全聚焦雙曲面彎晶在單波長X—射線熒光光譜儀中的應用

單波長X-射線熒光光譜儀具有檢測靈敏度高、檢出限低、檢測速度快使用方便等優點。通過晶體對X-射線的衍射可以得到單色波長。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。該文系統分析這三種晶體作為單色光器件的優缺點，對全聚焦雙曲面彎晶進行理論研究、實際設計、大量試驗、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的全聚焦雙曲面彎晶LiF，衍射效率能達到5%左右。

單波長X-射線熒光光譜儀是將X-射線連續譜單色化，這就降低了連續譜背景對檢測元素的干擾。如果檢測元素含量很低，很難在連續譜中取出所測元素的特征譜。單波長X-射線熒光光譜儀將所測元素的特征譜取出，沒有連續譜背景的干擾，它的檢出限低能達到ppm級。單波長X-射線熒光光譜儀，其核心技術雙曲面彎晶一直掌握在美國的一家公司，由于壟斷原因，很難檢索到雙曲面彎晶成型工藝的文獻。安科慧生申請了北京科委“單波長色散X射線熒光光譜儀研制與量產”的課題。公司經過不斷摸索，制定了雙曲面彎晶成型的生產工藝。此生產工藝已經達到世界領先水平。試驗證明：我們生產的國內第一臺單波長X-射線熒光光譜儀，在油品測硫元素檢出限已經達到0.3ppm。

1 波長色散的原理[1-2]

X-射線是電磁波，當它照射到晶體時，構成晶體原子內的電子在交變電場的作用下振動，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。當兩個波長相等、相位差固定和振動于同一平面內的相干散射波沿著同一方向傳播時，在不同的相位差條件下，這兩種散射波或者相互加強（同相），或者相互減弱（異相），這種振動的疊加現象稱為波的干涉。雖然在某個方向上，波的振幅加強了，但其波長卻與入射線保持一致，這就是波的衍射原理。根據布拉格定律，當滿足如下公式時，會發生衍射分光現象。

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，n為正整數。

從圖1可以看出兩條射線的光程差為BDC=BD+CD=2dsinθ，當光程差為半波長的偶數倍時相干加強，為半波長奇數倍時相干減弱。

2 分光晶體的分類及其特點[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，在樣品上的每一點激發出來的X射線照射到平面晶體上，符合布拉格定律的被衍射出來，不符合的則不會發生衍射。

曲面彎曲晶體根據設計的曲率允許相同波長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，這樣可以把點光源聚焦到點光源。其結果曲面彎晶衍射強度比平面晶體大很多，起到“強聚焦”的作用。聚焦到一點對小面積探測孔的探測器更容易檢測到。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。

平面分光晶體的優點：（1）光路系統設計簡單，直觀；（2）晶體制作工藝簡單，晶體成品率高；（3）平面晶體可以做掃描道；其缺點為：（1）平面分光晶體前后需要準直，這樣對X-射線衰減很大。總的衍射效率會很低；（2）對含量很低（ppm級別）的元素，平面分光晶體達不到儀器的要求；（3）光路系統要有前后準直， 結構復雜，對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。因為對于輕元素X-射線的熒光產額比較低，對于含量很少的輕元素沒有強X-射線的激發，計數率很少有可能激發不出來，導致檢出限高。

曲面彎曲分光晶體能使以布拉格角射入晶體的特征X-射線光經過衍射后匯聚起來，衍射光強比平面晶體強很多，因而凹面彎曲晶體可實現高集光效率。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。位于圓上的點光源發出的光經晶體衍射后，將匯聚在圓周的對稱點附近。對半聚焦彎晶晶體，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：理論上半聚焦法只有晶體中心部分嚴格滿足布拉格條件，其余部分利用的是晶體的發散特性而認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構形式是相同的，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 的柱面晶體的內表面，該文原載于中國社會科學院文獻信息中心主辦的《環球市場信息導報》雜志http：//www.ems86.com總第565期2014年第33期-----轉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：晶體的研磨、熱彎和粘貼工藝難度大；在熱彎時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，對于含量少的輕元素無法檢測。

3全聚焦雙曲面彎晶的設計及應用

全聚焦雙曲面彎晶，圖四所示：晶體在X-Y 平面內有羅蘭圓半徑R的曲率，在Y-Z 平面內有另一個曲率r，在X-Y 平面內的曲線是羅蘭圓，在Y-Z 平面內的曲線是：以光源點和聚焦點連線為軸，以晶體中心到光源點和聚焦點連線的垂線為半徑r的旋轉曲面。X射線光管的光斑直徑為150μm經全聚焦雙曲面彎曲晶體衍射出來的相同波長的X射線都聚焦成一個點大約為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：安科慧生生產的全聚焦雙曲面彎晶。

4 結論

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

過一年的科研攻關完成了全聚焦雙曲面彎晶的成型工藝。

激發源的選取，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射線管的燈絲發射的電子經聚焦后被高壓電場加速轟擊到靶材上形成的電子束斑，焦斑大小決定了發射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光管源級譜圖。

圖六：Cr靶X光管譜圖

本文設計和制造了分光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Cr靶X射線的Cr元素的Kα特征X射線進行分光。Cr元素的Kα射線強度為5.41/KeV，根據布拉格定律2dsinθ=nλ，可知θ角為34.65°。設計全聚焦雙曲面彎晶也根據這個角度。將裝配完的全聚焦雙曲面分光晶體在小功率X光管下，對Cr靶材X光管發射的源級X射線進行分光，利用SDDX射線探測器進行探測， 結果如圖七所示；從試驗結果可以看出，分光晶體確實起到了明顯的分光效果，經過定標得到分出來的確實為Cr元素的Kα特征X射線，圖七所示。經過計算LiF晶體的衍射效率達到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.北京郵電大學信息光子學與光通信研究院）