申请/专利权人：浙江工业大学

申请日：2018-04-23

公开（公告）日：2020-06-30

公开（公告）号：CN108318516B

主分类号：G01N23/223(20060101)

分类号：G01N23/223(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.06.30#授权;2018.08.17#实质审查的生效;2018.07.24#公开

摘要：一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，包括用于进行X射线光束第一次整形和滤波的X射线光阑、用于进行X射线光束第二次整形为类平行光的X射线折光器、用于对入射的多个X射线子光束分别进行聚焦的X射线阵列组合透镜和组件承载台，所述组件承载台用于承载所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜，所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜依次位于同一光轴上，所述X射线阵列组合折射透镜的阵列结构布局，保证每一个子光束所形成的聚焦焦斑在同一位置并位于光轴上。本发明可同时实现高微区分辨率和高灵敏度，并可进行现场分析。

主权项：1.一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述集成组件包括用于进行X射线光束第一次整形和滤波的X射线光阑、用于进行X射线光束第二次整形为类平行光的X射线折光器、用于对入射的多个X射线子光束分别进行聚焦的X射线阵列组合透镜和组件承载台，所述组件承载台用于承载所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜，所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜依次位于同一光轴上，所述X射线阵列组合折射透镜的阵列结构布局，保证每一个子光束所形成的聚焦焦斑在同一位置并位于光轴上。

全文数据：一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件技术领域[0001]本发明涉及X射线探测和成像领域，尤其是一种用于微束X射线荧光分析系统的新型X射线阵列组合折射透镜集成组件。背景技术[0002]X射线荧光XRF，X-RayFluorescence分析系统能在常压下对各种形态（固态液态粉末等样品进行简单快速、高分辨率和无损的元素定量测量分析。而微束X射线荧光分析系统micro-XRF因其具有更高的微区分辨率而受到广泛关注。[0003]微束X射线荧光分析系统micro-XRF通常都需要配备X射线聚焦器件。使用了X射线聚焦器件的X射线荧光分析系统，虽然微区分辨率大幅度提高通常可以提高一个数量级以上），但计数率会下降，影响了探测灵敏度。已有技术基于X射线毛细管器件的荧光光谱仪专利号：201010180956.6，使用X射线毛细管器件进行聚焦，微区分辨率通常只能达到几十微米，不仅微区分辨率不够高，且因计数率下降导致探测灵敏度也有一定程度的降低；同时结构复杂、尺寸庞大，无法实现便携。发明人之前也提出了一种便携式微束X射线荧光光谱仪专利号：201310356270.1，是与本发明最接近的已有技术），用X射线组合折射透镜获得探测微束，虽然微区分辨率大幅度提高，但计数率低，影响了探测灵敏度。[0004]X射线组合折射透镜是集成型微结构器件，数值口径小，X射线光管发出的光不能全部被组合透镜接收，不仅使得计数率降低、而且浪费了X射线光能量，还增加了噪声。如果能发明新的器件结构，尽可能多的利用X射线光管发出的X射线光，则不仅能大幅度增加计数率、进而提高探测灵敏度，同时还能降低能耗、减小噪声。发明内容[0005]为了克服已有X射线荧光光谱仪微区分辨率还不够高，特别是因计数率低而导致的探测灵敏度不够高，且结构复杂、尺寸庞大、无法实现便携的不足，本发明提供一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，将其应用于小型化微束X射线荧光分析系统，可同时实现高微区分辨率和高灵敏度，并可进行现场分析。[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：[0007]—种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，包括用于进行X射线光束第一次整形和滤波的X射线光阑、用于进行X射线光束第二次整形为类平行光的X射线折光器、用于对入射的多个X射线子光束分别进行聚焦的X射线阵列组合透镜和组件承载台，所述组件承载台用于承载所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜，所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜依次位于同一光轴上，所述X射线阵列组合折射透镜的阵列结构布局，保证每一个子光束所形成的聚焦焦斑在同一位置并位于光轴上。[0008]进一步，所述X射线光阑中，接收并进行第一次整形和滤波，所述第一次整形是指依据所述X射线阵列组合折射透镜的数值口径，对入射X射线光波进行整形;所述滤波是指将入射X射线光波分裂形成多个子光束，子光束的数目与X射线阵列组合折射透镜中的组合折射透镜数目相同。[0009]再进一步，所述X射线折光器中，接收已分裂成多个子光束的X射线光波并进行光束第二次整形，所述光束的第二次整形保证从X射线折光器出射的多个X射线子光束，均以类平行光的方式入射阵列中对应的X射线组合折射透镜。[0010]更进一步，所述X射线阵列组合折射透镜包含M+1个X射线组合折射透镜，所述M为正整数且为偶数。所述X射线阵列组合折射透镜沿其光轴呈轴对称分布，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中零级X射线组合折射透镜的光轴重合，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负一级X射线组合折射透镜的光轴夹角为Θ，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负二级X射线组合折射透镜的光轴夹角为2Θ，依此类推；[0011]所述X射线阵列组合折射透镜中（M+1个组合折射透镜的布局结构，使得所有M+1个X射线组合折射透镜聚焦的焦斑在相同位置，且位于光轴上。[0012]所述M+1个X射线组合折射透镜的结构和性能参数，依据下列公式得出：[0013]X射线波段的光学常数:η=1_δ+ίβ1[0014]X射线组合折射透镜的焦距：[0015]X射线组合折射透镜的焦斑尺寸：[0016]X射线组合折射透镜的数值口径：[0017]其中η代表光学常数，δ代表X射线波段材料的折射，β代表X射线波段材料的吸收，N代表X射线组合折射透镜中折射单元的个数，以抛物面型折射单元为例，组合折射透镜抛物面顶点的曲率半径为R，抛物面的开口尺寸为Ro，f代表X射线组合折射透镜的焦距，λ代表波长，μ代表X射线的线吸收系数[0018]所述X射线折光器与所述X射线阵列组合折射透镜贴近放置，实现入射X射线光束的第二次整形，所述第二次整形，是指X射线折光器可对X射线阵列组合折射透镜中的正负一级组合透镜折光Θ角度，对X射线阵列组合折射透镜中的正负二级组合透镜折光2Θ角度，依此类推，最终实现对X射线阵列组合折射透镜中每一个单一组合折射透镜的类平行光入射。[0019]所述X射线光阑的结构尺寸，根据所述X射线阵列组合折射透镜的结构尺寸确定，实现入射X射线光束的第一次整形和滤波，所述光束的第一次整形，是指利用X射线光阑结构阻隔射入X射线阵列组合折射透镜之外的杂散光并对光束进行初步准直的功能;所述滤波是指X射线光阑结构中透光带和阻光带交替布置的滤波结构，并通过滤波结构将X射线光波分裂成多个子光束。[0020]所述透光带的数目为Μ+1个，与所述X射线阵列组合折射透镜中组合折射透镜的数目相同，所述透光带和阻光带的宽度分别由下列公式计算得出：[0021]零级透光带To,与X射线组合折射透镜的数值口径尺寸相同，正负一级透光带、正负二级透光带…，依此类推，透光带宽度表示为：[0022][0023]正负一级阻光带、正负二级阻光带…，依此类推，阻光带宽度表示为：[0024]Gm=L·tan0·5M·Θ⑹[0025]其中L代表X射线组合折射透镜的几何长度，表示为L=N·1，其中1为折射单元轴向厚度尺寸。[0026]所述X射线光阑选择吸收特性满足下列公式的任何材料，X射线波段材料的吸收系数：[0027]其中Na代表阿伏伽德罗常数，Π代表电子半径，A代表原子质量，5代表原子散射因子，P代表电子密度，i代表化合物中的元素种类，当材料为单质是i=l;[0028]所述X射线光阑的材料厚度t满足表达式e+ka。[0029]所述X射线折光器选择折射特性满足下列公式的任何单质或化合物材料，[0030]X射线波段材料的折射系数：[0031]其中Na代表阿伏伽德罗常数，:το代表电子半径，λ代表波长，A代表原子质量，下标i表示化合物中的元素种类，下标j为正整数P代表电子密度，下标i表示化合物中的元素种类，当材料为单质时i=I，V代表原子个数，下标i表示化合物中的元素种类，下标j为正整数，Z代表原子序数，下标i表示化合物中的元素种类。[0032]所述X射线折光器的非折光区材料厚度用tzo表示，所述X射线折光器的非折光区宽度尺寸Tz=Tq+2G2,折光区的材料厚度tZM由下列公式计算得出：[0033]tzM=ϊζο+Τμ*tan0.5M·Θ⑼0[0034]其中，G2为正负二级阻光带的宽度，由上述公式6取Μ=2时计算得出;Tm为透光带的宽度，由上述公式⑸计算得出。[0035]本发明的技术构思为:X射线组合折射透镜是一种基于折射效应的新型X射线聚焦器件，其理论聚焦光斑尺寸可达纳米量级，实际测试所得聚焦光斑尺寸通常在几个微米，利用X射线组合折射透镜对X射线束进行聚焦可以获得高质量探测微束，提高荧光分析系统的微区分辨率。[0036]提出新型的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，阵列中的每一个X射线组合折射透镜分别聚焦，通过X射线阵列组合折射透镜的结构设计，配合X射线折光器和X射线光阑，可以使得X射线阵列组合折射透镜中的M+1个组合折射透镜聚焦在相同的焦斑位置，有效提高焦斑的强度，因此大幅度提高探测的计数率，即提高荧光分析系统的探测灵敏度。[0037]此外，微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件具有尺寸小、制作工艺简单、鲁棒性好、可批量加工的优点，同时由于其基于折射效应，因此在对X射线束聚焦时不需要折转光路，因此所形成的荧光分析系统结构紧凑、尺寸小、重量轻，适合进行便携式的现场分析。[0038]本发明的有益效果主要表现在：1、发明微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件作为X射线荧光光谱仪的聚焦器件，同时实现更高的微区分辨率和探测灵敏度，其中更高的微区分辨率由阵列中的单个X射线组合折射透镜实现、更高的探测灵敏度则是由阵列组合折射透镜聚焦的叠加效果来实现;2、利用所发明的新型器件X射线光阑和X射线折光器，对X射线光束进行整形和滤波，结构简单、可一体化批量制作;3、X射线阵列组合折射透镜基于折射效应工作，在对X射线束聚焦时不需要折转光路，因此所形成的探测装置或仪器结构紧凑、尺寸小、重量轻，适合制作便携式仪器装置，可以实现现场分析。附图说明[0039]图1是本发明一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的结构示意图，其中1代表X射线光阑、2代表X射线折光器、3代表X射线阵列组合折射透镜、4代表组件承载台。[0040]图2是本发明一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件中X射线光阑的结构示意图（只画出了M彡2的局部结构），其中，To为零级透光带的宽度，T2为正负一级透光带的宽度，t为X射线光阑的厚度，（a正视图，⑹俯视图。[0041]图3是本发明一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件中X射线折光器的结构示意图（只画出了MS2的局部结构），其中Tz为非折光区的宽度，tzo为非折光区的材料厚度、tZM为折光区的材料厚度，（a正视图，⑹俯视图。[0042]图4是本发明一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件中X射线阵列组合折射透镜的结构示意图（只画出了MS2的局部结构），其中To为折射单元的口径、1为折射单元的轴向厚度尺寸。具体实施方式[0043]下面结合附图对本发明作进一步描述。[0044]参照图1〜图4,一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，包括X射线光阑1、X射线折光器2、X射线阵列组合透镜3和组件承载台4，X射线光束照射在所述X射线阵列组合折射透镜集成组件上，首先被X射线光阑接收，并进行第一次整形和滤波，所述第一次整形是指依据所述X射线阵列组合折射透镜的数值口径，对入射X射线光波进行整形;所述滤波是指将入射X射线光波分裂形成多个子光束，子光束的数目与X射线阵列组合折射透镜中的组合折射透镜数目相同。已分裂成多个子光束的X射线光波接着入射进所述X射线折光器，经X射线折光器进行光束第二次整形，所述光束的第二次整形保证从X射线折光器出射的多个X射线子光束，均以类平行光的方式入射阵列中对应的X射线组合折射透镜。所述X射线阵列组合折射透镜对入射的多个X射线子光束分别进行聚焦，所述X射线阵列组合折射透镜的阵列结构布局，保证每一个子光束所形成的聚焦焦斑在同一位置，并位于光轴上。所述组件承载台用于承载所述X射线光阑、X射线折光器、X射线阵列组合折射透镜，并在所述X射线光阑、X射线折光器、X射线阵列组合折射透镜的相对位置和光轴调整完毕后进行固定。[0045]进一步地，所述X射线阵列组合折射透镜中包含M+1个X射线组合折射透镜，所述M为正整数且为偶数。所述X射线阵列组合折射透镜沿其光轴呈轴对称分布，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中零级X射线组合折射透镜的光轴重合，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负一级X射线组合折射透镜的光轴夹角为Θ，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负二级X射线组合折射透镜的光轴夹角为2Θ，依此类推。[0046]再进一步，所述X射线阵列组合折射透镜中M+1个组合折射透镜的布局结构，使得所有M+1个X射线组合折射透镜聚焦的焦斑在相同位置，且位于光轴上。[0047]进一步地，所述M+1个X射线组合折射透镜的结构和性能参数，依据下列公式得出：[0048]X射线波段的光学常数:η=1_δ+ίβ1[0049]X射线组合折射透镜的焦距：[0050]X射线组合折射透镜的焦斑尺寸：[0051]X射线组合折射透镜的数值口径：[0052]其中η代表光学常数，δ代表X射线波段材料的折射，β代表X射线波段材料的吸收，N代表X射线组合折射透镜中折射单元的个数，以抛物面型折射单元为例，组合折射透镜抛物面顶点的曲率半径为R，抛物面的开口尺寸为Ro，f代表X射线组合折射透镜的焦距，λ代表波长，μ代表X射线的线吸收系数[0053]更进一步，所述X射线折光器，与所述X射线阵列组合折射透镜贴近放置，实现入射X射线光束的第二次整形，所述第二次整形，是指X射线折光器可对X射线阵列组合折射透镜中的正负一级组合透镜折光Θ角度，对X射线阵列组合折射透镜中的正负二级组合透镜折光2Θ角度，依此类推，最终实现对X射线阵列组合折射透镜中每一个单一组合折射透镜的类平行光入射。[0054]再进一步，所述X射线光阑的结构尺寸，根据所述X射线阵列组合折射透镜的结构尺寸确定，实现入射X射线光束的第一次整形和滤波，所述光束的第一次整形，是指利用X射线光阑结构阻隔射入X射线阵列组合折射透镜之外的杂散光并对光束进行初步准直的功能;所述滤波是指X射线光阑结构中透光带和阻光带交替布置的滤波结构，并通过滤波结构将X射线光波分裂成多个子光束。[0055]所述透光带的数目为Μ+1个，与所述X射线阵列组合折射透镜中组合折射透镜的数目相同。所述透光带和阻光带的宽度分别由下列公式计算得出：[0056]零级透光带To,与X射线组合折射透镜的数值口径尺寸相同，正负一级透光带、正负二级透光带…，依此类推，透光带宽度表示为：[0057][0058]正负一级阻光带、正负二级阻光带…，依此类推，阻光带宽度表示为：[0059]Gm=L·tan0·5M·Θ⑹[0060]其中L代表X射线组合折射透镜的几何长度，表示为L=N·1，其中1为折射单元轴向厚度尺寸。[0061]所述X射线光阑可选择吸收特性满足下列公式的任何材料，通常选择铜、铅等金属材料，[0062]X射线波段材料的吸收系数：[0063]其中Na代表阿伏伽德罗常数，Π代表电子半径，A代表原子质量，5代表原子散射因子，P代表电子密度，i代表化合物中的元素种类，当材料为单质是i=l。[0064]所述X射线光阑的材料厚度t满足表达式e+ka。[0065]所述X射线折光器可选择折射特性满足下列公式的任何单质或化合物材料，[0066]X射线波段材料的折射系数：[0067]其中，Na代表阿伏伽德罗常数，:το代表电子半径，λ代表波长，A代表原子质量，下标i表示化合物中的元素种类，下标j为正整数，P代表电子密度，下标i表示化合物中的元素种类，当材料为单质时i=I，V代表原子个数，下标i表示化合物中的元素种类，下标j为正整数，Z代表原子序数，下标i表示化合物中的元素种类。[0068]所述X射线折光器的非折光区材料厚度用tzo表示，为减少X射线吸收损耗，应制作得尽量薄，由制作工艺决定。所述X射线折光器的非折光区宽度尺寸TZ=TQ+2G2，TQ为零级透光带的宽度;tzo为非折光区的材料厚度，折光区的材料厚度tZM由下列公式计算得出：[0069]tzM=ϊζο+Τμ*tan0.5M·Θ⑼0[0070]其中，G2为正负二级阻光带的宽度，由上述公式6取Μ=2时计算得出;Tm为透光带的宽度，由上述公式⑸计算得出。

权利要求：1.一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述集成组件包括用于进行X射线光束第一次整形和滤波的X射线光阑、用于进行X射线光束第二次整形为类平行光的X射线折光器、用于对入射的多个X射线子光束分别进行聚焦的X射线阵列组合透镜和组件承载台，所述组件承载台用于承载所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜，所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜依次位于同一光轴上，所述X射线阵列组合折射透镜的阵列结构布局，保证每一个子光束所形成的聚焦焦斑在同一位置并位于光轴上。2.如权利要求1所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述X射线光阑中，接收并进行第一次整形和滤波，所述第一次整形是指依据所述X射线阵列组合折射透镜的数值口径，对入射X射线光波进行整形;所述滤波是指将入射X射线光波分裂形成多个子光束，子光束的数目与X射线阵列组合折射透镜中的组合折射透镜数目相同。3.如权利要求1或2所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述X射线折光器中，接收已分裂成多个子光束的X射线光波并进行光束第二次整形，所述光束的第二次整形保证从X射线折光器出射的多个X射线子光束，均以类平行光的方式入射阵列中对应的X射线组合折射透镜。4.如权利要求1或2所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述X射线阵列组合折射透镜包含M+1个X射线组合折射透镜，所述M为正整数且为偶数。所述X射线阵列组合折射透镜沿其光轴呈轴对称分布，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中零级X射线组合折射透镜的光轴重合，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负一级X射线组合折射透镜的光轴夹角为Θ，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负二级X射线组合折射透镜的光轴夹角为2Θ，依此类推；所述X射线阵列组合折射透镜中M+1个组合折射透镜的布局结构，使得所有M+1个X射线组合折射透镜聚焦的焦斑在相同位置，且位于光轴上。5.如权利要求4所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述M+1个X射线组合折射透镜的结构和性能参数，依据下列公式得出：X射线波段的光学常数:n=l-S+ii31X射线组合折射透镜的焦距：X射线组合折射透镜的焦斑尺寸：X射线组合折射透镜的数值口径：其中η代表光学常数，δ代表X射线波段材料的折射，β代表X射线波段材料的吸收，N代表X射线组合折射透镜中折射单元的个数，以抛物面型折射单元为例，组合折射透镜抛物面顶点的曲率半径为R，抛物面的开口尺寸为RQ，f代表X射线组合折射透镜的焦距，λ代表波长，μ代表X射线的线吸收系数：6.如权利要求1或2所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述X射线折光器与所述X射线阵列组合折射透镜贴近放置，实现入射X射线光束的第二次整形，所述第二次整形，是指X射线折光器可对X射线阵列组合折射透镜中的正负一级组合透镜折光Θ角度，对X射线阵列组合折射透镜中的正负二级组合透镜折光2Θ角度，依此类推，最终实现对X射线阵列组合折射透镜中每一个单一组合折射透镜的类平行光入射。7.如权利要求1或2所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述X射线光阑的结构尺寸，根据所述X射线阵列组合折射透镜的结构尺寸确定，实现入射X射线光束的第一次整形和滤波，所述光束的第一次整形，是指利用X射线光阑结构阻隔射入X射线阵列组合折射透镜之外的杂散光并对光束进行初步准直的功能;所述滤波是指X射线光阑结构中透光带和阻光带交替布置的滤波结构，并通过滤波结构将X射线光波分裂成多个子光束。8.如权利要求7所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述透光带的数目为M+1个，与所述X射线阵列组合折射透镜中组合折射透镜的数目相同，所述透光带和阻光带的宽度分别由下列公式计算得出：零级透光带To,与X射线组合折射透镜的数值口径尺寸相同，正负一级透光带、正负二级透光带…，依此类推，透光带宽度表示为：正负一级阻光带、正负二级阻光带…，依此类推，阻光带宽度表示为：其中L代表X射线组合折射透镜的几何长度，表示为L=N·1，其中1为折射单元轴向厚度尺寸。9.如权利要求1或2所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述X射线光阑选择吸收特性满足下列公式的任何材料，X射线波段材料的吸收系数：其中Na代表阿伏伽德罗常数，:το代表电子半径，A代表原子质量，f2代表原子散射因子，P代表电子密度，i代表化合物中的元素种类，当材料为单质是i=1;所述X射线光阑的材料厚度t满足表达式10.如权利要求8所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述X射线折光器选择折射特性满足下列公式的任何单质或化合物材料，X射线波段材料的折射系数：其中Na代表阿伏伽德罗常数，:το代表电子半径，λ代表波长，A代表原子质量，下标i表不化合物中的元素种类，下标j为正整数，P代表电子密度，下标i表示化合物中的元素种类，当材料为单质时i=l，v代表原子个数，下标i表示化合物中的元素种类，下标j为正整数，Z代表原子序数，下标i表示化合物中的元素种类；所述X射线折光器的非折光区材料厚度用tzo表示，所述X射线折光器的非折光区宽度尺寸Tz=Tq+2G2,折光区的材料厚度tZM由下列公式计算得出：其中，G2为正负二级阻光带的宽度，由上述公式⑹取M=2时计算得出；Tm为透光带的宽度，由上述公式⑸计算得出。

百度查询： 浙江工业大学 一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件

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