Способ и устройство для выполнения рентгеновского анализа образца

Использование: для выполнения рентгеновского анализа образца. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют облучение образца рентгеновскими лучами из полихромного источника рентгеновского излучения; используют комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF, содержащее сканирующий селектор длины волны и по меньшей мере один детектор рентгеновского излучения, предназначенный для регистрации рентгеновских лучей, выбранных селектором длины волны; и выполняют XRD-анализ образца путем выбора по меньшей мере одной фиксированной длины волны рентгеновских лучей, дифрагированных образцом, с использованием сканирующего селектора длины волны и регистрации рентгеновских лучей с выбранной фиксированной длиной волны (длинами волн) на одном или нескольких значениях угла φ дифракции на образце с использованием детектора (детекторов) рентгеновского излучения; и/или выполняют XRF-анализ образца путем сканирования длин волн рентгеновских лучей, испускаемых образцом, с использованием сканирующего селектора длины волны и регистрации рентгеновских лучей со сканированными длинами волн с использованием детектора (детекторов) рентгеновского излучения. Технический результат: повышение чувствительности при рентгеновском анализе образца. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 16 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для выполнения рентгеновского анализа образца, в частности для выполнения рентгеноструктурного и рентгенофлуоресцентного анализа образца.

Предшествующий уровень техники

Анализ образцов с использованием рентгеновских лучей широко известен. Метод дифракции рентгеновской дифракции (XRD) используется для определения структурных (т.е. кристаллографических) свойств кристаллического образца. В XRD рентгеновский дифрактометр обычно объединяет монохроматический источник рентгеновского излучения, которое, как правило, коллимируется, или фокусируется, для облучения образца, подвергаемого анализу, и который содержит интенсивную характеристическую линию рентгеновского излучения, например 8,043 КэВ, и детектор, который оптимизирован для регистрации этого излучения после того, как оно дифрагируется образцом. Обычно и источник рентгеновского излучения, и детектор совершают угловые перемещения (поворачиваются) вокруг образца для того, чтобы сканировать угол (φ) дифракции, который показан на Фиг.1. Существует множество вариантов дифракционных установок, оптимизированных для конкретных применений. Обычно подвергаемый анализу образец является поликристаллическим, что означает, что в образце изотропно и случайно распределены кристаллиты небольшого размера. В зависимости от их направленности падающие рентгеновские лучи могут достигать совокупности кристаллитов, которые распределены в кристаллической плоскости, ориентированной таким образом, что коллективная дифракция от этих кристаллитов возникает для данного направления регистрации, т.е. вдоль данного угла (φ) дифракции, что определяется законом Брэгга. Также существуют проблемы, относящиеся к ослаблению падающего и дифрагированного пучка вдоль длины пробега внутри образца, которые могут быть уменьшены путем отдания предпочтения дифракции от кристаллитов, которые находятся вблизи поверхности образца. Это может быть выполнено путем наклона образца. Регистрация дифрагированных рентгеновских лучей в некотором диапазоне углов создает угловую дифракционную картину, или дифрактограмму, содержащую характеристические пики интенсивности дифракции там, где удовлетворяется условие закона Брэгга, и из этой угловой дифракционной картины может быть получена информация о кристаллической структуре анализируемого образца. Однако XRD не предоставляет информацию об элементном составе образца.

Для получения информации об элементном составе образца можно использовать различные методы, такие как химические методы (например, титрование) или спектроскопические методы (например, оптическое испускание), каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Для выполнения элементного анализа и для получения точной, количественной информации о составе образца неразрушающим способом может использоваться явление рентгеновской флуоресценции (XRF). В методе XRF образец облучается пучком рентгеновских лучей, которые индуцируют испускание вторичных рентгеновских лучей, имеющих длины волн, характерные для элементов, составляющих материал. Для того, чтобы индуцировать рентгеновскую флуоресценцию для максимально широкого ряда материалов, получив доступ к максимально широкому диапазону длин волн, используется полихромный источник рентгеновского излучения. XRF-спектрометры относятся к типу рентгенофлуоресцентных с рассеиванием энергии (EDXRF) или волнодисперсионных рентгенофлуоресцентных спектрометров (WDXRF). Принципиальные особенности прибора WDXRF: полихромный, обычно дивергентный источник рентгеновского излучения, дисперсионные средства, предназначенные для выбора представляющих интерес пиков длин волн, и детектор рентгеновского излучения. Дисперсионные средства обычно представляют собой плоский или изогнутый кристалл, имеющий соответственно параллельную или фокусирующую оптику пучков. Изменение угла (θ) между кристаллом и детектором позволяет сканировать длину волны испускаемых вторичных рентгеновских лучей, достигающих детектора. Современный прибор XRF может объединять несколько статических или параллельных регистрирующих каналов, каждый со своим собственным кристаллом и связанной с ним фиксированной длиной волны, которые выполняют регистрацию одновременно, и/или вращающееся устройство для последовательного сканирования представляющих интерес длин волн. Однако метод XRF не предоставляет информацию о структуре кристаллических фаз образца.

Принимая во внимание приведенное выше обсуждение, можно видеть, что было бы желательно предусмотреть и XRD, и XRF в одном приборе для того, чтобы увеличить возможности анализа, а также уменьшить стоимость и занимаемое в лаборатории пространство. Однако это сложно, поскольку требования этих двух методов, как описывалось выше, весьма различны.

На известном уровне техники существует несколько устройств для выполнения XRF и XRD на одном и том же приборе. Некоторые решения на известном уровне техники используют два источника рентгеновского излучения, например, как описано в документах US 3344274 и WO 2008/107108 А1. Указанные конструкции, очевидно, дороги и сложны. Еще одна конструкция на известном уровне техники описана в документе ЕР 183043, который использует единственный источник рентгеновского излучения, но требует сложной установки гониометров для изготовления устройства, пригодного и для XRF, и для XRD. Последняя конструкция может приводить к трудностям, связанным с точностью и воспроизводимостью, которые необходимы тогда, когда геометрия устройства изменяется.

Еще одно решение на текущем уровне техники описано в документе US 5406608, который использует единственный установленный вертикально источник рентгеновского излучения и реализует несколько каналов XRF, установленных азимутально вокруг рентгеновской трубки. Каналы XRF могут использоваться только для измерений XRF. В дополнение к каналам XRF имеется отдельное монохромное приспособление для регистрации XRD, вращающееся вокруг образца. Приспособление для регистрации XRD включает коллиматор, кристалл и детектор. Это приспособление устанавливается на опоре, которая может перемещаться вокруг образца посредством силового привода с целью записи картины XRD. Это регистрирующее приспособление предназначено для измерения XRD, и угол между детектором и кристаллом фиксирован так, чтобы он был оптимален для XRD. Однако данная конструкция страдает от недостатка, который заключается в том, что регистрация XRD отделена от регистрации XRF, что требует дополнительного пространства и множества компонентов

В документе WO 97/25614 за счет увеличения стоимости, размера и сложности было предложено устройство с двумя отдельными системами регистрации (одна сканирующая система WDXRF, оптимизированная для XRF, и фиксированная монохромная система - для XRD). Кроме того, в данном случае следует отметить, что угол дифракции сканируется с использованием только наклона первичного коллиматора, т.е. в отсутствие гониометра, что позволяет сканировать лишь очень ограниченную часть спектра дифракции. Другое устройство с двумя отдельными системами регистрации было предложено в документе WO 97/13142.

Также на текущем уровне техники известны конструкции с одним или несколькими монохромными XRD-источниками, используемыми для облучения образца при измерении XRD и XRF, например, как описано в документе US 2006/088139А1 или US 6798863. Однако эти приборы не могут эффективно выполнять современные измерения рентгеновской флуоресценции, поскольку они используют конкретный XRD-источник излучения, что сильно ограничивает диапазон составов, который может быть измерен путем измерения флуоресценции. Кроме того, в указанных случаях детектор XRF относится к типу детекторов с рассеиванием энергии, и рабочие характеристики XRF соответствующим образом ограничены по сравнению с детекторами волнодисперсионного типа. Более того, в документе US 6798863 картина XRD записывается с использованием линейного, или полоскового, детектора на основе прибора с зарядовой связью (CCD), что также ограничивает рабочие характеристики и требует специального дополнительного компонента, который используется только для применения в XRD. Поскольку полосковый детектор допускает одновременный сбор данных дифракционной картины, множество недостатков включает: неприменимость для параллельной (коллимирующей) геометрии, потенциальное спектральное искажение, недостаточную дискриминацию по энергиям, сложность электроники для сбора данных и неприменимость для отслеживания пиков, а также, как правило, более высокую стоимость.

Достижение общего регистрирующего приспособления, выполняющего и XRF, и XRD, нетривиально, поскольку оно требует компромиссов, например, в отношении выбора источника рентгеновского излучения, типов кристаллов и расходимости коллиматора. Кроме того, регистрация длин волн для XRD с использованием детекторов, обычно используемых в XRF, является необычной, поскольку энергетический спектр рентгеновских лучей для XRD и XRF весьма различен. В документе US 4263510 раскрывается прибор XRD-XRF, который также оптимизирован в первую очередь для XRD, на что указывает точечный коллиматор источника, оптимизированный для типа геометрии анода, обычно используемый в рентгеновских трубках, применяемых для XRD (монохромных рентгеновских трубках). Рентгеновская трубка также позиционируется относительно далеко от образца, что приводит к пониженным сигналам рентгеновской флуоресценции, поскольку для того, чтобы получить максимальную интенсивность флуоресценции, прибор XRF должен облучать максимально возможную площадь на поверхности образца полихромным источником рентгеновского излучения, расположенным максимально близко к образцу. Для детектора рентгеновского излучения документ US 4263510 ссылается на использование анализатора с рассеиванием энергии (EDX) или волнодисперсионного (WDX) анализатора, хотя графические материалы патента строго подразумевают необходимость в регистрации с рассеиванием энергии по причине компактной сущности иллюстрируемого детектора. Более того, из-за удаленного от образца расположения рентгеновской трубки, а также из-за того, что она является монохромной трубкой, для того, чтобы прибор мог иметь какое-либо практическое применение в качестве прибора XRJF, требуется, чтобы детектор относился к типу детекторов с рассеиванием энергии, поскольку сигнал рентгеновских лучей должен был бы быть слишком слабым для его эффективной регистрации путем волнодисперсионного анализа и, несомненно, не волнодисперсионного анализа с использованием устройства, сканирующего длину волны (монохроматора) вместо полихроматора. Это серьезно ограничивает пределы и гибкость измерений XRF, которые могут выполняться с использованием указанного прибора. Поэтому для записи XRF, а также XRD с хорошей чувствительностью, в общем, как обсуждалось выше, требуется использование для XRF и XRD двух отдельных систем регистрации.

Ввиду приведенных выше предпосылок было осуществлено настоящее изобретение.

Краткое описание изобретения

Согласно одной из особенностей настоящего изобретения предусматривается способ выполнения рентгеноструктурного (XRD) и/или рентгенофлуоресцентного (XRF) анализа образца, который включает:

облучение образца рентгеновскими лучами из источника рентгеновского излучения;

создание комбинированного приспособления для регистрации XRD и XRF, включающего сканирующий селектор длины волны и по меньшей мере один детектор рентгеновского излучения, предназначенный для регистрации рентгеновских лучей, выбранных селектором длины волны;

выполнение XRD-анализа образца путем выбора по меньшей мере одной фиксированной длины волны рентгеновских лучей, дифрагированных образом, с использованием сканирующего селектора длины волны и регистрации рентгеновских лучей с выбранной длиной волны (длинами волн) при одном или нескольких значениях угла φ дифракции на образце с использованием по меньшей мере одного детектора рентгеновского излучения; и/или

выполнение XRF-анализа образца путем сканирования длин волн рентгеновских лучей, испускаемых образцом, с использованием сканирующего селектора длины волны и регистрации рентгеновских лучей со сканированными длинами волн с использованием по меньшей мере одного детектора рентгеновского излучения.

Согласно другой особенности настоящего изобретения предусматривается устройство для выполнения рентгеноструктурного (XRD) и рентгенофлуоресцентного (XRF) анализа образца, содержащее:

источник рентгеновского излучения;

держатель образца, предназначенный для удерживания образца так, чтобы он мог облучаться рентгеновскими лучами из источника рентгеновского излучения; и

комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF, включающее сканирующий селектор длины волны и по меньшей мере один детектор рентгеновского излучения, предназначенный для регистрации рентгеновских лучей, выбранных селектором длины волны;

где устройство действует для выполнения:

(i) XRD-анализа образца путем выбора по меньшей мере одной фиксированной длины волны рентгеновских лучей, дифрагированных образцом, с использованием сканирующего селектора длины волны и регистрации рентгеновских лучей с выбранной длиной волны (длинами волн) при одном или нескольких значениях угла φ дифракции на образце с использованием по меньшей мере одного детектора рентгеновского излучения; и

(ii) XRF-анализа образца путем сканирования длин волн рентгеновских лучей, испускаемых образцом с использованием селектора длины волны и регистрации рентгеновских лучей со сканированными длинами волн с использованием детектора рентгеновского излучения.

Настоящее изобретение допускает использование одних и тех же компонентов (т.е. компонентов комбинированного приспособления для регистрации XRD и XRF), выполняющих роль как дифрактометра для XRD-анализа, так и спектрометра для XRF-анализа. Иными словами, комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF способно регистрировать рентгеновские лучи и для XRD-, и для XRF-измерений образца. Преимущественно изобретение не вызывает сложностей при переключении от одного метода к другому. Используя единое, комбинированное регистрирующее приспособление, которое может использоваться или для измерения волнодисперсионной XRF (WDXRF) путем сканирования длины волны принимаемого испускания рентгеновской флуоресценции, или для XRD-анализа - путем выбора и фиксации соответствующей длины волны, или длин волн, и сканирования угла дифракции образца, изобретение обеспечивает значительную экономию и стоимости, и объема пространства, занимаемого компонентами устройства. Поэтому устройство может быть сделано более дешевым и менее громоздким, чем существующие конструкции, которые объединяют измерение XRD и XRF в одном приборе, что приводит к меньшему пространству, занимаемому в лаборатории или на площадке. Более того, настоящее изобретение может быть реализовано с единственным источником рентгеновского излучения, что также является преимущественным из соображений стоимости и занимаемого пространства. В простых вариантах осуществления изобретение может быть реализовано с использованием только одного селектора длины волны и только одного детектора рентгеновского излучения для использования и в XRD-, и в XRF-анализе, что, таким образом, предусматривает компактный и недорогой комбинированный XRD/XRF-прибор.

Предпочтительно рентгеновские лучи являются полихромными, т.е. источник рентгеновского излучения предпочтительно представляет собой полихромный источник рентгеновского излучения. В сочетании со сканирующим селектором длины волны это предусматривает устройство и способ, оптимизированные для XRF в широком диапазоне образцов, а также способность выполнения XRD, где оба метода используют одно и то же регистрирующее приспособление.

Предпочтительно изобретение включает создание первого, или первичного, коллимирующего элемента между источником рентгеновского излучения и образцом так, чтобы образец облучался параллельным пучком рентгеновских лучей.

Предпочтительно источник рентгеновского излучения устанавливается под углом менее 90 градусов к образцу.

Для записи картины XRD (т.е. картины интенсивности дифрагированных рентгеновских лучей в зависимости от угла дифракции) варьируется угол дифракции на образце, φ, и для ряда значений φ регистрируются рентгеновские лучи с выбранной длиной волны. Варьирование φ также может оказаться желательным для выравнивания комбинированного приспособления детектора относительно центра дифракционного пика, например, тогда, когда требуется регистрация единичного дифракционного пика. Соответственно для XRD способ изобретения предпочтительно включает: варьирование угла φ дифракции на образце с выбранной фиксированной длиной волны (длинами волн) рентгеновских лучей, т.е. регистрацию рентгеновских лучей с выбранной фиксированной длиной волны (длинами волн) при ряде значений угла φ дифракции на образце. Поэтому устройство предпочтительно действует для выполнения XRD-анализа образца путем выбора по меньшей мере одной фиксированной длины волны рентгеновских лучей, дифрагированных образцом, с использованием селектора длины волны, варьирование угла φ дифракции на образце с выбранной длиной волны (длинами волн) рентгеновских лучей и регистрацию рентгеновских лучей с выбранной длиной волны (длинами волн). Поэтому предпочтительно предусматриваются средства углового сканирования, предназначенные для варьирования угла φ дифракции на образце рентгеновских лучей, выбранных селектором длины волны. Средства углового сканирования предпочтительно включают одни из следующих средств: средства для перемещения комбинированного приспособления детектора и/или источника рентгеновского излучения; средства для перемещения (например, наклона) первичного коллиматора, расположенного между источником рентгеновского излучения и образцом. Более предпочтительно, средства углового сканирования включают гониометр. Подразумевается, что термин «гониометр» в том смысле, как он используется в данном описании, означает любой механизм, который позволяет поворачивать установленный на нем компонент в точное угловое положение так, как это известно на текущем уровне техники. Например, гониометр может предусматриваться для перемещения комбинированного приспособления детектора и/или источника рентгеновского излучения для точного варьирования угла дифракции рентгеновских лучей на образце. Поэтому для того, чтобы варьировать угол φ дифракции на образце рентгеновских лучей, выбранных сканирующим селектором длины волны, в некоторых вариантах осуществления изобретения или источник рентгеновского излучения, или комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF, или оба эти устройства предпочтительно устанавливаются на гониометре, и этот гониометр может быть назван в данном описании первичным гониометром. Комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF предпочтительно также включает по меньшей мере один гониометр для варьирования угла θ рентгеновских лучей на волнодисперсионном элементе (например, кристалле), и этот гониометр может быть назван в данном описании вторичным гониометром. Таким образом, вторичный гониометр (вторичные гониометры) предпочтительно устанавливается на первичном гониометре. В частности, на вторичном гониометре может устанавливаться детектор (детекторы) рентгеновского излучения. В некоторых вариантах осуществления изобретения, например, для небольшого варьирования угла φ устройство предпочтительно также включает первичный коллиматор, предназначенный для коллимирования рентгеновских лучей из источника, где первичный коллиматор является поворачивающимся (например, наклоняемым) для варьирования угла φ дифракции на образце рентгеновских лучей, которые выбираются сканирующим селектором длины волны.

Предпочтительно варьирование угла φ дифракции на образце выбранной фиксированной длины волны (длин волн) рентгеновских лучей включает один или несколько из следующего:

угловое перемещение комбинированного приспособления для регистрации XRD и XRF вокруг образца;

угловое перемещение источника рентгеновского излучения вокруг образца;

и/или

наклон первого коллимирующего элемента относительно образца.

Иными словами, устройство предпочтительно включает один или несколько следующих компонентов, предназначенных для варьирования угла φ дифракции на образце:

комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF, способное совершать угловое перемещение вокруг образца;

источник рентгеновского излучения, способный совершать угловое перемещение вокруг образца; и/или

первый коллимирующий элемент, который может быть наклонен относительно образца.

В некоторых вариантах осуществления изобретения наклон образца может открыть доступ к различным плоскостям поликристаллитов. Поэтому в этих вариантах осуществления изобретения держатель образца предпочтительно действует для наклона образца.

Предпочтительно изобретение включает выбор одной или нескольких характеристических линий испускания источника рентгеновского излучения в качестве фиксированных длин волн в XRD-анализе путем фиксации угла θ дифракции в сканирующем селекторе длины волны, например на волнодисперсионном элементе селектора длины волны.

В некоторых предпочтительных вариантах осуществления изобретения изобретение включает выбор в ходе XRD-анализа двух или большего количества фиксированных длин волн и регистрацию рентгеновских лучей с двумя или большим количеством фиксированных длин волн с использованием двух или большего количества детекторов рентгеновского излучения. Поэтому в некоторых предпочтительных вариантах осуществления изобретения устройство может включать два или большее количество детекторов рентгеновского излучения, предназначенных для регистрации рентгеновских лучей на различных длинах волн. Два или большее количество детекторов рентгеновского излучения предпочтительно регистрируют рентгеновские лучи последовательно.

Предпочтительно изобретение включает в ходе XRF-анализа сканирование длин волн рентгеновских лучей, испускаемых образцом, путем сканирования угла θ дифракции на волнодисперсионном элементе селектора длины волны, в то время как угол φ дифракции на образце фиксирован (поддерживается постоянным). В предпочтительных вариантах осуществления изобретения детектор рентгеновского излучения, или каждый детектор рентгеновского излучения, устанавливается на гониометре для того, чтобы варьировать угол θ дифракции регистрируемых рентгеновских лучей на волнодисперсионном элементе. Для варьирования угла θ дифракции каждый детектор может устанавливаться на отдельном гониометре.

Предпочтительно сканирующий селектор длины волны включает входной коллимирующий элемент, волнодисперсионный элемент и по меньшей мере один выходной коллимирующий элемент, входной и выходной коллимирующие элементы располагаются по обеим сторонам волнодисперсионного элемента, по меньшей мере один детектор рентгеновского излучения располагается после по меньшей мере одного выходного коллимирующего элемента, и входной и выходной коллимирующие элементы располагаются под углом θ к волнодисперсионному элементу, где угол θ может варьироваться для выбора, или сканирования, длин волн рентгеновских лучей.

Предпочтительно каждый из коллимирующих элементов, входного и выходного, представляет собой коллиматор, а волнодисперсионный элемент представляет собой плоский кристалл.

XRD-анализ может выполняться путем выбора одной, или более чем одной, фиксированной длины волны рентгеновских лучей, дифрагируемых образцом. Соответственно характерный признак выбора фиксированной длины волны рентгеновских лучей, дифрагируемых образцом, в данном описании означает выбор по меньшей мере одной фиксированной длины волны рентгеновских лучей. Выбранная для XRD длина волны в данном описании называется фиксированной длиной волны, поскольку она представляет собой длину волны, которая выбирается для регистрации в ходе XRD-анализа и не варьируется в ходе XRD-анализа. Выбранная фиксированная длина волны (длины волн) предпочтительно выбирается так, чтобы она представляла собой характеристическую линию испускания (характеристические линии испускания) источника рентгеновского излучения/рентгеновской трубки. В некоторых вариантах осуществления изобретения, которые могут являться преимущественными с точки зрения простоты и стоимости, для регистрации с использованием сканирующего селектора длины волны выбирается одна фиксированная длина волны рентгеновских лучей, дифрагируемых образцом. В этих вариантах осуществления изобретения для регистрации выбранных длин волн рентгеновских лучей может быть необходим только один детектор рентгеновского излучения, и получается только одна картина XRD (например, зависимость интенсивности от угла дифракции). В некоторых других вариантах осуществления изобретения, которые могут являться преимущественными с точки зрения точности, для регистрации с использованием сканирующего селектора длины волны выбирается две или большее количество фиксированных длин волн рентгеновских лучей. В этих вариантах осуществления изобретения сканирующий селектор длины волны может подвергать дисперсии длины волн дифрагированных рентгеновских лучей и отправлять каждую из выбранных фиксированных длин волн в отдельный детектор. В случае, когда одновременно выбираются и регистрируются две или большее количество длин волн рентгеновских лучей, дифрагированных образцом, могут быть также одновременно получены две результирующие картины XRD.

В приспособлении для регистрации XRD и XRF предусматривается по меньшей мере один детектор рентгеновского излучения. Один детектор рентгеновского излучения может предусматриваться по соображениям стоимости и простоты. Однако для одновременной или более предпочтительно последовательной регистрации каждого из рентгеновских лучей с различными диапазонами длин волн, т.е. монохромных рентгеновских лучей, от образца для того, чтобы одновременно или последовательно записать более одной картины XRD (в режиме XRD) и/или быстрее получить спектр XRF, или получить доступ к более широкому диапазону длин волн, или увеличить чувствительность, поскольку каждый детектор может регистрировать отличающийся диапазон длин волн, сканируемых селектором длины волны (в режиме XRF). Каждый детектор может иметь оптимальную чувствительность для конкретного диапазона длин волн рентгеновских лучей для того, чтобы улучшить рабочие характеристики. Например, для диапазонов спектра с менее высокой энергией используются газовые детекторы, такие как проточные пропорциональные счетчики (FPC) или герметичные детекторы, а для диапазонов спектра с более высокой энергией предпочтительны другие детекторы, такие как сцинтилляторы.

Дальнейшие варианты изобретения включают использование в комбинированном приспособлении для регистрации XRD и XRF нескольких (т.е. более одного) волнодисперсионных элементов, например, нескольких кристаллов, с целью расширения диапазона длин волн для XRF или с целью улучшения измерения XRD. Поэтому в некоторых вариантах осуществления изобретения может предусматриваться несколько кристаллов, которые могут быть взаимозаменяемы в регистрирующем приспособлении, например, при помощи средств автоматической замены (например, вращающейся головки).

Для того, чтобы расширить измерения XRD или увеличить возможности XRF, может предусматриваться источник рентгеновского излучения с рядом характеристических линий испускания, например, путем создания рентгеновской трубки с рядом материалов анода.

Подробное описание изобретения

Ниже изобретение будет описано более подробно лишь на примере с отсылкой к сопроводительным графическим материалам, в которых:

Фиг.1 схематически показывает вид сбоку одного из вариантов осуществления устройства согласно настоящему изобретению;

Фиг.2-5 схематически показывают виды сбоку различных других вариантов осуществления устройства согласно настоящему изобретению, иллюстрирующие различные способы варьирования угла дифракции для измерений XRD;

Фиг.6 схематически показывает вид сбоку другого варианта осуществления устройства согласно настоящему изобретению, включающего несколько детекторов рентгеновского излучения;

Фиг.7 схематически показывает вид в перспективе одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, который иллюстрирует некоторые возможные режимы перемещения компонентов и возможные установочные приспособления;

Фиг.8 и 9 схематически показывают виды в перспективе одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, иллюстрирующие принцип работы для_ХКР-анализа с использованием первого детектора;

Фиг.10 показывают вид, сходный с видами по фигурам 8 и 9, но иллюстрирующий принцип работы для XRF-анализа с использованием второго детектора; и

Фиг.11-15 схематически показывают виды в перспективе различных вариантов осуществления изобретения, иллюстрирующие различные режимы работы для XRD-анализа.

С отсылкой к Фиг.1 схематически показан один из вариантов устройства 1 согласно настоящему изобретению. Устройство 1, как правило (хотя и необязательно), монтируется в камере (не показана), которая может быть вакуумирована и/или продута струей соответствующего газа для того, чтобы управлять атмосферной средой, как это известно в данной области для XRD и XRF. Устройство 1 включает источник 2 рентгеновского излучения, предназначенный для облучения образца 4, который удерживается на держателе образца (не показан). Рентгеновские лучи из источника 2 находятся в форме облучающего пучка 7, который движется вдоль оси 8 облучения пучком к образцу 4. Ось облучения, как правило, в значительной мере соосная с длинной осью источника рентгеновского излучения.

Источник рентгеновского излучения согласно настоящему изобретению предпочтительно представляет собой полихромный источник рентгеновского излучения, более предпочтительно - полихромную рентгеновскую трубку. Полихромная рентгеновская трубка желательно относится к типу, применяемому при измерениях XRF. Настоящее изобретение предпочтительно использует единственный источник рентгеновского излучения, например единственную рентгеновскую трубку, с которой могут осуществляться и XRD, и XRF, что приводит к значительной экономии средств. Поэтому пригодные источники рентгеновского излучения могут включать один из следующих типов рентгеновских трубок: рентгеновскую трубку с торцевым окном, рентгеновскую трубку с боковым окном, рентгеновскую трубку с двойным анодом, рентгеновскую трубку с пропускающим анодом. Типичным материалом анода для рентгеновской трубки является Rh, однако для конкретных применений могут использоваться другие материалы анода, включая один или несколько следующих материалов: Pd, Cr, Mo, W, Sc, Cu, Au или Pt. Источник рентгеновского излучения предпочтительно располагается в тесной близости от поверхности образца, например максимально возможно близко настолько, чтобы между источником рентгеновского излучения и образцом можно было расположить первичный коллиматор.

Рентгеновские лучи из источника по меньшей мере для измерения XRD предпочтительно находятся в форме параллельного пучка рентгеновских лучей. Соответственно наиболее предпочтительно источник рентгеновского излучения представляет собой полихромный источник параллельного пучка рентгеновских лучей. Таким образом, образец предпочтительно облучается параллельным пучком рентгеновских лучей из источника. Рентгеновские лучи могут быть удобно получены в виде параллельного пучка путем прохождения рентгеновских лучей из рентгеновской трубки через первый коллимирующий элемент, первичный коллимирующий элемент или коллимирующий элемент источника, предпочтительно - коллиматор, который в данном описании именуется первым коллиматором, первичным коллиматором или коллиматором источника. Предпочтительными коллиматорами для использования в настоящем изобретении являются коллиматоры Соллера. Таким образом, образец предпочтительно облучается источником рентгеновского излучения через первичный коллиматор Соллера. Может предусматриваться более одного коллимирующего элемента (например, более одного коллиматора), которые могут взаимозаменяемо размещаться в пучке рентгеновских лучей для того, чтобы варьировать коллимирование пучка на образце. На фигурах первичный коллиматор 6 показан перед источником 2 рентгеновского излучения. В некоторых вариантах осуществления изобретения первичный коллиматор 6 является выдвижным, и поэтому он по желанию может перемещаться в пучок рентгеновских лучей и из пучка рентгеновских лучей, например, перемещаться из пучка рентгеновских лучей, если следует выполнить только XRF, и перемещаться в пучок рентгеновских лучей, если следует выполнить XRD. С отсылкой к Фиг.1, первичный коллиматор может перемещаться латерально в пучок рентгеновских лучей и из пучка рентгеновских лучей как в плоскости страницы, так и перпендикулярно странице. Первичный коллиматор может перемещаться таким образом посредством приводного устройства (не показано), например линейного приводного устройства. Соответственно изобретение может включать приводное устройство для перемещения латерального положения первичного коллиматора. В некоторых вариантах осуществления изобретения, более подробно описываемых ниже, первичный коллиматор 6 может быть наклонен относительно входящего в него пучка рентгеновских лучей для того, чтобы варьировать угол оси облучения пучком, который сталкивается с образцом (и, таким образом, варьировать угол φ, как это описывается ниже). Первичный коллиматор может быть наклонен посредством приводного устройства, например такого же или отличающегося приводного устройства, которое может перемещать латеральное положение первичного коллиматора. Приводное устройство для наклона коллиматора может представлять собой вращающееся приводное устройство. На Фиг.1 в качестве источника 2 используется XRF-трубка, которая испускает полихромное излучение, оптимизированное для флуоресценции, и посредством коллиматора 6 обеспечивает падение параллельного пучка на образец.

Источник рентгеновского излучения может быть установлен под любым подходящим углом к образцу (т.е. для создания оси облучения под любым подходящим углом). Как более подробно будет описываться ниже, в некоторых вариантах осуществления изобретения источник рентгеновского излучения (и, следовательно, ось облучения) может быть способной совершать угловые перемещения (например, может быть поворачивающейся) вокруг образца, в то время как в других вариантах она может быть фиксированной на месте. Источник рентгеновского излучения может быть установлен нормально (т.е. ортогонально) к образцу (т.е. с осью 8 пучка рентгеновских лучей, нормальной к поверхности образца и, необязательно, в значительной мере, соосной с образцом), или он может устанавливаться под углом менее 90 градусов к образцу, что в данном описании именуется «под некоторым углом» (т.е. с осью 8 пучка рентгеновских лучей под углом менее 90 градусов к поверхности образца). Предпочтительно источник рентгеновского излучения (и, таким образом, ось 8 облучения) устанавливается под углом к образцу. Это является отличием от конструкции на известном уровне техники, описанной в документе US 5406608, где рентгеновская трубка устанавливается нормально к образцу из-за необходимости в размещении XRF-каналов азимутально вокруг трубки, а также размещения отдельного канала регистрации XRD по одну из сторон. Нормальная установка рентгеновской трубки ограничивает диапазон углов дифракции, которые могут сканироваться, и, таким образом, настоящее изобретение предпочтительно содержит источник рентгеновского излучения, установленный под углом менее 90 градусов к образцу для того, чтобы преимущественно допускать более широкий диапазон углов дифракции, которые можно сканировать, как более подробно описано ниже. Предпочтительно источник рентгеновского излучения устанавливается под углом между 10 и 90 градусов к поверхности образца, более предпочтительно - между 15 и 85 градусов к поверхности образца, еще более предпочтительно - между 60 и 80 градусов. В вариантах осуществления изобретения, где источник рентгеновского излучения совершает угловые перемещения вокруг образца, источник может совершать угловое перемещение, например, между 50 и 80 градусов к поверхности образца, как более подробно описывается ниже. Источник рентгеновского излучения может устанавливаться на фиксированной опоре (не показана) в тех вариантах осуществления изобретения, где источник рентгеновского излучения не перемещает свое угловое положение, или он может устанавливаться на подвижной опоре (например, на кронштейне гониометра) в тех вариантах осуществления изобретения, где требуется перемещать угловое положение источника рентгеновского излучения. В варианте осуществления изобретения последнего типа на втором кронштейне гониометра, необязательно, может устанавливаться комбинированное регистрирующее приспособление.

Пучок рентгеновских лучей из источника взаимодействует с образцом, приводя к дифракции пучка рентгеновских лучей, а также к испусканию вторичных рентгеновских лучей из образца. Рентгеновские лучи из образца предпочтительно принимаются вдоль оси собирания пучка, т.е. оси 9, показанной на Фиг.1. Угол φ дифракции рентгеновских лучей на образце, т.е. угол дифракции между осью облучения и осью собирания пучка, показан на Фиг.1. Дифрагированный пучок является характеристическим свойством структуры образца, а испускание вторичных рентгеновских лучей является характеристическим свойством элементного состава образца. Дифрагированные и/или испускаемые из образца рентгеновские лучи анализируются посредством комбинированного приспособления 10 для регистрации XRD и XRF. Рентгеновские лучи принимаются из образца регистрирующим приспособлением 10 вдоль оси 9 собирания.

Комбинированное приспособление 10 для регистрации XRD и XRF представляет собой монохроматор, который включает сканирующий селектор длины волны. Селектор длины волны представляет собой сканирующий селектор длины волны, поскольку он является подвижным и, таким образом, дает возможность выбирать длину волны с любым желаемым значением в сканируемом диапазоне или позволяет последовательно сканировать диапазон длин волн для измерений XRF, т.е. он позволяет монохроматизировать рентгеновские лучи для их регистрации. Таким образом, комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF представляет собой канал последовательной регистрации XRF. Сканирующий селектор длины волны является подвижным, предпочтительно, посредством приводного устройства. Это является отличием от конструкций на известном уровне техники, в которых монохроматор для XRD включает статический селектор длины волны, который, очевидно, не может использоваться также и для измерений XRF, что поэтому требует обеспечения дополнительным приспособлением для регистрации XRF. Селектор длины волны предпочтительно включает волнодисперсионный элемент. Волнодисперсионный элемент предпочтительно включает дифракционный кристалл и более предпочтительно плоский кристалл. Примеры пригодных кристаллов включают любой из следующих кристаллов: фторид лития, высокоориентированный пиролитический графит (HOPG), пентаэритрит, антимонид индия, германий, синтетические многослойные псевдокристаллы, предпочтительно - HOPG и многослойные псевдокристаллы. Волнодисперсионному элементу предпочтительно предшествует коллимирующий элемент (в данном описании именуемый «входным коллимирующим элементом»). Входной коллимирующий элемент предпочтительно представляет собой коллиматор, который в данном описании именуется «вторичным коллиматором» (что, таким образом, отличает его от первичного коллиматора, который может использоваться перед источником рентгеновского излучения). На Фиг.1 вторичный коллиматор 14 расположен в восходящем положении (т.е. ближе к образцу) относительно дисперсионного элемента и, таким образом, определяет ось собирания (ось 9 на Фиг.1). Может предусматриваться более одного коллимирующего элемента (например, более одного коллиматора), которые могут взаимозаменяемо размещаться в пучке рентгеновских лучей для того, чтобы варьировать коллимирование пучка. Таким образом, в ходе применения рентгеновские лучи, дифрагируемые или испускаемые из образца, проходят вдоль оси собирания через вторичный коллиматор перед их дисперсией волнодисперсионным элементом, поэтому при применении в дисперсионном элементе закона Брэгга на детектор рентгеновского излучения падает только выбранная длина волны, или длины волн, рентгеновских лучей. За волнодисперсионным элементом предпочтительно следует еще один коллимирующий элемент (в данном описании именуемый выходным коллимирующим элементом), который расположен перед детектором. В случаях, когда имеется более одного детектора, как правило, имеется более одного выходного коллимирующего элемента, предпочтительно перед каждым детектором располагается по одному коллимирующему элементу. Выходной коллимирующий элемент предпочтительно представляет собой коллиматор (в данном описании именуемый третьим коллиматором), расположенный между детектором и селектором длины волны, как показано на Фиг.1, где коллиматор 17 располагается перед детектором 16 между кристаллом 12 и детектором 16. Третий коллиматор определяет ось 11 детектора, обеспечивая угловое расположение между детектором и селектором длины волны. Может предусматриваться более одного выходного коллимирующего элемента (например, более одного коллиматора), которые могут взаимозаменяемо размещаться в пучке рентгеновских лучей для того, чтобы варьировать коллимирование пучка на детекторе. На Фиг.1 селектор длины волны включает кристалл 12 в качестве волнодисперсионного элемента, вторичный коллиматор 14 - в качестве входного коллимирующего элемента, и третий коллиматор 17 - в качестве выходного коллимирующего элемента. Вторичный коллиматор 14 и третий коллиматор 17 (совместно с детектором 16 рентгеновского излучения) устанавливаются по одну из сторон кристалла 12 под углом θ к поверхности кристалла. Сканирующий селектор длины волны, таким образом, предпочтительно включает волнодисперсионный элемент (например, кристалл), которому со стороны, принимающей рентгеновские лучи, предшествует элемент, коллимирующий рентгеновские лучи (например, коллиматор), и за которым следует еще один элемент, коллимирующий рентгеновские лучи (например, коллиматор) на его стороне регистрации, элементы, коллимирующие рентгеновские лучи, предпочтительно располагаются под углом θ к поверхности волнодисперсионного элемента. Коллимирующие элементы могут устанавливаться на отдельных кронштейнах гониометра для того, чтобы допускать варьирование угла θ и, следовательно, выбранной длины волны. Разумеется, детектор может устанавливаться вместе с коллимирующим элементом детектора на соответствующем одном из кронштейнов гониометра. Позиционирование гониометра и, следовательно, угла φ предпочтительно управляется оптическим датчиком. После элемента, коллимирующего рентгеновские лучи на стороне регистрации рентгеновских лучей, рентгеновские лучи, т.е. монохромные рентгеновские лучи, принимаются детектором. Детектор рентгеновского излучения может включать любой подходящий детектор рентгеновского изучения для XRD и XRF, известный в данной области, например счетчик с внутренним газовым наполнением, сцинтилляционный детектор или твердотельный детектор (например, дрейфовый кремниевый детектор). Предпочтительно детектор включает пропорциональный счетчик с внутренним газовым наполнением.

Сканирующий селектор длины волны представляет собой селектор переменной длины волны, т.е. он может варьировать длину волны, которую выбирает для падения на детектор рентгеновского излучения. В режиме XRD сканирующий селектор длины волны выбирает и фиксирует одну или несколько длин волн, регистрируемых по меньшей мере одним детектором рентгеновского излучения (в данном описании именуемых фиксированными длинами волн, поскольку они не изменяются в ходе сбора данных картины XRD). Предпочтительно в режиме XRD, сканирующий селектор длины волны, или селектор переменной длины волны, используется, или устанавливается, под соответствующим углом θ для выбранной длины волны (длин волн). То есть для XRD-анализа угол θ поддерживается постоянным под углом, соответствующим выбранной длине волны (длинам волн). В режиме работы XRF селектор переменной длины волны сканирует диапазон длин волн, который, желательно, должен покрывать спектр XRJF предпочтительно путем сканирования угла θ, и последовательно выбирает длины волн для регистрации по меньшей мере одним детектором рентгеновского излучения, предпочтительно когда угол φ поддерживается постоянным (т.е. фиксированным) в течение всего XRF-анализа.

Выбор длин волн рентгеновского излучения селектором длины волны для регистрации детектором 16 рентгеновского излучения может достигаться посредством различных механизмов. Угол θ на волнодисперсионном элементе является варьируемым для выбора различных длин волн. Изобретение предпочтительно включает приводное устройство, предназначенное для варьирования угла θ дифракции селектора длины волны, т.е. селектор длины волны является подвижным посредством приводного устройства для того, чтобы выбирать длины волн рентгеновских лучей. Приводное устройство в данном описании относится к любым приводным средствам, включающим одно или несколько отдельных приводных устройств, силовых приводов и т.п. Приводные устройства предусматриваются для приведения в движение любого из гониометров устройства. Например, угол между коллиматором 14 и коллиматором 17 (и, следовательно, детектором 16) на кристалле 12 может варьироваться (например, путем установки коллиматора 14 и коллиматора 17/детектора 16 на отдельных кронштейнах гониометра), и, таким образом, соответственно варьируется угол 9 дифракции на плоском кристалле 12. В альтернативном варианте или в дополнение кристалл 12 может поворачиваться для варьирования θ. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения, как показано на фигурах, кристалл 12 может располагаться под углом θ к коллиматору 14/оси 9 собирания с коллиматором 17/детектором 16 (и, таким образом, осью 11 регистрации), расположенным под углом 2θ к оси 9 собирания, например, посредством оптического датчика. Если угол θ изменяется, например, путем перемещения коллиматора 14 и/или кристалла 12 (например, посредством приводных устройств, приводящих в движение гониометр), коллиматор 17/детектор 16 перемещаются синхронно, сохраняя угол 2θ (например, снова посредством приводных устройств, приводящих в движение гониометр), и, таким образом, различные длины волн дифрагируют под различными углами и регистрируются детектором 16. Для XRD θ предпочтительно устанавливается (фиксируется) на время проведения измерения XRD, и, таким образом, для прохождения на детектор выбирается по меньшей мере одна длина волны испускания из источника рентгеновского излучения (тогда для измерения XRD варьируется угол φ, и детектор регистрирует рентгеновские лучи с выбранной длиной волны (длинами волн) для одного или нескольких углов φ дифракции на образце).

Угол дифракции рентгеновских лучей, дифрагированных образцом, может в данном описании именоваться первым углом дифракции, φ. Этот термин может использоваться для того, чтобы отличать первый угол дифракции, φ, от угла дифракции рентгеновских лучей от кристалла селектора длины волны, который в данном описании может именоваться вторым углом дифракции, θ.

Угол φ может варьироваться для XRD одним или несколькими следующими способами:

путем углового перемещения (например, поворота) комбинированного приспособления 10 для регистрации XRD и XRF вокруг образца, например вдоль дугового направления 18 на Фиг.1;

путем углового перемещения (например, поворота) источника рентгеновского излучения вокруг образца, например вдоль дугового направления 20 на Фиг.1;

путем углового перемещения (например, поворота) или наклона первого коллимирующего элемента (первичного коллиматора 6) относительно образца.

Один или несколько способов i), ii) и/или iii) могут использоваться по отдельности или в любом сочетании, например в сочетании i) и ii), или в сочетании i) и iii), или в сочетании i), ii) и iii), и т.д.

Экономичным является описанный выше способ iii), но наклоном одного первичного коллиматора может достигаться лишь ограниченная разрешающая способность и диапазон углов. Однако ограниченный диапазон углов сканирования φ может оказаться достаточным для некоторых применений, например, когда пользователь хочет лишь проанализировать образец на наличие конкретной структурной фазы, например фазы свободной извести в образце цемента. Сочетание i) и ii) предлагает наиболее гибкий способ, который обеспечивает наиболее широкий диапазон углов φ дифракции и хорошую разрешающую способность. Перемещение источника рентгеновского излучения дает дополнительное преимущество, которое заключается в возможности регулировки глубины проникновения в образец. Однако создание механизма для точного перемещения источника рентгеновского излучения, который может быть тяжелым, увеличивает стоимость и сложность, и поэтому в предпочтительных вариантах осуществления изобретения, с точки зрения компромисса между гибкостью и стоимостью, угол φ варьируется посредством описанного выше способа i). Для варьирования угла φ дифракции на образце изобретение предпочтительно включает приводное устройство.

Угловое перемещение комбинированного приспособления 10 для регистрации XRD и XRF изменяет угол, который ось 9 собирания рентгеновских лучей образует с осью 8 облучения, т.е. изменяет угол собирания и, следовательно, изменяет угол φ дифракции, под которым выполняется регистрация. Аналогично, угловое перемещение источника рентгеновского излучения и/или первичного коллиматора изменяет угол, который ось 8 облучения образует с осью 9 собирания, т.е. изменяет угол облучения и, следовательно, изменяет угол φ дифракции, под которым выполняется регистрация.

Может быть реализовано множество изменений устройства, показанного на Фиг.1, предусматривающих различные механизмы варьирования первого угла φ дифракции на образце для измерений XRD. Ниже описываются примеры таких изменений.

Первое изменение устройства, реализующего описанный выше способ i), схематически показано на Фиг.2, где устройство, в общем аналогичное показанному на Фиг.1, включает рентгеновскую трубку 2 и первичный коллиматор 6, которые фиксируются относительно образца 4, таким образом, фиксируя ось 8 облучения, и угол φ дифракции сканируется путем углового перемещения приспособления 10 детектора (т.е. вторичного коллиматора 14, кристалла 12, коллиматора 17 и детектора 16 совместно) в дуговом направлении 18, что, таким образом, варьирует угол оси 9 собирания относительно образца. Ось облучающего пучка может иметь угол, отличный от нормали к образцу. Рентгеновская трубка 2 показана установленной нормально относительно образца 4 (т.е. ось облучения нормальна) только с целью иллюстрации, однако на практике эта необходимость не имеет места, и, на самом деле, может оказаться предпочтительной установка трубки под углом к образцу для того, чтобы сделать доступным больший диапазон углового перемещения к регистрирующему приспособлению 10, что, в свою очередь, открывает доступ к дополнительным кристаллическим структурам и, таким образом, к более полному структурному определению. Еще одна причина установки трубки под углом к образцу заключается в том, чтобы предоставить больше пространства для комбинированного приспособления для регистрации XRD/XRF, и в том, чтобы позволить трубке размещаться ближе к образцу и, таким образом, добиться большего сигнала от образца.

Комбинированное приспособление 10 детектора может включать, например, гониометр, т.е. вторичный коллиматор 14 и детектор 16 рентгеновского излучения на противоположных кронштейнах гониометра, и, таким образом, угол θ может варьироваться на кристалле 12. В варианте устройства, показанном на Фиг.2, весь гониометр регистрирующего приспособления тогда может совершать угловое перемещение относительно образца, например, посредством приводного устройства (не показано), для того, чтобы варьировать угол φ дифракции между осями 8 и 9 пучка. Таким образом, изобретение предпочтительно включает приводное устройство, предназначенное для варьирования угла φ дифракции на образце. Более предпочтительно изобретение включает приводное устройство для управления угловым перемещением комбинированного регистрирующего приспособления и, таким образом, для варьирования угла φ дифракции на образце.

Второе изменение устройства, реализующее описанный выше способ ii), схематически показано на Фиг.3, где иллюстрируется устройство, в целом аналогичное показанному на Фиг.2, но в данном варианте комбинированное регистрирующее приспособление 10 находится под фиксированным углом к образцу, что, таким образом, фиксирует под углом ось 9 собирания, и вместо этого для варьирования угла φ дифракции источник 2 рентгеновского излучения и первичный коллиматор 6 (и, следовательно, ось 8 облучения) способны совместно совершать угловое перемещение вокруг образца (например, посредством приводного устройства, не показанного на фигуре), например вдоль показанного дугового направления 20.

Третье изменение устройства, реализующее оба механизма перемещения, показанных на Фиг.2 и 3, схематически показано на Фиг.4, где иллюстрируется устройство, в целом аналогичное устройствам, показанным на Фиг.1-3, но в данном варианте для варьирования угла φ дифракции каждое из устройств, и комбинированное регистрирующее приспособление 10, и источник 2 рентгеновского излучения (с первичным коллиматором), способно совершать угловое перемещение вокруг образца (например, вдоль соответствующих дуговых направлений 18 и 20). Например, комбинированное регистрирующее приспособление 10 и источник 2 рентгеновского излучения (с его первичным коллиматором) для варьирования угла φ дифракции на образце могут устанавливаться на отдельных кронштейнах гониометра (не показан). Этот вариант предлагает наибольшую степень сканирования угла φ дифракции на образце.

Четвертое изменение устройства, реализующее описанный выше способ iii), схематически показано на Фиг.5, где иллюстрируется устройство, в целом аналогичное устройствам, показанным на Фиг.1-4, но в данном варианте и источник 2 рентгеновского излучения, и комбинированное регистрирующее приспособление 10 находятся под фиксированными углами относительно образца, и угол φ дифракции на образце варьируется путем наклона первичного коллиматора 6, например, в показанном направлении 19, с целью варьирования угла оси 8 облучения пучка на образце. Фиг.5 показывает как расположение (8') оси 8 облучения тогда, когда первичный коллиматор 6 не наклонен, так и расположение (8'') оси 8 облучения тогда, когда первичный коллиматор 6 наклонен.

В некоторых вариантах осуществления изобретения образец может быть способен совершать угловое перемещение так, чтобы он мог поворачиваться, или наклоняться, например, относительно оси облучения и/или оси собирания и, таким образом, обеспечивать доступ к различным плоскостям кристаллитов на различных глубинах внутри образца, а также уменьшать длину пробега пучка рентгеновских лучей внутри образца и, следовательно, уменьшать поглощение. В этих вариантах осуществления изобретения держатель для образца соответственно может приводиться в движение приводными устройствами с целью перемещения держателя образца и опирающегося на него образца. Предпочтительно, чтобы держатель образца был съемным с устройства так, чтобы образец можно было бы заменять.

Комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF включает детектор рентгеновского излучения, что означает, что оно включает по меньшей мере один детектор рентгеновского излучения. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения с точки зрения стоимости и простоты может применяться только один детектор рентгеновского излучения, и этого достаточно. Однако в более сложных вариантах осуществления изобретения может применяться два или большее количество детекторов рентгеновского излучения, например, с целью расширения доступного диапазона длин волн XRF или для улучшения измерения XRD. С целью оптимизации рабочих характеристик каждый детектор может иметь оптимальную чувствительность для конкретного диапазона длин волн рентгеновского излучения. Например, для диапазонов спектра с менее высокой энергией предпочтительно используются газовые детекторы, такие как проточные пропорциональные счетчики (FPC) или герметичные детекторы, а для диапазонов спектра с более высокой энергией предпочтительны другие детекторы, такие как сцинтилляторы. Пример варианта осуществления изобретения с несколькими детекторами схематически показан на Фиг.6. На Фиг.6 показано устройство, иное, чем устройства, показанные на Фиг.1-5, которое содержит вместо единственного детектора 16 два детектора 26 и 28 рентгеновского излучения, имеющих различные спектральные чувствительности, и каждый детектор оптимизирован для заданной части спектра. Один детектор применяется для диапазона спектра рентгеновской флуоресценции с менее высокой энергией (более длинные волны), соответствующего заданному диапазону θ для данного кристалла, и второй детектор применяется для диапазона с более высокой энергией (короткие волны), соответствующей другому заданному диапазону θ. Предпочтительно в ходе измерений единовременно используется один детектор для регистрации рентгеновских лучей под углами θ, соответствующими оптимальному диапазону длин волн для данного детектора, и второй детектор используется последовательно для регистрации рентгеновских лучей из другого спектрального диапазона, где он более чувствителен, чем первый детектор. Селектор длины волны регистрирующего приспособления в этих вариантах осуществления изобретения располагается таким образом, чтобы он выбирал больше, чем одну фиксированную длину волны, в данном случае - две фиксированные длины волны, например, для того, чтобы выбирать для XRD более чем одну единичную линию испускания рентгеновского излучения рентгеновской трубкой. Таким образом, каждый детектор может быть выбран для регистрации отличающейся характеристической линии испускания трубки. Это допускает возможность увеличения чувствительности в XRF-анализе и получении доступа к дополнительным дифрагирующим фазам в XRD-анализе. В указанных вариантах осуществления изобретения каждый детектор может располагаться так, чтобы он регистрировал рентгеновские лучи из его собственного селектора длины волны или дисперсионного элемента (например, кристалла), или два или большее количество детекторов могут совместно использовать общий селектор длины волны. Существуют кристаллы, например LIF200, которые могут использоваться и для детекторов низких энергий, и для детекторов высоких энергий, однако также существуют кристаллы, которые следует использовать только для низкой (или высокой) энергии. Поэтому на практике может оказаться предпочтительным переключение от одной пары кристалл-детектор к другой паре при изменении диапазона энергии в анализе. Различные кристаллы могут устанавливаться на вращающейся головке, что позволяет переключаться от одной пары к другой.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения для улучшения рабочих характеристик XRF или XRD, как известно в данной области техники, между источником рентгеновского излучения и образцом могут быть включены один или несколько спектральных фильтров. Например, фильтры могут использоваться для XRF-анализа с целью подавления испускаемых рентгеновской трубкой характеристических линий, которые могут интерферировать с анализируемыми длинами волн (например, фильтр из Cu - для подавления линий Rh, и т.д.). Фильтры также могут использоваться для минимизации спектрального фона, вызванного континуумом в образцах, где тяжелые элементы внедрены в легкую матрицу (например, фильтр из Al - для анализа Pb, и т.д.). Для XRD могут использоваться фильтры, например, предназначенные для выбора (монохроматизации) одной представляющей интерес линии, испускаемой трубкой. На Фиг.6 показан фильтр 24, который может возвратно-поступательно перемещаться в боковом направлении 25 в пучок рентгеновских лучей и из пучка рентгеновских лучей между источником рентгеновского излучения 2 и первичным коллиматором 6.

Источник рентгеновского излучения, который предпочтительно представляет собой рентгеновскую трубку, может содержать одну или ряд характеристических линий испускания. С целью получения более чем одной линии испускания, рентгеновская трубка может включать ряд анодов из различных материалов или множественный анод. Распространенные аноды включают материал мишени из одного из следующих материалов (например): Rh, Pd, Cr, Mo, W, Sc, Cu, Pt и Au. Выбор материала мишени, разумеется, определяется природой анализируемого образца. Эта особенность позволяет устройству расширять измерения XRD или улучшать возможности XRF. Если присутствует ряд линий испускания источника рентгеновского излучения, некоторый ряд этих линий испускания может быть выбран в качестве фиксированных длин волн для XRD-анализа, как это описано выше.

В некоторых вариантах осуществления изобретения для измерения XRD селектор длины волны может располагаться последовательно для того, чтобы осуществлять выбор более чем одной единичной линии испускания рентгеновского излучения трубки, т.е. на основе различных линий испускания рентгеновского излучения последовательно может быть записано более одной картины XRD. Иными словами, последовательно могут быть записаны две или большее количество картин XRD, каждая из которых использует отличающуюся фиксированную длину волны. Это делает возможным доступ к другим дифрагирующим фазам.

Комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF может включать более чем один волнодисперсионный элемент, например более одного кристалла, с целью расширения диапазона длин волн для XRF или с целью улучшения измерения XRD. Поэтому в некоторых вариантах осуществления изобретения может предусматриваться ряд кристаллов, которые могут быть взаимозаменяемыми в регистрирующем приспособлении, например, при помощи средств автоматической замены.

Устройство предпочтительно включает камеру, в которой монтируются остальные компоненты устройства, например источник рентгеновского излучения, держатель образца, комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF и средства углового сканирования, где камера может быть вакуумированной и/или продутой газом, который является, в значительной мере, спектрально прозрачным на регистрируемых длинах волн, более предпочтительно, где камера является вакуумируемой.

При применении устройство согласно настоящему изобретению может функционировать в любом из двух режимов:

1) режиме измерения XRD: где угол θ селектора длины волны фиксирован на значении, соответствующем представляющей интерес выбранной фиксированной длине волны (длинам волн) для обеспечения оптимальных рабочих характеристик XRD, и интенсивность дифрагированных рентгеновских лучей измеряется детектором на одном или нескольких значениях φ, например угол φ варьируется с целью сканирования угла дифракции образца. Поскольку длина волны рентгеновского излучения, регистрируемого в режиме XRD, фиксирована, и рентгеновские лучи от источника параллельны, это позволяет применять закон Брэгга для выполнения измерения XRD; и

2) режиме измерения XRF: где угол θ селектора длины волны варьируется с целью сканирования представляющих интерес длин волн излучения вторичной рентгеновской флуоресценции, испускаемых из образца, и их интенсивности измеряются с использованием детектора (детекторов) рентгеновского излучения. Таким образом, современные измерения XRF могут выполняться последовательно (угол φ на образце в ходе измерения XRF, как правило, является фиксированным).

Для XRF-анализа образца в некоторых случаях может оказаться желательной запись спектров XRF при различных значениях угла φ. Существуют два потенциальных преимущества изменения угла φ. Во-первых, варьирование φ позволяет пользователю регулировать глубину проникновения рентгеновского излучения внутрь образца. Например, в предельных случаях XRF-анализ может выполняться при скользящем падении на поверхность образца с целью зондирования тонких слоев в верхней части образца. Во-вторых, варьирование φ позволяет пользователю уменьшать возможные помехи, вызванные дифракцией континуума образцом, путем выбора частного значения угла φ с целью дополнительно отдалить указанные помехи от представляющих интерес пиков в спектре XRF.

Таким образом, устройство использует единственное регистрирующее приспособление для выполнения и XRD, и XRF и, кроме того, использует только один источник рентгеновского излучения. Это предлагает несколько преимуществ в отношении компактности и использования минимального количества компонентов, несмотря на поддержание высокого уровня универсальности в отношении диапазона анализируемых материалов.

Изобретение предусматривает удобный способ и устройство для анализа элементного и структурного состава образца, в особенности кристаллического образца. Термин «кристаллический образец» в данном описании означает образец, по меньшей мере часть которого является кристаллической, т.е. кристаллический образец может быть полностью или частично кристаллическим. Анализируемый образец может быть поликристаллическим, т.е. включающим кристаллиты, которые изотропно и случайно распределены в образце. Следует понимать, что анализируемый устройством образец может быть аморфным, и в этом случае для анализа образца полезна только XRF. XRD-анализ позволяет анализировать кристаллическую структуру внутри образца. XRF-анализ позволяет определять элементный и/или химический состав образца. Например, устройство согласно настоящему изобретению может быть применимо для анализа образцов цемента, в которых, в дополнение к элементному и химическому составу, также желательно определять содержание различных структурных форм оксидов кальция, таких как свободная известь, а также другие фазы.

XRD-анализ выполняется путем выбора и фиксирования длины волны дифрагированных рентгеновских лучей с использованием селектора длины волны из комбинированного приспособления для регистрации XRD и XRF. При длине волны дифрагированных рентгеновских лучей, фиксированной путем выбора, варьируется угол φ и для максимального углового сканирования это предпочтительно осуществляется путем углового перемещения, вместе или по отдельности, источника рентгеновского излучения (включая согласованное перемещение первичного коллиматора источника) и комбинированного приспособления для регистрации XRD и XRF вокруг образца, т.е. их перемещение, вместе или по отдельности по меньшей мере частично вокруг образца для того, чтобы дать возможность регистрировать дифрагированные рентгеновские лучи с выбранной длиной волны под различными углами φ дифракции.

В некоторых вариантах осуществления изобретения угол дифракции на образце φ может быть фиксированным, и тогда интенсивность XRD на длине волны (длинах волн), выбранной сканирующим детектором длины волны, регистрируется только для фиксированного значения φ. Однако фиксированное значение φ предпочтительно устанавливается для того, чтобы оно соответствовало известному максимуму XRD для регистрируемой конкретной структурной фазы. Иными словами, регистрация осуществляется в отрегулированном положении, центрированном на максимуме представляющего интерес дифракционного пика. Поэтому в таких вариантах осуществления изобретения устройство предназначается, с точки зрения XRD, для анализа одной конкретной структурной фазы, однако сохраняет способность полного XRF-сканирования.

В простых предпочтительных вариантах осуществления изобретения угол φ варьируется в небольшой степени, например, +/- 4 градуса или менее, с целью сканирования по единственному представляющему интерес пику XRD, например только по пику XRD свободной извести. Для приложений к свободной извести в цементной промышленности положение центра пика может варьироваться в зависимости от нескольких параметров, относящихся к структуре образца, поэтому полная фиксация угла φ не является предпочтительной, но более предпочтительно то, чтобы имелась по меньшей мере некоторая варьируемость φ. Для простейших вариантов осуществления изобретения с ограниченным варьированием значения φ угол φ предпочтительно варьируется путем наклона первичного коллиматора перед источником рентгеновского излучения.

Для более сложных вариантов осуществления изобретения, которые могут охватывать и иные применения в XRD, чем единичный пик XRD, такой как пик свободной извести, требуется более широкое варьирование φ и предпочтительно задействуются дополнительные средства, описанные в данном описании для варьирования φ. Тогда может быть записана картина XRD.

XRF-анализ выполняется путем сканирования длин волн рентгеновских лучей, испускаемых образцом, с использованием селектора длины волны и регистрации рентгеновских лучей со сканированными длинами волн с использованием детектора рентгеновского излучения. Поэтому метод XRF, выполняемый с использованием комбинированного приспособления для регистрации XRD и XRF, представляет собой волнодисперсионную XRF (WDXRF). WDXRF является более предпочтительной по сравнению с XRF с рассеиванием энергии (EDXRF) по причине более высокого спектрального разрешения, более высокого динамического диапазона, хорошей стабильности и гибкости WDXRF, а также повышенной чувствительности в зависимости от количества измеряемых длин волн. В XRF-анализе угол φ дифракции на образце предпочтительно фиксируется, т.е., таким образом, комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF в ходе XRF-анализа не совершает угловых перемещений относительно образца.

В некоторых предпочтительных вариантах осуществления изобретения, например, для уменьшения стоимости устройство согласно изобретению не включает никакого другого канала регистрации XRF, т.е. никакого другого канала или приспособления для регистрации XRF или XRD, помимо комбинированного приспособления для регистрации XRD и XRF. Последовательная регистрация XRF, предусматриваемая комбинированным приспособлением для регистрации XRD и XRF эффективна для регистрации всех обычных длин волн XRF. Если для пользователя критичным фактором является скорость XRF-анализа, устройство согласно изобретению также может включать один или несколько каналов регистрации XRF. Указанные один или несколько дополнительных каналов XRF могут включать один или несколько статических каналов XRF (т.е. каналов, предназначенных для регистрации фиксированной длины волны рентгеновского излучения) или последовательный канал XRF (т.е. канал, предназначенный для регистрации переменной длины волны рентгеновского излучения).

При фиксированном положении источника рентгеновского излучения и комбинированного приспособления детектора, т.е. при фиксированном угле дифракции на образце φ, сканирование длины волны (угол θ) в непрерывном диапазоне позволяет непосредственно извлекать спектр, поскольку согласно закону Брэгга размерность решетки относится и к углу дифракции, и к длине волны рентгеновских лучей. Поэтому при облучении континуумом длин волн с фиксированным углом дифракции дифракционная картина может быть получена путем записи дифрагированной интенсивности в зависимости от длины волны.

Следует понимать, что выбор режима XRD или режима XRF и соответствующее требуемое перемещение компонентов для каждого из режимов, как это описано выше, например, посредством приводных устройств и/или гониометров предпочтительно производится под управлением компьютера. Тот или иной компьютер предпочтительно оснащается для сбора данных из комбинированного регистрирующего приспособления для последующего вывода, например, в виде картины XRD или спектра XRF.

Дальнейшие иллюстративные варианты осуществления изобретения показаны на Фиг.7-14. Фиг.7 показывает схематический вид в перспективе одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, который иллюстрирует многие из возможных режимов перемещения. На практике любой данный вариант осуществления изобретения может включать все эти режимы перемещения или менее, чем все из них (т.е. только некоторые из них), как понятно из данного описания изобретения. Фиг.7 в общем показывает источник 102 рентгеновского излучения, предназначенный для облучения рентгеновскими лучами образца 104, установленного на верхней поверхности 170 держателя образца 105, как это описано ранее. Рентгеновские лучи могут проходить через первичный коллиматор 106, который является латерально выдвигаемым в пучок рентгеновских лучей и из пучка рентгеновских лучей в направлении, показанном стрелкой 161. Первичный коллиматор 106 также может наклоняться относительно поверхности образца путем ограниченного поворота коллиматора 106 в направлении, показанном стрелкой 163. Указанный наклон оси первичного коллиматора 106 изменяет угол падения оси облучения на поверхность образца 172 и, таким образом, изменяет угол дифракции φ на образце так, как это описано выше. Держатель образца 105 также может быть наклонен относительно падающих рентгеновских лучей, открывая доступ к различным кристаллическим плоскостям в образце. Наклон держателя 105 образца представлен направлением стрелки 171. Источник 102 рентгеновского излучения устанавливается на кронштейне 140 гониометра с целью варьирования угла φ дифракции на образце. На другом кронштейне 142 гониометра для варьирования φ устанавливается комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF, обобщенно показанное позицией 110. При применении кронштейны 140 и 142 гониометра могут перемещаться в дуговых направлениях, как показано стрелками 141 и 143, с целью варьирования угла φ дифракции на образце (разумеется, перемещения, указываемые стрелками на фигурах, также включают перемещения в обратном направлении, т.е. перемещение компонентов является обратимым). На фигурах в данном описании приводные устройства гониометра опущены для удобства, как и управляющий компьютер и связанные с ним управляющие элементы, предназначенные для управления работой гониометра. Однако приводные устройства и компьютерные управляющие элементы могут просто относиться к любому известному типу, пригодному для управления перемещением гониометра. Регистрирующее приспособление 110 включает монохроматор, который содержит входной коллиматор 114 (определяющий ось 109 собирания рентгеновских лучей), относящийся к типу коллиматоров Соллера, плоский кристалл 112, предназначенный для дисперсии рентгеновских лучей, и, в данном случае, два детектора D1 и D2 рентгеновского излучения, каждый из которых содержит коллиматор 117 и 118 соответственно перед ним (определяющий ось 111 регистрации), также относящийся к типу коллиматоров Соллера. Каждый детектор D1 и D2 имеет чувствительность, оптимизированную для различных диапазонов длин волн. Кристалл 112 устанавливается на вращающейся опоре 130 для того, чтобы кристалл 112 можно было поворачивать в направлении, показанном стрелкой 131, с целью варьирования угла θ на кристалле 112. Для варьирования угла 9 на кристалле 112, в дополнение к описанному перемещению кристалла, каждый из детекторов D1 и D2 также устанавливается на соответствующих кронштейнах 150 и 152 гониометра для перемещения в дуговых направлениях, показанных стрелками 151 и 153 соответственно. Гониометры 150, 152, на которых устанавливаются детекторы, в свою очередь, устанавливаются на кронштейне 142 гониометра, где установлено комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRJF целиком.

Принцип работы устройства для XRF и XRD ниже будет разъяснен более полно с отсылкой к Фиг.8-14.

С отсылкой к Фиг.8 и 9 показано устройство, сходное с таковым по Фиг.7, иллюстрирующей принцип работы для XRF-анализа. В данном варианте осуществления изобретения для XRF рентгеновская трубка 102 показана установленной нормально к поверхности 172 образца для того, чтобы сделать возможным улучшенное облучение образца. Для измерения XRF первичный коллиматор 106 выдвигается из пучка рентгеновских лучей с целью увеличения чувствительности. Для работы в режиме XRF угол φ дифракции на образце фиксируется путем установки под управлением компьютера гониометра 140, 142 под соответствующим углом. При фиксированном φ образец облучается рентгеновскими лучами из рентгеновской трубки 102 вдоль оси 108 облучения, что приводит к испусканию вторичных рентгеновских лучей. Вторичные рентгеновские лучи входят в коллиматор 114, и коллимированные рентгеновские лучи подвергаются дисперсии в соответствии с их длиной волны посредством плоского кристалла 112. На Фиг.8 показано устройство с комбинированным регистрирующим приспособлением, которое установлено так, чтобы детектор D1 принимал подвергнутые дисперсии рентгеновские лучи от кристалла 112, т.е. кристалл 112 под управлением компьютера поворачивается на указанный угол, а кронштейн 150 гониометра устанавливается под таким углом, чтобы детектор D1 принимал подвергнутые дисперсии рентгеновские лучи с требуемой длиной волны в соответствии с первым значением угла θ на кристалле. На практике детектор D1 оптимизируется для регистрации рентгеновских лучей в первом диапазоне длин волн, а детектор D2 оптимизируется для регистрации рентгеновских лучей во втором диапазоне длин волн, как правило, являющемся дополнительным к первому диапазону длин волн. Для того, чтобы детектор D1 сканировал интенсивность рентгеновских лучей в зависимости от длины волны, кристалл 112 и гониометр 150 для варьирования θ совершают угловое перемещение, показанное стрелками 131 и 151 соответственно. Фиг.9 показывает положения кристалла 112 в первом положении 112' и соответственно детектора D1 в первом положении D1', таким образом, позволяющем регистрировать рентгеновские лучи с первой длиной волны, соответствующей первому значению θ. Затем кристалл 112 перемещается во второе положение 112'', и соответственно детектор D1 перемещается во второе положение D1'', таким образом, позволяя регистрировать рентгеновские лучи со второй длиной волны, соответствующей второму значению θ. Кристалл и детектор затем перемещаются в соответствующее третье, четвертое и т.д. положения для последовательной регистрации интенсивности вторичных рентгеновских лучей в зависимости от требуемого диапазона длин волн по мере варьирования θ. Регистрируемые интенсивности передаются в форме сигналов из детектора в компьютер (который также принимает информацию об угловом положении с целью определения θ и, следовательно, регистрируемой длины волны) для обработки данных и/или их сохранения в памяти, и/или вывода, например, в форме спектра XRF. Несмотря на то, что использование единственного детектора рентгеновского излучения может быть достаточным для многих применений, в некоторых случаях для того, чтобы охватить частный диапазон длин волн с оптимальной чувствительностью, может оказаться полезным задействовать второй детектор, такой как детектор D2, показанный на Фиг.7-10, имеющий оптимальную чувствительность в представляющем интерес диапазоне длин волн. Как показано на Фиг.19, после регистрации в диапазоне длин волн, оптимизированном для детектора D1, детектор D1 перемещается посредством его гониометра 150 с пути диапазона перемещения детектора D2. Кристалл 112 затем устанавливается для дисперсии рентгеновских лучей с длиной волны, соответствующей регистрации детектором D2. Сканирование длин волн детектором D2 затем осуществляет способ, аналогичный описанному выше способу для детектора D1, путем перемещения кристалла 112 и гониометра 152 детектора для варьирования 9 для детектора D2.

С отсылкой к Фиг.11-13 показан принцип работы устройства, показанного на Фиг.8-10, для XRD-анализа. С отсылкой к Фиг.11, в первую очередь, комбинированное приспособление 110 для регистрации XRD и XRF настраивается на соответствующий угол θ дифракции на кристалле 112 так, чтобы рентгеновские лучи с характеристической длиной волны рентгеновской трубки 102 направлялись в детектор D1 (или, в альтернативном варианте, D2). Угол θ, установленный таким образом для длины волны дифрагированного рентгеновского излучения, остается постоянным в ходе всего XRD-анализа. Рентгеновская трубка 102 предпочтительно располагается, как показано, под углом к оси 109 собирания путем соответствующей угловой установки кронштейна 140 гониометра. Первичный коллиматор 106 помещается в пучок рентгеновских лучей из рентгеновской трубки так, чтобы он коллимировал пучок, облучающий поверхность образца, и позволял определять угол φ дифракции на образце. Комбинированное регистрирующее приспособление 110, как показано, также устанавливается под углом к образцу при помощи кронштейна 142 гониометра. Угол φ дифракции на образце, определяемый осью 108 облучения и осью 109 собирания, показан на Фиг.11. Первый угол φ₁ дифракции устанавливается, когда рентгеновская трубка находится в первом показанном угловом положении 102'. Образец облучается рентгеновскими лучами из трубки 102 до тех пор, пока трубка находится в первом положении. Рентгеновские лучи с длиной волны, заданной комбинированным приспособлением 110 для регистрации XRD и XRF, дифрагируются образцом, и интенсивность рентгеновских лучей регистрируется детектором D1. Рентгеновская трубка затем перемещается путем перемещения кронштейна 140 гониометра в направлении 141 в указанное второе угловое положение 102'', таким образом, определяя второй угол φ₂ дифракции. Коллиматор 106 перемещается совместно с рентгеновской трубкой 102. Рентгеновская трубка 102 (и ее первичный коллиматор 106) затем перемещается в соответствующее третье, четвертое и т.д. угловые положения для последовательной регистрации интенсивности дифрагированных рентгеновских лучей с фиксированной длиной волны в требуемом диапазоне углов φ дифракции. Регистрируемые интенсивности рентгеновского излучения направляются в форме сигналов из детектора в компьютер (который также принимает информацию об угловом положении для определения φ) с целью обработки данных и/или их сохранения в памяти, и/или вывода, например, в форме картины XRD (т.е. интенсивности в зависимости от φ).

С отсылкой к Фиг.12, комбинированное приспособление 110 для регистрации XRD и XRF снова настраивается на соответствующий угол θ дифракции на кристалле 112 так, чтобы рентгеновские лучи с характеристической длиной волны рентгеновской трубки 102, как показано, направлялись в детектор D1 (или, в альтернативном варианте, D2), и угол θ, установленный таким образом, затем остается неизменным в течение всего XRD-анализа. Однако в отличие от режима работы, описанного с отсылкой Фиг.11, режим работы, показанный на Фиг.12, включает первый угол φ₁ дифракции, задаваемый рентгеновской трубкой 102 в фиксированном положении и комбинированным приспособлением 110 для регистрации XRD и XRF в показанном первом угловом положении 110'. Образец облучается рентгеновскими лучами из трубки 102 до тех пор, пока регистрирующее приспособление находится в первом положении 110'. Рентгеновские лучи дифрагируются образцом, и интенсивность рентгеновских лучей с длиной волны, заданной регистрирующим приспособлением 110, регистрируется детектором D1. Регистрирующее приспособление 110 затем перемещается путем перемещения кронштейна 142 гониометра в направлении 143 в показанное второе угловое положение 110'', таким образом, определяя второй угол φ₂ дифракции. Регистрирующее приспособление 110 затем перемещается в соответствующее третье, четвертое и т.д. угловые положения, последовательно регистрируя интенсивность дифрагированных рентгеновских лучей с фиксированной длиной волны в требуемом диапазоне углов φ дифракции. Регистрируемые интенсивности рентгеновского излучения обрабатываются и т.д., как описано выше, с использованием компьютера (не показан).

Следует понимать, что способы и средства для варьирования угла φ дифракции на образце для XRD, показанные на Фиг.11 и 12, могут задействоваться совместно, как показано на Фиг.13. В этом варианте осуществления изобретения комбинированное приспособление 110 для регистрации XRD и XRF снова настраивается на соответствующий угол θ дифракции на кристалле 112 так, чтобы рентгеновские лучи с характеристической длиной волны рентгеновской трубки 102, как показано, направлялись в детектор D1 (или, в альтернативном варианте, D2), и угол θ, заданный таким образом, оставался неизменным в течение всего XRD-анализа. Рентгеновская трубка 102 и комбинированное регистрирующее приспособление 110 в этом случае устанавливаются в соответствующие первые угловые положения 102' и 110' посредством их соответствующих кронштейнов 140 и 142 гониометра. Таким образом, определяется первый угол (φ₁ дифракции на образце 104. Рентгеновские лучи из рентгеновской трубки дифрагируются образцом и регистрируются детектором D1 под углом φ₁. Затем рентгеновская трубка 102 и комбинированное регистрирующее приспособление 110 устанавливаются в соответствующих вторых угловых положениях 102'' и 110'' посредством их соответствующих кронштейнов 140 и 142 гониометра так, чтобы, таким образом, определялся второй угол φ₂ дифракции на образце, и дифрагированные рентгеновские лучи снова регистрировались детектором D1, на этот раз, под углом φ₂. Рентгеновская трубка 102 и комбинированное регистрирующее приспособление 110 последовательно устанавливаются в соответствующее третье, четвертое и т.д. угловые положения так, чтобы можно было получить картину XRD в некотором диапазоне углов φ дифракции.

В следующем варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.14, угол дифракции, φ, на образце 104 варьируется путем наклона первичного коллиматора 106. Как и в предшествующих вариантах осуществления изобретения, для работы XRD комбинированное приспособление 110 для регистрации XRD и XRF устанавливается под соответствующим углом θ дифракции на кристалле 112 так, чтобы рентгеновские лучи с характеристической длиной волны рентгеновской трубки 102 направлялись в детектор D1 (или, в альтернативном варианте, D2), и угол θ, установленный таким образом, оставался постоянным в течение всего XRD-анализа. В варианте осуществления изобретения по Фиг.14 кронштейны 140 и 142 гониометра в ходе XRD-анализа не перемещаются, а вместо этого угол дифракции, φ, на образце варьируется только путем наклона первичного коллиматора 106. Например, первый угол φ₁ дифракции устанавливается, когда первичный коллиматор 106 находится в показанном первом угловом положении 106'. Образец облучается рентгеновскими лучами из трубки 102 до тех пор, пока первичный коллиматор 106 находится в первом положении 106', и рентгеновские лучи с длиной волны, задаваемой регистрирующим приспособлением 110, дифрагируются образцом и регистрируются детектором D1. Первичный коллиматор 106 затем наклоняется путем вращательного перемещения его кронштейна 107 в направлении 163 в показанное второе угловое положение 103'', таким образом, определяя второй угол φ₂ дифракции. Это более ясно показано на схематических изображениях на Фиг.15А (первое положение коллиматора, 106') и Фиг.15В (второе положение коллиматора, 106''). Регистрирующий первичный коллиматор 106 затем перемещается в соответствующее третье, четвертое и т.д. угловые положения для последовательной регистрации интенсивности дифрагированных рентгеновских лучей с фиксированной длиной волны в требуемом диапазоне углов φ дифракции. Следует понимать, что диапазон углов φ, который доступен путем перемещения только первичного коллиматора 106, весьма ограничен в сравнении с перемещением любого из кронштейнов 140 и 142 гониометра, однако это предлагает дешевую и простую возможность, когда требуется доступ лишь к небольшому диапазону угла φ, например, когда требуется сканирование только одного пика XRD, такого как пик свободной извести в образцах цемента. Регистрируемые интенсивности рентгеновского излучения обрабатываются и т.д., как описано ранее, компьютером (не показан), который также принимает информацию об угловом положении первичного коллиматора 106 для определения угла φ дифракции с целью создания, например, картины XRD.

Следует понимать, что для XRD-анализа могут действовать различные гибриды вариантов осуществления изобретения, показанных на Фиг.11-15, например, с сочетанием двух или большего количества действий: (i) перемещения рентгеновской трубки 102, (ii) перемещения регистрирующего приспособления 110, (iii) наклона первичного коллиматора 106.

Следует понимать, что могут делаться изменения вышеупомянутых вариантов осуществления изобретения, по-прежнему подпадающие под объем изобретения. Каждый из характерных признаков, раскрытых в данном описании, если не обусловлено обратное, может замещаться альтернативными характерными признаками, служащими для таких же, эквивалентных или сходных целей. Поэтому, если не обусловлено обратное, каждый раскрытый характерный признак представляет собой только один пример из общего ряда эквивалентных или сходных характерных признаков.

Если контекст очевидно не указывает на обратное, использование в данном описании единственного числа терминов данного описания следует истолковывать как включающее множественные числа, и наоборот.

Везде в описании и формуле изобретения слова «включать», «включающий», «имеющий» и «содержащий» и варианты этих слов, например «включая» и «включает», и т.д., означают «включающий, но не ограничивающийся» и не предполагают исключения (и не исключают) другие компоненты.

Использование любых примеров, или языка примеров (включая «к примеру», «например», «такой как» и т.п.), предусматриваемых в настоящем описании, предназначено единственно для лучшей иллюстрации изобретения и не указывает на ограничение объема изобретения, если не заявлено обратное.

Любые этапы, описанные в данном описании, могут выполняться в любом порядке или одновременно, если обратное не обусловлено или не требуется контекстом.

Все характерные признаки, раскрытые в данном изобретении, могут комбинироваться в любом сочетании за исключением сочетаний, в которых, по меньшей мере, некоторые из указанных характерных признаков и/или этапов являются взаимоисключающими. В частности, предпочтительные характерные признаки изобретения применимы ко всем особенностям изобретения и могут использоваться в любом сочетании. Аналогично, характерные признаки, описанные в несущественных сочетаниях, могут использоваться по отдельности (не в сочетании).

Следует понимать, что многие из характерных признаков, описанных выше, в частности предпочтительных вариантов осуществления изобретения, являются обладающими признаками изобретения самостоятельно, а не просто как часть некоторого варианта осуществления настоящего изобретения. Для этих характерных признаков требуется независимая защита в дополнение, или в качестве альтернативы, к любому заявленному в настоящее время изобретению.

1. Способ выполнения рентгеноструктурного (XRD) и/или рентгенофлуоресцентного (XRF) анализа образца, включающий:
облучение образца рентгеновскими лучами из полихромного источника рентгеновского излучения;
создание комбинированного приспособления для регистрации XRD и XRF, содержащего сканирующий селектор длины волны и по меньшей мере один детектор рентгеновского излучения, предназначенный для регистрации рентгеновских лучей, выбранных селектором длины волны; и
выполнение XRD-анализа образца путем выбора по меньшей мере одной фиксированной длины волны рентгеновских лучей, дифрагированных образцом, с использованием сканирующего селектора длины волны и регистрации рентгеновских лучей с выбранной фиксированной длиной волны (длинами волн) на одном или нескольких значениях угла φ дифракции на образце с использованием детектора (детекторов) рентгеновского излучения; и/или
выполнение XRF-анализа образца путем сканирования длин волн рентгеновских лучей, испускаемых образцом, с использованием сканирующего селектора длины волны и регистрации рентгеновских лучей со сканированными длинами волн с использованием детектора (детекторов) рентгеновского излучения.

2. Способ по п.1, дополнительно включающий создание первого коллимирующего элемента между источником рентгеновского излучения и образцом для облучения образца параллельными рентгеновскими лучами.

3. Способ по п.1 или п.2, согласно которому выполнение XRD-анализа включает варьирование угла φ дифракции на образце рентгеновских лучей с выбранной фиксированной длиной волны (длинами волн) и регистрацию рентгеновских лучей с выбранной фиксированной длиной волны (длинами волн) для ряда значений угла φ дифракции.

4. Способ по п.3, согласно которому этап варьирования угла φ дифракции на образце рентгеновских лучей с выбранной фиксированной длиной волны (длинами волн) включает одно или несколько следующего:
i) угловое перемещение комбинированного приспособления для регистрации XRD и XRF вокруг образца;
ii) угловое перемещение источника рентгеновского излучения вокруг образца; и/или
iii) наклон первого коллимирующего элемента относительно образца.

5. Способ по п.1, включающий наклон образца.

6. Способ по п.1, включающий выбор одной или нескольких характеристических линий испускания источника рентгеновского излучения в качестве фиксированных длин волн в XRD-анализе путем фиксации угла θ дифракции на волнодисперсионном элементе селектора длины волны.

7. Способ по п.1, включающий выбор в ходе XRD-анализа двух или большего количества фиксированных длин волн и регистрацию рентгеновских лучей с двумя или большим количеством фиксированных длин волн с использованием двух или большего количества детекторов рентгеновского излучения.

8. Способ по п.1, включающий сканирование в ходе XRF-анализа длин волн рентгеновских лучей, испускаемых образцом, путем сканирования угла θ дифракции на волнодисперсионном элементе селектора длины волны, в то время как угол φ дифракции на образце является фиксированным.

9. Способ по п.1, в котором источник рентгеновского излучения и комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF устанавливают вместе с образцом в камеру, которая выполнена с возможностью вакуумирования и/или продува газом, который является, в значительной мере, спектрально прозрачным на регистрируемых длинах волн.

10. Способ по п.1, в котором источник рентгеновского излучения размещают в непосредственной близости от образца.

11. Устройство для выполнения рентгеноструктурного (XRD) и рентгенофлуоресцентного (XRF) анализа образца, содержащее:
источник рентгеновского излучения;
держатель образца, предназначенный для удерживания образца так, чтобы он мог быть облучен рентгеновскими лучами из источника рентгеновского излучения; и
комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF, включающее сканирующий селектор длины волны и по меньшей мере один детектор рентгеновского излучения, предназначенный для регистрации рентгеновских лучей, выбранных селектором длины волны;
где устройство функционирует для выполнения:
(i) XRD-анализа образца путем выбора по меньшей мере одной фиксированной длины волны рентгеновских лучей, дифрагированных образцом, с использованием сканирующего селектора длины волны и регистрации рентгеновских лучей с выбранной длиной волны (длинами волн) при одном или нескольких значениях угла φ дифракции на образце с использованием детектора (детекторов) рентгеновского излучения; и
(ii) XRF-анализа образца путем сканирования длин волн рентгеновских лучей, испускаемых образцом, с использованием сканирующего селектора длины волны и регистрации рентгеновских лучей со сканированными длинами волн с использованием детектора (детекторов) рентгеновского излучения.

12. Устройство по п.11, дополнительно содержащее средства углового сканирования, предназначенные для варьирования угла φ дифракции на образце рентгеновских лучей, выбранных сканирующим селектором длины волны.

13. Устройство по п.12, в котором источник рентгеновского излучения и комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF установлены на первичном гониометре с целью варьирования угла φ дифракции на образце рентгеновских лучей, выбираемых сканирующим селектором длины волны.

14. Устройство по любому из пп.11-13, в котором устройство дополнительно содержит первичный коллиматор, предназначенный для коллимирования рентгеновских лучей из источника, где первичный коллиматор установлен с возможностью вращения для варьирования угла φ дифракции на образце рентгеновских лучей, выбираемых сканирующим селектором длины волны.

15. Устройство по любому из пп.11-13, в котором комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF дополнительно содержит по меньшей мере один вторичный гониометр, предназначенный для варьирования угла θ рентгеновских лучей в сканирующем селекторе длины волны комбинированного приспособления для регистрации XRD и XRF.

16. Устройство по п.15, в котором вторичный гониометр (гониометры) установлен (установлены) на первичном гониометре.

17. Устройство по любому из п.11, дополнительно содержащее первый коллимирующий элемент между источником рентгеновского излучения и держателем
образца, предназначенный для облучения образца параллельным пучком рентгеновских лучей.

18. Устройство по п.11, в котором источник рентгеновского излучения установлен под углом менее 90 градусов к образцу.

19. Устройство по п.11, содержащее одно или несколько из следующих средств для варьирования угла φ дифракции на образце:
i) комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF, способное совершать угловое перемещение вокруг образца;
ii) источник рентгеновского излучения, способный совершать угловое перемещение вокруг образца; и/или
iii) первый коллимирующий элемент, подвижный относительно образца.

20. Устройство по п.11, в котором держатель образца действует для наклона образца.

21. Устройство по п.11, в котором сканирующий селектор длины волны содержит входной коллимирующий элемент, волнодисперсионный элемент и по меньшей мере один выходной коллимирующий элемент, причем входной и выходной коллимирующие элементы расположены по обе стороны от волнодисперсионного элемента, по меньшей мере один детектор рентгеновского излучения расположен после по меньшей мере одного выходного коллимирующего элемента и входной и выходной коллимирующие элементы расположены под углом θ к волнодисперсионному элементу, где угол θ может быть изменен с целью выбора или сканирования длин волн рентгеновских лучей.

22. Устройство по п.11, содержащее два или большее количество детекторов рентгеновского излучения, предназначенных для регистрации рентгеновских лучей с двумя или более различными длинами волн.

23. Устройство по п.11, в котором источник рентгеновского излучения и комбинированное приспособление для регистрации XRD и XRF установлены вместе с образцом в камере, которая выполнена с возможностью вакуумирования и/или продува газом, который является, в значительной мере, спектрально прозрачным на регистрируемых длинах волн.

24. Устройство по п.11, в котором источник рентгеновского излучения размещен в непосредственной близости от образца.