具有使用多材料x 射線管陽極和單色光學(xué)裝置產(chǎn)生的多激勵(lì)能帶的x射線分析器的制造方法
【專利摘要】X射線管包括靶，電子沖擊在靶上以形成發(fā)散的X射線光束。該靶具有由第一和第二靶材料形成的表面，每種靶材料制造成發(fā)出對(duì)應(yīng)的X射線能線圖。第一X射線光學(xué)裝置可設(shè)置用于朝向樣品斑點(diǎn)引導(dǎo)該光束，該第一X射線光學(xué)裝置使得發(fā)散的X射線光束從第一靶材料發(fā)出的能量單色化為第一能量；并且，第二X射線光學(xué)裝置可設(shè)置用于朝向樣品斑點(diǎn)引導(dǎo)該光束，該第二X射線光學(xué)裝置使得發(fā)散的X射線光束從第二靶材料發(fā)出的能量單色化為第二能量。由第一和第二單色能量引起的樣品斑點(diǎn)的熒光被用于測(cè)量樣品中的至少一種元素的濃度，或者單獨(dú)地測(cè)量涂層和底下的襯底中的元素。
【專利說明】具有使用多材料X射線管陽極和單色光學(xué)裝置產(chǎn)生的多激勵(lì)能帶的X射線分析器
[0001]關(guān)聯(lián)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2012年2月28日提交的N0.61/604，251號(hào)美國臨時(shí)專利申請(qǐng)的權(quán)益，該美國臨時(shí)專利申請(qǐng)以其整體通過引用被并入本文中。
[0003]美國政府權(quán)利
[0004]本發(fā)明的某些部分是在國家科學(xué)基金會(huì)的N0.1IP-0839615號(hào)補(bǔ)貼的補(bǔ)助下開發(fā)的。美國政府對(duì)于該發(fā)明可具有某些權(quán)利。

【背景技術(shù)】
[0005]例如在有利害關(guān)系的玩具、環(huán)境空氣和水中發(fā)現(xiàn)毒素的時(shí)事以及因而導(dǎo)致的規(guī)章要求急迫的需要用于確定毒素元素的分析器。先進(jìn)的X射線熒光(XRF)分析器在這種毒素和各種樣品中有價(jià)值的許多其它物質(zhì)(例如，在消費(fèi)品中的毒素，和成品油中的各種有害元素)的量化方面扮演了有價(jià)值的角色。
[0006]作為一個(gè)典型的不例，制造商、供應(yīng)商、批發(fā)商、零售商和管理機(jī)構(gòu)需要一種用于寬泛的各種消費(fèi)品的毒素元素分析的長期的解決方案。許多新的規(guī)章要求制造商檢測(cè)許多元素，例如鉛(Pb),汞(Hg),砷(As),鎘(Cd),鉻(Cr),溴(Br),硒(Se),銻(Sb),鋇(Ba)和氯(Cl)。在歐盟的規(guī)章中，在同質(zhì)材料中的最大濃度，對(duì)于六價(jià)鉻(Cr6+)、汞、鉛、多溴聯(lián)苯(PBB)和多溴聯(lián)苯醚(PBDE)而言是l，000ppm，對(duì)于鎘而言是lOOppm。用于兒童用品的新的美國規(guī)章(CPSIA)是更加嚴(yán)格地多。例如，在玩具和兒童珠寶中在產(chǎn)品的任何可接近的部分中的最大容許鉛水平是小于或者等于lOOppm。
[0007]當(dāng)前的測(cè)量方法或者足夠精確但是不能用于工廠車間，或者便于用在工廠車間但是不接近足夠敏感或者不可重復(fù)。因此，對(duì)于本申請(qǐng)而言需要一種真正適用性的分析器。對(duì)于快速、可靠、便利、非破壞性的、高度靈敏性、定量的且具有成本效益的分析器，具有強(qiáng)烈的市場(chǎng)需求，用于在制造工廠中，在線或者線上，或者在分布鏈的任何位置，以單一的器具實(shí)現(xiàn)臨界且決定性的測(cè)量。污染產(chǎn)品能夠在加工過程中最有利的位置被排除，基本上減輕或者甚至消除偶然的生產(chǎn)廢品和失誤。在銷售的幾個(gè)階段以及管理者也強(qiáng)烈需要類似的能力，以校驗(yàn)材料和產(chǎn)品的符合性。
[0008]檢測(cè)毒素的現(xiàn)存的低成本方法通常是無效的，例如拭子試驗(yàn)。具有需要的精確性的較高成本的方法是昂貴且耗時(shí)的。這些方法可能包括用手刮擦取樣、在升高的溫度和壓力下使得它們消解在酸中、使得它們引入到燃燒室中并且分析燃燒產(chǎn)物。一種普遍使用的方法是電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)- 一種昂貴、破壞性且慢的方法。可替代的，傳統(tǒng)的手持X射線熒光(XRF)槍是快速且無破壞性的，但是僅對(duì)于比調(diào)節(jié)濃度高的濃度可靠的，并且在大樣品區(qū)上是一般的，并且不能單獨(dú)地估算漆層。
[0009]如下面進(jìn)一步討論的，本發(fā)明提供了一種在制造產(chǎn)品中毒素的測(cè)量方法，其具有快速、精確的結(jié)果，該方法通過成熟的X射線樣品激勵(lì)和單色化光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。這種專利光學(xué)裝置通常在聚焦X射線的能力上具有10 -1, OOOx的改善；并且光功能分析器特別適合于這些目標(biāo)市場(chǎng):從實(shí)驗(yàn)室到工廠、野外和門診的運(yùn)動(dòng)測(cè)量。
[0010]在X射線分析系統(tǒng)中，高的X射線光束強(qiáng)度和小的光束光斑尺寸對(duì)于減少樣品暴露時(shí)間、增加空間分辨率和因而提高X射線分析測(cè)量值的信號(hào)背景比和總質(zhì)量而言是重要的。在過去，在實(shí)驗(yàn)室中的昂貴且強(qiáng)烈的X射線源，例如旋轉(zhuǎn)陽極X射線管或者同步加速器，它們是用于產(chǎn)生高強(qiáng)度X射線光束的唯一可用選擇。最近，X射線光學(xué)裝置的發(fā)展使得能夠通過聚焦X射線從X射線源收集發(fā)散輻射。X射線聚焦光學(xué)裝置和小的低功率X射線源的組合能夠產(chǎn)生具有比得上那些具有較大高功率且更加昂貴的裝置所實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)度的X射線光束。因此，基于小的不貴的X射線源、激勵(lì)光學(xué)裝置和收集光學(xué)裝置的系統(tǒng)大大地?cái)U(kuò)展了 X射線分析設(shè)備在例如小的實(shí)驗(yàn)室和在野外、工廠或者門診部等的可用性和能力。
[0011]在激勵(lì)和/或檢測(cè)路徑中使得X射線光束單色化也用于激勵(lì)和/或檢測(cè)X射線能量譜與感興趣的各種元素(鉛等)對(duì)應(yīng)的非常精確的部分。X射線單色化技術(shù)基于在光學(xué)晶體，例如鍺(Ge)或者硅(Si)晶體上的X射線的衍射。彎曲的晶體能夠提供來自X射線源的發(fā)散輻射偏轉(zhuǎn)到靶上，同時(shí)提供到達(dá)靶的光子的單色化。兩種普通類型的彎曲晶體已知為單彎曲晶體和雙彎曲晶體(DCC)。使用現(xiàn)有技術(shù)中已知為羅蘭環(huán)幾何形單彎曲晶體提供了在兩個(gè)維度上的聚焦，使得X射線輻射不聚焦在第三平面或者直交平面上。雙彎曲晶體使得來自光源的X射線聚焦到在所有的三維中的點(diǎn)標(biāo)上。這種三維聚焦在本領(lǐng)域中被稱為“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”聚焦。
[0012]以其整體通過引用并入本文中的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利N0.6，285，506和N0.7，035，374公開了用于X射線聚焦和單色化的彎曲的X射線光學(xué)裝置的各種配置。通常，這些專利公開了形成為彎曲的光學(xué)元件的水晶材料(例如，硅)的撓性層。該光學(xué)裝置的單色化功能和傳送效率由光學(xué)裝置的晶體結(jié)構(gòu)決定。
[0013]使用聚焦和單色化X射線光學(xué)裝置將X射線輻射聚焦到具有較高強(qiáng)度的較小的點(diǎn)上的能力能夠減少X射線管的尺寸和成本，并且X射線系統(tǒng)因而已經(jīng)超出實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)展到原處現(xiàn)場(chǎng)使用。以其整體通過引用被并入本文中的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利N0.6，934，359和N0.7，072，439公開了在激勵(lì)和/或檢測(cè)路徑上使用雙彎曲晶體光學(xué)裝置的單色波長色散X射線熒光(MWD XRF)技術(shù)和系統(tǒng)。在這些專利中說明的X射線光學(xué)裝置能實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室外得到了普遍的成功，例如，在各種的精煉廠、終端和管線的環(huán)境中測(cè)量石油燃料中的硫。
[0014]在這種系統(tǒng)中，沿著由光源和樣品斑點(diǎn)限定的軸的精確的光學(xué)裝置校直是必需的，如在上述合并的美國專利N0.7，035，374中所示，該專利提出了根據(jù)布拉格衍射條件操作的圍繞中心軸的彎曲單色光學(xué)裝置的一種配置。圖1a是這種X射線光學(xué)配置150的典型的立體圖，其具有彎曲光學(xué)裝置152、X射線光源位置154和X射線靶位置156。X射線光源位置154和X射線靶位置156限定了光源到靶傳送軸162。光學(xué)裝置152可包括多個(gè)單獨(dú)的光學(xué)晶體164，所有的這些光學(xué)晶體可以是彎曲的并且圍繞軸162對(duì)稱布置。多個(gè)晶體164可以圍繞所述光源到靶傳送軸162配置成旋轉(zhuǎn)的一小部分到全旋轉(zhuǎn)。
[0015]圖1b是沿著圖1a的截面線lb—lb截取的截面圖，其中，光學(xué)裝置152的表面、X射線光源位置154和X射線靶位置156為光學(xué)裝置152限定了半徑為R的一個(gè)或者多個(gè)羅蘭圓(或者焦圓)160和161。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)意識(shí)到，與晶體光學(xué)裝置152或者單獨(dú)的晶體164關(guān)聯(lián)的羅蘭圓的數(shù)量和取向會(huì)隨著光學(xué)晶體152的表面的位置(例如，在光學(xué)晶體152上的環(huán)形位置的變化)而變化。
[0016]光學(xué)晶體152的內(nèi)部原子衍射平面也可以不平行于它的表面。例如，如圖1b所不，晶體152的原子衍射平面與如下表面形成角度Y I，在該表面和它的對(duì)應(yīng)的光圓160或者161的相切點(diǎn)158處，在該表面上引導(dǎo)X射線。ΘB是晶體光學(xué)裝置152的布拉格角，其確定它的衍射效果。在一個(gè)示例中，每個(gè)單獨(dú)的光學(xué)晶體可以根據(jù)在上述合并的題目為“彎曲光學(xué)設(shè)備以及制造方法(Curved Optical Device and Method of Fabricat1n) ” 的美國專利N0.6，285，506中公開的方法制造。
[0017]所有的單個(gè)的晶體164應(yīng)該被校直到光源到靶軸162上，滿足正確的布拉格條件。因此在尤其用于這種多晶體光學(xué)裝置的光學(xué)校直上的改進(jìn)保留了有價(jià)值的重要范圍。已經(jīng)提出了各種的光學(xué)裝置/光源組合，以處理熱穩(wěn)定性、光束穩(wěn)定性和校直問題，例如在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利N0.7，110，506 ；N0.7，209，545和N0.7，257，193中公開的那些組合。這些專利中的每一個(gè)也以其整體通過弓I用并入本文中。
[0018]上述的XRF技術(shù)和系統(tǒng)在用于測(cè)量一般的同類樣品結(jié)構(gòu)(例如在成品油中的硫)的單元素分析器中是有用的。但是，在制造品中的毒素的測(cè)量具有附加水平的挑戰(zhàn)。首先，工具應(yīng)該有能力同時(shí)地或者幾乎同時(shí)地測(cè)量來自相對(duì)受限的列表中的不只一種元素，例如上述的10種有毒元素。此外，制造品可能實(shí)際上是不同種類的，要求小的點(diǎn)分辨率，以及能夠檢測(cè)在大量不同種類的層之一中的毒素(例如，在漆層以及單獨(dú)地在漆下方的襯底層中的鉛的水平)。
[0019]因此，需要一種改進(jìn)的X射線分析方法和系統(tǒng)，用于解決與在可能的不同種類的樣品中測(cè)量多種毒素相關(guān)的問題，以能夠在工廠和/或在野外實(shí)現(xiàn)毒素的測(cè)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本文公開了一種改進(jìn)的多種單色X射線激勵(lì)技術(shù)和系統(tǒng)，用于解決這些問題。這些技術(shù)能夠在當(dāng)前規(guī)章要求低水平的情況下量化消費(fèi)品中的毒素(例如，鉛、鎘等)的水平，并且也能夠區(qū)別漆層和漆層下面的襯底中的毒素，并且也提供了具有重要元素分析能力的其它工業(yè)品(例如石油)。
[0021]在那方面，一方面本發(fā)明是用于分析樣品斑點(diǎn)的X射線分析設(shè)備。X射線管包括靶，電子沖擊在靶上以形成發(fā)散的X射線光束。該靶具有由第一和第二靶材料形成的表面，每種靶材料制造成在電子撞擊上時(shí)發(fā)出對(duì)應(yīng)的能線圖。第一X射線光學(xué)裝置可設(shè)置用于接收發(fā)散的X射線光束并且朝向樣品斑點(diǎn)引導(dǎo)該光束，該第一 X射線光學(xué)裝置使得發(fā)散的X射線光束從第一靶材料發(fā)出的能量單色化為第一能量；并且，第二 X射線光學(xué)裝置也可設(shè)置用于接收發(fā)散的X射線光束并且朝向樣品斑點(diǎn)引導(dǎo)該光束，該第二 X射線光學(xué)裝置使得發(fā)散的X射線光束從第二靶材料發(fā)出的能量單色化為第二能量。由第一和第二單色能量引起的樣品斑點(diǎn)的熒光可被用于測(cè)量樣品中的至少一種元素的濃度，或者單獨(dú)地測(cè)量涂層和底下的襯底中的元素。
[0022]三種或者更多靶材料可用于靶上。靶材料可在靶上形成為單獨(dú)的層，或者合金熔合成單層，或者上述兩者的組合。材料可發(fā)出特征能量和/或韌致輻射；并且，該X射線光學(xué)裝置可制造成單色化成特定的X射線能量。根據(jù)測(cè)量需求也可以設(shè)置管能量和/或光學(xué)裝置之間的順序。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]在說明書的結(jié)論部分中特別地指出并且清楚地要求了本發(fā)明的主題。結(jié)合附圖從下面的具體說明中能夠使得本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)顯而易見，附圖中:
[0024]圖la-b說明了要求校直的晶體X射線光學(xué)裝置圍繞軸的典型配置；
[0025]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的校直的X射線光學(xué)裝置和光源組件的透視圖；
[0026]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的由于單色激勵(lì)能的各種元素的峰值以及多種單色激勵(lì)能光束的可能布置；
[0027]圖4a_b是根據(jù)本發(fā)明具有改進(jìn)的激勵(lì)X射線管的EDXRF和MWDXRF分析器構(gòu)造的示意圖；
[0028]圖5是根據(jù)本發(fā)明的典型X射線管的示意圖，其具有在不同的層上由多種材料形成的陽極表面；
[0029]圖6是根據(jù)本發(fā)明的典型的X射線管的示意圖，其具有在單一合金層上由多種材料形成的陽極表面；
[0030]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的完工的4層X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)；
[0031]圖8a示出了使用上述層狀結(jié)構(gòu)的點(diǎn)聚焦雙彎曲單色光學(xué)裝置的一個(gè)實(shí)施例；
[0032]圖8b是圖8a的光學(xué)裝置沿著線A_A截取的截面正視圖；
[0033]圖9示出了使用上述層狀結(jié)構(gòu)的(相同或者不同的)多種情況的聚焦彎曲單色光學(xué)裝置(并且示出了羅蘭圓幾何形狀)的另一可能的實(shí)施例；
[0034]圖10是根據(jù)本發(fā)明的原理的懸掛在樣品上方的分析機(jī)的透視圖；
[0035]圖11是根據(jù)本發(fā)明的原理的典型手持式X射線分析儀器和關(guān)聯(lián)的人機(jī)界面模塊的透視圖；和
[0036]圖12是圖10和/或圖11的分析器的典型的圖形用戶界面。

【具體實(shí)施方式】
[0037]改進(jìn)的X射線光源組件:
[0038]根據(jù)本發(fā)明，圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的高度校直X射線光學(xué)裝置和光源組件200的一個(gè)實(shí)施例。該成套設(shè)備的各個(gè)方面已經(jīng)在下列文獻(xiàn)中被公開:序列號(hào)為n0.61/033,899的2008年3月5日提交的題目為“用于精確的X射線分析應(yīng)用的X射線光學(xué)裝置和光源組件(X-RAY OPTIC AND SOURCE ASSEMBLY FOR PRECIS1N X-RAY ANALYSISAPPLICAT1NS) ”的共同轉(zhuǎn)讓的在先提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)；和序列號(hào)為n0.61/039，220 (現(xiàn)在的美國專利號(hào)為N0.7，738，630B2)的2008年3月25日提交的題目為“用于精確的X射線分析應(yīng)用的高度校直的X射線光學(xué)裝置和光源組件(HIGHLY ALIGNED X-RAY OPTIC ANDSOURCE ASSEMBLY FOR PRECIS1N X-RAY ANALYSIS APPLICAT1NS) ” 的文獻(xiàn)；和序列號(hào)為n0.61/042，974(現(xiàn)在的美國專利
【發(fā)明者】Z·陳 申請(qǐng)人:X射線光學(xué)系統(tǒng)公司