全聚焦双曲面弯晶在单波长X―射线荧光光谱仪中的应用

 单波长X-射线荧光光谱仪具有检测灵敏度高、检出限低、检测速度快使用方便等优点。通过晶体对X-射线的衍射可以得到单色波长。目前分光衍射晶体按几何形状分有：平晶，半聚焦弯晶，全聚焦弯晶。该文系统分析这三种晶体作为单色光器件的优缺点，对全聚焦双曲面弯晶进行理论研究、实际设计、大量试验、突破了全聚焦双曲面弯晶的研制和成型工艺。采用LiF晶体作为原级单色器。选用微焦斑X射线光管Cr靶。最终北京安科慧生生产的全聚焦双曲面弯晶LiF，衍射效率能达到5%左右。 
　　单波长X-射线荧光光谱仪是将X-射线连续谱单色化，这就降低了连续谱背景对检测元素的干扰。如果检测元素含量很低，很难在连续谱中取出所测元素的特征谱。单波长X-射线荧光光谱仪将所测元素的特征谱取出，没有连续谱背景的干扰，它的检出限低能达到ppm级。单波长X-射线荧光光谱仪，其核心技术双曲面弯晶一直掌握在美国的一家公司，由于垄断原因，很难检索到双曲面弯晶成型工艺的文献。安科慧生申请了北京科委“单波长色散X射线荧光光谱仪研制与量产”的课题。公司经过不断摸索，制定了双曲面弯晶成型的生产工艺。此生产工艺已经达到世界领先水平。试验证明：我们生产的国内第一台单波长X-射线荧光光谱仪，在油品测硫元素检出限已经达到0.3ppm。 
　　1 波长色散的原理[1-2] 
　　X-射线是电磁波，当它照射到晶体时，构成晶体原子内的电子在交变电场的作用下振动，成为新的光源，向四面八方散射，这些散射波与入射波频率相同，所以是相干的。当两个波长相等、相位差固定和振动于同一平面内的相干散射波沿着同一方向传播时，在不同的相位差条件下，这两种散射波或者相互加强（同相），或者相互减弱（异相），这种振动的叠加现象称为波的干涉。虽然在某个方向上，波的振幅加强了，但其波长却与入射线保持一致，这就是波的衍射原理。根据布拉格定律，当满足如下公式时，会发生衍射分光现象。 
　　2dsinθ=nλ 
　　其中： θ为X 射线λ射角（布拉格角），d为晶面间距，λ为入射X射线波长，n为正整数。 
　　从图1可以看出两条射线的光程差为BDC=BD+CD=2dsinθ，当光程差为半波长的偶数倍时相干加强，为半波长奇数倍时相干减弱。 
　　2 分光晶体的分类及其特点[3-4] 
　　分光晶体按类别分为平面晶体和曲面晶体，平面晶体分光法，在样品上的每一点激发出来的X射线照射到平面晶体上，符合布拉格定律的被衍射出来，不符合的则不会发生衍射。 
　　曲面弯曲晶体根据设计的曲率允许相同波长的射线以同样的布拉格角入射到晶体，这样就有更多的X射线参加衍射，提高了衍射效率。而且，这样可以把点光源聚焦到点光源。其结果曲面弯晶衍射强度比平面晶体大很多，起到“强聚焦”的作用。聚焦到一点对小面积探测孔的探测器更容易检测到。大大提高样品的检出限。 
　　2.1平面分光晶体的原理如图1所示。 
　　平面分光晶体的优点：（1）光路系统设计简单，直观；（2）晶体制作工艺简单，晶体成品率高；（3）平面晶体可以做扫描道；其缺点为：（1）平面分光晶体前后需要准直，这样对X-射线衰减很大。总的衍射效率会很低；（2）对含量很低（ppm级别）的元素，平面分光晶体达不到仪器的要求；（3）光路系统要有前后准直， 结构复杂，对X-射线荧光的衰减也较大； 
　　2.2半聚焦（John-Type Curved Crystal）弯曲晶体、全聚焦（Johnson-Type Curved Crystal）弯曲晶体 
　　高聚光效率是X-射线光谱仪研制追求的另一重要目标。因为对于轻元素X-射线的荧光产额比较低，对于含量很少的轻元素没有强X-射线的激发，计数率很少有可能激发不出来，导致检出限高。 
　　曲面弯曲分光晶体能使以布拉格角射入晶体的特征X-射线光经过衍射后汇聚起来，衍射光强比平面晶体强很多，因而凹面弯曲晶体可实现高集光效率。曲面弯曲晶体有好几种形式，半聚焦（John-Type Curved Crystal）弯曲晶体、全聚焦（Johnson-Type Curved Crystal）弯曲晶体。 
　　图二：半聚焦弯曲晶体 
　　图三：全聚焦弯曲晶体 
　　半聚焦（John-Type Curved Crystal）弯晶晶体示意图，图二所示。在半聚焦型弯曲晶体中，平面晶体被研磨成曲率半径为R的柱面，它的圆弧中心点与半径为R/2 的圆相切，该圆称为聚焦圆，也就是罗兰圆。位于圆上的点光源发出的光经晶体衍射后，将汇聚在圆周的对称点附近。对半聚焦弯晶晶体，晶体表面参与衍射的有效面积和衍射效率远高于平面晶体；加上它良好的聚焦效果， 理论上， 它所得到的谱线强度与布拉格平面晶体相比，可以高过几十倍。半聚弯晶晶体的缺点：理论上半聚焦法只有晶体中心部分严格满足布拉格条件，其余部分利用的是晶体的发散特性而认为它满足布拉格条件，因此半聚焦晶体表面参与衍射的有效面积和衍射效率低于全聚焦。 
　　全聚焦（Johnson-Type Curved Crystal）弯曲晶体与半聚焦弯晶晶体结构形式是相同的，图三 所示。只是为了满足聚焦条件，把平面晶体研磨成曲率半径为R的表面，在弯曲成曲率半径为R/2 的柱面晶体的内表面，该文原载于中国社会科学院文献信息中心主办的《环球市场信息导报》杂志http：//www.ems86.com总第565期2014年第33期-----转载须注名来源因而全聚焦弯曲晶体的聚焦性能比半聚焦弯晶晶体的聚焦性能要好得多。全聚焦弯曲晶体的缺点：晶体的研磨、热弯和粘贴工艺难度大；在热弯时弯面晶体的晶格间距受温度的影响较大；全聚焦弯曲晶体聚焦前是线光源，聚焦后也是线光源，不能聚焦成一点，对于含量少的轻元素无法检测。 
　　3全聚焦双曲面弯晶的设计及应用