北京师范大学核科学与技术学院射线束技术教育部重点实验室, 北京 100875
共聚焦X射线荧光技术是一种无损的三维光谱分析技术, 在材料, 生物, 矿物样品分析, 考古, 证物溯源等领域具有广泛应用。 共聚焦X射线荧光谱仪的核心部件为两个多毛细管X光透镜。 一个为多毛细管X光会聚透镜(PFXRL), 其存在一后焦点, 作用是把X光管所发出的发散X射线会聚成几十微米大小的高增益焦斑。 另一透镜为多毛细管X光平行束透镜(PPXRL), 其存在一几十微米大小前焦点, 置于X射线能量探测器前端, 其作用是接收特定区域的X射线荧光信号。 在共聚焦X射线荧光谱仪中, PFXRL的后焦点与PPXRL的前焦点重合, 所形成的区域称作探测微元。 只有置于探测微元区域的样品能够被谱仪检测到, 使样品与探测微元相对移动, 逐点扫描, 便能够对样品进行三维无损的X射线分析。 探测微元的尺寸决定共聚焦X射线荧光谱仪的空间分辨率, 因此精确测量谱仪的探测微元的尺寸是非常重要的。 如图1所示, 谱仪探测微元可以近似为椭球体, 其尺寸可以用水平方向分辨率X, Y, 和深度分辨率Z表示。 目前, 常采用金属细丝或金属薄膜通过刀口扫描的方法测量谱仪探测微元尺寸。 为了精确的从三个维度测量探测微元尺寸, 金属细丝直径要小于探测微元尺寸。 金属细丝和探测微元都是数十微米级别的尺寸大小, 很难把金属靠近探测微元。 为了得到探测微元在不同X射线能量下尺寸变化曲线, 要采用多种金属细丝测量。 采用单个金属细丝依次测量比较耗费时间。 采用金属薄膜可以很方便地测量探测微元的深度分辨率Z, 但是当测量水平分辨率X, Y时, 难以准确测量。 为了解决以上谱仪探测微元测量中存在的问题, 本文提出采用多种金属丝平行粘贴在硬纸片上作为样品用于快速测量探测微元尺寸。 附有金属细丝的硬纸片靠近谱仪探测微元, 可以将探测微元置于硬纸片所在平面。 由于硬纸片与金属细丝在同一水平面, 在谱仪摄像头的协助下, 可以把金属细丝迅速的靠近探测微元。 靠近探测微元后, 在全自动三维样品台的协助下, 金属细丝沿两个方向对探测微元分别进行一次二维扫描。 通过对二维扫描数据的处理便可以获得探测微元尺寸随入射X射线能量变化曲线。 采用此方法对实验室所搭建的共聚焦X射线荧光谱仪的探测微元进行了测量。
共聚焦X射线荧光谱仪 多毛细管X光透镜 探测微元尺寸 Confocal X-ray fluorescence spectrometer Polycapillary X-ray lens Probe volume size 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3493
北京师范大学 核科学与技术学院, 北京 100875
设计了一种基于方形多毛细管X射线透镜的X射线探测系统,该系统具有较小的X射线收集角。方形多毛细管X射线透镜是一种基于X射线全反射的X射线调控器件, 可将大面积范围内的X射线汇聚至X射线CCD探测器。通过测定X射线在方形多毛细管X射线透镜中的传输特性、建立数据模型, 可校正X射线CCD所测数据并还原透镜入口端的入射X射线信息。通过光线轨迹追踪方法模拟了方形多毛细管X射线透镜的传输特性。结果表明, 该系统适合探测能量低于21.5 keV的X射线, 用于大面积成像; 也适合探测能量低于14.6 keV的X射线, 用于提高探测效率。该系统不仅可用于诸如X射线脉冲星导航等特殊应用, 也可用于常规X射线探测。
X射线 方形多毛细管X射线透镜 大面积探测 X射线脉冲星导航 X-ray square polycapillary X-ray lens large area detection X-ray pulsar navigation 红外与激光工程
2016, 45(s1): S117001
孙天希 1,2,3,*刘鹤贺 1,2,3刘志国 1,2,3彭松 1,2,3[ ... ]丁训良 1,2,3
1 北京师范大学射线束技术与材料改性教育部重点实验室, 北京 100875
2 北京师范大学核科学与技术学院, 北京 100875
3 北京市辐射中心, 北京 100875
为了对胶囊类药品进行无损分析鉴别，利用两个多毛细管X光透镜搭建了共聚焦微束X射线荧光谱仪，两个处在共聚焦状态的透镜形成共聚焦微元，探测器只能探测到来自该共聚焦微元中的X射线信号，这有利于分别对胶囊壳和其内部药物进行原位无损元素分析，从而辨别它们的种类。分析了4种胶囊类药品对应的X射线荧光谱特征，从荧光谱图上可以看出不同胶囊类药品有不同的X射线荧光谱，对应不同的元素组成，所以可以利用胶囊内部药物对应的X射线荧光谱鉴别胶囊类药品的种类。实验证明，利用共聚焦微束X射线荧光技术可以在不破坏胶囊壳的情况下对胶囊类样品进行无损原位分析，该技术在胶囊类药品种类和真伪鉴别中具有潜在应用价值。
X射线光学 毛细管X光透镜 共聚焦微束X射线荧光 胶囊类药品 无损原位分析
北京师范大学射线束技术与材料改性教育部重点实验室, 核科学与技术学院, 北京市辐射中心, 北京100875
头发中的元素与人的饮食和健康状况有关, 对头发中元素的分析, 不仅可用于刑事物证鉴别, 还可为疾病的预防和治疗提供依据, 因此, 如何检测头发中元素分布等信息倍受人们关注。 本文利用基于毛细管X光透镜和实验室普通X射线光源的共聚焦微束X射线荧光技术对单根头进行了无损扫描分析, 分析了单根头发中元素的空间分布。 在该毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术中, 毛细管X光会聚透镜的出口焦斑和毛细管X光平行束透镜的入口焦斑处在共聚焦状态, 从而形成共聚焦微元, 探测器只能探测到来自该共聚焦微元中的X射线信号, 降低了背底信号对X射线荧光谱的影响, 从而有利于提高该共聚焦X射线荧光技术的分析精度。 该共聚焦技术中采用了具有高功率密度增益的毛细管X光会聚透镜, 降低了该共聚焦X射线荧光技术对X射线光源功率的要求, 从而保证了该共聚焦技术可以采用实验室普通X射线光源, 降低了实验成本。 实验表明, 毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术在单根头发元素分布检测中具有应用价值。
共聚焦微束X射线荧光 毛细管X光透镜 头发 元素分布 Confocal micro X-ray fluorescence Polycapillary X-ray lens Hair Element distribution 光谱学与光谱分析
2013, 33(11): 3147
彭松 1,2,3,*刘志国 1,2,3孙天希 1,2,3李玉德 1,2,3[ ... ]丁训良 1,2,3
1 北京师范大学射线束技术与材料改性教育部重点实验室, 北京100875
2 北京师范大学核科学与技术学院, 北京100875
3 北京市辐射中心, 北京100875
为了实现对薄膜和镀层材料厚度的微区无损分析, 利用多毛细管X光会聚透镜和多毛细管X光平行束透镜设计并搭建了普通实验室X射线光源的共聚焦微束X射线荧光测厚仪, 对该共聚焦测厚仪的性能进行了系统表征。 利用该测厚仪测定了厚度约为25 μm的Ni独立薄膜样品和压于硅基表面厚度约为15 μm的Ni薄膜样品厚度, 对应它们的相对测量误差分别为3.7%和6.7%。 另外, 还对厚度约为10 μm Ni薄膜样品的厚度均匀性进行了测量。 该共聚焦测厚仪可以对样品进行微区深度分析, 并且具有元素分辨能力, 从而使得该谱仪可以测量多层膜样品不同层的膜厚, 在薄膜和镀层厚度表征领域具有潜在的应用。
X射线光学 共聚焦测厚 毛细管X光透镜 X射线荧光 X-ray optics Confocal technology for measuring thickness Polycapillary X-ray lens X-ray fluorescence 光谱学与光谱分析
2013, 33(8): 2223
1 北京师范大学 射线束技术与材料改性教育部重点实验室核科学与技术学院 北京市辐射中心,北京 100875
2 中国科学院 高能物理研究所,北京 100039
3 Department of Applied Chemistry, Graduate School of Engineering, Osaka City University, Sugimoto 3-3-138, Sumiyoshi-ku Osaka 558-8585, Japan
建立了应用导管X光透镜的掠出射微区X射线荧光分析系统,并将该系统应用于纳米薄膜的分析。为了提高入射X射线的强度并提高系统的空间分辨率,选用焦斑为41.7 μm的会聚透镜对原级X射线进行会聚,并在探测器前加上50 μm的狭缝以提高掠出射角扫描的角度分辨率。为了提高工作效率,编写了该系统的自动控制软件,实现了样品的自动扫描。利用该系统对采用金属蒸汽真空电弧(MEVVA)源离子束和薄膜沉积技术制备的纳米薄膜进行了掠入射X射线荧光和二维扫描分析。实验结果表明:该系统能有效地分析纳米厚度的薄膜,通过对薄膜进行掠出射角扫描分析和表面的二维扫描分析,得到了薄膜的厚度,密度及均匀性等信息。微区分析的空间分辨率可达到41.7 μm,实际空间分辨率为扫描步长50 μm。系统可用于分析薄膜样品,且荧光强度高,所需时间短,获得的信息全面丰富,数据可靠。
毛细管X射线光学器件 掠出射X射线荧光 全反射 薄膜分析 polycapillary X-ray lens Grazing Exit X-ray Fluorescence (GE-XRF) total reflection film analysis
孙天希 1,2,3,*丁训良 1,2,3刘志国 1,2,3潘秋丽 1,2,3[ ... ]王治红 1,2,3
1 北京师范大学射线束技术与材料改性教育部重点实验室,北京 100875
2 北京师范大学低能核物理研究所,北京 100875
3 北京市辐射中心,北京 100875
利用高计数率探测器和低功率光源,在大的能量范围内,同时测量了整体X光透镜的传输效率和焦斑直径与能量的关系。实验结果表明:透镜的焦斑直径随着能量的升高而减小;对04-5-10-5透镜而言,在高于5.8 keV的能量范围内,透镜的传输效率随着能量的升高而降低,在低于5.8 keV的能量范围内,透镜的传输效率随着能量的升高而增加。通过测量不同能量的X射线在透镜会聚光束中的空间分布,研究了短出口焦距透镜的光晕现象,光晕会导致透镜焦斑直径增大和传输效率测量值的增加。利用轴向扫描法研究了整体X光透镜出口焦距和能量的关系,实验结果表明:会聚透镜的出口焦距随着X射线能量的升高而增加。
X射线光学 整体X光透镜 轴向扫描法 高计数率探测器
