王俊杰+付明磊+樂孜純

文章編號： 10055630(2014)03023904

收稿日期： 20140121

基金項目： 教育部博士點基金(20133317110006);國家國際科技合作項目(2012DFR10510)

作者簡介： 王俊杰(1988),男,碩士研究生,主要從事X射線熒光分析系統(tǒng)、X射線聚焦元件的研究。通訊作者： 樂孜純(1965),女,教授,主要從事光電子器件和系統(tǒng)方面的研究。

摘要： 高性能X射線聚焦光學(xué)元件是實現(xiàn)亞微米分辨率微束X射線熒光分析系統(tǒng)(XRF)的關(guān)鍵器件。給出一種新型的微束XRF系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu),介紹兩種典型的X射線聚焦光學(xué)元件:X射線聚焦毛細(xì)管透鏡和X射線組合折射透鏡的結(jié)構(gòu)與光學(xué)參數(shù)。數(shù)值計算比較了X射線聚焦毛細(xì)管透鏡和X射線組合折射透鏡的光學(xué)聚焦性能。分析結(jié)果體現(xiàn)了X射線聚焦組合透鏡作為聚焦光學(xué)元件在焦斑大小、透過率、強度增益和檢測范圍等方面的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞： X射線熒光分析系統(tǒng); 聚焦毛細(xì)管透鏡; 組合折射透鏡

中圖分類號： O 484文獻標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.03.011

Study on the optical components for focusing Xray

in micro XRF system

WANG Junjie1, FU Minglei1,2, LE Zichun1，2

(1.College of Science, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China;

2.Institute of Optical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

Abstract： High performance optical components for focusing Xray are the crucial part to realize the micro Xray fluorescence system with the submicrons spatial resolution. A novel structure of micro XRF is given and the optical parameters for both Xray focusing capillary lens and Xray compound refractive lens (CRL) are introduced. Main works of this paper focus on the numerical computing for the optical performance of capillary and CRL. Analysis results show that the Xray CRL has the advantages in terms of focal spot size, transmittance, etc, when compared with capillary.

Key words： Xray fluorescence system; focusing capillary lens; compound refractive lens

引言X射線熒光分析(Xray fluorescence,XRF)技術(shù)能在常壓下對各種形態(tài)樣品進行簡單、快速、高分辨率和無損的元素定量測量分析,在材料、環(huán)境、考古等領(lǐng)域的科學(xué)研究和實際應(yīng)用中都有著廣泛和迫切的需求［1］。近年來全球?qū)W術(shù)界和工業(yè)界對XRF的分析測量性能(即微區(qū)分析能力、檢測靈敏度、原位現(xiàn)場分析能力)提出了越來越高的要求,其中XRF的微區(qū)分析能力尤為重要。因此,目前微束X射線熒光分析技術(shù)成為研究熱點［24］。高性能X射線聚焦光學(xué)元件是XRF獲得高微區(qū)分辨率的關(guān)鍵器件。迄今為止見于報道的、用于XRF系統(tǒng)中X射線聚焦光學(xué)元件多為X射線毛細(xì)管器件。該器件的工作能量范圍比較寬,可與大多數(shù)X射線輻射源適配,但其空間分辨率受到制作工藝的限制,一般在幾十至上百微米［5］,無法滿足微束XRF系統(tǒng)對X射線探測微束的要求。1996年,Snigirev等最早成功制作了X射線組合折射透鏡,實現(xiàn)了對14 keV的X射線的聚焦并獲得了8 μm的焦斑［6］。X射線組合折射透鏡基于折射效應(yīng)工作,具有不需折轉(zhuǎn)光路,聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小,以及抗輻射損傷能力強、壽命長等優(yōu)點。本項目組在前期的實驗研究中,將X射線組合折射透鏡應(yīng)用于基于同步輻射光源的探測系統(tǒng)中,獲得了小于10 μm的空間分辨率［69］。因此,如果把X射線組合折射透鏡應(yīng)用于XRF系統(tǒng),將有望大幅度提高目前XRF系統(tǒng)的微區(qū)分辨率,實現(xiàn)微束XRF的檢測目標(biāo)。圖1X射線熒光分析系統(tǒng)

Fig.1The Xray fluorescence analysis system1微束X射線熒光分析系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)典型的微束XRF系統(tǒng)由X射線管、樣品臺、X射線聚焦光學(xué)元件、X射線探測器等主要組件以及與組件適配的電源和軟件組成。由X射線管產(chǎn)生的X射線照射被測樣品,受激發(fā)的樣品中的每種元素都會放射出具有特定的能量特性的X射線熒光。X射線探測器及軟件測量X射線熒光的能量及數(shù)量,將所收集到的信息轉(zhuǎn)換成樣品中各種元素的種類及含量［10］。利用上述原理,可以實現(xiàn)對物質(zhì)元素的定量測量。為了實現(xiàn)亞微米分辨率的XRF系統(tǒng),需要引入高性能的X射線聚焦光學(xué)元件。圖1是微束XRF系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)中同步輻射源作為X射線源,從X射線管中發(fā)射,激發(fā)樣品臺上被測元素。被激發(fā)的X射線熒光經(jīng)過X射線組合折射透鏡聚焦到探測器上。不同待測元素的X射線熒光的特征峰不同,為此系統(tǒng)的組合折射透鏡設(shè)計為可拆裝,探測器與透鏡的距離設(shè)計為可調(diào)整。組合折射透鏡可根據(jù)所要探測的元素增減其透鏡個數(shù),選擇不同的制作材料,達到控制不同的X射線熒光通過組合折射透鏡后的焦距、焦斑大小和透過率。探測器與透鏡的距離設(shè)為被測元素X射線熒光過組合折射透鏡的焦距,這樣可減少其它元素產(chǎn)生的熒光對檢測的干擾。用置于X射線探測器前端的組合折射透鏡聚焦被測樣品受激發(fā)射的X射線,可提高系統(tǒng)的空間分辨率和靈敏度?，F(xiàn)在微束XRF聚焦元件的研究熱點為毛細(xì)管透鏡,而該系統(tǒng)設(shè)計X射線組合折射透鏡為其聚焦元件,這也是其最大的特色。光學(xué)儀器第36卷

第3期王俊杰，等：微束XRF系統(tǒng)中X射線聚焦光學(xué)元件研究

2典型的X射線聚焦光學(xué)元件

2.1X射線聚焦毛細(xì)管透鏡X射線毛細(xì)管透鏡是一種基于全反射原理的,可以傳導(dǎo)、會聚、準(zhǔn)直X射線的光學(xué)元件。常見的有平行束透鏡、聚焦透鏡、半聚焦透鏡［11］等。圖2所示為典型的聚焦毛細(xì)管透鏡光學(xué)結(jié)構(gòu),其中f1、f2分別為入口端和出口端工作距,Din、Dout為入口端直徑和出口端直徑,L為透鏡長度。X射線聚焦毛細(xì)管透鏡的主要光學(xué)性能參數(shù)有:傳輸效率、有效距離、增益因子、焦斑大小等。

2.2X射線組合折射透鏡X射線組合折射透鏡是一種利用折射效應(yīng)對X射線進行聚焦的光學(xué)元件。在X射線波段,材料的折射率為n=1-δ+iβ,實部1-δ代表折射,虛部β代表吸收。δ一般在10-5到10-7之間,β比δ要小2~3個數(shù)量級。圖3所示為典型的拋物面形X射線組合折射透鏡結(jié)構(gòu)。它由N個完全相同的折射透鏡組成,每個折射透鏡都是面型為y2=2Rx的雙凹拋物面透鏡。拋物面頂點的曲率半徑為R,折射單元上拋物面開口尺寸為Ro,拋物面深度為L/2,折射單元的中心厚度為d。

圖2聚焦毛細(xì)管透鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)

Fig.2The structure for the capillary of

focusing Xray lens圖3拋物面型X射線組合折射透鏡結(jié)構(gòu)

Fig.3The structure of parabolic Xray

compound refractive lens

X射線組合折射透鏡的主要光學(xué)性能參數(shù)同毛細(xì)管透鏡相似,有焦斑大小、透過率、焦距、強度增益等。3X射線聚焦毛細(xì)管透鏡與X射線組合折射透鏡的聚焦性能比較

3.1典型X射線聚焦毛細(xì)管的聚焦性能首先,本文給出一種德國制造的光學(xué)性能良好的毛細(xì)管聚焦透鏡(PFXRL),其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)性能參數(shù)見表1和圖4［11］。表1中L為長度,D1為輸入面直徑,D2為輸出面直徑,d1為在8.5 keV下輸入焦點距離,d2、d3分別為在8 keV、15 keV下輸出焦點距離,D3為輸出端毛細(xì)管通道內(nèi)徑,G為8.5 keV下的強度增益。

表1PFXRL的結(jié)構(gòu)參數(shù)和部分光學(xué)性能參數(shù)

Tab.1Structural parameters for PFXRL and its optical performance

L/mmD1/mmD2/mmd1/mmd2/mmd3/mmD3/μmG85.43.82.874.813.313.55.03 200

圖4聚焦毛細(xì)管的焦斑大小與透過率

Fig.4The focal spot size and transmittance of PFXRL

3.2X射線組合折射透鏡的聚焦性能本文設(shè)計了R=50 μm,Ro=70.71 μm,d=8 μm的組合透鏡,其中Be材料透鏡為70個,B材料透鏡為50個,C材料透鏡為49個,PMMA材料透鏡為80個,Al材料透鏡為40個,Al2O3材料透鏡為27個,Si材料透鏡為45個,Si3N4材料透鏡為31個。上述設(shè)計是為了將透鏡的最大焦距限制在1 m左右以限制其制作的熒光分析系統(tǒng)的尺寸。在同步輻射源下,上述八組X射線組合折射透鏡的焦斑和透過率性能如圖5所示。

3.3兩者的聚焦性能比較(1)焦斑比較圖4(a)所示,X射線聚焦毛細(xì)管透鏡的最小焦斑為20 μm左右。如圖5(a)所示,X射線組合折射透鏡的焦斑大小可以達到1 μm以下。熒光分析系統(tǒng)的空間分辨率由聚焦元件的焦斑大小決定。因此,以X射線組合折射透鏡為聚焦光學(xué)元件的XRF系統(tǒng)的空間分辨率要優(yōu)于以聚焦毛細(xì)管透鏡為聚焦光學(xué)元件的XRF系統(tǒng)。

圖5組合折射透鏡的焦斑大小和透過率

Fig.5The focal spot size and transmittance of Xray compound refractive lens

(2)透過率比較圖5(b)所示,低原子序數(shù)的材料制作的X射線組合折射透鏡中,Be材料在5 keV下,B材料在6 keV下,C材料在8 keV下的透過率已經(jīng)超過10%。有機材料PMMA制作的組合折射透鏡在8 keV下透過率也超過10%。當(dāng)光子能量為30 keV時,上述透鏡組的透過率都超過80%,而高原子序數(shù)的單質(zhì)或者化合物在低能段時透過率低,透過率隨著能量的升高而增加。比如,Al2O3材料在15 keV下,Si3N4材料在16 keV下,Al材料在17 keV下,Si材料在18 keV下,透過率也都超過10%。在30 keV下,上述四種材料設(shè)計的透鏡組都超過了45%,而光子能量在5~10 keV下,X射線聚焦毛細(xì)管透鏡的透過率最高,達到8%~12%。從理論上分析,在中高X射線能量段下,X射線組合折射透鏡在透過率方面一般優(yōu)于X射線聚焦毛細(xì)管透鏡。(3)強度增益比較本文設(shè)計的X射線聚焦毛細(xì)管透鏡在8.5 keV時,強度增益為3 200［11］，采用PMMA材料設(shè)計并制作了3組組合折射透鏡［7］。第1組為84個透鏡單元組成,R=200 μm,d=15 μm;第2組為101個單元,R=50 μm,d=15 μm;第3組為162個單元,R=50 μm,d=8 μm。在同步輻射源下,三組的強度增益分別為125 452,8 971,11 889,都遠(yuǎn)超過了毛細(xì)管透鏡。(4)元素檢測范圍圖4(a)、(b)所示,適合X射線聚焦毛細(xì)管的入射光子能量應(yīng)在5~10 keV之間,其空間分辨率超過25 μm。然而,由于材料元素的特征峰原因,在分析許多高原子序數(shù)材料時存在困難［12］。例如,原子序數(shù)81的Ti最低的La2線也超過了10 keV,原子序數(shù)超過Ti的其他元素的特征峰更高。根據(jù)圖5(a)、(b),在入射光子能量超過8 keV時,低原子序數(shù)材料和有機材料(如PMMA)已經(jīng)可以用在熒光分析中。當(dāng)入射光子能量超過20 keV后,其他常用的材料也可以有較好的透過率,而在8~30 keV范圍的光子能量可以激發(fā)幾乎所有元素。例如,低原子序數(shù)的K線L線都要低于30 keV,高原子序數(shù)的L線也沒有超過30 keV的。因此,組合折射透鏡在檢測范圍上的性能優(yōu)于毛細(xì)管透鏡。4結(jié)論本文介紹了微束XRF熒光分析系統(tǒng)、X射線聚焦毛細(xì)管透鏡和拋物面型X射線組合折射透鏡基本原理和光學(xué)結(jié)構(gòu)。并通過數(shù)值計算的方法比較了毛細(xì)管透鏡與X射線組合折射透鏡的光學(xué)性能。分析結(jié)果表明,在同步輻射、高強度等離子體等單色性高、準(zhǔn)直性好的輻射源下,以X射線組合折射透鏡作為聚焦光學(xué)元件將幫助微束XRF系統(tǒng)具有更好的空間分辨率、靈敏度和元素分析范圍。本文的工作對于設(shè)計以拋物面型X射線組合折射透鏡為聚焦光學(xué)元件的微束XRF系統(tǒng)提供了前期的理論基礎(chǔ)。參考文獻：

［1］PAGSCAMAGNA S,LAVAL E,VIGEARS D,et al.Nondestructive and in situ analysis of Egyptian wall paintings by Xray diffraction and Xray fluorescence portable systems［J］.Applied Physics A,2010,100(3):671681.

［2］金芳,林斌,曹向群.定量光敏熒光技術(shù)在牙齒齲病診斷中的應(yīng)用［J］.光學(xué)儀器,2008,30(2):4447.

［3］WEST M,ELLIS A T,POTTS P J,et al.Atomic Spectrometry update Xray fluorescence Specctrometry［J］.Journal of Analytical Atomic Spectrometry,2011,26(10):19191963.

［4］WEST M,ELLIS A T,POTTS P J,et al.Atomic Spectrometry updateXray fluorescence Specctrometry［J］.Journal of Analytical Atomic Spectrometry,2012,27(10):16031644.

［5］滕玥鵬,孫天希,劉志國,等.一種新型的單毛細(xì)管X光學(xué)器件［J］.光學(xué)學(xué)報,2010,30(2):542545.

［6］SNIGIREV A,KOHN V,SNIGIREVA I,et al.A compound refractive lens for focusing highenergy Xray［J］.Nature,1996,384(6604):4951.

［7］樂孜純,劉巍.拋物面型X射線組合折射透鏡光學(xué)性能分析［J］.光電工程,2009,36(3):5256.

［8］樂孜純,董文,劉巍,等.拋物面型X射線組合折射透鏡聚焦性能的理論與實驗研究［J］.物理學(xué)報,2010,59(3):19771984.

［9］樂孜純,張明,董文,等.制作工藝誤差對X射線組合折射透鏡聚焦性能影響研究［J］.物理學(xué)報,2010,59(9):62846289.

［10］YONEHARA T,ORITA D,NAKANO K,et al.Development of a transportable μXRF spectrometer with polycapillary half lens［J］.XRay Spectrometry,2010,39(2):7882.

［11］SUN T X,LIU Z G,DING X L.Characterization of a polycapillary focusing Xray lens for application in spatially resolved EXAFS experiments［J］.Chemical physics Letters,2007,439(4/6):412414.

［12］吉昂,陶光儀,卓尚軍,等.X射線熒光光譜分析［M］.北京:科學(xué)出版社,2003:263295.

圖2聚焦毛細(xì)管透鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)

Fig.2The structure for the capillary of

focusing Xray lens圖3拋物面型X射線組合折射透鏡結(jié)構(gòu)

Fig.3The structure of parabolic Xray

compound refractive lens

X射線組合折射透鏡的主要光學(xué)性能參數(shù)同毛細(xì)管透鏡相似,有焦斑大小、透過率、焦距、強度增益等。3X射線聚焦毛細(xì)管透鏡與X射線組合折射透鏡的聚焦性能比較

3.1典型X射線聚焦毛細(xì)管的聚焦性能首先,本文給出一種德國制造的光學(xué)性能良好的毛細(xì)管聚焦透鏡(PFXRL),其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)性能參數(shù)見表1和圖4［11］。表1中L為長度,D1為輸入面直徑,D2為輸出面直徑,d1為在8.5 keV下輸入焦點距離,d2、d3分別為在8 keV、15 keV下輸出焦點距離,D3為輸出端毛細(xì)管通道內(nèi)徑,G為8.5 keV下的強度增益。

表1PFXRL的結(jié)構(gòu)參數(shù)和部分光學(xué)性能參數(shù)

Tab.1Structural parameters for PFXRL and its optical performance

L/mmD1/mmD2/mmd1/mmd2/mmd3/mmD3/μmG85.43.82.874.813.313.55.03 200

圖4聚焦毛細(xì)管的焦斑大小與透過率

Fig.4The focal spot size and transmittance of PFXRL

3.2X射線組合折射透鏡的聚焦性能本文設(shè)計了R=50 μm,Ro=70.71 μm,d=8 μm的組合透鏡,其中Be材料透鏡為70個,B材料透鏡為50個,C材料透鏡為49個,PMMA材料透鏡為80個,Al材料透鏡為40個,Al2O3材料透鏡為27個,Si材料透鏡為45個,Si3N4材料透鏡為31個。上述設(shè)計是為了將透鏡的最大焦距限制在1 m左右以限制其制作的熒光分析系統(tǒng)的尺寸。在同步輻射源下,上述八組X射線組合折射透鏡的焦斑和透過率性能如圖5所示。

3.3兩者的聚焦性能比較(1)焦斑比較圖4(a)所示,X射線聚焦毛細(xì)管透鏡的最小焦斑為20 μm左右。如圖5(a)所示,X射線組合折射透鏡的焦斑大小可以達到1 μm以下。熒光分析系統(tǒng)的空間分辨率由聚焦元件的焦斑大小決定。因此,以X射線組合折射透鏡為聚焦光學(xué)元件的XRF系統(tǒng)的空間分辨率要優(yōu)于以聚焦毛細(xì)管透鏡為聚焦光學(xué)元件的XRF系統(tǒng)。

圖5組合折射透鏡的焦斑大小和透過率

Fig.5The focal spot size and transmittance of Xray compound refractive lens

(2)透過率比較圖5(b)所示,低原子序數(shù)的材料制作的X射線組合折射透鏡中,Be材料在5 keV下,B材料在6 keV下,C材料在8 keV下的透過率已經(jīng)超過10%。有機材料PMMA制作的組合折射透鏡在8 keV下透過率也超過10%。當(dāng)光子能量為30 keV時,上述透鏡組的透過率都超過80%,而高原子序數(shù)的單質(zhì)或者化合物在低能段時透過率低,透過率隨著能量的升高而增加。比如,Al2O3材料在15 keV下,Si3N4材料在16 keV下,Al材料在17 keV下,Si材料在18 keV下,透過率也都超過10%。在30 keV下,上述四種材料設(shè)計的透鏡組都超過了45%,而光子能量在5~10 keV下,X射線聚焦毛細(xì)管透鏡的透過率最高,達到8%~12%。從理論上分析,在中高X射線能量段下,X射線組合折射透鏡在透過率方面一般優(yōu)于X射線聚焦毛細(xì)管透鏡。(3)強度增益比較本文設(shè)計的X射線聚焦毛細(xì)管透鏡在8.5 keV時,強度增益為3 200［11］，采用PMMA材料設(shè)計并制作了3組組合折射透鏡［7］。第1組為84個透鏡單元組成,R=200 μm,d=15 μm;第2組為101個單元,R=50 μm,d=15 μm;第3組為162個單元,R=50 μm,d=8 μm。在同步輻射源下,三組的強度增益分別為125 452,8 971,11 889,都遠(yuǎn)超過了毛細(xì)管透鏡。(4)元素檢測范圍圖4(a)、(b)所示,適合X射線聚焦毛細(xì)管的入射光子能量應(yīng)在5~10 keV之間,其空間分辨率超過25 μm。然而,由于材料元素的特征峰原因,在分析許多高原子序數(shù)材料時存在困難［12］。例如,原子序數(shù)81的Ti最低的La2線也超過了10 keV,原子序數(shù)超過Ti的其他元素的特征峰更高。根據(jù)圖5(a)、(b),在入射光子能量超過8 keV時,低原子序數(shù)材料和有機材料(如PMMA)已經(jīng)可以用在熒光分析中。當(dāng)入射光子能量超過20 keV后,其他常用的材料也可以有較好的透過率,而在8~30 keV范圍的光子能量可以激發(fā)幾乎所有元素。例如,低原子序數(shù)的K線L線都要低于30 keV,高原子序數(shù)的L線也沒有超過30 keV的。因此,組合折射透鏡在檢測范圍上的性能優(yōu)于毛細(xì)管透鏡。4結(jié)論本文介紹了微束XRF熒光分析系統(tǒng)、X射線聚焦毛細(xì)管透鏡和拋物面型X射線組合折射透鏡基本原理和光學(xué)結(jié)構(gòu)。并通過數(shù)值計算的方法比較了毛細(xì)管透鏡與X射線組合折射透鏡的光學(xué)性能。分析結(jié)果表明,在同步輻射、高強度等離子體等單色性高、準(zhǔn)直性好的輻射源下,以X射線組合折射透鏡作為聚焦光學(xué)元件將幫助微束XRF系統(tǒng)具有更好的空間分辨率、靈敏度和元素分析范圍。本文的工作對于設(shè)計以拋物面型X射線組合折射透鏡為聚焦光學(xué)元件的微束XRF系統(tǒng)提供了前期的理論基礎(chǔ)。參考文獻：

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［4］WEST M,ELLIS A T,POTTS P J,et al.Atomic Spectrometry updateXray fluorescence Specctrometry［J］.Journal of Analytical Atomic Spectrometry,2012,27(10):16031644.

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［6］SNIGIREV A,KOHN V,SNIGIREVA I,et al.A compound refractive lens for focusing highenergy Xray［J］.Nature,1996,384(6604):4951.

［7］樂孜純,劉巍.拋物面型X射線組合折射透鏡光學(xué)性能分析［J］.光電工程,2009,36(3):5256.

［8］樂孜純,董文,劉巍,等.拋物面型X射線組合折射透鏡聚焦性能的理論與實驗研究［J］.物理學(xué)報,2010,59(3):19771984.

［9］樂孜純,張明,董文,等.制作工藝誤差對X射線組合折射透鏡聚焦性能影響研究［J］.物理學(xué)報,2010,59(9):62846289.

［10］YONEHARA T,ORITA D,NAKANO K,et al.Development of a transportable μXRF spectrometer with polycapillary half lens［J］.XRay Spectrometry,2010,39(2):7882.

［11］SUN T X,LIU Z G,DING X L.Characterization of a polycapillary focusing Xray lens for application in spatially resolved EXAFS experiments［J］.Chemical physics Letters,2007,439(4/6):412414.

［12］吉昂,陶光儀,卓尚軍,等.X射線熒光光譜分析［M］.北京:科學(xué)出版社,2003:263295.

圖2聚焦毛細(xì)管透鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)

Fig.2The structure for the capillary of

focusing Xray lens圖3拋物面型X射線組合折射透鏡結(jié)構(gòu)

Fig.3The structure of parabolic Xray

compound refractive lens

X射線組合折射透鏡的主要光學(xué)性能參數(shù)同毛細(xì)管透鏡相似,有焦斑大小、透過率、焦距、強度增益等。3X射線聚焦毛細(xì)管透鏡與X射線組合折射透鏡的聚焦性能比較

3.1典型X射線聚焦毛細(xì)管的聚焦性能首先,本文給出一種德國制造的光學(xué)性能良好的毛細(xì)管聚焦透鏡(PFXRL),其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)性能參數(shù)見表1和圖4［11］。表1中L為長度,D1為輸入面直徑,D2為輸出面直徑,d1為在8.5 keV下輸入焦點距離,d2、d3分別為在8 keV、15 keV下輸出焦點距離,D3為輸出端毛細(xì)管通道內(nèi)徑,G為8.5 keV下的強度增益。

表1PFXRL的結(jié)構(gòu)參數(shù)和部分光學(xué)性能參數(shù)

Tab.1Structural parameters for PFXRL and its optical performance

L/mmD1/mmD2/mmd1/mmd2/mmd3/mmD3/μmG85.43.82.874.813.313.55.03 200

圖4聚焦毛細(xì)管的焦斑大小與透過率

Fig.4The focal spot size and transmittance of PFXRL

3.2X射線組合折射透鏡的聚焦性能本文設(shè)計了R=50 μm,Ro=70.71 μm,d=8 μm的組合透鏡,其中Be材料透鏡為70個,B材料透鏡為50個,C材料透鏡為49個,PMMA材料透鏡為80個,Al材料透鏡為40個,Al2O3材料透鏡為27個,Si材料透鏡為45個,Si3N4材料透鏡為31個。上述設(shè)計是為了將透鏡的最大焦距限制在1 m左右以限制其制作的熒光分析系統(tǒng)的尺寸。在同步輻射源下,上述八組X射線組合折射透鏡的焦斑和透過率性能如圖5所示。

3.3兩者的聚焦性能比較(1)焦斑比較圖4(a)所示,X射線聚焦毛細(xì)管透鏡的最小焦斑為20 μm左右。如圖5(a)所示,X射線組合折射透鏡的焦斑大小可以達到1 μm以下。熒光分析系統(tǒng)的空間分辨率由聚焦元件的焦斑大小決定。因此,以X射線組合折射透鏡為聚焦光學(xué)元件的XRF系統(tǒng)的空間分辨率要優(yōu)于以聚焦毛細(xì)管透鏡為聚焦光學(xué)元件的XRF系統(tǒng)。

圖5組合折射透鏡的焦斑大小和透過率

Fig.5The focal spot size and transmittance of Xray compound refractive lens

(2)透過率比較圖5(b)所示,低原子序數(shù)的材料制作的X射線組合折射透鏡中,Be材料在5 keV下,B材料在6 keV下,C材料在8 keV下的透過率已經(jīng)超過10%。有機材料PMMA制作的組合折射透鏡在8 keV下透過率也超過10%。當(dāng)光子能量為30 keV時,上述透鏡組的透過率都超過80%,而高原子序數(shù)的單質(zhì)或者化合物在低能段時透過率低,透過率隨著能量的升高而增加。比如,Al2O3材料在15 keV下,Si3N4材料在16 keV下,Al材料在17 keV下,Si材料在18 keV下,透過率也都超過10%。在30 keV下,上述四種材料設(shè)計的透鏡組都超過了45%,而光子能量在5~10 keV下,X射線聚焦毛細(xì)管透鏡的透過率最高,達到8%~12%。從理論上分析,在中高X射線能量段下,X射線組合折射透鏡在透過率方面一般優(yōu)于X射線聚焦毛細(xì)管透鏡。(3)強度增益比較本文設(shè)計的X射線聚焦毛細(xì)管透鏡在8.5 keV時,強度增益為3 200［11］，采用PMMA材料設(shè)計并制作了3組組合折射透鏡［7］。第1組為84個透鏡單元組成,R=200 μm,d=15 μm;第2組為101個單元,R=50 μm,d=15 μm;第3組為162個單元,R=50 μm,d=8 μm。在同步輻射源下,三組的強度增益分別為125 452,8 971,11 889,都遠(yuǎn)超過了毛細(xì)管透鏡。(4)元素檢測范圍圖4(a)、(b)所示,適合X射線聚焦毛細(xì)管的入射光子能量應(yīng)在5~10 keV之間,其空間分辨率超過25 μm。然而,由于材料元素的特征峰原因,在分析許多高原子序數(shù)材料時存在困難［12］。例如,原子序數(shù)81的Ti最低的La2線也超過了10 keV,原子序數(shù)超過Ti的其他元素的特征峰更高。根據(jù)圖5(a)、(b),在入射光子能量超過8 keV時,低原子序數(shù)材料和有機材料(如PMMA)已經(jīng)可以用在熒光分析中。當(dāng)入射光子能量超過20 keV后,其他常用的材料也可以有較好的透過率,而在8~30 keV范圍的光子能量可以激發(fā)幾乎所有元素。例如,低原子序數(shù)的K線L線都要低于30 keV,高原子序數(shù)的L線也沒有超過30 keV的。因此,組合折射透鏡在檢測范圍上的性能優(yōu)于毛細(xì)管透鏡。4結(jié)論本文介紹了微束XRF熒光分析系統(tǒng)、X射線聚焦毛細(xì)管透鏡和拋物面型X射線組合折射透鏡基本原理和光學(xué)結(jié)構(gòu)。并通過數(shù)值計算的方法比較了毛細(xì)管透鏡與X射線組合折射透鏡的光學(xué)性能。分析結(jié)果表明,在同步輻射、高強度等離子體等單色性高、準(zhǔn)直性好的輻射源下,以X射線組合折射透鏡作為聚焦光學(xué)元件將幫助微束XRF系統(tǒng)具有更好的空間分辨率、靈敏度和元素分析范圍。本文的工作對于設(shè)計以拋物面型X射線組合折射透鏡為聚焦光學(xué)元件的微束XRF系統(tǒng)提供了前期的理論基礎(chǔ)。參考文獻：

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