二外壳部分上用于接收发散的X射线射束并且朝试样斑指引射束的第一和 第二 X射线光学器件，第一和第二光学器件需要沿着传输轴线校准；第一外壳部分和第二外壳部分沿着它们各自的配合表面可以配合以因此将第一和第 二轴线与传输轴线校准，因此校准源斑、X射线光学器件和试样斑。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，每个光学器件装接到第二外壳部分上用于 接收发散的X射线射束并且朝试样斑指引射束的各自部分，并且需要沿着传输轴线校准， 沿着第二外壳部分的表面安装，并且与传输轴线分开。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括第三外壳部分，第三外壳部分包括沿 着传输轴线且当照射试样斑时X射线射束穿过的孔，第二外壳部分和第三外壳部分沿着各 自的配合表面可配合以因此校准该孔与传输轴线并因此校准试样斑，该装置还包括与试样 斑对齐安装至第三外壳部分的X射线检测器。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，第一和第二外壳部分的形状是管形的，并 且第一和第二外壳部分的配合表面包括一旦连接第一和第二管形外壳部分就彼此接触的 表面部分。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，X射线光学器件是聚焦的单色光学器件。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，聚焦单色光学器件是沿着第二外壳部分的表面安装并且与第二轴线分开的双弯晶光学器件或双弯曲的多层光学器件。
13.一种用于使用X射线射束照射试样斑的X射线分析装置，包括具有源斑的X射线管，发散的X射线射束由源斑生成的，该源斑需要沿着经过该试样斑 的传输轴线校准；X射线管沿着其第一轴线连接的第一外壳部分，第一外壳部分包括用于在其中可调节 地安装X射线管以便源斑就与第一轴线重合的可调节安装特征，第一外壳部分还包括与第 一轴线校准的配合表面；具有与传输轴线重合的第二轴线和与第二轴线校准的配合表面的第二外壳部分；和装接到第二外壳部分上用于接收发散的X射线射束并且在不同的各自能量下朝试样 斑指引射束的第一和第二不同的X射线光学器件，所述至少两个X射线光学器件需要沿着 传输轴线校准；第一外壳部分和第二外壳部分沿着它们各自的配合表面可以配合以因此将第一和第 二轴线与传输轴线校准，因此校准源斑、X射线光学器件和试样斑。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，第一光学器件使来自源斑的特征能量单 色化并且第二 X射线光学器件使来自源斑的韧致辐射能量单色化。
15.如权利要求13所述的装置，其特征在于，X射线光学器件是弯曲的衍射光学器件， 用于从X射线管接收发散的X射线射束并且将射束聚焦在试样斑上。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，X射线光学器件是聚焦的单色光学器件。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，聚焦的单色光学器件是双弯晶光学器件 或双弯曲的多层光学器件。
18.如权利要求13所述的装置，其特征在于，还包括用于接收发散X射线射束并且朝试 样斑指引射束的第三X射线光学器件，该第三X射线光学器件将来自源斑的韧致辐射能量 单色化为第三能量。
19.如权利要求13所述的装置，其特征在于，第二外壳部分的形状为管形，且第二轴线 在其中纵向地延伸。
20.如权利要求13所述的装置，其特征在于，X射线管的形状为管形，在其一端处具有 其源斑。
21.如权利要求13所述的装置，其特征在于，第一和第二外壳部分的形状是管形，并且 第一和第二外壳部分的配合表面包括一旦连接第一和第二管形外壳部分就彼此接触的表 面部分。
22.如权利要求13所述的装置，其特征在于，还包括用于将每个X射线光学器件安装 至第二外壳部分以接收发散的X射线射束的托架，托架可直接或间接地安装至第二外壳部 分，这样X射线光学器件的作用表面就沿着传输轴线校准并且定位在与之相距期望距离 处。
23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，安装了托架的第二外壳部分的表面制造 成使至少一个X射线光学器件定位在与传输轴线相距期望距离处。
全文摘要
一种用于使用X射线射束照射试样斑的X射线分析装置。提供了一种具有源斑的X射线管，由该源斑生成具有特征第一能量和韧致辐射能量的发散X射线射束；第一X射线光学器件接收发散的X射线射束并朝试样斑指引射束，同时使射束单色化；和接收发散的X射线射束并朝试样斑指引射束同时使射束单色化为第二能量的第二X射线光学器件。第一X射线光学器件使来自源斑的特征能量单色化并且第二X射线光学器件使来自源斑的韧致辐射能量单色化。X射线光学器件可以是弯曲的衍射光学器件，用于从X射线管接收发散的X射线射束并且将射束聚焦在试样斑上。还提供了检测以检测和测量在例如包括玩具和电子产品的产品中的各种毒素。
文档编号G01N23/225GK101981651SQ200980111618
公开日2011年2月23日 申请日期2009年3月3日 优先权日2008年3月5日
发明者A·贝利, D·M·吉布森, R·S·塞姆肯, W·M·吉布森, 小J·H·伯德特, 辛凯, 陈泽武 申请人:X射线光学系统公司