在高度校準(zhǔn)的包裝中具有多個激發(fā)能量帶的xrf系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】在高度校準(zhǔn)的包裝中具有多個激發(fā)能量帶的XRF系統(tǒng)
[0001]本申請是申請?zhí)枮?00980111618.2、申請日為2009年3月3日、發(fā)明名稱為“在高度校準(zhǔn)的包裝中具有多個激發(fā)能量帶的XRF系統(tǒng)”的發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請要求2008年3月5日提交的序列號為61/033，899的美國臨時專利申請和2008年3月25提交的序列號為61/039，220的美國臨時專利申請和2008年4月7日提交的序列號為61/042，974的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，其每一個均在此全部引入作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明總體上涉及一種X射線分析系統(tǒng)，并且更特別地，涉及提供多個激發(fā)能量以改進多個元件在均質(zhì)和非均質(zhì)樣品結(jié)構(gòu)中多個元素的檢測和分析的X射線源組件。
【背景技術(shù)】
[0005]存在新興的需要來提供其中毒素的級別被減小到最低或完全消除的所有類型的產(chǎn)品。這需要具有清楚的基本醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)并且由恐懼和待處理的立法一這是許多近期的廣受宣傳的產(chǎn)品中的毒素(例如，玩具中的鉛)的案例的結(jié)果而加速。不安全產(chǎn)品的成本超過健康影響以包括商業(yè)的大量損失、對品牌和公司形象的永久傷害和提高級別的法人和個人責(zé)任。
[0006]響應(yīng)這些問題，全世界對于消費者產(chǎn)品都具有增長趨勢的日益嚴(yán)格的環(huán)境和健康法規(guī)。調(diào)節(jié)的產(chǎn)品的列表迅速地提高并且毒素的類型和允許水平變得更加嚴(yán)格。一些工業(yè)玩家通過在它們的供應(yīng)鏈中批準(zhǔn)更清潔的產(chǎn)品而超越它們銷售的產(chǎn)品的法規(guī)。法規(guī)有效地旨在通過減少我們的環(huán)境中的毒素來減少人直接暴露于毒素中。幾個更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)可以追溯至始于20世紀(jì)90年代早期的歐洲環(huán)保指令，始于包裝材料和電池中的規(guī)章。在隨后的年代中，EU引入了對于汽車的危險物質(zhì)的減少(ELV)和兩個涉及電子產(chǎn)品的指令(Restrict1n of Hazardous Substances 或 RoHS和 Waste Electrical and ElectronicEquipment或WEEE)。未決的美國聯(lián)邦立法將玩具上油漆中的鉛水平降低六個因子并且威脅對違反的公司的單次違反處以罰金從1000萬美元到I億美元的刑事訴訟。另外，限制就中其它已知的毒素，包括:汞、砷、鎘、鋇和鉻。
[0007]這種人類健康和環(huán)保措施的傳播對于產(chǎn)品設(shè)計、制造并且最終地丟棄或再循環(huán)的方式具有深遠的全球影響。
[0008]用于產(chǎn)品中毒素的當(dāng)前測量方法并不符合從工廠到最終消費者的供應(yīng)鏈的要求。在從原材料到部件到完成的產(chǎn)品的鏈條的每個步驟中都需要毒素的識別和測量。盡管原材料測量對于工廠是最高效的，但是分銷渠道通常需要對最終產(chǎn)品進行測量。迫切地需要新的技術(shù)來精確地、迅速地、始終如一地并且成本節(jié)約地在每個階段測量毒素，且在產(chǎn)品的制造和分銷的流動中具有最小的中斷。因為玩具和其它產(chǎn)品通常具有小的油漆特征(色素通常是毒素的源頭)，所以需要測量小的區(qū)域同時把油漆與基底材料加以區(qū)別。
[0009]現(xiàn)有的低成本毒素檢測方法通常是無效的，例如拭子測試。提供所需精度的更高成本的方法是昂貴并且消耗時間的。這些方法有時涉及:手動地刮擦樣品，在提高的溫度和壓力下蒸煮它們，并且將它們導(dǎo)入燃燒室中，然后分析燃燒產(chǎn)物。一種當(dāng)今廣泛使用的方法是感應(yīng)耦合等離子光學(xué)發(fā)射光譜學(xué)(ICP-OES)—一種昂貴、破壞性和緩慢的方法?；蛘?，手持X射線熒光(XRF)槍是快速和非破壞性的，但是僅僅對于高于調(diào)節(jié)濃度才是可靠的，并且在大的樣品區(qū)域中被平均，并且不能單獨地評價油漆層。
[0010]如下面進一步討論的那樣，本發(fā)明提供了一種對于產(chǎn)品中的毒素具有由復(fù)雜的專有X射線光學(xué)器件實現(xiàn)的快速、精確的結(jié)果的測量解決方案。這種專有光學(xué)器件通常提供了聚焦X射線的能力中的10 -1, OOOx的改進；并且光學(xué)啟用的分析器尤其適于這些目標(biāo)的市場一將測量從實驗室移動到工廠、野外和診所。
[0011]在X射線分析系統(tǒng)中，高的X射線射束強度和小的射束斑尺寸對于減少樣品曝光時間、提高空間分辨率并因此改進信號與背景之比和X射線分析測試的總體質(zhì)量是很重要的。在過去，昂貴和大功率的X射線源例如旋轉(zhuǎn)陽極X射線管或同步加速器是在實驗室中生成高強度X射線射束的唯一可用選項。近來，X射線光學(xué)設(shè)備的發(fā)展已經(jīng)使之可以通過聚焦X射線從X射線源收集發(fā)散輻射。X射線聚焦光學(xué)器件和小的低功耗X射線源的組合可以生成具有可與更昂貴設(shè)備實現(xiàn)的強度相比較的X射線射束。因此，基于小的便宜的X射線源、激發(fā)光學(xué)器件和收集光學(xué)器件的組合的系統(tǒng)已經(jīng)極大地擴展了 X射線分析設(shè)備在例如小型實驗室和在野外、工廠或診所等中的可用性和能力。
[0012]X射線射束在激發(fā)和/或檢測路徑中的單色化也用于激勵和/或檢測對應(yīng)于感興趣的各種元素(鉛等)的X射線能譜的非常精確的部分。X射線單色化技術(shù)基于X射線在光學(xué)晶體例如鍺(Ge)或硅(Si)晶體上的衍射。彎晶可以提供發(fā)散輻射從X射線源到目標(biāo)上的偏轉(zhuǎn)，以及提供達到目標(biāo)的光子的單色化。兩種常見類型的彎晶被稱為單彎晶和雙彎晶(DCCs)。使用本領(lǐng)域中已知為羅蘭圓幾何形狀的單彎晶可以提供在兩維中的聚焦，而X射線輻射在第三或正交平面中未聚焦。雙彎晶提供了 X射線從源到所有三維中的點目標(biāo)的聚焦。該三維聚焦在本領(lǐng)域中被稱為“點到點”聚焦。
[0013]編號為6，285，506和7，035，374的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利公開了用于X射線聚焦和單色化的彎曲X射線光學(xué)器件的各種配置。一般而言，這些專利公開了形成到彎曲光學(xué)元件中的柔性層的結(jié)晶材料(例如Si)。光學(xué)器件的單色化功能和傳輸效率是由光學(xué)器件的晶體結(jié)構(gòu)確定的。
[0014]使用聚焦和單色X射線光學(xué)器件將X射線輻射聚焦到具有更高強度的小斑的能力能夠降低X射線管的尺寸和成本，并且因此X射線系統(tǒng)已經(jīng)從實驗室擴展到現(xiàn)場的野外使用。全部在此包含作為參考的編號為6，934，359和7，072，439的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利公開了單色波長色散X射線熒光(MffD XRF)技術(shù)和系統(tǒng)，在激發(fā)和/或檢測路徑中使用雙彎晶光學(xué)器件。在這些專利中描述的X射線光學(xué)器件啟用的系統(tǒng)在實驗室中享有普遍的成功，用于測量多種精煉廠、終端和管線環(huán)境中的石油燃料中的硫。
[0015]在這種系統(tǒng)中，需要沿著由源和試樣斑界定的軸線的精確的光學(xué)校準(zhǔn)，如在上面包含的編號為7，035, 374的美國專利中所顯示的，該專利提出了圍繞依照布拉格衍射條件操作的中心軸線的彎曲的單色光學(xué)器件的配置。圖1a是具有彎曲光學(xué)器件152、X射線源位置154和X射線目標(biāo)位置156的該X射線光學(xué)配置150的典型的等角視圖。X射線源位置154和X射線目標(biāo)位置156界定了源到目標(biāo)的傳輸軸線162。光學(xué)器件152可以包括多個各自的光學(xué)晶體164，它們所有均可以圍繞軸線162對稱地布置。
[0016]圖1b是沿圖1a的剖面線Ib -1b剖開的剖視圖，其中光學(xué)器件152的表面、X射線源位置154和X射線目標(biāo)位置156界定了用于光學(xué)器件152的半徑R的一個或多個羅蘭(或聚焦)圓160和161。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以認識到，與晶體光學(xué)器件152或各自的晶體164相關(guān)的羅蘭圓的數(shù)目和朝向?qū)㈦S著光學(xué)晶體152的表面的位置例如光學(xué)晶體152上環(huán)形位置的差異而變化。
[0017]光學(xué)晶體152的內(nèi)部原子衍射平面也可能不平行于其表面。例如，如圖1b中所示，在表面的切點158及其相應(yīng)的光學(xué)圓160或161處，晶體152的原子衍射平面與X射線所指示的平面形成角度γ1<3 98是晶體光學(xué)器件152的布拉格角，該角確定了其衍射效果。在一個實例中每個各自的光學(xué)晶體可以依照在上面包含的編號為6，285，506的題為“CurvedOptical Device and Method of Fabricat1n”的美國專利中公開的方法制造。
[0018]為了適當(dāng)?shù)牟祭駰l件，所有的各自晶體164應(yīng)該被校準(zhǔn)到源至目標(biāo)軸線162。因此光學(xué)校準(zhǔn)尤其是用于這種多晶體光學(xué)器件的改進保持為感興趣的重要領(lǐng)域。尤其地影響大量制造的另一個問題是需要校準(zhǔn)從不同賣主那里購買的不同部件。例如，X射線管，當(dāng)從一個賣主那里大量購買時，可能具有相對于它們自己的外殼不始終如一地定中心的源X射線斑。重定中心這些X射線管斑是需要的，作為整個X射線源組件的校準(zhǔn)處理中的初始步驟。
[0019]已經(jīng)提出了各種光學(xué)/源組合來處理熱穩(wěn)定性、射束穩(wěn)定性和校準(zhǔn)問題，例如在編號為7，110，506、7，209，5