一種快速測量共聚焦X射線分析裝置探測微元尺寸方法

孫學鵬，張曉蕓，邵尚坤，王亞冰，李惠泉，孫天希*

1.北京師范大學核科學與技術(shù)學院射線束技術(shù)教育部重點實驗室，北京 100875 2.北京市輻射中心，北京 100875

引 言

共聚焦X射線熒光技術(shù)是一種直接的具有三維空間分辨能力的譜學分析方法。與傳統(tǒng)的微區(qū)X射線熒光分析技術(shù)相比，傳統(tǒng)的微區(qū)X射線熒光分析技術(shù)只能對樣品表面進行分析，共聚焦X射線熒光技術(shù)可以對不規(guī)則樣品的任意空間位置進行X射線光譜分析，是獲取物體微區(qū)信息的有力工具。共聚焦X射線熒光技術(shù)在材料、環(huán)境、地質(zhì)、生物、考古等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1-6]。

共聚焦X射線熒光分析技術(shù)的誕生得益于多毛細管X光透鏡的發(fā)展，此技術(shù)是由毛細管X光透鏡的發(fā)明者前蘇聯(lián)科學家Kumakhov團隊于1990年提出[7]。如圖1所示，為共聚焦X射線熒光分析裝置工作原理示意圖。在裝置的激發(fā)道放置一個會聚透鏡，用于會聚光源發(fā)出的發(fā)散X射線成微焦斑。在激發(fā)道常用的透鏡是多毛細管X光會聚透鏡(polycapillary focusing X-ray Lens, PFXRL)，有時也會采用單毛細管X光透鏡，Kirkpatrick-Baez鏡或者折射透鏡[8-10]。在探測道都是采用多毛細管X光平行束透鏡(polycapillary parallel X-ray lens, PPXRL)和探測器耦合，PPXRL存在一前焦點，能夠接收置于前焦點區(qū)域樣品的特征X射線光譜信號。PFXRL存在一后焦點，當PPXRL的前焦點和PFXRL后焦點重合，其重合區(qū)域稱為探測微元，只有置于探測微元區(qū)域的樣品才能夠被分析。為了得到樣品的三維X射線熒光分析結(jié)果，可以將樣品置于三維調(diào)節(jié)架相對于探測微元移動，探測微元對樣品待檢測區(qū)域進行逐點掃描，半導體探測器與電腦相連便可以獲得樣品的空間信息。共聚焦X射線熒光裝置可以開展三維共聚焦X射線熒光光譜分析(three-dimensional micro X-ray fluorescence, 3D-XRF)，三維共聚焦X射線衍射分析(three-dimensional micro X-ray diffraction, 3D-XRD)，三維共聚焦X射線散射分析(three-dimensional micro X-ray diffraction scattering, 3D-XRC)和共聚焦X射線成像[1, 11-14]。

探測微元形狀近似于橢球體，如圖1所示，其尺寸通常采用水平方向直徑X，Y和垂直方向直徑Z所表征。探測微元的尺寸是共聚焦X射線熒光裝置的重要性能參數(shù)，對樣品的分析結(jié)果有著決定性的影響。在共聚焦X射線熒光分析裝置用于對樣品進行3D-XRF分析時，探測微元的尺寸決定分析結(jié)果的空間分辨率。2013年，彭松等利用共聚焦X射線熒光裝置測量了材料鍍膜的厚度，在此研究中，共聚焦裝置的探測微元尺寸為材料鍍膜厚度測量的前提條件[4]。2014年，Sun等采用3D-XRD技術(shù)測量多晶材料的晶粒尺寸，利用該方法測量晶粒尺寸的下限由裝置的探測微元尺寸所決定[15]。在共聚焦X射線熒光分析技術(shù)用于樣品元素定量分析時，探測微元內(nèi)樣品的吸收效應(yīng)是必須考慮的因素[16]。因此，精確測量共聚焦X射線熒光裝置探測微元的尺寸對于其應(yīng)用是非常重要的。目前，通常采用金屬細絲或金屬薄膜通過刀口掃描的方法測量譜儀探測微元尺寸[17]。為了使金屬細絲可以精確地從三個維度測量探測微元尺寸，金屬細絲直徑要小于探測微元尺寸。金屬細絲和探測微元都是數(shù)十微米級別的尺寸大小，很難把金屬靠近探測微元。為了得到探測微元在不同X射線能量下尺寸變化曲線，要采用多種金屬細絲測量。因此，采用金屬細絲比較耗費時間。采用金屬薄膜可以很方便地測量探測微元的深度分辨率Z，但是當測量水平分辨率X,Y時，由于金屬薄膜與PPXRL接收方向平行，而難以準確測量。本文提出一種基于由多個細金屬絲平行粘貼在平整紙板所構(gòu)成特殊樣品用于快速測量共聚焦X射線熒光裝置探測微元尺寸的方法。

圖1 共聚焦X射線分析裝置示意圖

1 實驗部分

1.1 裝置

如圖1所示為共聚焦X射線分析裝置示意圖，在裝置激發(fā)道，PFXRL用于會聚由X射光管發(fā)出的發(fā)散X射線至其后焦點處。裝置所用X射線光源為鉬靶微焦斑光源(XTG UltraBright Microfocus X-ray Source, Oxford, USA)，光源在20 kV工作電壓下焦斑大小為16.5 μm，最大工作功率為50 W。實驗中所用PFXRL長度、前焦距和后焦距分別為52.9，57.4和16.4 mm。在探測道所用的X射線硅漂移探測器(silicon drift detector, SDD)能量分辨率為145 eV(5.9 keV)。實驗中所用PPXRL的長度和前焦距分別為18.4和14.9 mm。如裝置示意圖所示，PFXRL與PPXRL中軸線處于與地面垂直平面內(nèi)，并且相互垂直處于共聚焦狀態(tài)，在進行樣品分析時透鏡及其所形成的探測微元保持靜止，樣品相對探測微元運動。帶動樣品相對探測微元做三維掃描的為電動樣品調(diào)節(jié)平臺(DS102 Series, SURUGA SEIKI, Japan)。電動樣品平移臺由三個步進電機組成，通過控制器與電腦連接。步進電機的最小步距為0.5 μm。此外，我們實驗室使用Delphi語言為電動樣品臺編寫了自動控制軟件，可以實現(xiàn)特定區(qū)域的自動掃描。一臺焦距可調(diào)節(jié)的顯微攝像機放置在電動平移臺上方，用于觀察探測微元在樣品的位置。顯微攝像機和電腦相連接，視野中十字叉絲中心為探測微元位置。

1.2 樣品

圖2(a)是本實驗中用于共聚焦X射線分析裝置探測微元尺寸測量而制作的樣品。樣品主要包括三部分：樣品架，平整紙板和金屬細絲。金屬細絲拉直使用透明膠帶粘在平整的紙板表面，帶有金屬細絲的平整紙板固定在樣品架上。由于探測微元尺寸隨X射線能量變化，為了得到探測微元尺寸隨能量變化曲線，實驗中使用不同金屬細絲：鈦，鉻，鐵，鎳，銅和鋯。金屬細絲直徑約為20 μm。

圖2 (a)探測微元測量所用特制樣品；(b)鐵金屬細絲顯微鏡照片

2 結(jié)果與討論

在使用刀口掃描方法測量探測微元尺寸前，需要將金屬細絲放置在探測微元附近。常規(guī)只使用金屬細絲，即使有攝像機輔助，將幾十微米的細絲放置在直徑幾十微米大小的探測微元附近也非常耗費時間。本實驗采用特制樣品，可先令附有金屬細絲的平整紙板向探測微元移動。當SDD接收到如圖3(b)所示帶有鈣元素特征光譜信號時(紙張中含有鈣元素)，說明探測微元位于平整紙板的表面。帶有金屬細絲的平整紙板垂直于兩個透鏡中軸線所確定平面，因此金屬細絲和探測微元位于水平平面。移動金屬細絲靠近探測微元，當SDD出現(xiàn)如圖3(d)所示同時含有鈣元素和鐵元素特征譜線時，說明金屬細絲已靠近探測微元。

圖3 調(diào)節(jié)探測微元至金屬細絲附近

共聚焦X射線分析裝置探測微元形狀類似橢球體，其光強分布沿各個軸向為高斯分布[18]。探測微元的尺寸定義為沿X，Y和Z軸方向光強強度高斯分布曲線半高寬(full width at half maximum, FWHM)，使用金屬細絲采用刀口掃描的方法可以獲得。探測微元尺寸與掃描曲線FWHM存在如式(1)關(guān)系[19]

(1)

式(1)中，Df為探測微元直徑，Dm為金屬細絲直徑。如圖4所示，為了獲得Y-Z平面探測微元光強分布，金屬細絲與X軸方向平行，沿圖中所示之字形路徑逐點掃描。本實驗中，X光源工作電壓為30 kV，電流為100 μA。電動樣品平移臺步進電機步距為5 μm。每個點測量時間為5 s。金屬細絲每掃描一個點，控制電腦都會存儲此點的坐標和SDD所獲得的光譜數(shù)據(jù)。如圖5為使用直徑為20 μm金屬銅細絲平行X軸掃描探測微元Y-Z平面而獲得的Cu-Kα光譜強度分布。通過焦斑中心Y和Z軸方向銅細絲刀口掃描曲線半高寬對應(yīng)著探測微元Y和Z方向直徑。根據(jù)圖5所示數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知，在入射X射線能量為8.04 keV時，Y和Z方向掃描曲線FWHM分別為48.7和57.9 μm，通過式(1)計算可得探測微元Y和Z方向直徑分別為44.4和54.3 μm。同理，令金屬細絲平行于Y軸掃描可以獲得圖6所示結(jié)果。根據(jù)圖6所示結(jié)果，探測微元Y和Z方向直徑分別為44.4和54.3 μm。

圖4 金屬細絲掃描探測微元路徑

圖5 銅金屬細絲探測微元Y-Z二維掃描Cu-Kα強度分布

圖6 銅金屬細絲探測微元X-Z二維掃描Cu-Kα強度分布

探測微元的尺寸是隨X射線入射能量變化的。本實驗為了獲得探測微元尺寸隨能量變化曲線，使用了鈦，鉻，鐵，鎳，銅和鋯金屬細絲，金屬細絲直徑均約為20 μm。為了增加測量效率，不同的金屬細絲以一定的間隔平行地粘在平整紙板上。使用實驗室編寫的自動掃描程序，只需要兩次掃描便可以獲得如圖7所示探測微元尺寸隨入射X射線能量變化曲線。探測微元在X，Y和Z軸方向尺寸，在4.5～15.7 keV能量范圍內(nèi)，變化分別為68.4～38.7，65.3～36.2和82.6～43.5 μm。探測微元尺寸隨X射線能量增大而減小，原因是入射X射線全反射臨界角隨X射線能量增大而減小[20]。

圖7 探測微元X, Y和Z方向上尺寸隨入射X射線能量變化曲線

3 結(jié) 論

提出一種采用粘貼在平整紙板上的金屬細絲測量共聚焦X射線分析裝置探測微元尺寸的方法。與常規(guī)方法相比，該方法一方面能夠快速將金屬絲置于探測微元附近，另一方面，通過兩次掃描便能夠得到探測微元尺寸隨X射線能量變化曲線，簡化了測量流程，提升了測量效率。探測微元尺寸快速有效的測量為其廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。