[发明专利]用于检测材料的X射线荧光系统和方法以及控制系统

说明书

提出了用于检测材料的X射线荧光系统和方法以及控制系统。所述控制系统用于控制X射线荧光(XRF)系统检测由样品携带的至少一种材料，其包括：数据输入实用工具，用于接收包括关于所述至少一种材料/标记物的材料/标记物相关数据；以及数据处理器和分析仪实用工具。数据处理器和分析仪实用工具配置为和可操作为：用于分析输入数据并确定XRF系统的最佳几何特征，以优化所述XRF系统的操作条件，从而使到达样品的预定区域并被所述区域的体积吸收的主X射线辐射的量最大化并且使从所述区域发射的二次辐射到达XRF系统的检测器的部分最大化：并且用于生成XRF系统的实现XRF系统的几何特征的调整的操作数据。

技术领域

本发明总体涉及X射线荧光(XRF)技术领域，并且涉及XRF系统和方法。

背景技术

X射线荧光(XRF)系统广泛用于分析样品的化学组成。XRF系统的操作原理基于将样品暴露于来自X射线源的高能主辐射，从而引起来自被检测和分析的样品的X射线荧光响应。样品的每个原子元素产生其独特的指纹(fingerprint)，即独特的特征荧光X射线集合。X射线荧光分析仪分析由样品中的不同元素发射的特征X射线的光谱，并且确定样品的化学性质。

目前使用的大部分XRF系统通常分为两类：能量分散(ED)和波长色散(WD)光谱仪。这两种类别的系统利用XRF工具布置(包括X射线源、光学器件和检测器)的各种配置。

发明内容

本发明提供一种用于测量样品中各种材料的浓度的新型XRF系统/分析仪。本发明的XRF系统特别适用于测量样品中嵌入/由样品携带的一种或多种标记物的材料组成(材料浓度)。这种标记物可以位于样品的至少一个区域内(例如，施加到样品的表面，例如在样品表面上形成膜/涂层的多层结构)。

XRF系统可以配置为小尺寸(便携式)设备，例如，手持设备，包括X射线和/或伽马射线源(例如，X射线管)、X射线检测器以及可能还有射线引导光学器件(例如，准直器)。在本发明的一些实施例中，系统配置为能量分散XRF系统。

根据本发明，选择XRF系统的几何特征以改善/优化系统性能，这对于“读取”样品表面上的材料组成尤其重要。XRF系统的这种几何特征可以包括以下中的一者或多者：从X射线源到样品的预定表面区域(即，预期标记物所在的表面区域)的距离；从该表面区域到检测器(检测平面)的距离；照射通道的角度取向(从X射线源传播的主X射线束(主光束传播轴)与样品表面之间的角度)；以及收集/检测通道的角度取向(从样品朝向检测器的二次X射线辐射(二次光束轴)与样品表面之间的角度)。

系统的上述参数/特征的调整可以根据待测量的标记物材料的类型以及标记物施加或嵌入样品中的方式/方法来进行。

本发明的便携式XRF系统的配置基于发明人对以下内容的理解。限制小型/便携式XRF系统(特别是电池供电的XRF系统)的效率和准确性的主要因素之一为它们受限的功率，其决定从XRF系统的辐射发射器(即，X射线管)发射的任何给定波长的辐射的强度。因此，在激发样品和浓度被测量的特定材料(例如，标记物材料)方面以及在检测来自样品的二次辐射方面实现高效率至关重要。即，目标在于：(i)优化/最大化到达样品并被样品吸收的主X射线辐射的量，特别是由待测量的元素/标记物吸收的该辐射的部分/比例，和(ii)优化/最大化从测量元件发射的二次辐射(响应于来自源的辐射而发射的辐射)的到达检测器的部分。

应当理解，考虑到使用XRF系统读取由样品携带的标记物结构，最大化到达样品并被样品吸收的主X射线辐射的量应使得主辐射尽可能多地限制到样品上的表面区域的期望体积(即，存在或预期存在标记物的体积)。这样，通过样品表面上的所述体积吸收主辐射的可能性增加，并且主辐射穿过表面区域的所述体积进入样品块中的可能性降低。

在本发明的XRF系统中，调整源-样品-检测器几何结构以优化上述因素(i)和(ii)。本发明的相对于样品平面优化X射线源和检测器的几何结构设定的这种便携式XRF系统/分析仪提高了照射和检测过程的效率，因此提高了识别/验证结果的准确性。