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一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件

阅读：1027发布：2020-07-21

专利汇可以提供一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种微型化 X射线阵列组合折射透镜集成组件，包括用于进行X射线光束第一次整形和滤波的X射线光阑、用于进行X射线光束第二次整形为类平行光的X射线折光器、用于对入射的多个X射线子光束分别进行聚焦的X射线阵列组合透镜和组件承载台，所述组件承载台用于承载所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜，所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜依次位于同一光轴上，所述X射线阵列组合折射透镜的阵列结构布局，保证每一个子光束所形成的聚焦焦斑在同一位置并位于光轴上。本实用新型可同时实现高微区分辨率和高灵敏度，并可进行现场分析。(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利，下面是一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述集成组件包括用于进行X射线光束第一次整形和滤波的X射线光阑、用于进行X射线光束第二次整形为类平行光的X射线折光器、用于对入射的多个X射线子光束分别进行聚焦的X射线阵列组合透镜和组件承载台，所述组件承载台用于承载所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜，所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜依次位于同一光轴上，所述X射线阵列组合折射透镜的阵列结构布局，保证每一个子光束所形成的聚焦焦斑在同一位置并位于光轴上。
2.如权利要求1所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述X射线光阑中，接收并进行第一次整形和滤波，所述第一次整形是指依据所述X射线阵列组合折射透镜的数值口径，对入射X射线光波进行整形；所述滤波是指将入射X射线光波分裂形成多个子光束，子光束的数目与X射线阵列组合折射透镜中的组合折射透镜数目相同。
3.如权利要求1或2所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述X射线折光器中，接收已分裂成多个子光束的X射线光波并进行光束第二次整形，所述光束的第二次整形保证从X射线折光器出射的多个X射线子光束，均以类平行光的方式入射阵列中对应的X射线组合折射透镜。
4.如权利要求1或2所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述X射线阵列组合折射透镜包含(M+1)个X射线组合折射透镜，所述M为正整数且为偶数，所述X射线阵列组合折射透镜沿其光轴呈轴对称分布，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中零级X射线组合折射透镜的光轴重合，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负一级X射线组合折射透镜的光轴夹角为θ，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负二级X射线组合折射透镜的光轴夹角为2θ，依此类推；
所述X射线阵列组合折射透镜中(M+1)个组合折射透镜的布局结构，使得所有(M+1)个X射线组合折射透镜聚焦的焦斑在相同位置，且位于光轴上。
5.如权利要求4所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述(M+
1)个X射线组合折射透镜的结构和性能参数，依据下列公式得出：
X射线波段的光学常数：n＝1-δ+iβ   (1)
X射线组合折射透镜的焦距：
X射线组合折射透镜的焦斑尺寸：
X射线组合折射透镜的数值口径：
其中n代表光学常数，δ代表X射线波段材料的折射，β代表X射线波段材料的吸收，N代表X射线组合折射透镜中折射单元的个数，以抛物面型折射单元为例，组合折射透镜抛物面顶点的曲率半径为R，抛物面的开口尺寸为R0，f代表X射线组合折射透镜的焦距，λ代表波长，μ代表X射线的线吸收系数，
6.如权利要求1或2所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述X射线折光器与所述X射线阵列组合折射透镜贴近放置，实现入射X射线光束的第二次整形，所述第二次整形，是指X射线折光器可对X射线阵列组合折射透镜中的正负一级组合透镜折光θ角度，对X射线阵列组合折射透镜中的正负二级组合透镜折光2θ角度，依此类推，最终实现对X射线阵列组合折射透镜中每一个单一组合折射透镜的类平行光入射。
7.如权利要求1或2所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述X射线光阑结构中透光带和阻光带交替布置。
8.如权利要求7所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述透光带的数目为(M+1)个，与所述X射线阵列组合折射透镜中组合折射透镜的数目相同，所述透光带和阻光带的宽度分别由下列公式计算得出：
零级透光带T0，与X射线组合折射透镜的数值口径尺寸相同，正负一级透光带、正负二级透光带…，依此类推，透光带宽度表示为：
正负一级阻光带、正负二级阻光带…，依此类推，阻光带宽度表示为：
GM＝L·tan(0.5M·θ)   (6)
其中L代表X射线组合折射透镜的几何长度，表示为L＝N·l，其中l为折射单元轴向厚度尺寸。
9.如权利要求1或2所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述X射线光阑选择吸收特性满足下列公式的任何材料，X射线波段材料的吸收系数：
其中NA代表阿伏伽德罗常数，r0代表电子半径，A代表原子质量，f2代表原子散射因子，ρ代表电子密度，i代表化合物中的元素种类，当材料为单质是i＝1；
所述X射线光阑的材料厚度t满足表达式e-β·t＜＜1。
10.如权利要求8所述的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，其特征在于，所述X射线折光器选择折射特性满足下列公式的任何单质或化合物材料，
X射线波段材料的折射系数：
其中NA代表阿伏伽德罗常数，r0代表电子半径，λ代表波长，A代表原子质量，下标i表示化合物中的元素种类，下标j为正整数，ρ代表电子密度，下标i表示化合物中的元素种类，当材料为单质时i＝1，v代表原子个数，下标i表示化合物中的元素种类，下标j为正整数，Z代表原子序数，下标i表示化合物中的元素种类；
所述X射线折光器的非折光区材料厚度用tZ0表示，所述X射线折光器的非折光区宽度尺寸TZ＝T0+2G2，折光区的材料厚度tZM由下列公式计算得出：
tZM＝tZ0+TM·tan(0.5M·θ)   (9)；
其中，G2为正负二级阻光带的宽度，由上述公式(6)取M＝2时计算得出；TM为透光带的宽度，由上述公式(5)计算得出。

说明书全文

一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件

技术领域

[0001] 本实用新型涉及X射线探测和成像领域，尤其是一种用于微束X射线荧光分析系统的新型X射线阵列组合折射透镜集成组件。

背景技术

[0002] X射线荧光(XRF，X-Ray Fluorescence)分析系统能在常压下对各种形态(固态/液态/粉末等)样品进行简单快速、高分辨率和无损的元素定量测量分析。而微束X射线荧光分析系统(micro-XRF)因其具有更高的微区分辨率而受到广泛关注。

[0003] 微束X射线荧光分析系统(micro-XRF)通常都需要配备X射线聚焦器件。使用了X射线聚焦器件的X射线荧光分析系统，虽然微区分辨率大幅度提高(通常可以提高一个数量级以上)，但计数率会下降，影响了探测灵敏度。已有技术基于X射线毛细管器件的荧光光谱仪(专利号：201010180956.6)，使用X射线毛细管器件进行聚焦，微区分辨率通常只能达到几十微米，不仅微区分辨率不够高，且因计数率下降导致探测灵敏度也有一定程度的降低；同时结构复杂、尺寸庞大，无法实现便携。发明人之前也提出了一种便携式微束X射线荧光光谱仪(专利号：201310356270.1，是与本发明最接近的已有技术)，用X射线组合折射透镜获得探测微束，虽然微区分辨率大幅度提高，但计数率低，影响了探测灵敏度。

[0004] X射线组合折射透镜是集成型微结构器件，数值口径小，X射线光管发出的光不能全部被组合透镜接收，不仅使得计数率降低、而且浪费了X射线光能量，还增加了噪声。如果能发明新的器件结构，尽可能多的利用X射线光管发出的X射线光，则不仅能大幅度增加计数率、进而提高探测灵敏度，同时还能降低能耗、减小噪声。

发明内容

[0005] 为了克服已有X射线荧光光谱仪微区分辨率还不够高，特别是因计数率低而导致的探测灵敏度不够高，且结构复杂、尺寸庞大、无法实现便携的不足，本实用新型提供一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，将其应用于小型化微束X射线荧光分析系统，可同时实现高微区分辨率和高灵敏度，并可进行现场分析。

[0006] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0007] 一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，包括用于进行X射线光束第一次整形和滤波的X射线光阑、用于进行X射线光束第二次整形为类平行光的X射线折光器、用于对入射的多个X射线子光束分别进行聚焦的X射线阵列组合透镜和组件承载台，所述组件承载台用于承载所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜，所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜依次位于同一光轴上，所述X射线阵列组合折射透镜的阵列结构布局，保证每一个子光束所形成的聚焦焦斑在同一位置并位于光轴上。

[0008] 进一步，所述X射线光阑中，接收并进行第一次整形和滤波，所述第一次整形是指依据所述X射线阵列组合折射透镜的数值口径，对入射X射线光波进行整形；所述滤波是指将入射X射线光波分裂形成多个子光束，子光束的数目与X射线阵列组合折射透镜中的组合折射透镜数目相同。

[0009] 再进一步，所述X射线折光器中，接收已分裂成多个子光束的X射线光波并进行光束第二次整形，所述光束的第二次整形保证从X射线折光器出射的多个X射线子光束，均以类平行光的方式入射阵列中对应的X射线组合折射透镜。

[0010] 更进一步，所述X射线阵列组合折射透镜包含(M+1)个X射线组合折射透镜，所述M为正整数且为偶数。所述X射线阵列组合折射透镜沿其光轴呈轴对称分布，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中零级X射线组合折射透镜的光轴重合，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负一级X射线组合折射透镜的光轴夹角为θ，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负二级X射线组合折射透镜的光轴夹角为2θ，依此类推；

[0011] 所述X射线阵列组合折射透镜中(M+1)个组合折射透镜的布局结构，使得所有(M+1)个X射线组合折射透镜聚焦的焦斑在相同位置，且位于光轴上。

[0012] 所述(M+1)个X射线组合折射透镜的结构和性能参数，依据下列公式得出：

[0013] X射线波段的光学常数：n＝1-δ+iβ (1)

[0014] X射线组合折射透镜的焦距：

[0015] X射线组合折射透镜的焦斑尺寸：

[0016] X射线组合折射透镜的数值口径：

[0017] 其中n代表光学常数，δ代表X射线波段材料的折射，β代表X射线波段材料的吸收，N代表X射线组合折射透镜中折射单元的个数，以抛物面型折射单元为例，组合折射透镜抛物面顶点的曲率半径为R，抛物面的开口尺寸为R0，f代表X射线组合折射透镜的焦距，λ代表波长，μ代表X射线的线吸收系数，

[0018] 所述X射线折光器与所述X射线阵列组合折射透镜贴近放置，实现入射X射线光束的第二次整形，所述第二次整形，是指X射线折光器可对X射线阵列组合折射透镜中的正负一级组合透镜折光θ角度，对X射线阵列组合折射透镜中的正负二级组合透镜折光2θ角度，依此类推，最终实现对X射线阵列组合折射透镜中每一个单一组合折射透镜的类平行光入射。

[0019] 所述X射线光阑的结构尺寸，根据所述X射线阵列组合折射透镜的结构尺寸确定，实现入射X射线光束的第一次整形和滤波，所述光束的第一次整形，是指利用X射线光阑结构阻隔射入X射线阵列组合折射透镜之外的杂散光并对光束进行初步准直的功能；所述滤波是指X射线光阑结构中透光带和阻光带交替布置的滤波结构，并通过滤波结构将X射线光波分裂成多个子光束。

[0020] 所述透光带的数目为(M+1)个，与所述X射线阵列组合折射透镜中组合折射透镜的数目相同，所述透光带和阻光带的宽度分别由下列公式计算得出：

[0021] 零级透光带T0，与X射线组合折射透镜的数值口径尺寸相同，正负一级透光带、正负二级透光带…，依此类推，透光带宽度表示为：

[0022]

[0023] 正负一级阻光带、正负二级阻光带…，依此类推，阻光带宽度表示为：

[0024] GM＝L·tan(0.5M·θ) (6)

[0025] 其中L代表X射线组合折射透镜的几何长度，表示为L＝N·l，其中l为折射单元轴向厚度尺寸。

[0026] 所述X射线光阑选择吸收特性满足下列公式的任何材料，X射线波段材料的吸收系数：

[0027] 其中NA代表阿伏伽德罗常数，r0代表电子半径，A代表原子质量，f2代表原子散射因子，ρ代表电子密度，i代表化合物中的元素种类，当材料为单质是i＝1；

[0028] 所述X射线光阑的材料厚度t满足表达式e-β·t＜＜1。

[0029] 所述X射线折光器选择折射特性满足下列公式的任何单质或化合物材料，[0030] X射线波段材料的折射系数：

[0031] 其中NA代表阿伏伽德罗常数，r0代表电子半径，λ代表波长，A代表原子质量，下标i表示化合物中的元素种类，下标j为正整数ρ代表电子密度，下标i表示化合物中的元素种类，当材料为单质时i＝1，v代表原子个数，下标i表示化合物中的元素种类，下标j为正整数，Z代表原子序数，下标i表示化合物中的元素种类。

[0032] 所述X射线折光器的非折光区材料厚度用tZ0表示，所述X射线折光器的非折光区宽度尺寸TZ＝T0+2G2，折光区的材料厚度tZM由下列公式计算得出：

[0033] tZM＝tZ0+TM·tan(0.5M·θ) (9)。

[0034] 其中，G2为正负二级阻光带的宽度，由上述公式(6)取M＝2时计算得出；TM为透光带的宽度，由上述公式(5)计算得出。

[0035] 本实用新型的技术构思为：X射线组合折射透镜是一种基于折射效应的新型X射线聚焦器件，其理论聚焦光斑尺寸可达纳米量级，实际测试所得聚焦光斑尺寸通常在几个微米，利用X射线组合折射透镜对X射线束进行聚焦可以获得高质量探测微束，提高荧光分析系统的微区分辨率。

[0036] 提出新型的微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，阵列中的每一个X射线组合折射透镜分别聚焦，通过X射线阵列组合折射透镜的结构设计，配合X射线折光器和X射线光阑，可以使得X射线阵列组合折射透镜中的(M+1)个组合折射透镜聚焦在相同的焦斑位置，有效提高焦斑的强度，因此大幅度提高探测的计数率，即提高荧光分析系统的探测灵敏度。

[0037] 此外，微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件具有尺寸小、制作工艺简单、鲁棒性好、可批量加工的优点，同时由于其基于折射效应，因此在对X射线束聚焦时不需要折转光路，因此所形成的荧光分析系统结构紧凑、尺寸小、重量轻，适合进行便携式的现场分析。

[0038] 本实用新型的有益效果主要表现在：1、微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件作为X射线荧光光谱仪的聚焦器件，同时实现更高的微区分辨率和探测灵敏度，其中更高的微区分辨率由阵列中的单个X射线组合折射透镜实现、更高的探测灵敏度则是由阵列组合折射透镜聚焦的叠加效果来实现；2、利用所述的新型器件X射线光阑和X射线折光器，对X射线光束进行整形和滤波，结构简单、可一体化批量制作；3、X射线阵列组合折射透镜基于折射效应工作，在对X射线束聚焦时不需要折转光路，因此所形成的探测装置或仪器结构紧凑、尺寸小、重量轻，适合制作便携式仪器装置，可以实现现场分析。附图说明

[0039] 图1是本实用新型一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的结构示意图，其中1代表X射线光阑、2代表X射线折光器、3代表X射线阵列组合折射透镜、4代表组件承载台。

[0040] 图2是本实用新型一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件中X射线光阑的结构示意图(只画出了M≤2的局部结构)，其中，T0为零级透光带的宽度，T2为正负一级透光带的宽度，t为X射线光阑的厚度，(a)正视图，(b)俯视图。

[0041] 图3是本实用新型一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件中X射线折光器的结构示意图(只画出了M≤2的局部结构)，其中TZ为非折光区的宽度，tZ0为非折光区的材料厚度、tZM为折光区的材料厚度，(a)正视图，(b)俯视图。

[0042] 图4是本实用新型一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件中X射线阵列组合折射透镜的结构示意图(只画出了M≤2的局部结构)，其中T0为折射单元的口径、l为折射单元的轴向厚度尺寸。

具体实施方式

[0043] 下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

[0044] 参照图1～图4，一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件，包括X射线光阑1、X射线折光器2、X射线阵列组合透镜3和组件承载台4，X射线光束照射在所述X射线阵列组合折射透镜集成组件上，首先被X射线光阑接收，并进行第一次整形和滤波，所述第一次整形是指依据所述X射线阵列组合折射透镜的数值口径，对入射X射线光波进行整形；所述滤波是指将入射X射线光波分裂形成多个子光束，子光束的数目与X射线阵列组合折射透镜中的组合折射透镜数目相同。已分裂成多个子光束的X射线光波接着入射进所述X射线折光器，经X射线折光器进行光束第二次整形，所述光束的第二次整形保证从X射线折光器出射的多个X射线子光束，均以类平行光的方式入射阵列中对应的X射线组合折射透镜。所述X射线阵列组合折射透镜对入射的多个X射线子光束分别进行聚焦，所述X射线阵列组合折射透镜的阵列结构布局，保证每一个子光束所形成的聚焦焦斑在同一位置，并位于光轴上。所述组件承载台用于承载所述X射线光阑、X射线折光器、X射线阵列组合折射透镜，并在所述X射线光阑、X射线折光器、X射线阵列组合折射透镜的相对位置和光轴调整完毕后进行固定。

[0045] 进一步地，所述X射线阵列组合折射透镜中包含(M+1)个X射线组合折射透镜，所述M为正整数且为偶数。所述X射线阵列组合折射透镜沿其光轴呈轴对称分布，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中零级X射线组合折射透镜的光轴重合，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负一级X射线组合折射透镜的光轴夹角为θ，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负二级X射线组合折射透镜的光轴夹角为2θ，依此类推。

[0046] 再进一步，所述X射线阵列组合折射透镜中(M+1)个组合折射透镜的布局结构，使得所有(M+1)个X射线组合折射透镜聚焦的焦斑在相同位置，且位于光轴上。

[0047] 进一步地，所述(M+1)个X射线组合折射透镜的结构和性能参数，依据下列公式得出：

[0048] X射线波段的光学常数：n＝1-δ+iβ (1)

[0049] X射线组合折射透镜的焦距：

[0050] X射线组合折射透镜的焦斑尺寸：

[0051] X射线组合折射透镜的数值口径：

[0052] 其中n代表光学常数，δ代表X射线波段材料的折射，β代表X射线波段材料的吸收，N代表X射线组合折射透镜中折射单元的个数，以抛物面型折射单元为例，组合折射透镜抛物面顶点的曲率半径为R，抛物面的开口尺寸为R0，f代表X射线组合折射透镜的焦距，λ代表波长，μ代表X射线的线吸收系数，

[0053] 更进一步，所述X射线折光器，与所述X射线阵列组合折射透镜贴近放置，实现入射X射线光束的第二次整形，所述第二次整形，是指X射线折光器可对X射线阵列组合折射透镜中的正负一级组合透镜折光θ角度，对X射线阵列组合折射透镜中的正负二级组合透镜折光2θ角度，依此类推，最终实现对X射线阵列组合折射透镜中每一个单一组合折射透镜的类平行光入射。

[0054] 再进一步，所述X射线光阑的结构尺寸，根据所述X射线阵列组合折射透镜的结构尺寸确定，实现入射X射线光束的第一次整形和滤波，所述光束的第一次整形，是指利用X射线光阑结构阻隔射入X射线阵列组合折射透镜之外的杂散光并对光束进行初步准直的功能；所述滤波是指X射线光阑结构中透光带和阻光带交替布置的滤波结构，并通过滤波结构将X射线光波分裂成多个子光束。

[0055] 所述透光带的数目为(M+1)个，与所述X射线阵列组合折射透镜中组合折射透镜的数目相同。所述透光带和阻光带的宽度分别由下列公式计算得出：

[0056] 零级透光带T0，与X射线组合折射透镜的数值口径尺寸相同，正负一级透光带、正负二级透光带…，依此类推，透光带宽度表示为：

[0057]

[0058] 正负一级阻光带、正负二级阻光带…，依此类推，阻光带宽度表示为：

[0059] GM＝L·tan(0.5M·θ) (6)

[0060] 其中L代表X射线组合折射透镜的几何长度，表示为L＝N·l，其中l为折射单元轴向厚度尺寸。

[0061] 所述X射线光阑可选择吸收特性满足下列公式的任何材料，通常选择铜、铅等金属材料，

[0062] X射线波段材料的吸收系数：

[0063] 其中NA代表阿伏伽德罗常数，r0代表电子半径，A代表原子质量，f2代表原子散射因子，ρ代表电子密度，i代表化合物中的元素种类，当材料为单质是i＝1。

[0064] 所述X射线光阑的材料厚度t满足表达式e-β·t＜＜1。

[0065] 所述X射线折光器可选择折射特性满足下列公式的任何单质或化合物材料，[0066] X射线波段材料的折射系数：

[0067] 其中，NA代表阿伏伽德罗常数，r0代表电子半径，λ代表波长，A代表原子质量，下标i表示化合物中的元素种类，下标j为正整数，ρ代表电子密度，下标i表示化合物中的元素种类，当材料为单质时i＝1，v代表原子个数，下标i表示化合物中的元素种类，下标j为正整数，Z代表原子序数，下标i表示化合物中的元素种类。

[0068] 所述X射线折光器的非折光区材料厚度用tZ0表示，为减少X射线吸收损耗，应制作得尽量薄，由制作工艺决定。所述X射线折光器的非折光区宽度尺寸TZ＝T0+2G2，T0为零级透光带的宽度；tZ0为非折光区的材料厚度，折光区的材料厚度tZM由下列公式计算得出：

[0069] tZM＝tZ0+TM·tan(0.5M·θ) (9)。

[0070] 其中，G2为正负二级阻光带的宽度，由上述公式(6)取M＝2时计算得出；TM为透光带的宽度，由上述公式(5)计算得出。

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