在高度校準的包裝中具有多個激發能量帶的xrf系統的製作方法

2023-05-28 18:12:16 2

專利名稱：在高度校準的包裝中具有多個激發能量帶的xrf系統的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及一種X射線分析系統，並且更特別地，涉及提供多個激發能量 以改進多個元件在均質和非均質樣品結構中多個元素的檢測和分析的X射線源組件。
背景技術：
存在新興的需要來提供其中毒素的級別被減小到最低或完全消除的所有類型的 產品。這需要具有清楚的基本醫學基礎並且由恐懼和待處理的立法一這是許多近期的廣受 宣傳的產品中的毒素(例如，玩具中的鉛)的案例的結果而加速。不安全產品的成本超過 健康影響以包括商業的大量損失、對品牌和公司形象的永久傷害和提高級別的法人和個人責任。響應這些問題，全世界對於消費者產品都具有增長趨勢的日益嚴格的環境和健康 法規。調節的產品的列表迅速地提高並且毒素的類型和允許水平變得更加嚴格。一些工 業玩家通過在它們的供應鏈中批准更清潔的產品而超越它們銷售的產品的法規。法規有 效地旨在通過減少我們的環境中的毒素來減少人直接暴露於毒素中。幾個更嚴格的標準 可以追溯至始於20世紀90年代早期的歐洲環保指令，始於包裝材料和電池中的規章。在 隨後的年代中，EU引入了對於汽車的危險物質的減少(ELV)和兩個涉及電子產品的指令 (Restriction of Hazardous Substances 或 RoHS 禾口 Waste Electrical and Electronic Equipment或TOEE)。未決的美國聯邦立法將玩具上油漆中的鉛水平降低六個因子並且威 脅對違反的公司的單次違反處以罰金從1000萬美元到1億美元的刑事訴訟。另外，限制就 中其它已知的毒素，包括汞、砷、鎘、鋇和鉻。這種人類健康和環保措施的傳播對於產品設計、製造並且最終地丟棄或再循環的 方式具有深遠的全球影響。用於產品中毒素的當前測量方法並不符合從工廠到最終消費者的供應鏈的要求。 在從原材料到部件到完成的產品的鏈條的每個步驟中都需要毒素的識別和測量。儘管原材 料測量對於工廠是最高效的，但是分銷渠道通常需要對最終產品進行測量。迫切地需要新 的技術來精確地、迅速地、始終如一地並且成本節約地在每個階段測量毒素，且在產品的制 造和分銷的流動中具有最小的中斷。因為玩具和其它產品通常具有小的油漆特徵(色素通 常是毒素的源頭)，所以需要測量小的區域同時把油漆與基底材料加以區別。現有的低成本毒素檢測方法通常是無效的，例如拭子測試。提供所需精度的更高 成本的方法是昂貴並且消耗時間的。這些方法有時涉及手動地刮擦樣品，在提高的溫度和
4壓力下蒸煮它們，並且將它們導入燃燒室中，然後分析燃燒產物。一種當今廣泛使用的方法 是感應耦合等離子光學發射光譜學(ICP-OES)-—種昂貴、破壞性和緩慢的方法。或者，手 持X射線螢光(XRF)槍是快速和非破壞性的，但是僅僅對於高於調節濃度才是可靠的，並且 在大的樣品區域中被平均，並且不能單獨地評價油漆層。如下面進一步討論的那樣，本發明提供了一種對於產品中的毒素具有由複雜的專 有X射線光學器件實現的快速、精確的結果的測量解決方案。這種專有光學器件通常提供 了聚焦X射線的能力中的10-1，OOOx的改進；並且光學啟用的分析器尤其適於這些目標的 市場一將測量從實驗室移動到工廠、野外和診所。在X射線分析系統中，高的X射線射束強度和小的射束斑尺寸對於減少樣品曝光 時間、提高空間解析度並因此改進信號與背景之比和X射線分析測試的總體質量是很重要 的。在過去，昂貴和大功率的X射線源例如旋轉陽極X射線管或同步加速器是在實驗室中 生成高強度X射線射束的唯一可用選項。近來，X射線光學設備的發展已經使之可以通過聚 焦X射線從X射線源收集發散輻射。X射線聚焦光學器件和小的低功耗X射線源的組合可 以生成具有可與更昂貴設備實現的強度相比較的X射線射束。因此，基於小的便宜的X射 線源、激發光學器件和收集光學器件的組合的系統已經極大地擴展了 X射線分析設備在例 如小型實驗室和在野外、工廠或診所等中的可用性和能力。X射線射束在激發和/或檢測路徑中的單色化也用於激勵和/或檢測對應於感興 趣的各種元素(鉛等)的X射線能譜的非常精確的部分。X射線單色化技術基於X射線在 光學晶體例如鍺(Ge)或矽(Si)晶體上的衍射。彎晶可以提供發散輻射從X射線源到目標 上的偏轉，以及提供達到目標的光子的單色化。兩種常見類型的彎晶被稱為單彎晶和雙彎 晶(DCCs)。使用本領域中已知為羅蘭圓幾何形狀的單彎晶可以提供在兩維中的聚焦，而X 射線輻射在第三或正交平面中未聚焦。雙彎晶提供了 X射線從源到所有三維中的點目標的 聚焦。該三維聚焦在本領域中被稱為「點到點」聚焦。編號為6，285，506和7，035，374的共同轉讓的美國專利公開了用於X射線聚焦和 單色化的彎曲X射線光學器件的各種配置。一般而言，這些專利公開了形成到彎曲光學元 件中的柔性層的結晶材料(例如Si)。光學器件的單色化功能和傳輸效率是由光學器件的 晶體結構確定的。使用聚焦和單色X射線光學器件將X射線輻射聚焦到具有更高強度的小斑的能力 能夠降低X射線管的尺寸和成本，並且因此X射線系統已經從實驗室擴展到現場的野外使 用。全部在此包含作為參考的編號為6，934，359和7，072，439的共同轉讓的美國專利公開 了單色波長色散X射線螢光(MWD XRF)技術和系統，在激發和/或檢測路徑中使用雙彎晶 光學器件。在這些專利中描述的X射線光學器件啟用的系統在實驗室中享有普遍的成功， 用於測量多種精煉廠、終端和管線環境中的石油燃料中的硫。在這種系統中，需要沿著由源和試樣斑界定的軸線的精確的光學校準，如在上面 包含的編號為7，035，374的美國專利中所顯示的，該專利提出了圍繞依照布拉格衍射條件 操作的中心軸線的彎曲的單色光學器件的配置。圖Ia是具有彎曲光學器件152、X射線源 位置154和X射線目標位置156的該X射線光學配置150的典型的等角視圖。X射線源位 置154和X射線目標位置156界定了源到目標的傳輸軸線162。光學器件152可以包括多 個各自的光學晶體164，它們所有均可以圍繞軸線162對稱地布置。
圖Ib是沿圖Ia的剖面線Ib-Ib剖開的剖視圖，其中光學器件152的表面、X射線 源位置154和X射線目標位置156界定了用於光學器件152的半徑R的一個或多個羅蘭 (或聚焦)圓160和161。本領域的技術人員可以認識到，與晶體光學器件152或各自的晶 體164相關的羅蘭圓的數目和朝向將隨著光學晶體152的表面的位置例如光學晶體152上 環形位置的差異而變化。光學晶體152的內部原子衍射平面也可能不平行於其表面。例如，如圖Ib中所示， 在表面的切點158及其相應的光學圓160或161處，晶體152的原子衍射平面與X射線所指 示的平面形成角度h。θ B是晶體光學器件152的布拉格角，該角確定了其衍射效果。在 一個實例中每個各自的光學晶體可以依照在上面包含的編號為6，285，506的題為「Curved Optical Device and Method of Fabrication」的美國專利中公開的方法製造。為了適當的布拉格條件，所有的各自晶體164應該被校準到源至目標軸線162。因 此光學校準尤其是用於這種多晶體光學器件的改進保持為感興趣的重要領域。尤其地影響 大量製造的另一個問題是需要校準從不同賣主那裡購買的不同部件。例如，X射線管，當從 一個賣主那裡大量購買時，可能具有相對於它們自己的外殼不始終如一地定中心的源X射 線斑。重定中心這些X射線管斑是需要的，作為整個X射線源組件的校準處理中的初始步 馬聚O已經提出了各種光學/源組合來處理熱穩定性、射束穩定性和校準問題，例如在 編號為7，110，506、7，209，545和7，257，193的共同轉讓的美國專利中所公開的。這些 專利中的每一個的全部均在此引入作為參考。特別是，編號為7，209，545(題為1-1 對 Source Assembly Having Enhanced Output Stability, and Fluid Stream Analysis Applications Thereof」)和 7，257，193(題為「X_Ray Source Assembly Having Enhanced Output Stability Using Tube Power Adjustments and Remote Calibration，，)的專利 使用實時、校正反饋的方法用於管焦斑、光學器件和輸出焦斑之間的校準從而解決了源操 作期間的特定管/光學器件校準問題。傳感器被用於檢測各種運行狀況，並且做出機械和 /或熱調節以校正包括未校準在內的不穩定。這些類型的系統是需要的並且對某些應用是 有價值的，但是也會增加成本和野外系統的複雜性。上述XRF技術和系統在用於測量通常均一的樣品結構(例如，石油產品中的硫) 的單個元素分析器中是有用的。然而，產品中毒素的測量提供了附加的挑戰級別。首先，器 具應該具有從如上面所述的大約10種有毒元素的相對有限的列表中同時或近乎同時地測 量一種以上元素的能力。此外，產品可能在本質上是非均質的，這就要求小的斑點解析度， 以及檢測多個非均質的層之一中的毒素(例如，在油漆層中和油漆下面的襯底層中鉛的水 平)的能力。因此，需要改進的X射線分析方法和系統以解決與在潛在地非均質樣品中測量多 種毒素有關的問題，以能夠對產品中的毒素進行廠內和/或野外測量。

發明內容
本發明克服了現有技術中的缺點並且提供了附加的優點，且本發明在一個方面是 用於使用X射線射束照射試樣斑的X射線分析裝置。提供了一種具有源斑的X射線管，由 該源斑生成具有特性第一能量和韌致輻射能量的發散X射線射束。第一 X射線光學器件接收發散的X射線射束並朝試樣斑指引射束，同時使射束單色化；和接收發散的X射線射束並 朝試樣斑指引射束同時使射束單色化為第二能量的第二X射線光學器件。第一X射線光學 器件使來自源斑的特徵能量單色化並且第二X射線光學器件使來自源斑的韌致輻射能量 單色化。X射線光學器件可以是彎曲的衍射光學器件，用於從X射線管接收發散的X射線射 束並且將射束聚焦在試樣斑上。還提供了檢測以檢測和測量在例如包括玩具和電子產品的 產品中的各種毒素。發明者已經開發了這些新穎和有效的技術來解決詳細檢查製造的產品中的毒素 的不斷增長的市場需求。光學啟用的、單色激發的、微聚焦能量色散的XRF使用上面討論的 先進的X射線光學器件連同低瓦特的X射線管、商業上可用的傳感器和緊湊的觸發設計的 專用軟體算法。光學器件極大地改進了信噪比並且將強度集中在小斑點上。光學啟用的分 析器可以在通常於產品例如玩具和電子產品中找到的小特徵中非破壞性地檢測並且同時 量化多種有毒元素，而無論產品的形狀、尺寸或均質性。其使用簡單的設計能夠使毒素濃度 的可量化測量低至lppm。系統維持可靠的記錄，包括玩具和所測量特徵的清楚的時間戳的 攝像標識，保證審計順應性。雙彎晶(DCC)單色光學器件可以通過從發散源捕獲X射線並且將它們重定向到產 品表面上的強聚焦射束中而用於增強測量強度。它們的小斑點尺寸允許分析器檢查內徑低 至1. 5mm的小特徵而不會降低速度或數據質量。該獨特的能力將區分在玩具和電子產品中 通常可見的非常小的特徵。法規要求每種材料被單獨地測定；限制是每種材料和顏色在多 個特徵上並不是平均的。光學器件提供的有利的信噪比向分析器提供了極低的檢測下限。檢測的該性能限 度增大了結果的可靠性，因此顯著地減少了假陽性或假陰性的數目。分析器將保持有效，甚 至是在對於最低的對鉛提出的40ppm的管理極限下。油漆塗層在玩具市場是特別感興趣的，這樣玩具分析器就包含了具有隔離油漆層 的最佳能級和角度的專用塗層光學器件。沒有光學器件的傳統XRF技術取得塗層和襯底層 的中間值，這可以屏蔽油漆層中的高毒素水平。玩具分析器可以區分油漆塗層與襯底的組 成。多元素能力可以同時提供玩具和其它消費品中大多數請求的毒素的結果。可以該 系統可以同時檢測至少26種不同的元素，且重點在製造商最感興趣的10種毒素上，包括 Cr、As、Br、Cd、Sb、Ba、Se、Hg、Cl 禾口 Pb。另外，通過本發明的技術實現了附加的特徵和優點。其它實施例和本發明的方面 詳細描述在此並且被認為是所要求保護的發明的一部分。


在說明書的末尾部分的權利要求書中尤其地指出並且清楚地要求了被視為本發 明的主題。通過下面的詳細說明並結合附圖，本發明的前述和其它目的、特徵和優點將會顯 而易見，其中圖la-b顯示了圍繞需要校準的軸線的晶體X射線光學器件的示例性配置；圖2是依照本發明的一個方面的校準的X射線光學器件和源組件的透視圖；圖3是圖2的組件的剖視7
圖4是圖2的組件的分解圖；圖5a_b顯示了來自X射線管的典型特徵線和軔致輻射；圖6a_b顯示了使X射線管能量單色化的影響和改進的檢測結果；圖7a_b顯示了依照本發明由於單色激發能量的各種元素峰和多個單色激發能量 射束的電勢布置；圖8是由依照本發明的三個不同聚焦的單色X射線光學器件確定的X射線路徑的 簡圖；並且圖9顯示了使用依照本發明提出的裝置處理的樣品的示例性激發，用於測量感興 趣的10種元素。
具體實施例方式用於執行本發明的最佳樽式高度校準的X射線源組件:依照本發明，圖2-4以各種視圖(使用相似的數字表示相似的元件)顯示了依照 本發明的高度校準的X射線光學器件和源組件200。該包裝的各個方法已經公布在2008 年 3 月 5 日提交的序列號為 61/033,899 的題為 「X-RAY OPTIC AND SOURCE ASSEMBLY FOR PRECISION X-RAY ANALYSIS APPLICATIONS」 禾口 2008 年 3 月 25 日提交的序列號為 61/039，220 的題為「HIGHLY ALIGNED X-RAY OPTIC AND SOURCE ASSEMBLY FOR PRECISION X -RAY ANALYSIS APPLICATIONS」的共同轉讓的、預先提交的美國臨時申請中，它們均全部 包含在此作為參考。如這些申請中所述，該組件包括第一部分210、第二部分220和第三部分230，它們 一起使X射線管240沿著中心傳輸軸線Z對準試樣斑250。保持也需要對準傳輸軸線Z的 示例性單色光學器件(如上相對於圖la-b所述)的多個光學託架組件222、224和226也 沿著該軸線校準。第一外殼部分210可以圍繞其周邊包括可調節管安裝特徵212、214用於可調節地 安裝管240，因此保證管X射線斑242圍繞部分210的中心軸(未顯示)在中心地定中心。 如下文所述，組件部分210、220和230的進一步連接將保證每個各自部分的軸線(未顯示) 最終對準傳輸軸線Z。因此，本發明允許潛在地不同的部件沿著中心傳輸軸線Z的增量校 準。對於X射線管240，它們在從製造商運送時可以具有偏心的管斑，因此需要使用可調節 安裝特徵212和214 (例如止動螺釘)沿著部分210的軸線再定中心。提供高效、經濟、便攜分析性能的能力在很大程度上取決於X射線管和光學技術。 在這一點上，可以對於較小的便攜系統例如緊湊的電子轟擊X射線管組合特定的管和光學 技術。可以從Oxford Instruments #5011型獲得該類X射線管的一個實例，相對於花費數 千或幾十萬美元的大功率實驗室源，它在小於100瓦特(即75瓦特)下操作，成本為小於 每個管$1500，這對於許多應用可以抑制成本。另一個實例是Varian VF-50J(類似於在此 顯示的)，形狀為管形，並且在50瓦特或更低下操作，其成本為每個幾千美元，且使用了下 面討論的鉬材料。第二外殼部分220包括附加的校準特徵。首先，提供了互補的配合表面216和 228 (圖4)，一旦裝配即一旦將管部分210插入部分220中，就將部分210和220的軸線校
8準。部分210和220被單獨地製造以保證當配合表面接觸時沿著它們的軸線校準，並且因 此對準中心軸線Z。部分210、220和230顯示為管形。特別地，部分顯示近似的圓柱形式，具有一種管 形的環形橫截面。管形部分210和220的橫截面也可以是正方形、矩形等等。顯示為具有 環形橫截面的管形使用部分210的外周邊配合表面216和部分220的內周邊配合表面218 提供了一種部分對部分校準技術。完全封閉的管形部分還提供了所需的X射線屏蔽。其次，部分220還容納光學託架222、224和226的連接，它們被製造成可調節地安 裝並且將X射線光學器件223、225和227 (未顯示但是暗含在託架226內)分別對準部分 220並且最終地對準傳輸軸線Ζ。X射線射束聚焦和/或單色化可以使用特定聚焦和/或 平行光學器件實現，例如在編號為6，285，506,6, 317，483和7，035，374的共同轉讓的美國 專利中公開的彎晶單色光學器件；和/或多層光學器件；和/或例如在編號為5，192，869、 5，175，755,5, 497，008,5, 745，547,5, 570，408 和 5，604，353 的共同轉讓的美國專利中公開 的那些毛細管光學器件。上述專利中的每一個均在此全部引入作為參考。特別感興趣的是 彎曲的單色光學器件(上面參照圖la-b討論的)，它們需要沿著傳輸軸線精確的校準並且 與之相距一定距離以滿足感興趣的適當的布拉格條件。還特別感興趣的是沿著單個Z軸線 對準多個這種光學器件(例如223、225、227)的要求。第二外殼部分內的示例性彎晶光學器件223、225和227從X射線管斑242接收發 散的X射線射束並且將衍射射束聚焦至試樣斑250。託架222、224和226可直接或間接地 安裝至第二外殼部分，這樣光學器件的作用表面就沿著傳輸軸線Z校準並且定位在與之期 望的距離處。安裝了託架的第二外殼部分的外表面區域(例如，外徑)可以適當地設定尺 寸(例如，由外徑)並且製造成至少一個X射線光學器件定位在與傳輸軸線相距期望距離 處。此外，可以應用墊片229和/或其它間距調節器(止動螺釘等等)以保證適當的光學 校準(圖3-4)。特別是，為了維持它們的布拉格條件，這些類型的光學器件可以沿著第二外 殼部分的表面安裝而又與傳輸軸線Z分開。第三外殼部分230包括在其尖端處的孔，它需要對準傳輸軸線Z用於使用來自光 學器件的聚焦X射線射束對試樣斑250適當的照明。該部分內也可以包括錐體231用於附 加的屏蔽、剛性地或可調節地安裝至部分230。部分230也可以在其上剛性地安裝示例性能 量色散的檢測器260，它自身需要對傳輸軸線Z的緊密校準。為了實現部分230與部分220 和210的校準(因此完成整個源組件沿著傳輸軸線Z的校準)，可以應用互補的配合表面 和/或可調節安裝裝置(例如，止動螺釘)以使外殼部分230對準部分220並因此對準部 分210。部分230和/或錐體231也可以沿著與傳輸軸線Z正交的方向調節。也可以使用 在檢測路徑中具有或不具有相似光學器件的其它類型的檢測器(例如，波長色散的)。應該 針對檢測器校準考慮附加的問題。能量色散的檢測器260也可以在空間中具有其自己的焦 斑，它還需要校準射束/樣品焦斑250 (例如，圖2-3)。(試樣斑250可以在樣品的表面上 或表面下方；這取決於X射線射束的焦點。)如圖所示，檢測器安裝至錐體31，它可以具有 可調節的安裝裝置(墊片、止動螺釘等等)以及保證檢測器的校準的預定配合表面。使用 該方法，提供了 X射線管、光學器件、試樣斑和檢測器的端對端校準。附加的墊片可以放置在每個部分(210，220，230)之間以控制它們各自的間距並 且因此控制它們沿著傳輸軸線Z的縱向布置。
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還顯示了具有其自己的託架272、電動機274和快門板276的自動快門系統。該快 門可以用於X射線安全性目的(即，完全堵塞快門)，並且還用於選擇應用至樣品的X射線 射束(從光學器件)，其混合範圍從各自的非同時激發到完全同時激發或其任意混合。這對 於下面討論的多個能量激發技術尤其重要。也可以沿著射束路徑提供其它堵縫282和284以裁定衝擊光學器件的射束並且減 少其它噪音和/或散射。上述方法使用各種技術提供了高度校準的X射線光學器件和源組件以保證小的 堅固的便攜分析器中不同部件(光學器件、X射線管、檢測器等等)的校準用於在工業處理、 臨床和野外調定中的現場在線測量。能夠進行大量製造，即使是當改變的尺寸公差的部件 導入生產中時。此外，高度校準組件通過依照布拉格條件聚焦衍射光學器件提供了所需的 精確校準。光學器件的任意誤校準將直接地影響設備的精確性。在不同能量處的單餼光學器件可以參照圖5a中顯示的典型X射線鉬目標管的輸出光譜更好地理解對於這種包 裝中的XRF使用單色激發射束的益處，該圖顯示了在大約17keV下來自管的目標材料的特 徵線和更寬的軔致輻射光譜。當該X射線射束撞擊到樣品上時，從樣品上發射的輔助X射 線具有兩個分量樣品中元素的螢光特徵線和來自如圖5b中所示的源的散射X射線。能量 色散(ED)檢測器測量兩者之和。因此，樣品中痕量元素的螢光信號可以由背景變暗。在源 和樣品之間使用點聚焦單色光學器件，光學器件就僅僅從源衍射管的特徵線。因此撞擊在 樣品上的射束的光譜就非常簡單，如圖6a中所示。現在，除了在康普頓散射區域之外，由樣 品出現的光譜就在所有能量下具有很低的背景。圖6b顯示了使用來自樣品的螢光信號的 散射光譜。現在可以清楚地檢測到圖5b中無法檢測的痕量元素信號。依照本發明的另一個方面，裝置200的多個光學器件223和225 (和其它)可以是 不同的，即可以調節至X射線能譜的不同部分，以優化X射線能帶的各自區域中的元素檢測 和量化。一般而言，對於發螢光並且因此受到檢測和測量的元素，激發能量必須在元素的X 射線吸收限處或之上。因此使所有感興趣的元素髮螢光就需要激發能量在所有感興趣的元 素的吸收限之上。參照圖7a的比較曲線圖，該曲線圖最初顯示了光學器件生成單色激發按照數量 級提高元素檢測(痕量710)對比傳統的多色激發(痕量720)。如上所述，並且還參考圖7b，來自例如近似17keV處的鉬目標X射線管的特徵能量 線El使用如上所述的點聚焦單色光學器件聚焦至樣品，通常使具有低於17keV的感興趣的 螢光線的所有元素髮螢光(例如痕量710)。然而，對於具有很低(例如，在該實例中低於 IOkeV)的螢光線的元素，其激發效果會逐漸減弱。依照本發明，可以應用附加的光學器件以同時捕獲從同一個X射線管傳遞的非特 徵、寬廣的軔致能量，並且在例如能量E2、E3、E4、E5……處提供附加的激發能量線，每條線 均來自各自的點聚焦單色光學器件。也可以使用高於17keV的能量(未顯示)。該技術可 以用於周期表中元素的各個範圍的高效、低背景激發。在於此顯示並且還參考圖8的X射線路徑圖形的特定系統實施例200中，三個光 學器件223、225和227分別提供了 31keV(來自軔致輻射)、17keV特徵鉬線和7keV線(也 來自軔致輻射)。
這些線提供了周期表中感興趣的元素(連同它們的原子序數列出)的下列近似範 圍的優化激發3IkeV 從大約 Zr (40)到 Te (52)17keV 從大約 Cl(17)到 Br (35) ；RB (37)到 Sr (38) ；Zr (40)；Cs (55)到 Bi (83) ；Th (90) ；U (92)7keV 從大約 Al (13)到 Co (27)通過使用不同的光學器件，可以向樣品同時(或連續地，或使用快門系統的其任 意混合)應用不同的激發角和/或能量。因為不同的能量導致不同的螢光效果，所以可以 在檢測路徑中確定更多信息。例如，更高能量刺入更深的深度並且可以用於檢測材料中的 襯底(而不是油漆)層。此外，儘管較低能量可能刺入油漆層，但是生成的螢光可能並不刺 入油漆層，對材料構成給出更多了解。某些元素出現在通常超過檢測器分辨的能力的間距中的能帶中(例如Cd和Sn)， 並且事實上具有重疊的K/L線並且吸收能量。通常使用的鉛替代物一錫(Sn)可以屏蔽檢 測路徑中的鎘。因此，只是低於較高元素(Sn)的吸收因此並不激發錫但是有效地激發所有 的鎘的激發可以用於隔離較低的元素(Cd)。由兩種不同的激發能量導致的螢光光譜比也可以用於樣品的附加信息。圖9顯示了使用依照本發明提出的裝置處理的樣品的示例性激發，該裝置用於測 量10種感興趣的元素。可以依照上面包含的美國專利7，035，374使用多元素光學器件(例如，223)。此 外，可以使用依照多層技術的層狀光學器件和/或如在2007年11月16日提交的編號為 11/941，377 的題為 「X-RAY FOCUSING OPTIC HAVING MULTIPLE LAYERS WITH RESPECTIVE CRYSTAL ORIENTATIONS」的美國專利申請中公開的多晶體層技術，其全部包含作為參考。這 種DCC在此被稱為LDCC。LDCC光學器件具有幾個獨特的特徵。光學器件的搖擺曲線寬度 可以設計成比單層DCC光學器件高2到5倍。這將提高帶寬並且提供通量增加用於切斷韌 致輻射光譜。對於單層Si或Ge DCC，搖擺曲線可以收窄這樣其效率就會由典型X射線點源 的有限尺寸而降低。LDCC可以設計成與源尺寸匹配並且促進也用於聚焦特徵線的透射通 量。LDCC光學器件也可以更好地工作用於更高的能量光子。由於降低的吸收，可以為高能 X射線建立更多層的結構。用於LDCC的有用能量範圍期望為6-50keV。在一個特定實例中，三個LDCC光學器件可以用於從小斑點Cu目標源提供三色聚 焦射束。第一 LDCC向試樣斑聚焦Cu Ka 1 8. 04keV特徵X射線。斑點尺寸大約為50 μ m 至75μπι。Cu LDCC覆蓋了包括Cr的從矽(Si)到錳(Mn)的元素的激發。第二 LDCC對於 Hg、Pb和Br激發選擇和聚焦在16keV處定中心的韌致輻射帶。第三LDCC對於Cd激發選 擇和聚焦在28keV處定中心的韌致輻射帶。兩個韌致輻射光學器件具有100 μ m至300 μ m 的聚焦斑。韌致輻射光學器件的帶寬設計成為聚焦能量的大約1_2%。PIN 二極體檢測器 用於EDXRF光譜測定法。可以在X射線源和光學器件之間或光學器件和樣品(如上所述) 之間構成快門方案以具有在任意組合中將來自每個光學器件的射束開啟和斷開的選項。照 相機和/或雷射斑可以放入三個光學器件的中心從而在視覺上定位測量斑。照相機還用於 存儲圖像與光譜數據。小雷射高度計用於輔助樣品在焦點處的定位。提高毒素的全球調節的趨勢對於這種高度校準的系統作為解決許多當前重要的
11應用的平臺技術提供了一個機會。所公開的系統提供了超過此前的毒素檢測技術的幾個優 點，即具有非破壞性地檢測很低水平的隔離的小特徵的組合能力，並且在有毒元素的寬範 圍內給出可靠的結果。傳統的XRF分析器和更標準的分析化學技術不具有可靠結果、一些 級別的便攜性和當今的嚴格的規章環境中所需的每次試驗的低成本的所需組合。需要這些 特徵的領域包括消費品、電子產品、空氣品質監督、體液、食品和藥物。在原則上，這些應用 中的很多可以共享公共的硬體和軟體平臺以促進新產品導入、降低製造成本並且提高更高 數量的精密儀器。 雖然已經在此顯示和詳細描述了優選實施例，但是對於相關技術中的技術人員而 言，顯而易見，可以做出各種修改、增補、置換等而不脫離本發明的精神並且這些因此被認 為是在下面的權利要求中界定的本發明的範圍內。
權利要求
一種用於使用X射線射束照射試樣斑的X射線分析裝置，包括具有源斑的X射線管，由該源斑生成具有特徵第一能量和韌致輻射能量的發散X射線射束；用於接收發散的X射線射束並朝試樣斑指引射束的第一X射線光學器件，該第一X射線光學器件使射束單色化；用於接收發散的X射線射束並朝試樣斑指引射束的第二X射線光學器件，該第二X射線光學器件使射束單色化為第二能量。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，第一X射線光學器件使來自源斑的特徵能量 單色化並且第二 X射線光學器件使來自源斑的韌致輻射能量單色化。
3.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，X射線光學器件是彎曲的衍射光學器件，用 於從X射線管接收發散的X射線射束並且將射束聚焦在試樣斑上。
4.如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，X射線光學器件是聚焦的單色光學器件。
5.如權利要求4所述的裝置，其特徵在於，聚焦的單色光學器件是雙彎晶光學器件或 雙彎曲的多層光學器件。
6.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，還包括用於接收發散X射線射束並且朝試樣 斑指引射束的第三X射線光學器件，該第三X射線光學器件將來自源斑的韌致輻射能量單 色化為第三能量。
7.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，源斑需要沿著經過試樣斑的傳輸軸線校準， 該裝置還包括X射線管沿著其第一軸線連接的第一管形外殼部分，這樣源斑就與第一軸線重合，第一 外殼部分還包括與第一軸線校準的配合表面；具有與傳輸軸線重合的第二軸線和與第二軸線校準的配合表面的第二管形外殼部分；和裝接到第二外殼部分上用於接收發散的X射線射束並且朝試樣斑指引射束的第一和 第二 X射線光學器件，第一和第二光學器件需要沿著傳輸軸線校準；第一外殼部分和第二外殼部分沿著它們各自的配合表面可以配合以因此將第一和第 二軸線與傳輸軸線校準，因此校準源斑、X射線光學器件和試樣斑。
8.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，每個光學器件裝接到第二外殼部分上用於 接收發散的X射線射束並且朝試樣斑指引射束的各自部分，並且需要沿著傳輸軸線校準， 沿著第二外殼部分的表面安裝，並且與傳輸軸線分開。
9.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，還包括第三外殼部分，第三外殼部分包括沿 著傳輸軸線且當照射試樣斑時X射線射束穿過的孔，第二外殼部分和第三外殼部分沿著各 自的配合表面可配合以因此校準該孔與傳輸軸線並因此校準試樣斑，該裝置還包括與試樣 斑對齊安裝至第三外殼部分的X射線檢測器。
10.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，第一和第二外殼部分的形狀是管形的，並 且第一和第二外殼部分的配合表面包括一旦連接第一和第二管形外殼部分就彼此接觸的 表面部分。
11.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，X射線光學器件是聚焦的單色光學器件。
12.如權利要求11所述的裝置，其特徵在於，聚焦單色光學器件是沿著第二外殼部分的表面安裝並且與第二軸線分開的雙彎晶光學器件或雙彎曲的多層光學器件。
13.一種用於使用X射線射束照射試樣斑的X射線分析裝置，包括具有源斑的X射線管，發散的X射線射束由源斑生成的，該源斑需要沿著經過該試樣斑 的傳輸軸線校準；X射線管沿著其第一軸線連接的第一外殼部分，第一外殼部分包括用於在其中可調節 地安裝X射線管以便源斑就與第一軸線重合的可調節安裝特徵，第一外殼部分還包括與第 一軸線校準的配合表面；具有與傳輸軸線重合的第二軸線和與第二軸線校準的配合表面的第二外殼部分；和裝接到第二外殼部分上用於接收發散的X射線射束並且在不同的各自能量下朝試樣 斑指引射束的第一和第二不同的X射線光學器件，所述至少兩個X射線光學器件需要沿著 傳輸軸線校準；第一外殼部分和第二外殼部分沿著它們各自的配合表面可以配合以因此將第一和第 二軸線與傳輸軸線校準，因此校準源斑、X射線光學器件和試樣斑。
14.如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，第一光學器件使來自源斑的特徵能量單 色化並且第二 X射線光學器件使來自源斑的韌致輻射能量單色化。
15.如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，X射線光學器件是彎曲的衍射光學器件， 用於從X射線管接收發散的X射線射束並且將射束聚焦在試樣斑上。
16.如權利要求15所述的裝置，其特徵在於，X射線光學器件是聚焦的單色光學器件。
17.如權利要求16所述的裝置，其特徵在於，聚焦的單色光學器件是雙彎晶光學器件 或雙彎曲的多層光學器件。
18.如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，還包括用於接收發散X射線射束並且朝試 樣斑指引射束的第三X射線光學器件，該第三X射線光學器件將來自源斑的韌致輻射能量 單色化為第三能量。
19.如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，第二外殼部分的形狀為管形，且第二軸線 在其中縱向地延伸。
20.如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，X射線管的形狀為管形，在其一端處具有 其源斑。
21.如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，第一和第二外殼部分的形狀是管形，並且 第一和第二外殼部分的配合表面包括一旦連接第一和第二管形外殼部分就彼此接觸的表 面部分。
22.如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，還包括用於將每個X射線光學器件安裝 至第二外殼部分以接收發散的X射線射束的託架，託架可直接或間接地安裝至第二外殼部 分，這樣X射線光學器件的作用表面就沿著傳輸軸線校準並且定位在與之相距期望距離 處。
23.如權利要求22所述的裝置，其特徵在於，安裝了託架的第二外殼部分的表面製造 成使至少一個X射線光學器件定位在與傳輸軸線相距期望距離處。
全文摘要
一種用於使用X射線射束照射試樣斑的X射線分析裝置。提供了一種具有源斑的X射線管，由該源斑生成具有特徵第一能量和韌致輻射能量的發散X射線射束；第一X射線光學器件接收發散的X射線射束並朝試樣斑指引射束，同時使射束單色化；和接收發散的X射線射束並朝試樣斑指引射束同時使射束單色化為第二能量的第二X射線光學器件。第一X射線光學器件使來自源斑的特徵能量單色化並且第二X射線光學器件使來自源斑的韌致輻射能量單色化。X射線光學器件可以是彎曲的衍射光學器件，用於從X射線管接收發散的X射線射束並且將射束聚焦在試樣斑上。還提供了檢測以檢測和測量在例如包括玩具和電子產品的產品中的各種毒素。
文檔編號G01N23/225GK101981651SQ200980111618
公開日2011年2月23日 申請日期2009年3月3日 優先權日2008年3月5日
發明者A·貝利, D·M·吉布森, R·S·塞姆肯, W·M·吉布森, 小J·H·伯德特, 辛凱, 陳澤武 申請人:X射線光學系統公司