[发明专利]具有使用多材料X 射线管阳极和单色光学装置产生的多激励能带的X射线分析器

说明书

关联申请的交叉引用

本申请要求2012年2月28日提交的No.61/604,251号美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请以其整体通过引用被并入本文中。

美国政府权利

本发明的某些部分是在国家科学基金会的No.IIP-0839615号补贴的补助下开发的。美国政府对于该发明可具有某些权利。

背景技术

例如在有利害关系的玩具、环境空气和水中发现毒素的时事以及因而导致的规章要求急迫的需要用于确定毒素元素的分析器。先进的X射线荧光(XRF)分析器在这种毒素和各种样品中有价值的许多其它物质(例如，在消费品中的毒素，和成品油中的各种有害元素)的量化方面扮演了有价值的角色。

作为一个典型的示例，制造商、供应商、批发商、零售商和管理机构需要一种用于宽泛的各种消费品的毒素元素分析的长期的解决方案。许多新的规章要求制造商检测许多元素，例如铅(Pb),汞(Hg),砷(As),镉(Cd),铬(Cr),溴(Br),硒(Se),锑(Sb),钡(Ba)和氯(Cl)。在欧盟的规章中，在同质材料中的最大浓度，对于六价铬(Cr6+)、汞、铅、多溴联苯(PBB)和多溴联苯醚(PBDE)而言是1,000ppm，对于镉而言是100ppm。用于儿童用品的新的美国规章(CPSIA)是更加严格地多。例如，在玩具和儿童珠宝中在产品的任何可接近的部分中的最大容许铅水平是小于或者等于100ppm。

当前的测量方法或者足够精确但是不能用于工厂车间，或者便于用在工厂车间但是不接近足够敏感或者不可重复。因此，对于本申请而言需要一种真正适用性的分析器。对于快速、可靠、便利、非破坏性的、高度灵敏性、定量的且具有成本效益的分析器，具有强烈的市场需求，用于在制造工厂中，在线或者线上，或者在分布链的任何位置，以单一的器具实现临界且决定性的测量。污染产品能够在加工过程中最有利的位置被排除，基本上减轻或者甚至消除偶然的生产废品和失误。在销售的几个阶段以及管理者也强烈需要类似的能力，以校验材料和产品的符合性。

检测毒素的现存的低成本方法通常是无效的，例如拭子试验。具有需要的精确性的较高成本的方法是昂贵且耗时的。这些方法可能包括用手刮擦取样、在升高的温度和压力下使得它们消解在酸中、使得它们引入到燃烧室中并且分析燃烧产物。一种普遍使用的方法是电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)–一种昂贵、破坏性且慢的方法。可替代的，传统的手持X射线荧光(XRF)枪是快速且无破坏性的，但是仅对于比调节浓度高的浓度可靠的，并且在大样品区上是一般的，并且不能单独地估算漆层。

如下面进一步讨论的，本发明提供了一种在制造产品中毒素的测量方法，其具有快速、精确的结果，该方法通过成熟的X射线样品激励和单色化光学技术实现。这种专利光学装置通常在聚焦X射线的能力上具有10–1,000x的改善；并且光功能分析器特别适合于这些目标市场：从实验室到工厂、野外和门诊的运动测量。

在X射线分析系统中，高的X射线光束强度和小的光束光斑尺寸对于减少样品暴露时间、增加空间分辨率和因而提高X射线分析测量值的信号背景比和总质量而言是重要的。在过去，在实验室中的昂贵且强烈的X射线源，例如旋转阳极X射线管或者同步加速器，它们是用于产生高强度X射线光束的唯一可用选择。最近，X射线光学装置的发展使得能够通过聚焦X射线从X射线源收集发散辐射。X射线聚焦光学装置和小的低功率X射线源的组合能够产生具有比得上那些具有较大高功率且更加昂贵的装置所实现的强度的X射线光束。因此，基于小的不贵的X射线源、激励光学装置和收集光学装置的系统大大地扩展了X射线分析设备在例如小的实验室和在野外、工厂或者门诊部等的可用性和能力。

在激励和/或检测路径中使得X射线光束单色化也用于激励和/或检测X射线能量谱与感兴趣的各种元素(铅等)对应的非常精确的部分。X射线单色化技术基于在光学晶体，例如锗(Ge)或者硅(Si)晶体上的X射线的衍射。弯曲的晶体能够提供来自X射线源的发散辐射偏转到靶上，同时提供到达靶的光子的单色化。两种普通类型的弯曲晶体已知为单弯曲晶体和双弯曲晶体(DCC)。使用现有技术中已知为罗兰环几何形单弯曲晶体提供了在两个维度上的聚焦，使得X射线辐射不聚焦在第三平面或者直交平面上。双弯曲晶体使得来自光源的X射线聚焦到在所有的三维中的点标上。这种三维聚焦在本领域中被称为“点对点”聚焦。