專利名稱：一種非掃描式波長色散型x射線熒光光譜儀的制作方法
技術(shù)領域：
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+光子計數(shù)成像探測器”的波長色散型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，可廣泛的應用于環(huán)境監(jiān)測、食品安全、生物光學、材料科學、冶金化工、地質(zhì)勘探以及金屬檢測等眾多行業(yè)與學科技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
當高能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，會將原子激發(fā)至一個不穩(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，其能量等于兩能級之間的能量差。因此，熒光X射線的波長和能量是特征性的，與元素有一一對應的關系。
傳統(tǒng)的波長色散型X射線熒光光譜儀主要由X射線管、一級準直器(又稱入射狹縫)、分光晶體、二級準直器(又稱出射狹縫)、探測器、脈沖高度分析器以及精密復雜的測角裝置和位移機構(gòu)(或是轉(zhuǎn)動機構(gòu))等構(gòu)成x射線管的作用是提供原級X射線激發(fā)樣品以產(chǎn)生熒光X射線；一級準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或衍射角的熒光X射線分開；二級準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入探測器；探測器將入射的單個熒光X射線光子轉(zhuǎn)換為脈沖幅度與其能量(或波長)相對應的脈沖信號；脈沖高度分析器根據(jù)設定的最小和最大閾值，將待分析譜線脈沖信號從某些干擾線和散射線所產(chǎn)生的脈沖信號中分辨出來，并根據(jù)信號幅度將待分析譜線脈沖信號做一個統(tǒng)計，從而達到對試樣進行定性定量分析的目的。
上述波長色散型X射線熒光光譜儀是依靠分光晶體和探測器的順序轉(zhuǎn)動來檢測不同波長的熒光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器以檢測某些具有特定衍射方向的熒光X射線，這種儀器稱為同時型(或固定型)。
對于順序型(或掃描型)的波長色散型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行，通常需要配置一套精密復雜的測角裝置和位移機構(gòu)(或是轉(zhuǎn)動機構(gòu))，其作用是保證熒光X射線經(jīng)一級和二級準直器后，入射光束以θ角進入分光晶體， 出射光束以2 θ角射入探測器，并且保證一級準直器、分光晶體和二級準直器三者之間的位置關系始終保持在一個半徑為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，一級準直器(入射狹縫)和二級準直器(出射狹縫)到分光晶體的距離相等。由于測角裝置和位移機構(gòu)(或轉(zhuǎn)動機構(gòu))的精密復雜性以及順序掃描的時間特性，故這一類儀器的抗干擾能力往往不強，運行穩(wěn)定性和調(diào)校方便性較差，不能同時分析多種物質(zhì)成分，工作速度也較慢。
此外，由于順序型(或掃描型)的波長色散型X射線熒光光譜儀需要配置一套精密復雜的測角裝置和位移機構(gòu)(或是轉(zhuǎn)動機構(gòu))，并且需要保證其運轉(zhuǎn)的精密性，故此類儀器的結(jié)構(gòu)體積復雜龐大，X射線管、樣品、分光晶體以及探測器都相距較遠，相應的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轉(zhuǎn)。由此導致此類儀器需為 X射線管配備價格昂貴的高壓發(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+光子計數(shù)成像探測器 4”的波長色散型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+光子計數(shù)成像探測器 4”的波長色散型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、光子計數(shù)成像探測器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分開，并在光子計數(shù)成像探測器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一一對應；
光子計數(shù)成像探測器4，用于探測環(huán)形衍射條紋圖像，通過位敏探測和光子計數(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數(shù)成像探測器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樣品進行定性定量分析；
X射線管1照射樣品的方向與觀測熒光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置的是小孔光闌2、圓柱環(huán)分光晶體3以及光子計數(shù)成像探測器 4 ；小孔光闌2的通光口中心和光子計數(shù)成像探測器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的通光口視為一個射點；光子計數(shù)成像探測器4與信息處理及顯示5之間主要是通過信號引線進行電子學連接。
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。
上述的光子計數(shù)成像探測器4主要由光學輸入窗、光陰極、MCP、位敏陽極、電子讀出電路以及直流高壓電源等部分構(gòu)成光陰極既可鍍在光學輸入窗的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成透射式光陰極，也可鍍在第一塊MCP輸入端的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成反射式光陰極；光學輸入窗與MCP 輸入端之間和MCP輸出端與位敏陽極之間設有間距；位敏陽極鍍在絕緣襯底上，與電子讀出電路之間通過信號弓I線進行電子學連接；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輸出端以及位敏陽極進行電連接，為偏置加速電場和MCP提供工作電壓。
進一步，可在光子計數(shù)成像探測器4的MCP輸出端與位敏陽極之間加設一半導體層，MCP輸出端與半導體層之間設有間距，半導體層鍍在絕緣襯底上，直流高壓電源通過高壓引線或?qū)щ婋姌O與半導體層進行連接。
進一步，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)設計成其它形狀的結(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)上設置多種晶體點陣面間距的分光晶體以擴大熒光X射線的衍射角覆蓋范圍，即圓柱環(huán)分光晶體3的晶體點陣面間距不限于單一固定值；一種晶體點陣面間距的分光晶體對應一個弧跨度，相應的環(huán)形衍射條紋演變?yōu)樯拳h(huán)形衍射條紋。
進一步，根據(jù)實際應用需要可在X射線熒光光譜儀內(nèi)加設位移機構(gòu)，沿中軸線方向移動圓柱環(huán)分光晶體3或是光子計數(shù)成像探測器4再或是小孔光闌2，以擴大熒光X射線的衍射角覆蓋范圍。
進一步，根據(jù)實際應用需要可在X射線熒光光譜儀內(nèi)加設相應的光學元件或是裝置，以實現(xiàn)濾光、減光、遮光、集光以及光闌限光等光學功能。
本發(fā)明的效果
1)由于免除了精密復雜的測角裝置和位移機構(gòu)(或是轉(zhuǎn)動機構(gòu))，并且不需要對熒光X射線譜線進行掃描，因此該X射線熒光光譜儀運行穩(wěn)定，升級調(diào)教方便，可同時分析多種物質(zhì)成分，工作速度快。
2)由于不需要在儀器內(nèi)設置預留讓測角裝置和位移機構(gòu)(或是轉(zhuǎn)動機構(gòu))正常運轉(zhuǎn)的空間，儀器的結(jié)構(gòu)體積變得簡單小巧，相應的X射線管1、小孔光闌2、圓柱環(huán)分光晶體3以及光子計數(shù)成像探測器4可設置在一個較小的空間范圍內(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)的波長色散型X射線熒光光譜儀的光譜分辨能力是通過機械結(jié)構(gòu)和光路結(jié)構(gòu)的精密性(精密的角度測量和位移控制以及其它措施)來保障的，而本發(fā)明只需通過簡單的機械光路結(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(波長讀數(shù)精度)，而且降低了儀器對樣品形狀和位置變化的敏感性，從而簡化了樣品的前期預處理過程，提高了儀器的適用性和魯棒性。
4)由于光子計數(shù)成像探測器4無需掃描便可直接讀出熒光X射線的光譜強度分布圖像(環(huán)形衍射條紋圖像)，因此本發(fā)明不但可以同時分析多種物質(zhì)成分，而且可以充分的利用工作波長范圍內(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確度。


為了更清楚的說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中需要使用的附圖作簡單的介紹。顯而易見的，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例。
圖1為非掃描式波長色散型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數(shù)成像探測器的基本結(jié)構(gòu)示意圖5為電荷感應讀出方式的光子計數(shù)成像探測器的基本結(jié)構(gòu)示意圖6為其它形狀的分光晶體否成示意圖7為多種晶體點陣面間距的分光晶體構(gòu)成示意圖8不同類型的位敏陽極基本結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標號說明
1、X射線管；2、小孔光闌；3、圓柱環(huán)分光晶體；4、光子計數(shù)成像探測器；5、信息處理及顯示。
具體實施方式
下面結(jié)合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。
實施例一
本實施例，一種非掃描式波長色散型X射線熒光光譜儀(如圖1所示)，是在傳統(tǒng)的掃描式波長色散型X射線熒光光譜儀(如圖2所示)的基礎之上構(gòu)思設計的光闌方面用“小孔光闌2”替代傳統(tǒng)的“入射準直器+出射準直器”；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”；探測器方面用“光子計數(shù)成像探測器4”替代傳統(tǒng)的“正比計數(shù)器”或“閃爍計數(shù)器”或“半導體探測器”;同時免除了傳統(tǒng)精密復雜的測角裝置和位移機構(gòu)(或是轉(zhuǎn)動機構(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、光子計數(shù)成像探測器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；
光子計數(shù)成像探測器4是一種能夠進行位敏探測和光子計數(shù)的圖像傳感器；
信息處理及顯示5用于接收和處理光學圖像，并將處理分析結(jié)果以各種便于人們或機器理解的圖文形式表達出來；
X射線管1照射樣品的方向與觀測熒光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置的是小孔光闌2、圓柱環(huán)分光晶體3以及光子計數(shù)成像探測器 4 ；小孔光闌2通光口的中心和光子計數(shù)成像探測器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的通光口視為一個射點；光子計數(shù)成像探測器4與信息處理及顯示5之間主要是通過信號引線進行電子學連接。
上述的光子計數(shù)成像探測器4，學名又稱“陽極探測器”或“多陽極探測器”，主要由光學輸入窗、光陰極、MCP、位敏陽極、電子讀出電路以及直流高壓電源等部分構(gòu)成，如圖4 所示光陰極既可鍍在光學輸入窗的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成透射式光陰極(如圖4、圖5所示)，也可鍍在第一塊MCP輸入端的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成反射式光陰極；光學輸入窗與MCP輸入端之間和MCP輸出端與位敏陽極之間設有間距；位敏陽極鍍在絕緣襯底上，與電子讀出電路之間通過信號引線進行電子學連接；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輸出端以及位敏陽極進行電連接，為偏置加速電場和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分開，并在光子計數(shù)成像探測器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一一對應；
S400.光子計數(shù)成像探測器4通過位敏探測和光子計數(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樣品進行定性定量分析，并將分析結(jié)果以各種便于人們或機器理解的圖文形式表達出來。
上述步驟S400，即光子計數(shù)成像探測器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空范疇內(nèi)可看成是由一個接一個不同平面位置處的單個光子組成的光子流，光子流中的每個光子通過光學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將單個的光子轉(zhuǎn)換為單個的光電子；
S530.單個的光電子在加速偏置電場的作用下徑直轟擊MCP，經(jīng)MCP倍增后形成一電子云團；
S540.電子云團在加速偏置電場的作用下渡越到位敏陽極并被位敏陽極所收集；
S550.電子讀出電路根據(jù)位敏陽極上各個金屬導體收集到的電荷量或電子云團到達各個金屬導體計時點的時刻，對電子云團的質(zhì)心位置進行解碼，該質(zhì)心位置便可反演為單個光子的入射位置；
S560.完成單個光子的位置解碼后便在相應的位置上進行一次計數(shù)；
S570.在一定的圖像積分時間內(nèi)，通過對大量光子的“位置解碼”和在不同位置上的光子計數(shù)，即反復循環(huán)步驟S510-S560，便可重構(gòu)環(huán)形衍射條紋圖像。
實施例二
本實施例與實施例一基本相同，不同之處在于在實施例一所述光子計數(shù)成像探測器4的基礎之上，可在MCP輸出端與位敏陽極之間加設一半導體層，MCP輸出端與半導體層之間設有間距，半導體層鍍在絕緣襯底上，直流高壓電源通過高壓引線或?qū)щ婋姌O與半導體層進行電連接(如圖5所示)。此時，上述步驟S540，即位敏陽極收集電子云團的物理過程，演變?yōu)殡娮釉茍F在加速偏置電場的作用下先渡越到半導體層，然后通過電荷感應被感應到位敏陽極。
實施例三
本實施例與實施例一基本相同，變化之處在于在實施例一所述X射線熒光光譜儀的基礎之上，根據(jù)X射線管1的功耗大小，可配備相應的高壓發(fā)生器和穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置以及冷卻系統(tǒng)，以滿足實際的應用需要。
實施例四
本實施例與實施例一基本相同，變化之處在于在實施例一所述X射線熒光光譜儀的基礎之上，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。
實施例五
本實施例與實施例一基本相同，變化之處在于在實施例一所述X射線熒光光譜儀的基礎之上，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)可以設計成其它形狀的結(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。
實施例六
本實施例與實施例一基本相同，變化之處在于在實施例一所述X射線熒光光譜儀的基礎之上，圓柱環(huán)分光晶體3的晶體點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)上能夠設置多種晶體點陣面間距的分光晶體以擴大熒光X射線的衍射角覆蓋范圍，如圖7 所示。一種晶體點陣面間距的分光晶體對應一個弧跨度，此時，相應的環(huán)形衍射條紋演變?yōu)樯拳h(huán)形衍射條紋。
實施例七
本實施例與實施例一基本相同，變化之處在于在實施例一所述X射線熒光光譜儀的基礎之上，根據(jù)實際應用需要可加設位移機構(gòu)，沿中軸線方向移動圓柱環(huán)分光晶體3 或是光子計數(shù)成像探測器4再或是小孔光闌2，從而擴大熒光X射線的衍射角覆蓋范圍。
實施例八
本實施例與實施例一基本相同，變化之處在于在實施例一所述X射線熒光光譜儀的基礎之上，根據(jù)實際應用需要可加設相應的光學元件或是裝置，以實現(xiàn)濾光、減光、遮光、集光以及光闌限光等光學功能。
實施例九
本實施例與實施例一基本相同，變化之處在于在實施例一所述X射線熒光光譜儀的基礎之上，光子計數(shù)成像探測器4可設置在距圓柱環(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)，也可設置在較遠位置以觀察前向衍射的環(huán)形衍射條紋圖像(如圖3所示)。
實施例十
本實施例與實施例一和實施例二基本相同，變化之處在于在實施例一或?qū)嵤├鯴射線熒光光譜儀的基礎之上，可采用不同種類、不同類型以及不同規(guī)格的“光子計數(shù)成像探測器4”，以滿足實際應用需求。例如探測靈敏度、空間分辨率、圖像失真度、有效成像面積、最大計數(shù)率以及集成度等實際應用需求。
1]根據(jù)X射線的特性，光學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選用CsI時，其既可鍍在光學輸入窗的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成透射式光陰極(如圖4、圖5所示)，也可鍍在第一塊MCP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)；當沒有光陰極時，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以實現(xiàn)電子倍增功能2塊MCP采用“V” 型級聯(lián)，其電子增益可達IO6-IO7 ；3塊MCP采用“Z”型堆疊，其增益可達IO7-IO8。(MCP工作于“飽和增益”模式)
4]位敏陽極由數(shù)個或是眾多個具有特定幾何形狀或是排列順序的金屬導體構(gòu)成； 金屬導體通常制作在絕緣襯底上，導體之間相互絕緣，導體材料可選用銅、鋁或是金等良導體；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極微通道陣列(MAMA/Multi-Anode MicroChannel Array)、楔條形陽極(WSA/Wedge and Strip Anodes)、游標陽極(Vernier Anode)、延時線(De 1 ay-line)、交叉條紋(Cross Strip)以及電阻型陽極(Resistive Anode)等，如圖8所示。
5]半導體層通常采用高純多晶鍺或是其它的半導體材料，厚度約數(shù)百納米，方塊電阻100ΜΩ左右；半導體層通常制作在絕緣襯底上，襯底厚度數(shù)個毫米，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]通常將光學輸入窗、光陰極、MCP以及位敏陽極封裝成一個真空器件，并備有直流高壓輸入接口和信號輸出接口，如圖4所示；或是將光學輸入窗、光陰極、MCP以及半導體層封裝成一個真空器件，位敏陽極則從真空器件外部以電荷感應方式讀出半導體層收集到的電子云團，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現(xiàn)電荷-電壓或者是電荷-電流轉(zhuǎn)換。當電子增益較大時，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脈沖信號進行準高斯整形以提高信噪比，其實質(zhì)是一個低通濾波電路。
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)場可編程門陣列+數(shù)字信號處理器”再或是其它的模式。
8]直流高壓電源為MCP和各個加速偏置電場提供靜態(tài)工作電壓。
該實施例說明，根據(jù)實際應用需求，本發(fā)明可采用不同種類、不同類型以及不同規(guī)格的光子計數(shù)成像探測器4，由此可以派生出多種基于不同“光子計數(shù)成像探測器4”的非掃描式波長色散型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。本行業(yè)的技術(shù)人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實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)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入本發(fā)明要求保護的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種非掃描式波長色散型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)、光子計數(shù)成像探測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分開，并在光子計數(shù)成像探測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一一對應；光子計數(shù)成像探測器，用于探測環(huán)形衍射條紋圖像，通過位敏探測和光子計數(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數(shù)成像探測器(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樣品進行定性定量分析；X射線管(1)照射樣品的方向與觀測熒光X射線的方向成一角度；光子計數(shù)成像探測器(4)與信息處理及顯示(5)之間主要是通過信號引線進行電子學連接。
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熒光X射線的傳播路徑上依次設置的是小孔光闌O)、圓柱環(huán)分光晶體C3)以及光子計數(shù)成像探測器；小孔光闌O)的通光口中心和光子計數(shù)成像探測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)的通光口視為一個射點。
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數(shù)成像探測器(4)主要由光學輸入窗、光陰極、微通道板(MCP/Microcharmel Plate)、位敏陽極、電子讀出電路以及直流高壓電源構(gòu)成；其中，光陰極能夠鍍在光學輸入窗的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成透射式光陰極，或是鍍在第一塊 MCP輸入端的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成反射式光陰極；光學輸入窗與MCP輸入端之間和MCP輸出端與位敏陽極之間設有間距； 位敏陽極鍍在絕緣襯底上，與電子讀出電路之間通過信號引線進行電子學連接； 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輸出端以及位敏陽極進行電連接，為偏置加速電場和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數(shù)成像探測器⑷能夠在MCP輸出端與位敏陽極之間加設一半導體層，MCP輸出端與半導體層之間設有間距，半導體層鍍在絕緣襯底上，直流高壓電源通過高壓引線或?qū)щ婋姌O與半導體層進行電連接。
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)能夠設計成其它形狀的結(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)上能夠設置多種晶體點陣面間距的分光晶體以擴大熒光X射線的衍射角覆蓋范圍；一種晶體點陣面間距的分光晶體對應一個弧跨度，相應的環(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)實際應用需要能夠加設位移機構(gòu)，沿中軸線方向移動圓柱環(huán)分光晶體(3)或是光子計數(shù)成像探測器(4)再或是小孔光闌O)，以擴大熒光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)實際應用需要能夠加設相應的光學元件或是裝置，以實現(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、光子計數(shù)成像探測器以及信息處理及顯示構(gòu)成X射線管輸出原級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)分光晶體對熒光X射線進行衍射，形成明暗相間的環(huán)形衍射條紋圖像；光子計數(shù)成像探測器通過位敏探測和光子計數(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樣品進行定性定量分析。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、魯棒性強、工作速度快、升級調(diào)教方便、功耗低、成本低、精度高、可同時分析多種物質(zhì)成分以及可充分利用工作波長范圍內(nèi)的每一條譜線。
文檔編號G01N23/223GK102507623SQ201110311400
公開日2012年6月20日 申請日期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 申請人:深圳市世紀天源環(huán)保技術(shù)有限公司, 繆震華