一種全視場(chǎng)x射線熒光成像系統(tǒng)及成像方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種全視場(chǎng)X射線熒光成像系統(tǒng)及成像方法，該方案包括X射線光源、濾片組、樣品臺(tái)、球面晶體、限光濾波裝置、二維空間分辨的探測(cè)器和計(jì)算機(jī)；樣平臺(tái)上放置樣品；X射線光源發(fā)出的X射線照射在樣品上，樣品發(fā)出的X射線熒光依次經(jīng)過(guò)限光濾波裝置和球面晶體濾波選單后聚焦成像在探測(cè)器上；計(jì)算機(jī)能夠控制X射線光源和接收探測(cè)器的回傳信息。本方案可以實(shí)現(xiàn)非掃描的全視場(chǎng)X射線熒光成像，獲得待測(cè)樣品中某一元素的含量及二維分布圖像。這種全視場(chǎng)的X射線熒光成像技術(shù)具有較大的視場(chǎng)、較高空間分辨率、極高的光譜分辨率、較大的景深、圖像采集速度快、可逐一單獨(dú)分析樣品中的多種元素，其他元素?zé)晒饣蛏⑸湓肼暩蓴_低等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種全視場(chǎng)X射線熒光成像系統(tǒng)及成像方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種，尤其是一種全視場(chǎng)X射線熒光成像系統(tǒng)及成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] X射線熒光成像分析是一種強(qiáng)大的元素分析方法，它不但能夠給出樣品的元素組 成及含量，還能給出元素在樣品中的空間分布，因此在工農(nóng)業(yè)、化學(xué)、環(huán)境、材料、生物、醫(yī)學(xué) 以及考古學(xué)等諸多領(lǐng)域具有強(qiáng)烈的需求。例如，在生物或醫(yī)學(xué)診斷中，如果能夠清晰的獲得 組織中某些微量(金屬)元素的空間分布及含量，那將對(duì)相關(guān)研究有重大的促進(jìn)和幫助。當(dāng) 前X射線熒光成像技術(shù)大多采用基于微束的掃描成像方式，它利用X射線聚焦光學(xué)元件(毛 細(xì)管器件、菲涅爾波帶片、K-B鏡、復(fù)折射透鏡等)對(duì)同步輻射或X射線管發(fā)出的X射線進(jìn)行聚 焦，對(duì)樣品的小區(qū)域進(jìn)行熒光激發(fā)，然后利用能量色散型的探測(cè)器進(jìn)行熒光收集，獲得樣品 空間一點(diǎn)附近的熒光光譜信息，再通過(guò)掃描不同的位置獲得元素的空間分布。這種技術(shù)若 要在大的樣品范圍內(nèi)獲得高空間分辨的X射線熒光圖像，逐點(diǎn)掃描需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，并且 儀器設(shè)備需要較高的對(duì)準(zhǔn)精度以及復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)，采用能量色散型探測(cè)器，能譜分 辨率相對(duì)較低，難以滿足復(fù)雜樣品的分析需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的，就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，而提供一種全視場(chǎng)X射線熒光成 像系統(tǒng)及成像方法的技術(shù)方案，本方案可以實(shí)現(xiàn)非掃描的全視場(chǎng)X射線熒光成像，獲得待 測(cè)樣品中某一元素的含量及二維分布圖像。這種全視場(chǎng)的X射線熒光成像技術(shù)具有較大的 視場(chǎng)、較高空間分辨率、極高的光譜分辨率、較大的景深、圖像采集速度快、可逐一單獨(dú)分析 樣品中的多種元素，其他元素?zé)晒饣蛏⑸湓肼暩蓴_低等優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 本方案是通過(guò)如下技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的：
[0005] -種全視場(chǎng)X射線熒光成像系統(tǒng)，包括X射線光源、濾片組、樣品臺(tái)、球面晶體、限光 濾波裝置、二維空間分辨的探測(cè)器和計(jì)算機(jī);樣平臺(tái)上放置樣品;X射線光源發(fā)出的X射線照 射在樣品上，樣品發(fā)出的X射線熒光依次經(jīng)過(guò)限光濾波裝置和球面晶體濾波選單后聚焦成 像在探測(cè)器上;計(jì)算機(jī)能夠控制X射線光源和接收探測(cè)器的回傳信息。
[0006] 作為本方案的優(yōu)選:限光濾波裝置為夾縫。
[0007] 作為本方案的優(yōu)選:夾縫的長(zhǎng)度方向沿豎直方向設(shè)置。
[0008] -種全視場(chǎng)X射線熒光成像系統(tǒng)的成像方法，包括以下步驟：
[0009] A、選取樣品，將樣品放置在樣品臺(tái)上；
[0010] B、調(diào)整確定系統(tǒng)中各個(gè)部件的安裝位置；
[0011] C、使用計(jì)算機(jī)控制開(kāi)啟X射線光源，并且接收探測(cè)器采集到樣品的X射線熒光圖像 進(jìn)行分析成像。
[0012]作為本方案的優(yōu)選:步驟B中，夾縫的安裝位置為夾縫中心與球面晶體中心的連線 與球面晶體中心點(diǎn)處的法線的夾角U/2-θ)滿足布拉格方程：
[0013] 2d sin9=nA
[0014] 其中Θ為布拉格衍射角，d為球面晶體的晶面間距，n為衍射級(jí)次，λ為待測(cè)元素發(fā)出 的熒光X射線的波長(zhǎng)。
[0015] 作為本方案的優(yōu)選:通過(guò)夾縫的X射線光譜帶寬Δλ/λ滿足以下公式：
[0017]其中，R為球面晶體的曲率半徑、a為樣品到晶體中心的距離，As為夾縫的寬度。
[0018] 作為本方案的優(yōu)選:夾縫能夠選擇性分辨不同元素發(fā)出特征熒光X射線以及濾除 散射;當(dāng)需要測(cè)量另一元素的X射線熒光時(shí)，可以更換不同材料的球面晶體或者使狹縫沿著 羅蘭圓移動(dòng)，從而改變布拉格角，并且樣品和探測(cè)器跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，使得只有這種元素的熒光X 射線才能通過(guò)球面晶體衍射后成像在探測(cè)器上。
[0019] 作為本方案的優(yōu)選:步驟B中，探測(cè)器的安裝位置為球面晶體弧矢理想焦面上，滿 足以下公式：
[0021] 其中，a為樣品到晶體中心的距離，b為探測(cè)器面到球面晶體中心的距離，R為球面 晶體的曲率半徑。
[0022]作為本方案的優(yōu)選:步驟B中，樣品到球面晶體的距離與探測(cè)器面到球面晶體的距 離相同且都位于子午平面內(nèi)球面晶體所在的圓上，即a = b = Rcsc0，此時(shí)系統(tǒng)的子午放大倍 率和弧矢放大倍率相同且為1。
[0023] 作為本方案的優(yōu)選:步驟C中探測(cè)器采集到樣品的X射線熒光圖像后，傳輸給計(jì)算 機(jī)，并利用X射線熒光圖像分析程序進(jìn)行分析，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)成像系統(tǒng)的效率進(jìn)行標(biāo)定， 建立圖像強(qiáng)度與X光源的參數(shù)、成像系統(tǒng)效率以及樣品元素的含量之間的定量關(guān)系，通過(guò)X 射線熒光成像定量分析程序給出樣品元素的定量二維空間分布信息。
[0024] 本方案的有益效果可根據(jù)對(duì)上述方案的敘述得知，由于在該方案中采用。
[0025] 由此可見(jiàn)，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和進(jìn)步，其實(shí)施的有益效果也 是顯而易見(jiàn)的。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2為本發(fā)明的流程的示意圖。
[0028]圖中，1為X射線管;2為濾片組;3為樣品;4為樣品臺(tái)；5為狹縫;6為球面晶體;7為二 維空間分辨X射線探測(cè)器;8為計(jì)算機(jī);9為X射線管發(fā)出的X射線；10為樣品發(fā)出的次級(jí)X射線 熒光;11為晶體衍射的單色熒光X射線。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的所有特征，或公開(kāi)的所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥 的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0030] 本說(shuō)明書(shū)(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖）中公開(kāi)的任一特征，除非特別敘 述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只 是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。
[0031] 本方案的成像系統(tǒng)包括X射線光源、濾片組、樣品臺(tái)、球面晶體、限光濾波裝置、二 維空間分辨的探測(cè)器和計(jì)算機(jī);樣平臺(tái)上放置樣品;X射線光源發(fā)出的X射線照射在樣品上， 樣品發(fā)出的X射線熒光依次經(jīng)過(guò)限光濾波裝置和球面晶體濾波選單后聚焦成像在探測(cè)器 上;計(jì)算機(jī)能夠控制X射線光源和接收探測(cè)器的回傳信息。限光濾波裝置為夾縫。夾縫的長(zhǎng) 度方向沿豎直方向設(shè)置。
[0032] 本方案的成像系統(tǒng)的成像方法，包括以下步驟：
[0033] A、選取樣品，將樣品放置在樣品臺(tái)上；
[0034] B、調(diào)整確定系統(tǒng)中各個(gè)部件的安裝位置；
[0035] C、使用計(jì)算機(jī)控制開(kāi)啟X射線光源，并且接收探測(cè)器采集到樣品的X射線熒光圖像 進(jìn)行分析成像。
[0036] 作為本方案的優(yōu)選:步驟B中，夾縫的安裝位置為夾縫中心與球面晶體中心的連線 與球面晶體中心點(diǎn)處的法線的夾角U/2-θ)滿足布拉格方程：
[0037] 2d sin9=nA
[0038] 其中Θ為布拉格衍射角，d為球面晶體的晶面間距，η為衍射級(jí)次，λ為待測(cè)元素發(fā)出 的熒光X射線的波長(zhǎng)。
[0039] 作為本方案的優(yōu)選:通過(guò)夾縫的X射線光譜帶寬Δλ/λ滿足以下公式：
[0041] 其中，R為球面晶體的曲率半徑、a為樣品到晶體中心的距離，As為夾縫的寬度。
[0042] 夾縫能夠選擇性分辨不同元素發(fā)出特征熒光X射線以及濾除散射；當(dāng)需要測(cè)量另 一元素的X射線熒光時(shí)，可以更換不同材料的球面晶體或者使狹縫沿著羅蘭圓移動(dòng)，從而改 變布拉格角，并且樣品和探測(cè)器跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，使得只有這種元素的熒光X射線才能通過(guò)球面晶 體衍射后成像在探測(cè)器上。
[0043]步驟B中，為了減少像差，探測(cè)器的安裝位置為球面晶體弧矢理想焦面上，滿足以 下公式：
[0045] 其中，a為樣品到晶體中心的距離，b為探測(cè)器面到球面晶體中心的距離，R為球面 晶體的曲率半徑。
[0046] 步驟B中，樣品到球面晶體的距離與探測(cè)器面到球面晶體的距離相同且都位于子 午平面內(nèi)球面晶體所在的圓上，即a = b = R csc0，此時(shí)系統(tǒng)的子午放大倍率和弧矢放大倍 率相同且為1。
[0047] 步驟C中探測(cè)器采集到樣品的X射線熒光圖像后，傳輸給計(jì)算機(jī)，并利用X射線熒光 圖像分析程序進(jìn)行分析，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)成像系統(tǒng)的效率進(jìn)行標(biāo)定，建立圖像強(qiáng)度與X光源 的參數(shù)、成像系統(tǒng)效率以及樣品元素的含量之間的定量關(guān)系，通過(guò)X射線熒光成像定量分析 程序給出樣品元素的定量二維空間分布信息。
[0048] 本方案具有較大的視場(chǎng)、較高空間分辨率、極高的光譜分辨率、較大的景深、圖像 采集速度快、可逐一單獨(dú)分析樣品中的多種元素，其他元素?zé)晒饣蛏⑸湓肼暩蓴_低等優(yōu) 點(diǎn)。
[0049]本發(fā)明并不局限于前述的【具體實(shí)施方式】。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說(shuō)明書(shū)中披露的 新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過(guò)程的步驟或任何新的組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種全視場(chǎng)X射線巧光成像系統(tǒng)，其特征是:包括X射線光源、濾片組、樣品臺(tái)、球面晶 體、限光濾波裝置、二維空間分辨的探測(cè)器和計(jì)算機(jī);所述樣平臺(tái)上放置樣品;所述X射線光 源發(fā)出的X射線照射在樣品上，樣品發(fā)出的X射線巧光依次經(jīng)過(guò)限光濾波裝置和球面晶體濾 波選單后聚焦成像在探測(cè)器上;所述計(jì)算機(jī)能夠控制X射線光源和接收探測(cè)器的回傳信息。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全視場(chǎng)X射線巧光成像系統(tǒng)，其特征是:所述限光濾波裝 置為夾縫。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種全視場(chǎng)X射線巧光成像系統(tǒng)，其特征是:所述夾縫的長(zhǎng)度 方向沿豎直方向設(shè)置。4. 一種全視場(chǎng)X射線巧光成像系統(tǒng)的成像方法，其特征是:包括W下步驟： A、 選取樣品，將樣品放置在樣品臺(tái)上； B、 調(diào)整確定系統(tǒng)中各個(gè)部件的安裝位置； C、 使用計(jì)算機(jī)控制開(kāi)啟X射線光源，并且接收探測(cè)器采集到樣品的X射線巧光圖像進(jìn)行 分析成像。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全視場(chǎng)X射線巧光成像系統(tǒng)的成像方法，其特征是:所述 步驟B中，夾縫的安裝位置為夾縫中屯、與球面晶體中屯、的連線與球面晶體中屯、點(diǎn)處的法線 的夾角(n/2-θ)滿足布拉格方程： 2dsin 目=n 入 其中Θ為布拉格衍射角，d為球面晶體的晶面間距，η為衍射級(jí)次，λ為待測(cè)元素發(fā)出的巧 光X射線的波長(zhǎng)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種全視場(chǎng)X射線巧光成像系統(tǒng)的成像方法，其特征是:通過(guò) 夾縫的X射線光譜帶寬A λ/λ滿足W下公式：其中，R為球面晶體的曲率半徑、a為樣品到晶體中屯、的距離，As為夾縫的寬度。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種全視場(chǎng)X射線巧光成像系統(tǒng)的成像方法，其特征是:夾縫 能夠選擇性分辨不同元素發(fā)出特征巧光X射線W及濾除散射；當(dāng)需要測(cè)量另一元素的X射線 巧光時(shí)，可W更換不同材料的球面晶體或者使狹縫沿著羅蘭圓移動(dòng)，從而改變布拉格角，并 且樣品和探測(cè)器跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，使得只有運(yùn)種元素的巧光X射線才能通過(guò)球面晶體衍射后成像 在探測(cè)器上。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全視場(chǎng)X射線巧光成像系統(tǒng)的成像方法，其特征是:所述 步驟B中，探測(cè)器的安裝位置為球面晶體弧矢理想焦面上，滿足W下公式：其中，a為樣品到晶體中屯、的距離，b為探測(cè)器面到球面晶體中屯、的距離，R為球面晶體 的曲率半徑。9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全視場(chǎng)X射線巧光成像系統(tǒng)的成像方法，其特征是:所述 步驟B中，樣品到球面晶體的距離與探測(cè)器面到球面晶體的距離相同且都位于子午平面內(nèi) 球面晶體所在的圓上，即a = b = Rcsc0，此時(shí)系統(tǒng)的子午放大倍率和弧矢放大倍率相同且為 Ιο10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全視場(chǎng)X射線巧光成像系統(tǒng)的成像方法，其特征是:所述 步驟帥探測(cè)器采集到樣品的X射線巧光圖像后，傳輸給計(jì)算機(jī)，并利用X射線巧光圖像分析 程序進(jìn)行分析，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)成像系統(tǒng)的效率進(jìn)行標(biāo)定，建立圖像強(qiáng)度與X光源的參數(shù)、 成像系統(tǒng)效率W及樣品元素的含量之間的定量關(guān)系，通過(guò)X射線巧光成像定量分析程序給 出樣品元素的定量二維空間分布信息。
【文檔編號(hào)】G01N23/223GK106093095SQ201610369713
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】陽(yáng)慶國(guó)
【申請(qǐng)人】中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所