全聚焦雙曲面彎晶在單波長(zhǎng)X—射線熒光光譜儀中的應(yīng)用

單波長(zhǎng)X-射線熒光光譜儀具有檢測(cè)靈敏度高、檢出限低、檢測(cè)速度快使用方便等優(yōu)點(diǎn)。通過晶體對(duì)X-射線的衍射可以得到單色波長(zhǎng)。目前分光衍射晶體按幾何形狀分有：平晶，半聚焦彎晶，全聚焦彎晶。該文系統(tǒng)分析這三種晶體作為單色光器件的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)全聚焦雙曲面彎晶進(jìn)行理論研究、實(shí)際設(shè)計(jì)、大量試驗(yàn)、突破了全聚焦雙曲面彎晶的研制和成型工藝。采用LiF晶體作為原級(jí)單色器。選用微焦斑X射線光管Cr靶。最終北京安科慧生生產(chǎn)的全聚焦雙曲面彎晶LiF，衍射效率能達(dá)到5%左右。

單波長(zhǎng)X-射線熒光光譜儀是將X-射線連續(xù)譜單色化，這就降低了連續(xù)譜背景對(duì)檢測(cè)元素的干擾。如果檢測(cè)元素含量很低，很難在連續(xù)譜中取出所測(cè)元素的特征譜。單波長(zhǎng)X-射線熒光光譜儀將所測(cè)元素的特征譜取出，沒有連續(xù)譜背景的干擾，它的檢出限低能達(dá)到ppm級(jí)。單波長(zhǎng)X-射線熒光光譜儀，其核心技術(shù)雙曲面彎晶一直掌握在美國(guó)的一家公司，由于壟斷原因，很難檢索到雙曲面彎晶成型工藝的文獻(xiàn)。安科慧生申請(qǐng)了北京科委“單波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜儀研制與量產(chǎn)”的課題。公司經(jīng)過不斷摸索，制定了雙曲面彎晶成型的生產(chǎn)工藝。此生產(chǎn)工藝已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。試驗(yàn)證明：我們生產(chǎn)的國(guó)內(nèi)第一臺(tái)單波長(zhǎng)X-射線熒光光譜儀，在油品測(cè)硫元素檢出限已經(jīng)達(dá)到0.3ppm。

1 波長(zhǎng)色散的原理[1-2]

X-射線是電磁波，當(dāng)它照射到晶體時(shí)，構(gòu)成晶體原子內(nèi)的電子在交變電場(chǎng)的作用下振動(dòng)，成為新的光源，向四面八方散射，這些散射波與入射波頻率相同，所以是相干的。當(dāng)兩個(gè)波長(zhǎng)相等、相位差固定和振動(dòng)于同一平面內(nèi)的相干散射波沿著同一方向傳播時(shí)，在不同的相位差條件下，這兩種散射波或者相互加強(qiáng)（同相），或者相互減弱（異相），這種振動(dòng)的疊加現(xiàn)象稱為波的干涉。雖然在某個(gè)方向上，波的振幅加強(qiáng)了，但其波長(zhǎng)卻與入射線保持一致，這就是波的衍射原理。根據(jù)布拉格定律，當(dāng)滿足如下公式時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射分光現(xiàn)象。

2dsinθ=nλ

其中： θ為X 射線λ射角（布拉格角），d為晶面間距，λ為入射X射線波長(zhǎng)，n為正整數(shù)。

從圖1可以看出兩條射線的光程差為BDC=BD+CD=2dsinθ，當(dāng)光程差為半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí)相干加強(qiáng)，為半波長(zhǎng)奇數(shù)倍時(shí)相干減弱。

2 分光晶體的分類及其特點(diǎn)[3-4]

分光晶體按類別分為平面晶體和曲面晶體，平面晶體分光法，在樣品上的每一點(diǎn)激發(fā)出來的X射線照射到平面晶體上，符合布拉格定律的被衍射出來，不符合的則不會(huì)發(fā)生衍射。

曲面彎曲晶體根據(jù)設(shè)計(jì)的曲率允許相同波長(zhǎng)的射線以同樣的布拉格角入射到晶體，這樣就有更多的X射線參加衍射，提高了衍射效率。而且，這樣可以把點(diǎn)光源聚焦到點(diǎn)光源。其結(jié)果曲面彎晶衍射強(qiáng)度比平面晶體大很多，起到“強(qiáng)聚焦”的作用。聚焦到一點(diǎn)對(duì)小面積探測(cè)孔的探測(cè)器更容易檢測(cè)到。大大提高樣品的檢出限。

2.1平面分光晶體的原理如圖1所示。

平面分光晶體的優(yōu)點(diǎn)：（1）光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，直觀；（2）晶體制作工藝簡(jiǎn)單，晶體成品率高；（3）平面晶體可以做掃描道；其缺點(diǎn)為：（1）平面分光晶體前后需要準(zhǔn)直，這樣對(duì)X-射線衰減很大?？偟难苌湫蕰?huì)很低；（2）對(duì)含量很低（ppm級(jí)別）的元素，平面分光晶體達(dá)不到儀器的要求；（3）光路系統(tǒng)要有前后準(zhǔn)直， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)X-射線熒光的衰減也較大；

2.2半聚焦（John-Type Curved Crystal）彎曲晶體、全聚焦（Johnson-Type Curved Crystal）彎曲晶體

高聚光效率是X-射線光譜儀研制追求的另一重要目標(biāo)。因?yàn)閷?duì)于輕元素X-射線的熒光產(chǎn)額比較低，對(duì)于含量很少的輕元素沒有強(qiáng)X-射線的激發(fā)，計(jì)數(shù)率很少有可能激發(fā)不出來，導(dǎo)致檢出限高。

曲面彎曲分光晶體能使以布拉格角射入晶體的特征X-射線光經(jīng)過衍射后匯聚起來，衍射光強(qiáng)比平面晶體強(qiáng)很多，因而凹面彎曲晶體可實(shí)現(xiàn)高集光效率。曲面彎曲晶體有好幾種形式，半聚焦（John-Type Curved Crystal）彎曲晶體、全聚焦（Johnson-Type Curved Crystal）彎曲晶體。

圖二：半聚焦彎曲晶體

圖三：全聚焦彎曲晶體

半聚焦（John-Type Curved Crystal）彎晶晶體示意圖，圖二所示。在半聚焦型彎曲晶體中，平面晶體被研磨成曲率半徑為R的柱面，它的圓弧中心點(diǎn)與半徑為R/2 的圓相切，該圓稱為聚焦圓，也就是羅蘭圓。位于圓上的點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)晶體衍射后，將匯聚在圓周的對(duì)稱點(diǎn)附近。對(duì)半聚焦彎晶晶體，晶體表面參與衍射的有效面積和衍射效率遠(yuǎn)高于平面晶體；加上它良好的聚焦效果， 理論上， 它所得到的譜線強(qiáng)度與布拉格平面晶體相比，可以高過幾十倍。半聚彎晶晶體的缺點(diǎn)：理論上半聚焦法只有晶體中心部分嚴(yán)格滿足布拉格條件，其余部分利用的是晶體的發(fā)散特性而認(rèn)為它滿足布拉格條件，因此半聚焦晶體表面參與衍射的有效面積和衍射效率低于全聚焦。

全聚焦（Johnson-Type Curved Crystal）彎曲晶體與半聚焦彎晶晶體結(jié)構(gòu)形式是相同的，圖三 所示。只是為了滿足聚焦條件，把平面晶體研磨成曲率半徑為R的表面，在彎曲成曲率半徑為R/2 的柱面晶體的內(nèi)表面，該文原載于中國(guó)社會(huì)科學(xué)院文獻(xiàn)信息中心主辦的《環(huán)球市場(chǎng)信息導(dǎo)報(bào)》雜志http：//www.ems86.com總第565期2014年第33期-----轉(zhuǎn)載須注名來源因而全聚焦彎曲晶體的聚焦性能比半聚焦彎晶晶體的聚焦性能要好得多。全聚焦彎曲晶體的缺點(diǎn)：晶體的研磨、熱彎和粘貼工藝難度大；在熱彎時(shí)彎面晶體的晶格間距受溫度的影響較大；全聚焦彎曲晶體聚焦前是線光源，聚焦后也是線光源，不能聚焦成一點(diǎn)，對(duì)于含量少的輕元素?zé)o法檢測(cè)。

3全聚焦雙曲面彎晶的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

全聚焦雙曲面彎晶，圖四所示：晶體在X-Y 平面內(nèi)有羅蘭圓半徑R的曲率，在Y-Z 平面內(nèi)有另一個(gè)曲率r，在X-Y 平面內(nèi)的曲線是羅蘭圓，在Y-Z 平面內(nèi)的曲線是：以光源點(diǎn)和聚焦點(diǎn)連線為軸，以晶體中心到光源點(diǎn)和聚焦點(diǎn)連線的垂線為半徑r的旋轉(zhuǎn)曲面。X射線光管的光斑直徑為150μm經(jīng)全聚焦雙曲面彎曲晶體衍射出來的相同波長(zhǎng)的X射線都聚焦成一個(gè)點(diǎn)大約為350μm，所以全聚焦雙曲面彎晶有高集光效率。比全聚焦的衍射效率提高幾十倍，大大提高了含量極少輕元素的檢出限。

圖四：全聚焦雙曲面彎晶

圖五：安科慧生生產(chǎn)的全聚焦雙曲面彎晶。

4 結(jié)論

全聚焦雙曲面彎晶分光晶體的設(shè)計(jì)及制造之所以難以駕馭，主要原因是大多數(shù)晶體研磨時(shí)比較容易破碎，尤其是彎曲時(shí)，不在高溫下施加壓力晶體不能成型。北京安科慧生經(jīng)

過一年的科研攻關(guān)完成了全聚焦雙曲面彎晶的成型工藝。

激發(fā)源的選取，全聚焦雙曲面彎晶的特性決定了X射線光管必須用微焦斑的光管。X射線光管選取微焦斑光管，所謂焦斑指的是X射線管的燈絲發(fā)射的電子經(jīng)聚焦后被高壓電場(chǎng)加速轟擊到靶材上形成的電子束斑，焦斑大小決定了發(fā)射X射線的面積的大小。本文使用50W的Cr靶焦斑大小為175μm，如圖六Cr靶X光管源級(jí)譜圖。

圖六：Cr靶X光管譜圖

本文設(shè)計(jì)和制造了分光Cr元素通道的分光晶體，采用晶格間距2d =0.4028納米的全聚焦雙曲面LiF晶體，，對(duì)Cr靶X射線的Cr元素的Kα特征X射線進(jìn)行分光。Cr元素的Kα射線強(qiáng)度為5.41/KeV，根據(jù)布拉格定律2dsinθ=nλ，可知θ角為34.65°。設(shè)計(jì)全聚焦雙曲面彎晶也根據(jù)這個(gè)角度。將裝配完的全聚焦雙曲面分光晶體在小功率X光管下，對(duì)Cr靶材X光管發(fā)射的源級(jí)X射線進(jìn)行分光，利用SDDX射線探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)， 結(jié)果如圖七所示；從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，分光晶體確實(shí)起到了明顯的分光效果，經(jīng)過定標(biāo)得到分出來的確實(shí)為Cr元素的Kα特征X射線，圖七所示。經(jīng)過計(jì)算LiF晶體的衍射效率達(dá)到5%左右。

圖七：全聚焦雙曲面彎晶衍射后的譜圖

（作者單位：1.北京安科慧生科技有限公司； 2.北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信研究院）