共聚焦X射线荧光技术是一种无损的三维光谱分析技术, 在材料, 生物, 矿物样品分析, 考古, 证物溯源等领域具有广泛应用。 共聚焦X射线荧光谱仪的核心部件为两个多毛细管X光透镜。 一个为多毛细管X光会聚透镜(PFXRL), 其存在一后焦点, 作用是把X光管所发出的发散X射线会聚成几十微米大小的高增益焦斑。 另一透镜为多毛细管X光平行束透镜(PPXRL), 其存在一几十微米大小前焦点, 置于X射线能量探测器前端, 其作用是接收特定区域的X射线荧光信号。 在共聚焦X射线荧光谱仪中, PFXRL的后焦点与PPXRL的前焦点重合, 所形成的区域称作探测微元。 只有置于探测微元区域的样品能够被谱仪检测到, 使样品与探测微元相对移动, 逐点扫描, 便能够对样品进行三维无损的X射线分析。 探测微元的尺寸决定共聚焦X射线荧光谱仪的空间分辨率, 因此精确测量谱仪的探测微元的尺寸是非常重要的。 如图1所示, 谱仪探测微元可以近似为椭球体, 其尺寸可以用水平方向分辨率X, Y, 和深度分辨率Z表示。 目前, 常采用金属细丝或金属薄膜通过刀口扫描的方法测量谱仪探测微元尺寸。 为了精确的从三个维度测量探测微元尺寸, 金属细丝直径要小于探测微元尺寸。 金属细丝和探测微元都是数十微米级别的尺寸大小, 很难把金属靠近探测微元。 为了得到探测微元在不同X射线能量下尺寸变化曲线, 要采用多种金属细丝测量。 采用单个金属细丝依次测量比较耗费时间。 采用金属薄膜可以很方便地测量探测微元的深度分辨率Z, 但是当测量水平分辨率X, Y时, 难以准确测量。 为了解决以上谱仪探测微元测量中存在的问题, 本文提出采用多种金属丝平行粘贴在硬纸片上作为样品用于快速测量探测微元尺寸。 附有金属细丝的硬纸片靠近谱仪探测微元, 可以将探测微元置于硬纸片所在平面。 由于硬纸片与金属细丝在同一水平面, 在谱仪摄像头的协助下, 可以把金属细丝迅速的靠近探测微元。 靠近探测微元后, 在全自动三维样品台的协助下, 金属细丝沿两个方向对探测微元分别进行一次二维扫描。 通过对二维扫描数据的处理便可以获得探测微元尺寸随入射X射线能量变化曲线。 采用此方法对实验室所搭建的共聚焦X射线荧光谱仪的探测微元进行了测量。

X射线光源的焦斑尺寸和焦深对X射线光谱学, 尤其是对于微区X射线衍射与荧光分析等领域十分重要的参数。 如何高效而准确的表征这些参数对于X射线光源的应用和发展至关重要。 现有的光源参数表征方法, 尤其在表征微焦斑光源的参数时, 都存在自身的局限性。 锥形单玻璃管X射线聚焦镜是一种常用的X射线聚焦器件。 根据锥形单玻璃管X射线聚焦镜滤波特性和几何特点, 分析得到聚焦镜的聚焦光能量上限的大小受到光源焦斑尺寸的影响, 提出这个能量上限与光源尺寸和光源到聚焦镜入口的距离之间的数学关系。 设计了一种基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征X射线光源参数的方法。 对锥形单玻璃管X射线聚焦镜的参数进行测量和确定后, 将聚焦镜放置要测量的光源前, 与光源形成聚焦光路。 在光路准直并确保只有在聚焦镜内发生单次全反射的X射线射出聚焦镜的情况下, 通过改变聚焦镜与光源焦斑距离并利用能谱探测系统来探测聚焦光并得到多个对应的聚焦光能谱。 对所得能谱进行计算与分析, 得到各能谱中的能量最大值, 即聚焦光的能量上限。 利用聚焦光能量上限、 光源焦斑尺寸和光源到聚焦镜的距离之间的关系并结合线性拟合法, 可同时得到光源焦斑尺寸和焦深。 选用制造商给出焦斑尺寸约60 μm, 焦深为20 mm的微焦斑钼靶光源作为测量对象, 利用基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征方法测量的结果为焦斑尺寸为60.1 μm, 焦深为19.7 mm。 用小孔成像法表征该光源焦斑尺寸为60.3 μm, 焦深为20.1 mm。 相较于现有的方法, 基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征X射线光源参数方法对表征微焦斑光源有一定优势, 对表征高能X射线光源有潜在发展和利用价值。

针对常规珍珠检测方法需要检测者具有丰富的经验、 样品预处理、 破坏样品、 检测时间长等问题, 设计了一种基于X射线透射成像及荧光双模式的珍珠检测系统。 该系统首先通过在X射线透射成像系统上加入测厚系统, 引入样品厚度进行修正, 可以计算X射线在物质中的衰减系数, 这就使得对于X射线吸收相同, 厚度不同, 衰减系数相近的样品也可以分辨出来, 提高了成像系统的分辨, 通过大量样品的测量建立衰减系数阈值数据库, 根据衰减系数与阈值的对比, 实现不同仿珍珠之间、 珍珠与仿珍珠之间的鉴别; 然后利用衰减系数相近的淡水和海水珍珠Ca元素含量远大于Sr元素, 且淡水和海水珍珠中Sr含量不同, 可以使用Sr和Ca元素含量的比值不同来区分淡水和海水珍珠, 因此引入X射线荧光分析系统测量淡水和海水珍珠中Sr和Ca的荧光强度比, 通过大量样品测量计算区分淡水和海水珍珠的荧光强度比的阈值, 根据测量值和阈值的对比, 从而进行淡水和海水珍珠的鉴别。 引入测厚系统的X射线透射成像系统和X射线荧光检测系统协同运行, 构成了鉴定珍珠的双模式系统。 实验结果证明: 该双模式系统可以在不破坏样品的前提下对不同仿珍珠之间、 珍珠与仿珍珠、 淡水与海水珍珠之间进行鉴别。 该双模式检测系统在配合分拣系统后可以实现对大量样品的在线检测, 带有分拣系统的双模式检测系统在珠宝鉴定、 矿石检测、 石制地板检测等领域具有潜在应用。