專利名稱：毛細(xì)管x光透鏡共聚焦微區(qū)x射線熒光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種使用整體毛細(xì)管x光透鏡的共聚焦微區(qū)X射線熒光譜儀。它是國 際上尚無商品推出的使用整體毛細(xì)管x光透鏡的新型科學(xué)儀器。用它可以對樣品進(jìn)行三維 無損微區(qū)x射線熒光分析。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的共聚焦x射線熒光普儀，大多數(shù)是利用準(zhǔn)直管來限制x射線束，眾所周知，采
用準(zhǔn)直管只不過是起到濾光的作用，將準(zhǔn)直管以外的光卡掉，這就大大降低了打在樣品上
的x射線強(qiáng)度，從而導(dǎo)致了在進(jìn)行x射線熒光分析時(shí)需要很長的時(shí)間，以致影響所測譜的 質(zhì)量，所以在用準(zhǔn)直管進(jìn)行共聚焦x射線熒光分析時(shí)，必須用高強(qiáng)度x射線光源。所以，
現(xiàn)有的共聚焦x射線熒光譜儀受到光源強(qiáng)度的限制，影響了它們的普及和推廣。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種能夠?qū)Σ牧线M(jìn)行三維無損微區(qū)x射線熒光分析的新型
科學(xué)儀器。
本實(shí)用新型的目的通過如下措施實(shí)現(xiàn)該譜儀包括X光源、整體毛細(xì)管X光會聚透鏡、 整體毛細(xì)管X光平行束透鏡、探測器。其特點(diǎn)在于在光源和樣品臺之間加有一整體毛細(xì)
管x光會聚透鏡，在樣品臺和探測器之間加有一整體毛細(xì)管x光平行束透鏡，當(dāng)整體毛細(xì)
管x光會聚透鏡的出口焦斑和整體毛細(xì)管X光平行束透鏡的入口焦斑重合時(shí)，整體毛細(xì)管X
光平行束透鏡只能收集到來自該焦斑重合范圍內(nèi)(或者說"共聚焦微元內(nèi)")的x射線信號，
所以，當(dāng)兩個(gè)整體毛細(xì)管X光透鏡處于共聚焦時(shí)，兩透鏡不動，通過移動樣品，就可以實(shí)
現(xiàn)對樣品的三維無損微區(qū)x射線分析。
整體毛細(xì)管x光透鏡是利用X射線全反射原理設(shè)計(jì)成的X射線光學(xué)器件，X光在毛細(xì)導(dǎo)
管中可借助于全反射從導(dǎo)管的一端傳輸?shù)搅硪欢?，傳輸過程中，改變了x光的傳播方向。
每個(gè)整體毛細(xì)管X光透鏡是由30-50萬根內(nèi)徑為3-15微米單玻璃毛細(xì)管構(gòu)成。該類器件的 優(yōu)點(diǎn)是它可以對全波段的X射線進(jìn)行聚焦，并且制作工藝簡單、小巧靈便、種類齊全、 造價(jià)低廉。整體毛細(xì)管X光透鏡分為兩類整體毛細(xì)管X光會聚透鏡(其中包括整體毛細(xì) 管x光半會聚透鏡)和整體毛細(xì)管X光平行束透鏡，整體毛細(xì)管X光會聚透鏡和整體毛細(xì) 管X光平行束透鏡是單一的、沒有支撐的多孔玻璃固體，內(nèi)有多根毛細(xì)管；這兩種透鏡沿 長度的外形母線和X光導(dǎo)管的外形母線及X光導(dǎo)管的軸線近似為空間二次曲線段、二次曲 線段的組合或二次曲線段與直線段的組合，透鏡的母線和X光導(dǎo)管的外形母線的徑向變化 對于透鏡的中心軸線是對稱的。整體毛細(xì)管X光會聚透鏡可以在大角度大范圍內(nèi)會聚發(fā)散
的x光，且將發(fā)散的x光會聚成數(shù)十微米的微焦斑，從而可以對樣品進(jìn)行微區(qū)掃描，整體
毛細(xì)管X光會聚透鏡具有10S數(shù)量級的放大倍數(shù)。整體毛細(xì)管X光會聚透鏡的進(jìn)口截面和出
口截面尺寸小于透鏡最大尺寸；進(jìn)口端截面和X光導(dǎo)管在垂直于透鏡中心軸線方向的截面 分別為正六邊形和圓形；進(jìn)口端截面和出口端截面形狀相同，X光導(dǎo)管沿垂直于透鏡中心線 方向的截面尺寸是空間的函數(shù)，越靠近兩端，截面尺寸越小。整體毛細(xì)管X光平行束透鏡 可以對射入的X射線進(jìn)行匯聚，形成準(zhǔn)平行的光束。整體毛細(xì)管X光平行束透鏡的出口截面 為透鏡的最大尺寸；進(jìn)口端截面和X光導(dǎo)管在垂直于透鏡中心軸線方向的截面分別為正六 邊形和圓形；進(jìn)口端截面和出口端截面形狀相同，X光導(dǎo)管沿垂直于透鏡中心線方向的截面 尺寸是空間的函數(shù)，在出口截面是最大值，越靠近入口截面，截面尺寸越小。
整體毛細(xì)管X光會聚透鏡和整體毛細(xì)管X光平行束透鏡的長度、入口直徑、出口直徑 和最大截面的尺寸都是因共聚焦X射線熒光分析研究的特殊要求而特別設(shè)計(jì)，其中整體毛的入口焦斑相同，構(gòu)成透鏡毛 細(xì)管的內(nèi)徑和數(shù)目以及拉制透鏡采用的材料也因研究項(xiàng)目要求的不同而不同。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)比較具有如下優(yōu)點(diǎn)
1.相對于其它共聚焦X射線熒光譜儀所采用的準(zhǔn)直管，整體毛細(xì)管X光會聚透鏡可
以會聚發(fā)散的x光，所以，本實(shí)用新型釆用整體毛細(xì)管x光會聚透鏡可以將打在
樣品上的X光的功率密度提高數(shù)千倍，從而可以對樣品進(jìn)行微區(qū)掃描，同時(shí)可以
縮短測量時(shí)間。
2. 相對于其它共聚焦X射線熒光譜儀所采用的準(zhǔn)直管，由于在探測器之前又加有整 體毛細(xì)管X光平行束透鏡，可以對射入X光平行束透鏡的X射線再一次進(jìn)行會聚，
可以形成準(zhǔn)平行光。
3. 由于整體毛細(xì)管X光會聚透鏡有很高的放大倍數(shù)，所以，本實(shí)用新型可以在低功 率光源下進(jìn)行X射線熒光分析。
4. 整體毛細(xì)管X光會聚透鏡和整體毛細(xì)管X光平行束透鏡實(shí)現(xiàn)了共聚焦，當(dāng)整體毛 細(xì)管X光會聚透鏡的出口焦斑和整體毛細(xì)管X光平行束透鏡的入口焦斑重合時(shí)，整 體毛細(xì)管X光平行束透鏡只能收集到來自該焦斑重合范圍內(nèi)(或者"共聚焦微元內(nèi)") 的X射線信號，所以，當(dāng)兩個(gè)整體毛細(xì)管X光透鏡處于共聚焦時(shí),兩透鏡不動，通過 移動樣品，就可以實(shí)現(xiàn)對樣品的三維無損X射線熒光分析。
5. 由于整體毛細(xì)管X光透鏡沒有支架，結(jié)構(gòu)緊湊，所以本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià) 低廉，便于普及和推廣使用。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳述。


圖1為毛細(xì)管X管透鏡共聚焦微區(qū)X射線熒光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖2為本實(shí)用新型中整體會聚X光透鏡的示意圖3為本實(shí)用新型中平行束X光透鏡的示意圖4為圖2中整體會聚X光透鏡的沿垂直于透鏡中心線的剖面圖5為圖3中平行束X光透鏡的沿垂直于透鏡中心線的剖面圖
具體實(shí)施方式
參見附圖l，本實(shí)用新型由X光源1、整體毛細(xì)管X光會聚透鏡2、樣品臺3、整體毛 細(xì)管X光平行束透鏡4、探測器5和顯微鏡6組成。
自X光源發(fā)射的X光7被整體毛細(xì)管會聚X光透鏡收集和會聚，從透鏡2出射的X光8 會聚成數(shù)十微米的微焦斑9。焦斑9打到樣品上，激發(fā)出X射線熒光IO。由于整體毛細(xì)管X 光會聚透鏡的出口焦斑和整體毛細(xì)管X光平行束透鏡的入口焦斑重合，所以整體X光平行 束透鏡4所接受到的X光只能是來自共聚焦微元內(nèi)的X光，當(dāng)透鏡2和透鏡4不動時(shí)，樣 品3移動，可對樣品3進(jìn)行三維無損X射線熒光分析。
參見圖2，圖2給出了譜儀中所用的會聚透鏡的主體結(jié)構(gòu)。7是由X射線源1出射并為 透鏡2捕獲的X射線，其捕獲角為《，^。 X射線在透鏡內(nèi)傳播，部分被透鏡壁吸收，部分
為穿出透鏡。剩余部分X射線8由透鏡會聚成后形成焦斑9。會聚透鏡的幾何參量有入口 端焦距f, (X光源離透鏡入口端的距離)，出口端焦距f,(透鏡出口端到焦斑處的距離)，X
光透鏡長度L，透鏡入口端大小Dm，出口端大小D。ut，最大尺寸D^ (對圓透鏡為其直徑， 對多邊形透鏡為其對邊距離)。會聚透鏡的物理參量有傳輸效率，焦斑的大小，功率密度放大倍數(shù)。
參見圖3，圖3給出了譜儀中所用平行束透鏡的主體結(jié)構(gòu)。從會聚透鏡焦斑9處樣品激 發(fā)出的X射線10被平行束透鏡4收集并會聚，然后進(jìn)入探測器。平行束透鏡的幾何參量有:
入口端焦距f3,入口端大小Z^，出口端大小"一，透鏡長度"，收集角^，平行束透鏡的
物理參量有傳輸效率，功率密度放大倍數(shù)和占空比。
參見附圖4，透鏡沿垂直于透鏡中心線方向的橫截面的外形是正六邊形，每根毛細(xì)管(圖
中標(biāo)記為A)橫截面的輪廓為圓形。毛細(xì)管緊密排列在一起，如果把中間一根毛細(xì)管所在的 層數(shù)定義為l，則從內(nèi)向外各層上的毛細(xì)管的數(shù)目為6(n-l)，其中n〉l為層數(shù)，毛細(xì)管的
內(nèi)徑大小可以相同也可以不相同。
參見附圖5，透鏡沿垂直于透鏡中心線方向的橫截面的外形是正六邊形，每根毛細(xì)管(圖 中標(biāo)記為B)橫截面的輪廓為圓形。毛細(xì)管緊密排列在一起，如果把中間一根毛細(xì)管所在的 層數(shù)定義為l，則從內(nèi)向外各層上的毛細(xì)管的數(shù)目為6 (n-l)，其中11>1為層數(shù)，毛細(xì)管的 內(nèi)徑大小可以相同也可以不相同。
下面給出整體X光會聚透鏡的實(shí)例透鏡共有275060根X光導(dǎo)管構(gòu)成，在沿垂直于透 鏡中心線的方向截面上，每根毛細(xì)管的內(nèi)徑大小相同，在最大橫截面上，每根毛細(xì)管的內(nèi)
徑約為6|am ;透鏡的長度為70mm，透鏡的入口端和出口端的直徑分別為5ram和3mm，在l"7. 4
keV能量點(diǎn)，透鏡入口焦距、出口焦距、傳輸效率、焦斑直徑、放大倍數(shù)和捕獲角，分別為
78鵬、13mm、 1%、 27pm、 3000和2° 。
下面給出整體X光平行束透鏡的實(shí)例透鏡共有205060根X光導(dǎo)管構(gòu)成，在沿垂直于 透鏡中心線的方向截面上，每根毛細(xì)管的內(nèi)徑大小相同，在最大橫截面上，每根毛細(xì)管的
內(nèi)徑約為7iam;透鏡的長度為25mm，透鏡的入口端和出口端的直徑分別為3mm和5mm，在
17.4keV能量點(diǎn)，透鏡入口焦距、傳輸效率和功率密 放大倍數(shù)分別為15 mm、 12%、 27拜 和8。透鏡入口對X光的收集角為7。。
權(quán)利要求1.一種基于整體毛細(xì)管X光透鏡的共聚焦微區(qū)X射線熒光譜儀，包括X光源、樣品臺、顯微鏡、探測器，其特征在于該譜儀還包括在X光源和樣品之間加有一整體毛細(xì)管X光會聚透鏡，在樣品和探測器之間加有一整體毛細(xì)管X光平行束透鏡。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的共聚焦微區(qū)X射線熒光譜儀，其特征在于整體毛細(xì)管X光會聚透鏡和整體毛細(xì)管x光平行束透鏡是單一的、沒有支撐的多孔玻璃固體，內(nèi)有多根毛細(xì)管；這兩種透鏡沿長度的外形母線和X光導(dǎo)管的外形母線及X光導(dǎo)管的軸線近似為 空間二次曲線段、二次曲線段的組合或二次曲線段與直線段的組合，透鏡的母線和X光 導(dǎo)管的外形母線的徑向變化對于透鏡的中心軸線是對稱的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的共聚焦微區(qū)X射線熒光譜儀，其特征在于整體毛細(xì)管X光會 聚透鏡具有103數(shù)量級的放大倍數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的共聚焦微區(qū)X射線熒光譜儀，其特征在于整體毛細(xì)管X光會 聚透鏡的進(jìn)口截面和出口截面尺寸小于透鏡最大尺寸；進(jìn)口端截面和X光導(dǎo)管在垂直于 透鏡中心軸線方向的截面分別為正六邊形和圓形；進(jìn)口端截面和出口端截面形狀相同， X光導(dǎo)管沿垂直于透鏡中心線方向的截面尺寸是空間的函數(shù)，越靠近兩端，截面尺寸越 小。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的共聚焦微區(qū)X射線熒光譜儀，其特征在于整體毛細(xì)管X光平 行束透鏡的出口截面為透鏡的最大尺寸；進(jìn)口端截面和X光導(dǎo)管在垂直于透鏡中心軸線 方向的截面分別為正六邊形和圓形；進(jìn)口端截面和出口端截面形狀相同，X光導(dǎo)管沿垂直于透鏡中心線方向的截面尺寸是空間的函數(shù)，在出口截面是最大值，越靠近入口截面， 截面尺寸越小。
專利摘要毛細(xì)管X光透鏡共聚焦微區(qū)X射線熒光譜儀是由X光源、樣品臺、顯微鏡、探測器、X射線光源和樣品臺之間的整體毛細(xì)管X光會聚透鏡以及樣品臺和探測器之間的整體毛細(xì)管X光平行束透鏡組成，它可用來對樣品進(jìn)行三維無損微區(qū)X射線熒光分析。本實(shí)用新型的核心部件是安放在光源和樣品臺之間的整體毛細(xì)管X光會聚透鏡和安放在樣品臺和探測器之間的整體毛細(xì)管X光平行束透鏡。本實(shí)用新型的核心是通過對整體毛細(xì)管X光會聚透鏡與整體毛細(xì)管X光平行束透鏡的合理調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)共聚焦，從而對樣品進(jìn)行三維無損微區(qū)X射線熒光分析。同時(shí)，本實(shí)用新型可以利用功率較低的光源進(jìn)行X射線熒光分析。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，便于推廣和普及。
文檔編號G01N23/223GK201417256SQ20082013992
公開日2010年3月3日 申請日期2008年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月20日
發(fā)明者丁訓(xùn)良, 劉志國, 孫天希, 滕玥鵬 申請人:北京師范大學(xué)