[发明专利]两级X射线集中器

说明书

本申请要求于2006年10月24日提交的美国临时专利申请序列号 为No.60/853875的优先权，该临时申请作为参考在此并入。

技术领域

本发明涉及用于对来自宽带源的x射线集中并同时进行光谱滤波 的方法和设备。

背景技术

x射线的简单瞄准结合紧凑的结构允许基于x射线荧光(XRF)的 手持分析仪可以在厘米级尺寸目标上获得高水平性能。图1示出了一种 XRF分析仪的各部分结构的示意图，例如由Thermo NITON Analyers LLC制造的氡XRF分析仪，总体上用标号10表示。当电子(或其它带 电粒子)114朝目标加速时，x射线管100发射宽光谱的x射线发射112， 这里所述的目标是指阳极116，但不限于此。x射线光束112的能量光 谱由一个或多个滤波器118调制(tailored)，由准直器126准直形成准 直的光束128，并(通过用仪器10瞄准)被导向样本120。探测器124 对该样本发射的荧光x射线122进行探测。

通常x射线光束112所探测的样本区域超过5mm²，而通常样本到 阳极和样本到探测器的距离均小于15mm。在该氡XL型XRF分析仪种， x射线管的长度小于5cm。

图2的上方曲线200表示相对于来自现有技术中运行在50keV的 金阳极x射线管发射源的能量光谱的输出强度。该轫致辐射连续光谱对 于测量低浓度(concentration)水平不是最佳的。通过用滤波器使光束 成形能够充分增强对于给定的元素(atomic element)的信噪比。图2 的下方曲线202是经滤波的光谱例子，该光谱对于测量有毒元素镉的 23.2keV的特征x射线特别有用，其中镉的K电子以26.7keV的能量跃 迁。其信噪比与通过未经滤波的光谱所获得的信噪比相比增益超过10 倍。

X射线聚焦光学器件能够数量级地增加从x射线管到目标上的有用 光通量。如在此以及在任一所附权利要求中所用，术语“聚焦光学器件” 是指使x射线在目标上的强度增加超过没有使用该光学器件时所获得 的强度的一类装置中的任一种。除非本文中另有规定，否则术语“x射 线透镜”和“x射线集中器”在此与“聚焦光学器件”在此等效使用，不受限 制。

参考图3说明了用于聚焦x射线的现有技术例子的基本部分。在x 射线管100的阳极116上的x射线生成区域301是聚焦部分303的(在 光学意义上的)“对象”，该聚焦部分将x射线光谱的一部分集中在通常 小于0.1mm²的照射区域。X射线产生区域301有时可以是指x射线产 生“点”。为了实现这样的集中，在阳极116上的电子束斑305的尺寸通 常与在目标上的分辨率相称。可以理解例如直线性加速器等其它x射线 辐射的多波长发射源也可以用作在本发明范围内的x射线源。吸收器 309吸收没有撞击在聚焦部分303上而可能以其它方式撞击在目标120 上的x射线。

实际的光学集中器通常以它们是使用全反射还是布拉格散射来分 类。全反射方法利用材料的折射率小于电磁波在x射线能量区中的一致 性(unity)的事实。从光滑玻璃表面全反射的条件是非常接近Eθ≤30， 其中E是以keV为单位的x射线能量，而θ是相对于媒质表面的以毫 弧度为单位的入射角。例如，对于入射角小于大约1毫弧度时30keV的 x射线会全反射，或者在固定的1毫弧度的入射角时，小于大约30keV 的全部x射线将全反射。

布拉格散射，有时称为水晶散射利用x射线能够从定向晶体相干地 散射的事实。布拉格散射的条件为2d sinθ＝12.4n/E，其中如上所述，θ 和E分别是相对于晶体平面的入射角和以keV为单位的x射线能量，d 是以埃为单位的在晶体(晶格空间)各平面之间的距离，而次序数n通 常为1或2的整数。例如：使用具有2′的d间距的晶体，对于30keV 的第一次布拉格散射发生在角度θ＝5.9°时。

该全反射和布拉格散射技术都是用在可能量分散和角度分散的实 验室分光仪中。这些分光仪的尺寸、重量和能量要求迄今仍然与手持或 便携式XRF分光仪相矛盾，手持或便携式XRF分光仪重量必须不能超 过几磅并且必须具有许多小时的电池寿命。这里所介绍的方法使得x射 线光学系统可以用于手持XRF系统的集中器。

发明内容