微束XRF系统中X射线聚焦光学元件研究

文章编号： 10055630(2014)03023904

收稿日期： 20140121

基金项目： 教育部博士点基金(20133317110006);国家国际科技合作项目(2012DFR10510)

作者简介： 王俊杰(1988),男,硕士研究生,主要从事X射线荧光分析系统、X射线聚焦元件的研究。通讯作者： 乐孜纯(1965),女,教授,主要从事光电子器件和系统方面的研究。

摘要： 高性能X射线聚焦光学元件是实现亚微米分辨率微束X射线荧光分析系统(XRF)的关键器件。给出一种新型的微束XRF系统设计结构,介绍两种典型的X射线聚焦光学元件:X射线聚焦毛细管透镜和X射线组合折射透镜的结构与光学参数。数值计算比较了X射线聚焦毛细管透镜和X射线组合折射透镜的光学聚焦性能。分析结果体现了X射线聚焦组合透镜作为聚焦光学元件在焦斑大小、透过率、强度增益和检测范围等方面的优势。

关键词： X射线荧光分析系统; 聚焦毛细管透镜; 组合折射透镜

中图分类号： O 484文献标志码： 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射线荧光分析(Xray fluorescence,XRF)技术能在常压下对各种形态样品进行简单、快速、高分辨率和无损的元素定量测量分析,在材料、环境、考古等领域的科学研究和实际应用中都有着广泛和迫切的需求［1］。近年来全球学术界和工业界对XRF的分析测量性能(即微区分析能力、检测灵敏度、原位现场分析能力)提出了越来越高的要求,其中XRF的微区分析能力尤为重要。因此,目前微束X射线荧光分析技术成为研究热点［24］。高性能X射线聚焦光学元件是XRF获得高微区分辨率的关键器件。迄今为止见于报道的、用于XRF系统中X射线聚焦光学元件多为X射线毛细管器件。该器件的工作能量范围比较宽,可与大多数X射线辐射源适配,但其空间分辨率受到制作工艺的限制,一般在几十至上百微米［5］,无法满足微束XRF系统对X射线探测微束的要求。1996年,Snigirev等最早成功制作了X射线组合折射透镜,实现了对14 keV的X射线的聚焦并获得了8 μm的焦斑［6］。X射线组合折射透镜基于折射效应工作,具有不需折转光路,聚焦系统结构简单、尺寸小,以及抗辐射损伤能力强、寿命长等优点。本项目组在前期的实验研究中,将X射线组合折射透镜应用于基于同步辐射光源的探测系统中,获得了小于10 μm的空间分辨率［69］。因此,如果把X射线组合折射透镜应用于XRF系统,将有望大幅度提高目前XRF系统的微区分辨率,实现微束XRF的检测目标。图1X射线荧光分析系统

Fig.1The Xray fluorescence analysis system1微束X射线荧光分析系统设计结构典型的微束XRF系统由X射线管、样品台、X射线聚焦光学元件、X射线探测器等主要组件以及与组件适配的电源和软件组成。由X射线管产生的X射线照射被测样品,受激发的样品中的每种元素都会放射出具有特定的能量特性的X射线荧光。X射线探测器及软件测量X射线荧光的能量及数量,将所收集到的信息转换成样品中各种元素的种类及含量［10］。利用上述原理,可以实现对物质元素的定量测量。为了实现亚微米分辨率的XRF系统,需要引入高性能的X射线聚焦光学元件。图1是微束XRF系统设计结构。该系统中同步辐射源作为X射线源,从X射线管中发射,激发样品台上被测元素。被激发的X射线荧光经过X射线组合折射透镜聚焦到探测器上。不同待测元素的X射线荧光的特征峰不同,为此系统的组合折射透镜设计为可拆装,探测器与透镜的距离设计为可调整。组合折射透镜可根据所要探测的元素增减其透镜个数,选择不同的制作材料,达到控制不同的X射线荧光通过组合折射透镜后的焦距、焦斑大小和透过率。探测器与透镜的距离设为被测元素X射线荧光过组合折射透镜的焦距,这样可减少其它元素产生的荧光对检测的干扰。用置于X射线探测器前端的组合折射透镜聚焦被测样品受激发射的X射线,可提高系统的空间分辨率和灵敏度。现在微束XRF聚焦元件的研究热点为毛细管透镜,而该系统设计X射线组合折射透镜为其聚焦元件,这也是其最大的特色。光学仪器第36卷

第3期王俊杰，等：微束XRF系统中X射线聚焦光学元件研究

2典型的X射线聚焦光学元件

2.1X射线聚焦毛细管透镜X射线毛细管透镜是一种基于全反射原理的,可以传导、会聚、准直X射线的光学元件。常见的有平行束透镜、聚焦透镜、半聚焦透镜［11］等。图2所示为典型的聚焦毛细管透镜光学结构,其中f1、f2分别为入口端和出口端工作距,Din、Dout为入口端直径和出口端直径,L为透镜长度。X射线聚焦毛细管透镜的主要光学性能参数有:传输效率、有效距离、增益因子、焦斑大小等。

2.2X射线组合折射透镜X射线组合折射透镜是一种利用折射效应对X射线进行聚焦的光学元件。在X射线波段,材料的折射率为n=1-δ+iβ,实部1-δ代表折射,虚部β代表吸收。δ一般在10-5到10-7之间,β比δ要小2~3个数量级。图3所示为典型的抛物面形X射线组合折射透镜结构。它由N个完全相同的折射透镜组成,每个折射透镜都是面型为y2=2Rx的双凹抛物面透镜。抛物面顶点的曲率半径为R,折射单元上抛物面开口尺寸为Ro,抛物面深度为L/2,折射单元的中心厚度为d。

图2聚焦毛细管透镜光学结构

Fig.2The structure for the capillary of

focusing Xray lens图3抛物面型X射线组合折射透镜结构

Fig.3The structure of parabolic Xray

compound refractive lens

X射线组合折射透镜的主要光学性能参数同毛细管透镜相似,有焦斑大小、透过率、焦距、强度增益等。3X射线聚焦毛细管透镜与X射线组合折射透镜的聚焦性能比较

3.1典型X射线聚焦毛细管的聚焦性能首先,本文给出一种德国制造的光学性能良好的毛细管聚焦透镜(PFXRL),其主要结构参数和光学性能参数见表1和图4［11］。表1中L为长度,D1为输入面直径,D2为输出面直径,d1为在8.5 keV下输入焦点距离,d2、d3分别为在8 keV、15 keV下输出焦点距离,D3为输出端毛细管通道内径,G为8.5 keV下的强度增益。

表1PFXRL的结构参数和部分光学性能参数

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

图4聚焦毛细管的焦斑大小与透过率

Fig.4The focal spot size and transmittance of PFXRL

3.2X射线组合折射透镜的聚焦性能本文设计了R=50 μm,Ro=70.71 μm,d=8 μm的组合透镜,其中Be材料透镜为70个,B材料透镜为50个,C材料透镜为49个,PMMA材料透镜为80个,Al材料透镜为40个,Al2O3材料透镜为27个,Si材料透镜为45个,Si3N4材料透镜为31个。上述设计是为了将透镜的最大焦距限制在1 m左右以限制其制作的荧光分析系统的尺寸。在同步辐射源下,上述八组X射线组合折射透镜的焦斑和透过率性能如图5所示。

3.3两者的聚焦性能比较(1)焦斑比较图4(a)所示,X射线聚焦毛细管透镜的最小焦斑为20 μm左右。如图5(a)所示,X射线组合折射透镜的焦斑大小可以达到1 μm以下。荧光分析系统的空间分辨率由聚焦元件的焦斑大小决定。因此,以X射线组合折射透镜为聚焦光学元件的XRF系统的空间分辨率要优于以聚焦毛细管透镜为聚焦光学元件的XRF系统。

图5组合折射透镜的焦斑大小和透过率

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

(2)透过率比较图5(b)所示,低原子序数的材料制作的X射线组合折射透镜中,Be材料在5 keV下,B材料在6 keV下,C材料在8 keV下的透过率已经超过10%。有机材料PMMA制作的组合折射透镜在8 keV下透过率也超过10%。当光子能量为30 keV时,上述透镜组的透过率都超过80%,而高原子序数的单质或者化合物在低能段时透过率低,透过率随着能量的升高而增加。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,透过率也都超过10%。在30 keV下,上述四种材料设计的透镜组都超过了45%,而光子能量在5~10 keV下,X射线聚焦毛细管透镜的透过率最高,达到8%~12%。从理论上分析,在中高X射线能量段下,X射线组合折射透镜在透过率方面一般优于X射线聚焦毛细管透镜。(3)强度增益比较本文设计的X射线聚焦毛细管透镜在8.5 keV时,强度增益为3 200［11］，采用PMMA材料设计并制作了3组组合折射透镜［7］。第1组为84个透镜单元组成,R=200 μm,d=15 μm;第2组为101个单元,R=50 μm,d=15 μm;第3组为162个单元,R=50 μm,d=8 μm。在同步辐射源下,三组的强度增益分别为125 452,8 971,11 889,都远超过了毛细管透镜。(4)元素检测范围图4(a)、(b)所示,适合X射线聚焦毛细管的入射光子能量应在5~10 keV之间,其空间分辨率超过25 μm。然而,由于材料元素的特征峰原因,在分析许多高原子序数材料时存在困难［12］。例如,原子序数81的Ti最低的La2线也超过了10 keV,原子序数超过Ti的其他元素的特征峰更高。根据图5(a)、(b),在入射光子能量超过8 keV时,低原子序数材料和有机材料(如PMMA)已经可以用在荧光分析中。当入射光子能量超过20 keV后,其他常用的材料也可以有较好的透过率,而在8~30 keV范围的光子能量可以激发几乎所有元素。例如,低原子序数的K线L线都要低于30 keV,高原子序数的L线也没有超过30 keV的。因此,组合折射透镜在检测范围上的性能优于毛细管透镜。4结论本文介绍了微束XRF荧光分析系统、X射线聚焦毛细管透镜和抛物面型X射线组合折射透镜基本原理和光学结构。并通过数值计算的方法比较了毛细管透镜与X射线组合折射透镜的光学性能。分析结果表明,在同步辐射、高强度等离子体等单色性高、准直性好的辐射源下,以X射线组合折射透镜作为聚焦光学元件将帮助微束XRF系统具有更好的空间分辨率、灵敏度和元素分析范围。本文的工作对于设计以抛物面型X射线组合折射透镜为聚焦光学元件的微束XRF系统提供了前期的理论基础。参考文献：

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