[发明专利]使用组合的X射线荧光和拉曼光谱法的样品分析

说明书

发明领域

本发明总体涉及分析样品例如矿物样品。

背景技术

在许多应用中，希望获得一种感兴趣样品的分析。所希望的分析可以是定性的、定量的或两者皆有，并可以在样品中具有仅一种或多种元素或化合物。例如，在开采应用如油气勘探中，希望针对一种或多种矿物的存在分析多种样品。这种类型的分析可以直接提供有关所寻求的矿物的分析信息或者可以提供有关指示矿物(indicator mineral)的分析信息，该指示矿物可以提示矿物或所寻求的其他矿床的邻近位置。例如，通过理解样品的矿物组成，人们可以鉴别正勘探的区域或多或少可能含有油、气或含油/气地层的可能性。

X射线荧光(“XRF”)是已用于包括矿物的各种样品的元素分析的技术。XRF分析器通过用x射线照射样品上的一个点并测量由该样品中不同元素所发射的特征x射线的光谱来确定该样品的化学性质。x射线的主要来源可以是x射线管或放射性材料如放射性同位素。如在此所使用的术语“x射线”包括在约1keV与约150keV之间能量的光子，并因此将包括：由已激励原子在其去激励时发射的特征x射线；当电子由原子散射时发射的韧致辐射x射线；分别地一般称为瑞利(Rayleigh)和康普顿(Compton)散射辐射的弹性地和非弹性地散射的光子。

当暴露于来自射线源的高能初级x射线时，在一种样品中存在的每种原子元素产生实质上是该特定元素的指纹的一组独特的特征荧光x射线。x射线荧光分析器通过用x射线照射样品上的一个点并测量由该样品中各种元素所发射的特征x射线的光谱来确定该样品的化学性质。x射线的主要来源可以是x射线管或放射性材料如放射性同位素。在原子等级上，当充足能量的光子击中该样品中的原子时，将电子逐出原子的一个内轨道层时产生特征荧光x射线。该原子然后几乎立即恢复稳定性，用来自该原子的一个较高能量(外层)轨道层中的电子填充在内轨道层中留下的空位。过多能量能够以荧光x射线的形式被释放，即以表征原子的两个量子态之间的差异的能量形式。通过诱导和测量由该样品中不同元素所发射的宽范围的不同的特征荧光x射线，XRF分析器能够确定在该样品中存在的元素，并基于在具体能量发生的荧光x射线的数目计算其相对浓度。然而，除了在特殊情况下，用便携式XRF分析器典型地都无法直接测量低浓度的轻元素(light elements)(原子序数较低的那些元素，Z典型低于20)，因为能量低于约2.5千电子伏特(keV)的荧光x射线在短的空气路径长度内被吸收。因此，轻元素XRF分析要求氦气吹扫或排空相关x射线所穿过的体积，这对便携式或手持式仪器可能是不方便的。

XRF分析器是众所周知的，并且包括在美国专利US7875847、US7916834以及US7791027中所描述的那些，这些专利通过引用结合在此。

发明内容

本发明认识到，对于分析样品，XRF所提供的完整元素分析经常是不可行的。例如，在上述开采应用中，有待分析的鉴别矿物经常是含有一种或多种较轻元素如镁、氧、硫等的无机化合物。然而，如已描述，通过XRF检测比镁更轻的元素是存在问题的。因此，对于许多矿物，经由XRF获得有限的信息，因为大部分矿物由铝和硅的氧化物的混合物组成。主要由碳和氢组成，附带一些氮和氧的塑料/聚合物也出现类似的情况。本发明还认识到，在这类情况下，XRF无法直接测量轻元素如氧、氮以及碳将不利地影响可以由XRF分析的样品的其他元素/成分的分析的准确度。

因此，本发明在一些实施例中一种提供用于分析样品的组成的装置以及方法，其中用x射线照射该样品以获得x射线光谱数据，并且还用光照射该样品以获得拉曼光谱数据。基于x射线光谱数据和拉曼光谱数据两者来提供该样品的分析。在一些实施例中，第一元素基于x射线光谱数据来鉴别并且分子基于拉曼光谱数据来鉴别，其中化合物基于所鉴别的元素和分子来鉴别。在其他实施例中，将提供技术来减少可以干扰拉曼光谱数据的光学荧光效应。例如，这类技术可以使用UV照射光如波长小于300nm的UV光，或者可以在斯托克斯(Stokes)拉曼光谱数据被干扰光学荧光遮蔽(obscured)时使用反斯托克斯(anti-Stokes)拉曼光谱数据以鉴别分子，或者可以基于光脉冲之后的时间来选择拉曼光谱数据(例如，基于光脉冲开始之后的时间)。在一些实施例中，该装置和方法可以省略x射线照射以及x射线光谱仪。在仍然其他实施例中，该样品中的化合物的第一元素的定量分析基于x射线光谱数据来提供，并且第二元素的存在从拉曼光谱数据中鉴别。