Волновая дисперсивная рентгенофлуоресцентная система с использованием фокусирующей оптики для возбуждения и фокусирующий монохроматор для собирания
Изобретение относится к системам рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии, содержащим и использующим оптические устройства, фокусирующие рентгеновские лучи для формирования возбуждающего потока, фокусируемого на образцах, и монохроматоры для собирания (улавливания) вторичных рентгеновских лучей от образца. Система (100) содержит источник (110) рентгеновского излучения (S) и оптическую систему возбуждения (120), расположенную между источником (110) рентгеновского излучения и образцом (130) для собирания рентгеновского излучения от источника и фокусирования рентгеновского излучения в фокальную точку (I) на образце для возбуждения флуоресценции по крайней мере одного определяемого компонента в образце, детектор (150) рентгеновского излучения и собирающую оптическую систему (140), содержащую двумерно искривленную дифракционную оптическую систему, расположенную между образцом и детектором рентгеновской флуоресценции для собирания рентгеновской флуоресценции от фокальной точки на образце и фокусирования флуоресцентных рентгеновских лучей на детектор рентгеновской флуоресценции. Оптическая система (120) содержит по крайней мере один двумерно искривленный кристалл. Радиусы кривизны поверхности двумерно искривленного кристалла в плоскости фокального круга и в средней плоскости, перпендикулярной сегменту SI, различны. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности измерений и усовершенствование системы. 4 н. и 49 з.п. ф-лы, 5 ил.
Ссылки на патенты/заявки, имеющие отношение к данной заявке.
Настоящая заявка содержит сведения, имеющие отношение к предмету приведенных ниже патентов и заявок, включенных, таким образом, в данную заявку в качестве ссылок. Патенты/заявки, имеющие отношения к данной заявке:
Патент США №5,175,755, озаглавленный «Use Of A Kumakhov Lens For X-Ray Lithography», («Использование линзы Кумахова для рентгеновской литографии»), на имя Muradin A. Kumakhov, опубликованный 29 декабря 1992 г.;
Патент США №5,192,869, озаглавленный «Device For Controlling Beams Of Particles, X-Ray and Gamma Quanta» («Устройство для управления потоками частиц, рентгеновских лучей и гамма квантов»), на имя Muradin A. Kumakhov, опубликованный 9 марта 1993 г.;
Патент США №5,497,008, озаглавленный «Use Of A Kumakhov Lens In Analytic Instruments» («Использование линзы Кумахова в аналитическом оборудовании»), на имя Muradin A. Kumakhov, опубликованный 5 марта 1996 г.;
Патент США №5,570,408, озаглавленный «High Intensity, Small Diameter X-Ray Beam, Capillary Optic System» («Капиллярная оптическая система для рентгеновского излучения с пучком высокой интенсивности и малого диаметра»), на имя David M. Gibson, опубликованный 29 октября 1996 г.;
Патент США №5,604,353, озаглавленный «Multiple-Channel, Total-Reflection Optic With Controllable Divergence» («Многоканальная оптическая система с полным внутренним отражением и контролируемой дивергенцией»), на имя Gibson и др., опубликованный 18 февраля 1997 г.;
Патент США №5,745,547, озаглавленный «Multiple Channel Optic» («Многоканальная оптическая система»), на имя Qi-Fan Xiao, опубликованный 28 апреля 1998 г.;
Патент США №6,285,506, озаглавленный «Curved Optical Device and Method Of Fabrication» («Искривленное оптическое устройство и способ его изготовления»), на имя Zewu Chen, опубликованный 4 сентября 2001 г.;
Патент США №6,317,483, озаглавленный «Doubly Curved Optical Device With Graded Atomic Planes» («Двумерно искривленное оптическое устройство с разделенными атомными плоскостями»), на имя Zewu Chen, опубликованный 13 ноября 2001 г.;
Заявка США с серийным №09/667,966, озаглавленная «Total-Reflection X-Ray Fluorescence Apparatus and Method Using a Doubly-Curved Optic» («Рентгено-флуоресцентный прибор с полным внутренним отражением и способ, в котором используется двумерно искривленная оптическая система»), на имя Zewu Chen, поданная 22 сентября 2000 г.; и
Заявка США с серийным №60/336,584, озаглавленная «X-Ray Tube and Method and Apparatus for Analyzing Fluid Streams Using X-Rays» («Рентгеновская трубка, а также способ и устройство для анализа потоков жидкости, в которых используются рентгеновские лучи»), на имя Radley и др., поданная 4 декабря 2001 г.
Область техники
Данное изобретение относится к системам рентгенофлуоресцентной ((XRF) (РФ)) спектроскопии и, в частности, к системе и способу, содержащим и использующим оптические устройства, фокусирующие рентгеновские лучи для формирования возбуждающего потока, фокусируемого на образцах, и монохроматорам для собирания (улавливания) вторичных рентгеновских лучей от образца.
Уровень техники
Широко известно, что рентгенофлуоресцентная (РФ) спектроскопия является очень точным способом определения атомного состава материала, сущность способа состоит в облучении образца рентгеновскими лучами и регистрации получаемых в результате вторичных рентгеновских лучей, испускаемых образцом.
Как правило, РФ системы состоят из источника возбуждающего излучения (рентгеновской трубки или радиоизотопа), устройства для собирания (улавливания) вторичных рентгеновских лучей от образца и определения их энергии или длины волны и воспроизводящего устройства (дисплея) для вывода спектра. Интенсивность вторичных рентгеновских лучей при определенных энергиях или длинах волн коррелирует с концентрацией элементов в образце. Для анализа данных и определения концентрации часто используют компьютерные программы.
Процесс начинается с облучения образца с использованием источника рентгеновского излучения. По мере того как рентгеновские фотоны бомбардируют образец, они выбивают электроны с внутренней оболочки атомов, входящих в состав образца, создавая вакансии, которые дестабилизируют атомы. Атомы стабилизируются, когда электроны с внешней оболочки перемещаются на внутренние оболочки, испуская в процессе этого перехода характерные рентгеновские фотоны, энергия которых равна разнице между двумя энергиями связи соответствующих оболочек. Существует два традиционных подхода к определению рентгеновского спектра испускания от образца. Первым подходом является спектрометрия дисперсии по энергии ((EDS) (СДЭ)), вторым - спектрометрия дисперсии по длинам волн ((WDS) (СДДВ)). В системе спектрометрии дисперсии по энергии для определения энергетического спектра фотонов, испускаемых образцом, используется энергодисперсионный детектор, такой как твердотельный детектор или пропорциональный счетчик. В системе спектрометрии по длинам волн используется кристаллическая или многослойная структура для отбора определенной длины волны рентгеновских фотонов в рентгеновской области спектра, испускаемых образцом,
Рентгенофлуоресценция, в которой используется СДЭ, является наиболее широко используемым способом анализа концентрации элементов. Этот способ имеет некоторые преимущества. Во-первых, СДЭ детектор может определять практически все элементы Периодической системы одновременно. Во-вторых, система является компактной по сравнению с системами дисперсии рентгеновской флуоресценции по длинам волн, так как не требует дополнительной оптики на стороне собирания (улавливания). В третьих, может быть использована рентгеновская трубка малой мощности, так как СДЭ детектор имеет большой телесный угол собирания и обладает высокой эффективностью. Однако существуют и недостатки РФ/СДЭ систем, включающие относительно низкую чувствительность и плохое разрешение по энергиям. Кроме того, из-за того, что СДЭ детектор принимает все рентгеновские лучи от образца, детектор легко насыщается флуоресцентным сигналом от основных (содержащихся в большем количестве) элементов и сильным рассеиванием первичного пучка.
Рентгеновская флуоресценция, в которой используется СДДВ, также имеет ряд преимуществ, в том числе более высокое разрешение по энергиям и большее отношение сигнал/шум по сравнению с РФ/СДЭ системами. Таким образом, подход на основе РФ/СДДВ является мощным инструментом для анализа следов элементов и применяется в тех случаях, когда требуется высокое разрешение по энергиям. Однако традиционные РФ/СДДВ системы обладают рядом недостатков, включая необходимость использования рентгеновской трубки высокой мощности из-за ограничений, накладываемых использованием СДДВ подхода, что приводит к низкой эффективности и малому телесному углу собирания. Другой недостаток традиционной системы СДДВ заключается в том, что кристаллическая или многослойная структура на стороне собирания (улавливания) отбирает рентгеновское излучение только определенной длины волны, и для определения множества элементов необходим механизм сканирования или мультикристаллическая система. Преимуществом является то, что можно избежать насыщения детектора, но это приводит к усложненной регулировке системы. Поэтому системы РФ/СДДВ обычно являются громоздкими, сложными и более дорогостоящими, чем системы РФ/СДЭ.
В патенте США №5,982,847 на имя Nelson, раскрыта система спектрометрии дисперсии по энергии (СДЭ), использующая только полихроматические оптические системы как при определении, так и при собирании (улавливании). Патент не содержит упоминания об использовании дифракционных оптических систем ни при возбуждении, ни при собирании (улавливании).
Изобретение, раскрытое в публикации WO 02/25258, на имя X-Ray Optical Systems, Inc. (ИКС-Рэй Оптикал Системз, Инк.), также ограничивается СДЭ системой. Несмотря на то что монохроматическое возбуждение используется (определение не ограничено определяемыми оптической системой специфическими длинами волн), изобретение не раскрывает и не содержит описания оптических систем определения. Следовательно, система определения имеет дело с более широким диапазоном длин волн и обрабатывает его с использованием традиционной технологии СДЭ.
Европейский патент №0339713 на имя N.V. Philips раскрывает систему СДДВ, однако, как уже говорилось выше, этот документ описывает традиционную технологию облучения очень большой поверхности образца, микроотверстие/щель 6 служит для установки угла падения на оптическую систему 22, тем самым значительно ограничивая телесный угол собирания. В патенте не содержится раскрытия, описания или предложения использовать фокусирующую оптическую систему, маленькое фокальное пятно на образце и сопутствующие преимущества настоящего изобретения. Фокальное пятно маленького размера по настоящему изобретению «помещено» в точке 6, но это не ограничивает телесный угол собирания оптической системы определения.
Устройство, описанное в работе «Microprobe X-Ray Fluorescence with the Use of Point-Focusing Dif&actors» («Рентгеновская флуоресценция для проведения микроанализа с использованием дифракторов, фокусирующих в точку») на имя Chen и др. (Appl. Phys Lett. 71(13), 1884-1886, сентябрь 1997), схоже с раскрытым в публикации WO 02/25258, описанным выше. Несмотря на то что используют монохроматическое возбуждение (определение не ограничено определяемыми оптической системой специфическими длинами волн), изобретение не раскрывает и не содержит описания оптических систем определения.
Изобретение, раскрытое в патенте США №5,406,609 на имя Arai и др, также схоже с раскрытым в публикации WO 02/25258, и использует монохроматическое возбуждение со стандартной схемой определения СДЭ.
В то время как большинство РФ приборов обычно предназначены для анализа широкого набора элементов, существует много важных прикладных применений для контроля в промышленном производстве, требующих определения одного или ограниченного числа элементов. Поэтому данное изобретение направлено на разработку компактных РФ/СДЦВ систем, обеспечивающих исключительно высокую чувствительность или высокоскоростной анализ для ограниченного набора элементов.
Сущность изобретения
Данное изобретение позволяет преодолеть недостатки известных подходов. Кроме того, данное изобретение обладает рядом дополнительных преимуществ. Согласно одному из вариантов данное изобретение содержит систему рентгено-флуоресцентной (РФ) спектроскопии. РФ система содержит, по крайней мере, один источник рентгеновского излучения и, по крайней мере, одну оптическую систему возбуждения, расположенную между, по крайней мере, одним источником рентгеновского излучения и образцом. По крайней мере, одна оптическая система возбуждения собирает рентгеновское излучение от, по крайней мере, одного источника и фокусирует рентгеновское излучение в фокальную точку на образце для возбуждения флуоресценции по крайней мере одного определяемого компонента в образце. Система дополнительно содержит по крайней мере один детектор рентгеновского излучения и по крайней мере одну собирающую оптическую систему. По крайней мере одна собирающая оптическая система содержит по крайней мере одну двумерно искривленную дифракционную оптическую систему, расположенную между образцом и по крайней мере одним детектором рентгеновского излучения для собирания (улавливания) рентгеновской флуоресценции от фокальной точки на образце и направления флуоресцентных рентгеновских лучей к по крайней мере одному детектору рентгеновского излучения.
Кроме того, в данной заявке описаны и заявлены многочисленные усовершенствования описанной выше системы РФ спектроскопии. Например, по крайней мере один источник рентгеновского излучения может содержать по крайней мере один источник рентгеновского излучения на основе бомбардировки электронами. По крайней мере одна оптическая система возбуждения может содержать по крайней мере одну фокусирующую полихроматическую оптическую систему, например одну или более поликапиллярную оптическую систему и/или может содержать по крайней мере одну фокусирующую монохроматическую оптическую систему. Фокусирующая монохроматическая оптическая система(ы) может(ут) содержать по крайней мере одну двумерно искривленную кристаллическую и/или по крайней мере одну двумерно искривленную многослойную оптическую систему. Фокальная точка может иметь размер фокального пятна (фокуса) менее 500 микрон, а образец может быть твердым или жидким. Кроме того, образец может быть продуктом на основе нефти, таким как, бензин, дизельное топливо, сырая нефть или смазочное масло. По крайней мере один определяемый компонент, который должен быть возбужден в образце, может представлять собой или содержать серу и/или железо. Кроме того, рентгеновское излучение, сфокусированное на образце, может падать на образец под углом, меньшим, чем угол полного внешнего отражения, как это желательно для рентгеновской флуоресценции полного внутреннего отражения ((TXRF) (РФПВО)), или под углом, большим, чем угол полного внешнего отражения, как это желательно для обычной рентгеновской флуоресценции.
Дальнейшие усовершенствования могут включать использование по крайней мере одной собирающей оптической системы, направляющей рентгеновские лучи от по крайней мере одного определяемого компонента к детектору(детекторам) для определения концентрации по крайней мере одного определяемого компонента в образце или толщины образца. Кроме того, по крайней мере одна двумерно искривленная дифракционная оптическая система по крайней мере одной собирающей оптической системы может содержать по крайней мере один двумерно искривленный кристалл. По крайней мере один двумерно искривленный кристалл может иметь геометрию Иоганна, геометрию Иогансона, частичную аппроксимацию геометрии Иогансона или может содержать оптическую систему на основе кристалла, двумерно искривленного по логарифмической спирали. Более того, в отдельных вариантах осуществления изобретения по крайней мере одна двумерно искривленная дифракционная оптическая система может содержать по крайней мере одну двумерно искривленную многослойную оптическую систему, которая может быть градуированной двумерно искривленной оптической системой или оптической системой, двумерно искривленной по логарифмической спирали. Кроме того, по крайней мере одна собирающая оптическая система может быть закреплена относительно образца и по крайней мере одного детектора рентгеновского излучения. По крайней мере один детектор рентгеновского излучения может представлять собой один или более газовый пропорциональный счетчик, один или более сцинтилляционный счетчик и/или один или более твердотельный детектор. Один или более твердотельный детектор может содержать по крайней мере один твердотельный детектор на основе PIN-диода (регулируемого резистивного диода).
Изобретение также представляет собой способ рентгенофлуоресцентной спектроскопии. Этот способ включает использование по крайней мере одного источника рентгеновского излучения; по крайней мере одной оптической системы возбуждения, расположенной между по крайней мере одним источником рентгеновского излучения и образцом, который следует подвергнуть анализу, для собирания рентгеновского излучения от по крайней мере одного источника и фокусирования рентгеновского излучения в фокальную точку на образце с целью возбуждения флуоресценции по крайней мере одного определяемого компонента в образце; по крайней мере одного детектора рентгеновского излучения; и размещение по крайней мере одной собирающей оптической системы, содержащей по крайней мере одну двумерно искривленную дифракционную оптическую систему, между образцом и по крайней мере одним детектором рентгеновского излучения для собирания рентгеновской флуоресценции от фокальной точки на образце и фокусирования (направления) флуоресцентных рентгеновских лучей на, по крайней мере, один детектор рентгеновского излучения.
Дополнительные особенности и преимущества будут указаны при описании технических приемов, используемых в данном изобретении. Другие варианты осуществления и аспекты изобретения детально описаны далее и рассматриваются как часть заявленного изобретения.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения детально описана и указана в формуле изобретения, приведенной после описания. Упомянутые выше, а также другие объекты, признаки и преимущества изобретения очевидны из приведенного ниже детального описания, данного со ссылками на сопроводительные чертежи, где:
на Фиг.1 показан один вариант выполнения РФ/СДДВ системы 100 согласно данному изобретению;
на Фиг.2 показана двумерно искривленная кристаллическая оптическая система, обеспечивающая фокусировку точки в точку, предназначенная для использования в системе согласно данному изобретению;
на Фиг.3А показан один вариант выполнения геометрии кристаллической или многослойной оптической системы, двумерно искривленной по логарифмической спирали, предназначенной для использования в системе согласно данному изобретению;
на Фиг.3Б показано поперечное сечение по линии В-В оптической системы, приведенной на Фиг.3А;
на Фиг.4 показан другой вариант выполнения РФ/СДДВ системы 200 согласно данному изобретению; и
на Фиг.5 показана поликапиллярная оптическая система, обеспечивающая фокусировку точки в точку, предназначенная для использования в системе согласно данному изобретению.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Наилучший вариант осуществления изобретения.
Согласно одному из вариантов осуществления компактная система РФ/СДДВ по данному изобретению содержит источник рентгеновского излучения, оптическую систему возбуждения рентгеновским излучением, фокусирующую рентгеновские лучи от источника на образец, по крайней мере один собирающий монохроматор и счетчик рентгеновского излучения. Оптическая система возбуждения рентгеновским излучением может быть фокусирующей поликапиллярной оптической системой, обеспечивающей полихроматическое возбуждение, или двумерно искривленной кристаллической оптической системой с точечным фокусом, обеспечивающей монохроматическое возбуждение. Собирающий монохроматор (который может быть двумерно искривленной кристаллической оптической системой, двумерно искривленной многослойной оптической системой или двумерно искривленной дифракционной оптической системой) выбирает требуемые характеристические для элемента длины волн. Интенсивность отраженных рентгеновских лучей измеряется с помощью детектора и коррелирует с концентрацией этого элемента в образце.
Один аспект системы РФ/СДДВ согласно данному изобретению состоит в том, что оптическая система возбуждения может эффективно улавливать рентгеновские лучи от точечного источника рентгеновского излучения в большом конусном угле. Эта оптическая система является фокусирующей оптической системой, способной направлять на образец очень интенсивный возбуждающий пучок даже при использовании компактного источника рентгеновского излучения малой мощности (например, менее 1 кВт и более предпочтительно менее 100 Вт). Использование рентгеновской трубки малой мощности делает эту систему значительно более компактной и простой по сравнению с традиционной системой РФ/СДДВ, в которой используется громоздкая киловаттная рентгеновская трубка.
Другой аспект данного изобретения состоит в том, что монохроматический возбуждающий пучок можно генерировать, если в качестве оптической системы возбуждения используется двумерно искривленная кристаллическая оптическая система. В типичном варианте осуществления системы РФ/СДДВ для возбуждения образца используется полихроматический пучок. Монохроматическое возбуждение позволяет получить значительно большее отношение сигнал/шум, чем полихроматическое возбуждение вследствие исключения рассеяния тормозного излучения от источника рентгеновского излучения на образце, что значительно улучшает предел чувствительности системы. Монохроматическое возбуждение также значительно упрощает количественный анализ РФ.
Еще один аспект данного изобретения заключается в том, что возбуждающий пучок фокусируется на образце за счет фокусирующей способности оптической системы возбуждения. Размер фокального пятна (фокуса) пучка на образце может быть в диапазоне от 50 до 500 мкм, что примерно на два порядка меньше, чем размер пучка в традиционной системе (который обычно составляет примерно 10 - 30 мм). Кроме обеспечения эффективного собирания (улавливания) этот меньший по размеру пучок делает возможным пространственное разрешение при анализах.
Благодаря меньшей площади возбуждения образца двумерно искривленная дифракционная оптическая система может быть эффективно использована в качестве собирающей оптической системы (согласно другому аспекту данного изобретения). Двумерно искривленная монохроматическая оптическая система может обеспечить большие телесные углы собирания от точки. (В традиционной РФ/СДДВ системе с большим размером возбуждающего пучка используется плоский или одномерно искривленный монохроматор и телесный угол собирания ограничен.) Двумерно искривленный монохроматор значительно улучшает уровень сигнала для определяемого элемента при заданной геометрии и интенсивности возбуждающего пучка.
Еще один аспект данного изобретения состоит в том, что собирающая оптическая система может быть закреплена относительно образца и детектора без использования каких-либо подвижных частей. Это может одновременно являться и достоинством, и недостатком. Достоинство заключается в том, что это ускоряет проведение анализа и повышает надежность системы, в то время как недостаток заключается в том, что может возникнуть необходимость в сложной (множественной) собирающей оптической системе, например, для мультиэлементного анализа.
Другими словами, согласно принципам данного изобретения система РФ/СДДВ содержит фокусирующую рентгеновское излучение оптическую систему, обеспечивающую полихроматическое или монохроматическое возбуждение образца. Вторичные рентгеновские лучи, являющиеся результатом рентгеновской флуоресценции, собираются (улавливаются) монохроматором, который содержит двумерно искривленный дифрактор для направления излучения к детектору, такому как пропорциональный счетчик, РЕМ детектор комнатной температуры или NaI детектор. Один пример системы РФ/СДДВ 100, в которой использована такая рентгеновская оптическая система для обеспечения монохроматического возбуждения и собирания рентгеновских лучей от образца, детально описана ниже со ссылкой на Фиг.1.
Система РФ/СДДВ 100 содержит, например, источник 110 рентгеновского излучения малой мощности, монохроматическую фокусирующую оптическую систему 120, образец 130, собирающий монохроматор 140 и детектор 150.
Источник 110 рентгеновского излучения малой мощности (например, менее 1 кВт, более предпочтительно менее 100 Вт) является источником рентгеновского излучения, таким как рентгеновская трубка, закрытый источник излучения на основе радиоактивного материала или источник электронов с высокой энергией, которые ударяются о металлическую мишень и генерируют рентгеновское излучение. Одним из примеров источника 110 рентгеновского излучения малой мощности является рентгеновская трубка 50 Вт, причем материал мишени включает хром, медь, вольфрам или молибден, и размер электронного пучка на материале мишени находится в диапазоне от примерно 50 до 300 мкм.
Образец 130 представляет собой материал, который должен пройти метрологические измерения. Примером образца 130 может быть образец жидкости, участвующей в технологических операциях, такой как дизельное топливо, для которого требуется измерить концентрацию серы, или смазочное масло, для которого требуется определить концентрацию металла (железа), попадающего в масло в результате износа деталей. Если образец 130 является потоком жидкости, устройство может содержать прозрачный материал (не показан) для того, чтобы сделать возможной передачу возбуждающего рентгеновского излучения на образец и рентгеновской флуоресценции от образца 130.
Монохроматическая фокусирующая оптическая система 120, расположенная между источником 110 рентгеновского излучения и образцом 130 системы РФ 100, служит для отражения или передачи излучения к образцу 130 только в небольшом диапазоне энергии, например в интервале энергий от десятков до сотен электрон-вольт, в противоположность полихроматическим оптическим системам, которые передают излучение в диапазоне энергий в тысячи электрон-вольт. Оптическая система 120 также фокусирует рентгеновские лучи в маленькое фокальное пятно (фокус) на образце 130. Размер этого фокального пятна может быть в диапазоне от 50 до 500 мкм.
Одним из примеров фокусирующей оптической системы 120 является двумерно искривленный кристалл типа Иоганна. Пример двумерно искривленного кристалла типа Иоганна показан на Фиг.2. При такой геометрии дифракционные плоскости кристалла 160 параллельны поверхности кристалла. Поверхность кристалла, имеющего тороидальную форму, имеет геометрию Иоганна в плоскости фокального круга 170 и аксиальную симметрию вдоль линии SI, где точка S - это местонахождение источника 110 рентгеновского излучения (Фиг.1), а точка I - фокальное пятно (фокус). Поверхность кристалла имеет радиус кривизны 2R в плоскости фокального круга и радиус кривизны 2Rsin2 ΘB в средней плоскости, перпендикулярной сегменту SI, где R - радиус фокального круга, а ΘB - брэгговский угол. Рентгеновские лучи, расходящиеся от точки S и попадающие на поверхность кристалла под углами падения в пределах ширины разворота кристалла, будут эффективно отражаться в точку I. Такой тип двумерно искривленного кристалла позволяет не только осуществить фокусирование в точку, но и монохроматизировать пучок 180, так как отражаться могут только те фотоны рентгеновских лучей, которые имеют нужную длину волны.
Как показано на Фиг.1, рентгеновская оптическая система 140 является другим монохроматизирующим оптическим элементом РФ системы 100 и расположена между образцом 130 и детектором 150. Эта оптическая система собирает рентгеновские лучи определенной длины волны и направляет рентгеновские лучи в детектор рентгеновского излучения. В традиционной РФ/СДДВ системе в качестве оптической системы может использоваться плоская или одномерно искривленная кристаллическая оптическая система. Согласно данному изобретению собирающий монохроматор представляет собой двумерно искривленную дифракционную систему (например, кристаллическую или многослойную оптическую систему), которая способна обеспечить значительно больший телесный угол собирания от точки по сравнению с плоской или одномерно искривленной оптической системой.
Особым примером собирающей монохроматической оптической системы 140 является кристаллическая оптическая система, двумерно искривленная по логарифмической спирали. Один вариант выполнения этой геометрии показан на Фиг.3А и 3Б. При такой геометрии дифракционные плоскости кристаллической оптической системы параллельны поверхности кристалла. Поверхность кристалла в плоскости рассеяния имеет форму логарифмической спирали и осевую симметрию относительно оси ID, где точка I - это начало логарифмической спирали и фокальная точка возбуждающего пучка на образце 130 (Фиг.1), а точка D - месторасположение детектора 150 (Фиг.1). Флуоресцентные рентгеновские лучи, испускаемые из точки I на поверхности образца, имеют постоянный угол падения на эту поверхность логарифмической спирали благодаря особенности спиральной кривой. Этот постоянный угол выбирается таким образом, чтобы он был брэгтовским углом для характеристических рентгеновских лучей от представляющего интерес элемента в образце 130 относительно дифракционных плоскостей кристалла. Рентгеновские лучи, отраженные от двумерно искривленной по логарифмической спирали геометрии, образуют не точку, а каустику в плоскости рассеяния. Рентгеновские лучи сфокусируются на оси ID, как показано на Фиг.3Б, вдоль направления ID.
Альтернативно многослойная оптическая система может быть использована в системе, приведенной на Фиг.1, для монохроматической оптики 120 и монохроматической оптики 140. Детектор 150 может представлять собой простой детектор-счетчик, а именно газовый пропорциональный счетчик, сцинтилляционный счетчик или твердотельный детектор на основе PIN-диода, работающий при комнатной температуре.
РФ/СДДВ система 100 хорошо подходит для высокочувствительного анализа микроэлементов, что является преимуществом. Фокусирующая точку в точку двумерно искривленная кристаллическая оптическая система обеспечивает большой телесный угол собирания и формирует очень интенсивный монохроматический пучок, фокусируемый на образец, даже при использовании рентгеновской трубки малой мощности. Благодаря монохроматическому возбуждению отношение сигнал/шум значительно возрастает, и чувствительность определения увеличивается. Фокусировка возбуждающего пучка в точку на образце дает возможность эффективно использовать двумерно искривленную собирающую оптическую систему для улучшения телесного угла сбора флуоресцентных рентгеновских лучей, что еще более повышает чувствительность системы.
В специальном варианте выполнения РФ/СДДВ системы 100, показанной на Фиг.1, система может содержать источник 110 рентгеновского излучения, включающий 50 Вт рентгеновскую трубку с материалом источника, выполненным из хрома, меди, вольфрама или молибдена, и размер фокального пятна на материале источника составляет примерно от 100 до 300 мкм. Оптическая система 120 может представлять собой фокусирующий двумерно искривленный кристалл, изготовленный из кремния, германия или других кристаллических материалов, расположенный на расстоянии от 100 до 200 мм от источника 110 рентгеновского излучения вдоль оптической оси, определяемой как линия, соединяющая центр пучка, проходящего от источника рентгеновского излучения и падающего на двумерно искривленный кристалл 120, с центром двумерно искривленного кристалла 120. Образец 130 может представлять собой, например, масло, содержащее микроэлементы, которые могут включать серу, ванадий и никель. Образец 130 может быть расположен на расстоянии от 100 до 200 мм от монохроматической оптической системы (монохроматора) 120, расстояние измеряется вдоль оптической оси. Вторая монохроматическая оптическая система 140 может представлять собой кристалл, двумерно искривленный по логарифмической спирали, изготовленный из кремния, германия или других кристаллических материалов, расположенный на расстоянии от 100 до 200 мм от образца 130, причем это расстояние измеряется вдоль оптической оси. Детектор 150 может представлять собой газовый пропорциональный счетчик, сцинтилляционный счетчик, PIN-детектор, работающий при комнатной температуре, или NaI детектор, расположенный на расстоянии от 100 до 200 мм от образца, расстояние измеряется вдоль оптической оси.
Путем введения одного или более собирающих монохроматоров и детекторов в систему 100 можно определить содержание двух или более элементов, причем для определения одного элемента необходима парная работа одного соответствующего собирающего монохроматора и детектора,
На Фиг.4 показан альтернативный вариант выполнения РФ системы 200 согласно данному изобретению. Система 200 содержит источник 210, полихроматическую фокусирующую оптическую систему 220, образец 230, двумерно искривленную монохроматическую оптическую систему 240 и детектор 250.
Полихроматическая оптическая система 220 представляет собой оптический элемент, который передает фотоны с широким диапазоном энергий, причем элемент, фокусируя фотоны, собирает их в маленькое пятно на образце 230. Одним из примеров полихроматической оптической системы, хорошо подходящей для работы в качестве оптической системы 220, является поликапиллярная оптическая система 300 (см. Фиг.5), такая как система, поставляемая X-Ray Optical Systems (ИКС-Рэй Оптикал Системз), Элбани, Нью-Йорк. Поликапиллярная оптическая система, детально описанная во многих указанных выше патентах, представляет собой пучок тонких полых трубок, передающих фотоны посредством полного отражения.
Благодаря полихроматическому возбуждению отношение сигнал/шум будет меньше по сравнению с системой 100 (Фиг.1). Однако система 200 (Фиг.4) может обеспечить ряд преимуществ. Например, с помощью системы 200 можно получить меньшее фокальное пятно благодаря лучшей фокусирующей способности поликапиллярной оптики. Это позволяет получить более хорошее пространственное разрешение для локального анализа. Например, используя 50 Вт рентгеновскую трубку и поликапиллярную оптическую систему, можно получить фокальное пятно размером от 20 мкм до 50 мкм. Другое преимущество состоит в том, что полихроматическое возбуждение создает рентгеновские фотоны с широким спектром энергий, который может охватить практически все элементы Периодической таблицы.
В специальном варианте выполнения изобретения РФ/СДДВ система 200 может содержать источник 210 рентгеновского излучения, который может представлять собой рентгеновскую трубку 50 Вт с материалом источника, выполненным из хрома, меди, вольфрама или молибдена, а размер пятна на материале мишени составляет примерно от 100 до 300 мкм. Полихроматическая оптическая система 220 может быть поликапиллярной оптической системой, расположенной на расстоянии от 30 до 50 мм от источника 210 рентгеновского излучения. Образец 230 может представлять собой, например, масло с элементами, которые могут включать серу, ванадий и никель. Образец 230 может быть расположен на расстоянии от 100 до 200 мм от поликапиллярной оптической системы 220. Двумерно искривленный монохроматор 240 может представлять собой кристалл, двумерно искривленный по логарифмической спирали, изготовленный из кремния, германия или других кристаллических материалов, расположенный на расстоянии от 100 до 200 мм от образца 230, расстояние измеряется вдоль оптической оси. Детектор 250 может быть газовым пропорциональным счетчиком, сцинтилляционным счетчиком, PDST-детектором, работающим при комнатной температуре, или детектором из NaI, расположенным на расстоянии от 100 до 200 мм от монохроматической оптической системы 240, расстояние измеряется вдоль оптической оси. Для определения множества элементов (мульти-элементного анализа) также можно использовать множество собирающих монохроматоров с соответствующими детекторами
Несмотря на то что в настоящем описании отображены и описаны предпочтительные варианты выполнения изобретения, специалистам в данной области техники понятно, что различные модификации, дополнения, замены и так далее могут быть осуществлены без изменения сущности данного изобретения, изложенного в приведенной ниже Формуле изобретения.
1. Система рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии, содержащая по крайней мере один источник (110/210) рентгеновского излучения, по крайней мере один детектор (150/250) рентгеновского излучения, по крайней мере одну собирающую монохроматическую оптическую систему (140/240), содержащую по крайней мере одну двумерно искривленную дифракционную оптическую систему, расположенную между образцом (130/230) и по крайней мере одним детектором рентгеновского излучения для собирания рентгеновской флуоресценции от фокальной точки на образце и направления флуоресцентных рентгеновских лучей, имеющих характеристическую энергию для заранее заданного определяемого компонента, к по крайней мере одному детектору рентгеновского излучения, содержащая по крайней мере одну оптическую систему возбуждения (120/220), расположенную между, по крайней мере, одним источником рентгеновского излучения и образцом для собирания рентгеновского излучения от по крайней мере одного источника и фокусирования рентгеновского излучения в фокальную точку на образце для возбуждения флуоресценции указанного определяемого компонента в образце, содержащую по крайней мере одну фокусирующую монохроматическую оптическую систему (120), содержащую по крайней мере один двумерно искривленный кристалл, отличающаяся тем, что радиусы кривизны поверхности по крайней мере одного двумерно искривленного кристалла в плоскости фокального круга и в средней плоскости, перпендикулярной сегменту SI, различны, где точка S - это местонахождение источника (110) рентгеновского излучения, точка I - фокальное пятно (фокус).
2. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере один источник (110) рентгеновского излучения содержит по крайней мере один источник рентгеновского излучения на основе бомбардировки электронами.
3. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере одна оптическая система возбуждения содержит по крайней мере одну фокусирующую полихроматическую оптическую систему (220).
4. Система РФ спектроскопии по п.3, отличающаяся тем, что по крайней мере одна фокусирующая полихроматическая оптическая система содержит по крайней мере одну поликапиллярную оптическую систему.
5. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере одна фокусирующая монохроматическая оптическая система содержит по крайней мере одну двумерно искривленную многослойную оптическую систему.
6. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что фокальная точка имеет размер фокального пятна менее 500 мкм.
7. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью падения рентгеновского излучения, сфокусированного на образце, под углом меньшим, чем угол полного внешнего отражения.
8. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью падения рентгеновского излучения, сфокусированного на образце, под углом большим, чем угол полного внешнего отражения.
9. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что образец содержит твердое вещество.
10. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что образец содержит жидкость.
11. Система РФ спектроскопии по п.10, отличающаяся тем, что жидкость содержит продукт на основе нефти.
12. Система РФ спектроскопии по п.11, отличающаяся тем, что продукт на основе нефти содержит бензин или дизельное топливо.
13. Система РФ спектроскопии по п.12, отличающаяся тем, что продукт на основе нефти содержит сырую нефть.
14. Система РФ спектроскопии по п.9, отличающаяся тем, что продукт на основе нефти содержит смазочное масло.
15. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере один определяемый компонент содержит серу.
16. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере один определяемый компонент содержит железо.
17. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере одна собирающая оптическая система (140/240) направляет рентгеновские лучи от определяемого компонента к по крайней мере одному детектору рентгеновского излучения для определения концентрации определяемого компонента в образце или толщины образца.
18. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере одна двумерно искривленная дифракционная оптическая система содержит по крайней мере один двумерно искривленный кристалл.
19. Система РФ спектроскопии по п.18, отличающаяся тем, что по крайней мере один двумерно искривленный кристалл содержит по крайней мере один двумерно искривленный кристалл, имеющий геометрию Иоганна.
20. Система РФ спектроскопии по п.18, отличающаяся тем, что по крайней мере один двумерно искривленный кристалл содержит по крайней мере один двумерно искривленный кристалл, имеющий геометрию Иогансона или частичную аппроксимацию геометрии Иогансона.
21. Система РФ спектроскопии по п.18, отличающаяся тем, что по крайней мере один двумерно искривленный кристалл содержит по крайней мере одну кристаллическую оптическую систему, двумерно искривленную по логарифмической спирали.
22. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере одна двумерно искривленная дифракционная оптическая система содержит по крайней мере одну двумерно искривленную многослойную оптическую систему.
23. Система РФ спектроскопии по п.22, отличающаяся тем, что по крайней мере одна двумерно искривленная многослойная оптическая система содержит по крайней мере одну оптическую систему, двумерно искривленную по логарифмической спирали.
24. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере одна двумерно искривленная дифракционная оптическая система содержит по крайней мере одну градуированную двумерно искривленную дифракционную оптическую систему.
25. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере одна собирающая оптическая система (140/240) закреплена относительно образца и зафиксирована относительно по крайней мере одного детектора рентгеновского излучения.
26. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере один детектор рентгеновского излучения содержит по крайней мере один газовый пропорциональный счетчик.
27. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере один детектор рентгеновского излучения содержит по крайней мере один сцинтилляционный счетчик.
28. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере один детектор рентгеновского излучения содержит по крайней мере один твердотельный детектор.
29. Система РФ спектроскопии по п.28, отличающаяся тем, что по крайней мере один твердотельный детектор содержит по крайней мере один твердотельный детектор на основе PIN-диода.
30. Система РФ спектроскопии по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере один рентгеновский детектор содержит по крайней мере один детектор, не основанный на чувствительности к энергии.
31. Система рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии, содержащая по крайней мере один источник (110/210) рентгеновского излучения, по крайней мере один детектор (150/250) рентгеновского излучения, по крайней мере одну собирающую монохроматическую оптическую систему (140/240), содержащую по крайней мере одну двумерно искривленную дифракционную оптическую систему, расположенную между образцом (130/230) и по крайней мере одним детектором рентгеновского излучения для собирания рентгеновской флуоресценции от фокальной точки на образце и направления флуоресцентных рентгеновских лучей, имеющих характеристическую энергию для заранее заданного определяемого компонента, к по крайней мере одному детектору рентгеновского излучения, содержащая по крайней мере одну оптическую систему возбуждения (120/220), расположенную между, по крайней мере, одним источником рентгеновского излучения и образцом для собирания рентгеновского излучения от по крайней мере одного источника и фокусирования рентгеновского излучения в фокальную точку на образце для возбуждения флуоресценции указанного определяемого компонента в образце, при этом по крайней мере одна двумерно искривленная дифракционная оптическая система расположена таким образом, что ее входная фокальная точка, находящаяся в фокальной точке на образце, соответствует выходной фокальной точке по крайней мере одной оптической системы возбуждения.
32. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии, в котором используют по крайней мере один источник (110/210) рентгеновского излучения, по крайней мере один детектор (150/250) рентгеновского излучения и размещают по крайней мере одну собирающую монохроматическую оптическую систему (140/240), содержащую по крайней мере одну двумерно искривленную дифракционную оптическую систему между образцом (130/230) и по крайней мере одним детектором рентгеновского излучения для собирания рентгеновской флуоресценции от фокальной точки на образце и направления флуоресцентных рентгеновских лучей, имеющих характеристическую энергию для заранее заданного определяемого компонента, к по крайней мере одному детектору рентгеновского излучения, и используют по крайней мере одну оптическую систему возбуждения (120/220), расположенную между по крайней мере одним источником рентгеновского излучения и образцом, который следует подвергнуть анализу, для собирания рентгеновского излучения от по крайней мере одного источника и фокусирования рентгеновского излучения в фокальную точку на образце с целью возбуждения флуоресценции указанного определяемого компонента в образце, содержащую по крайней мере одну фокусирующую монохроматическую оптическую систему (120), содержащую по крайней мере один двумерно искривленный кристалл, отличающаяся тем, что используют по крайней мере один двумерно искривленный кристалл, радиусы кривизны поверхности которого в плоскости фокального круга и в средней плоскости, перпендикулярной сегменту SI, различны, где точка S - это местонахождение источника (110) рентгеновского излучения, точка I - фокальное пятно (фокус).
33. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.32, отличающийся тем, что по крайней мере один источник (110) рентгеновского излучения содержит, по крайней мере, один источник рентгеновского излучения на основе бомбардировки электронами.
34. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.32, отличающийся тем, что по крайней мере одна оптическая система возбуждения содержит по крайней мере одну фокусирующую полихроматическую оптическую систему (220).
35. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.34, отличающийся тем, что по крайней мере одна фокусирующая полихроматическая оптическая система содержит по крайней мере одну поликапиллярную оптическую систему.
36. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.32, отличающийся тем, что по крайней мере одна фокусирующая монохроматическая оптическая система содержит по крайней мере одну двумерно искривленную многослойную оптическую систему.
37. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.32, отличающийся тем, что фокальная точка имеет размер фокального пятна менее 500 мкм.
38. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.32, отличающийся тем, что образец содержит твердое вещество.
39. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.32, отличающийся тем, что образец содержит жидкость.
40. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.39, отличающийся тем, что жидкость содержит продукт на основе нефти.
41. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.40, отличающийся тем, что продукт на основе нефти содержит бензин или дизельное топливо.
42. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.41, отличающийся тем, что по крайней мере один определяемый компонент содержит серу.
43. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.32, отличающийся тем, что по крайней мере одна двумерно искривленная дифракционная оптическая система содержит по крайней мере один двумерно искривленный кристалл.
44. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.43, отличающийся тем, что по крайней мере один двумерно искривленный кристалл содержит по крайней мере один двумерно искривленный кристалл, имеющий геометрию Иоганна.
45. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.43, отличающийся тем, что по крайней мере один двумерно искривленный кристалл содержит по крайней мере один двумерно искривленный кристалл, имеющий геометрию Иогансона или частичную аппроксимацию геометрии Иогансона.
46. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.43, отличающийся тем, что по крайней мере один двумерно искривленный кристалл содержит по крайней мере одну кристаллическую оптическую систему, двумерно искривленную по логарифмической спирали.
47. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.32, отличающийся тем, что по крайней мере одна двумерно искривленная дифракционная оптическая система содержит по крайней мере одну двумерно искривленную многослойную оптическую систему.
48. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.47, отличающийся тем, что по крайней мере одна двумерно искривленная многослойная оптическая система содержит по крайней мере одну оптическую систему, двумерно искривленную по логарифмической спирали.
49. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.32, отличающийся тем, что по крайней мере одна двумерно искривленная дифракционная оптическая система содержит по крайней мере одну градуированную двумерно искривленную дифракционную оптическую систему.
50. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.32, отличающийся тем, что по крайней мере один детектор рентгеновского излучения содержит по крайней мере один газовый пропорциональный счетчик.
51. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.32, отличающийся тем, что по крайней мере один детектор рентгеновского излучения содержит по крайней мере один сцинтилляционный счетчик.
52. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии по п.32, отличающийся тем, что по крайней мере один детектор рентгеновского излучения содержит по крайней мере один детектор, не основанный на чувствительности к энергии.
53. Способ рентгенофлуоресцентной (РФ) спектроскопии, в котором используют по крайней мере один источник (110/210) рентгеновского излучения, по крайней мере один детектор (150/250) рентгеновского излучения и размещают по крайней мере одну собирающую монохроматическую оптическую систему (140/240), содержащую по крайней мере одну двумерно искривленную дифракционную оптическую систему между образцом (130/230) и по крайней мере одним детектором рентгеновского излучения для собирания рентгеновской флуоресценции от фокальной точки на образце и направления флуоресцентных рентгеновских лучей, имеющих характеристическую энергию для заранее заданного определяемого компонента, к по крайней мере одному детектору рентгеновского излучения, и используют по крайней мере одну оптическую систему возбуждения (120/220), расположенную между по крайней мере одним источником рентгеновского излучения и образцом, который следует подвергнуть анализу, для собирания рентгеновского излучения от по крайней мере одного источника и фокусирования рентгеновского излучения в фокальную точку на образце с целью возбуждения флуоресценции указанного определяемого компонента в образце, и используют по крайней мере одну двумерно искривленную дифракционную оптическую систему, расположенную таким образом, что ее входная фокальная точка, находящаяся в фокальной точке на образце, соответствует выходной фокальной точке по крайней мере одной оптической системы возбуждения.
