一种弧形探测器机构及X射线衍射-荧光谱仪

技术领域

本申请涉及光谱分析技术领域，尤其涉及一种弧形探测器机构及X射线衍射-荧光谱仪。

背景技术

对样品的微观组织结构进行测试分析的过程中，通常需利用光谱仪器，以获得样品的光谱信息，通过对光谱信息的分析以获得样品的微观组织结构。

然而，现有光谱仪器所使用的探测装置中通常使探测器呈平面分布，不具备能量分辨能力，同时，探测器的设置数量相对较多，造成探测装置成本增加。

发明内容

本申请提供了一种弧形探测器机构及X射线衍射-荧光谱仪，以具备能量分辨能力，同时减少单点硅漂移探测器单元的使用数量，降低弧形探测器机构的成本。

本申请提供了一种弧形探测器机构，包括圆弧板及探测器阵列；

所述探测器阵列安装于所述圆弧板的凹面；

所述探测器阵列包括多个探测器子阵列，所述多个探测器子阵列环绕所述圆弧板的轴线依次排列设置，所述探测器子阵列包括多个单点硅漂移探测器单元。

在一些可能的实施方式中，同一所述探测器子阵列中的所述多个单点硅漂移探测器单元沿所述圆弧板的轴向呈线性分布。

在一些可能的实施方式中，所述弧形探测器机构还包括驱动件及连接臂，所述连接臂的一端连接于所述驱动件的输出轴，所述连接臂的另一端与所述圆弧板连接；

所述驱动件用于驱动所述连接臂运动，以带动所述圆弧板绕其自身的轴线转动。

另外，本申请还提供了一种X射线衍射-荧光谱仪，包括如上各实施方式中提供的所述弧形探测器机构。

在一些可能的实施方式中，所述X射线衍射-荧光谱仪还包括光源机构和载物机构；

所述光源机构用于提供微米级白光X射线；

所述载物机构位于所述光源机构的出射端，所述载物机构用于承载测试样品并配置为使所述测试样品位于所述光源机构的光轴上；

所述圆弧板的凹面朝向所述载物机构。

在一些可能的实施方式中，所述弧形探测器机构包括N个单点硅漂移探测器单元，

其中，r为圆弧板的半径，θ为所述微米级白光X射线在所述测试样品发生衍射时的最大衍射角，d为所述单点硅漂移探测器单元的直径。

在一些可能的实施方式中，所述光源机构包括沿所述光轴依次设置的X射线源和聚焦镜，所述聚焦镜靠近所述载物机构设置；

所述X射线源用于提供白光X射线，所述聚焦镜用于在垂直方向和水平方向对所述白光X射线进行聚焦。

在一些可能的实施方式中，所述聚焦镜远离所述载物机构的一端连接有闸板阀，所述闸板阀用于控制所述聚焦镜远离所述载物机构一端的通断。

在一些可能的实施方式中，所述载物机构包括四圆衍射仪、滑台模组以及承载板，所述滑台模组安装于所述四圆衍射仪上，所述承载板安装于所述滑台模组上，所述承载板用于承载所述测试样品。

在一些可能的实施方式中，所述滑台模组包括第一滑台和第二滑台，所述第二滑台安装于所述第一滑台中的滑块上，所述承载板安装于所述第二滑台中的滑块上；

所述第一滑台中滑块的滑动方向垂直于所述第二滑台中滑块的滑动方向。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了传统的平面分布的探测器阵列使用过程中的尺寸标注示意图；

图2示出了一些实施例中X射线衍射-荧光谱仪的结构示意图；

图3示出了一些实施例中弧形探测器机构的结构示意图；

图4示出了一些实施例中载物机构的结构示意图；

图5示出了本申请中X射线衍射-荧光谱仪使用过程中的尺寸标注示意图；

图6示出了本申请最大衍射角为40°时本申请弧形探测器机构所需单点硅漂移探测器单元数量与传统的平面分布的探测器阵列单元数量的曲线示意图。

主要元件符号说明：

100-弧形探测器机构；110-圆弧板；111-第一侧边；112-第二侧边；120-探测器阵列；121-探测器子阵列；1211-单点硅漂移探测器单元；131-支架；132-转动轴；133-连接臂；

200-光源机构；210-X射线源；220-聚焦镜；231-闸板阀；232-接收管道；

300-载物机构；310-四圆衍射仪；320-滑台模组；321-第一滑台；322-第二滑台；330-承载板；

400-测试样品。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图2和图5所示，建立笛卡尔坐标系，定义X射线衍射-荧光谱仪的长度方向平行于x轴所示方向，X射线衍射-荧光谱仪的宽度方向平行于y轴所示方向，X射线衍射-荧光谱仪的高度方向平行于z轴所示方向。可以理解的是，以上定义仅是为了便于理解X射线衍射-荧光谱仪中各部分的相对位置关系，不应理解为对本申请的限制。

实施例中提供了一种X射线衍射-荧光谱仪可用获取测试样品400的光谱信息，进而获得测试样品400的微观组织结构分布，包括但不限于测试样品400的晶粒取向分布、应力分布、晶界分布等。

如图2所示，X射线衍射-荧光谱仪可包括光源机构200、载物机构300和弧形探测器机构100。

其中，光源机构200可用于提供微米级白光X射线。载物机构300可设置于光源机构200的出射端，载物机构300可用于承载测试样品400，并可使测试样品400位于光源机构200的光轴上。从而，光源机构200所产生的微米级白光X射线可顺利投射向测试样品400，以产生衍射。在一些实施例中，微米级白光X射线在测试样品400上可发生布拉格衍射。

再一并结合图3，弧形探测器机构100可包括圆弧板110及探测器阵列120。其中，圆弧板110可用作探测器阵列120的安装载体，探测器阵列120可安装于圆弧板110的凹面。另外，圆弧板110的凹面可朝向载物机构300。相应地，探测器阵列120也可朝向载物机构300，以便获取测试样品400的衍射光线。

在一些实施例中，探测器阵列120可包括多个探测器子阵列121，多个探测器子阵列121可环绕圆弧板110的轴线依次设置。可以理解的是，圆弧板110的轴线可指圆弧板110所在圆柱面的轴线。另外，每一探测器子阵列121均可包括多个单点硅漂移探测器单元1211，每一单点硅漂移探测器单元1211可作为一像素点。

使用过程中，光源机构200可向载物机构300提供微米级白光X射线，并使微米级白光X射线投射向载物机构300上的测试样品400。当微米级白光X射线投射向测试样品400时可发生布拉格衍射，并产生相应的衍射光线，弧形探测器机构100可用于获取测试样品400所产生的衍射光线，以形成测试样品的光谱信息。实施例中，本申请提供的弧形探测器机构100可具有能量分辨能力，通过弧形分布的弧形探测器机构100可使获取的光谱信息清晰的区分出测试样品400的衍射信号和荧光信号，进而获得测试样品400的衍射光谱和荧光光谱，同时，可提高衍射信号和荧光信号的灵敏度及信噪比，使获取一个信噪比较好的完整数据所需的时间大幅缩短。

如图1所示，现有传统探测机构阵列通常沿二维平面进行布设。而本实施例中的探测器阵列120呈现为弧形分布，可明显缩减弧形探测器机构100中单点硅漂移探测器单元1211的设置数量，进而，可减少弧形探测器机构100的投入成本，同时，也可减少X射线衍射-荧光谱仪的成本，实现降本效果。

如图6所示，以最大衍射角40°为例，本实施例中提供的弧形探测器机构100相对于传统探测器阵列，可明显缩减单点硅漂移探测器单元1211的设置数量，以降低弧形探测器机构100的投入成本。

如图2所示，进一步地，在一些实施例中，光源机构200可包括X射线源210和聚焦镜220。X射线源210和聚焦镜220可沿光轴依次设置。聚焦镜220可靠近载物机构300设置，且聚焦镜220的输出端可作为光源机构200的出射端。载物机构300可设置于聚焦镜220远离X射线源210的一侧。即，光源机构200所产生的微米级白光X射线可从聚焦镜220远离X射线源210的一端出射，并投射向载物机构300上的测试样品400。

在一些实施例中，X射线源210可选用同步辐射光源，可利用电子束在二极铁磁场作用下改变运动转向，并同时发出同步辐射光，以获得白光X射线。

聚焦镜220用于对白光X射线进行水平方向和垂直方向的聚焦处理，以获得微米级白光X射线。白光X射线经过聚焦镜220后可形成微米级白光X射线。

如图2所示，聚焦镜220远离载物机构300的一端还连接有接收管道232，可用于连接X射线源210，以承接X射线源210发出的白光X射线。

另外，接收管道232远离聚焦镜220的一端可安装有闸板阀231，可用于控制接收管道232的开关。在一些实施例中，闸板阀231可选用冲击型电磁阀，其标准电压为24VDC。可以理解的是，当闸板阀231断电时，闸板阀231可自动进行关闭。

工作过程中，聚焦镜220内部为真空环境。当X射线衍射-荧光谱仪出现故障时，可由闸板阀231断开聚焦镜220与外界的连通，以防止聚焦镜220中的真空环境被破坏。

如图2和图4所示，载物机构300包括四圆衍射仪310、滑台模组320以及承载板330。滑台模组320可安装于四圆衍射仪310上，承载板330可安装于滑台模组320上。其中，四圆衍射仪310可用于实现测试样品400的高精度定位。另外，承载板330可用于承载待测试的测试样品400。

滑台模组320可包括第一滑台321和第二滑台322。其中，第二滑台322可安装于第一滑台321的滑块上。承载板330可安装于第二滑台322的滑块上。实施例中，第一滑台321中滑块的滑动方向可垂直于第二滑台322中滑块的滑动方向。在一些实施例中，第一滑台321中滑块的滑动方向可平行于X射线衍射-荧光谱仪的长度方向，第二滑台322中滑块的滑动方向可平行于X射线衍射-荧光谱仪的宽度方向。

实施例中，滑台模组320可驱动承载板330在二维平面上移动，进而带动测试样品400在二维平面上移动，可使弧形探测器机构100可对测试样品400在该二维平面上的各部分进行精确扫描，以获取测试样品400扫描范围内的微观组织信息。

如图3所示，在一些实施例中，弧形探测器机构100还包括驱动件(图未示)和连接臂133。连接臂133的一端可与驱动件传动连接。圆弧板110可连接于连接臂133远离驱动件的一端。工作过程中，驱动件可用于驱动连接臂133转动，以带动圆弧板110绕其自身的轴线进行转动，以调整探测器阵列120的扫描角度。

实施例中，弧形探测器机构100还包括支架131和转动轴132。其中，支架131可固定安装于地面或桌面等作业台面上。沿X射线衍射-荧光谱仪的宽度方向，支架131可位于载物机构300的一侧。在一些实施例中，驱动件可安装于支架131远离载物机构300的一侧。

当然，在另一些实施例中，驱动件也可设置于支架131的内部。

转动轴132可转动安装于支架131远离作业台面的一端，即转动轴132可相对于支架131进行转动。在一些实施例中，转动轴132可平行于X射线衍射-荧光谱仪的宽度方向。连接臂133的一端可固定连接于转动轴132，连接臂133远离转动轴132的一端可与圆弧板110固定连接。

当转动轴132相对于支架131转动时，可带动圆弧板110同步进行转动。可以理解的是，圆弧板110的转动轴线可与转动轴132的轴线同轴。

在一些实施例中，驱动件可选用电机。转动轴132可与驱动件的输出轴同轴设置，且转动轴132的一端可与驱动件的输出轴之间通过联轴器传动连接。从而，可由驱动件驱动转动轴132进行转动。

在另一些实施例中，转动轴132可与驱动件的输出轴错位设置，相应地，转动轴132与驱动件的输出轴之间还可通过齿轮箱等传动结构进行传动连接。

如图2所示，圆弧板110可包括相对的第一侧边111和第二侧边112，第一侧边111和第二侧边112均平行于圆弧板110的轴向。当圆弧板110的凹面朝向承载板330，且大致面向光源机构200的出射端时，第二侧边112可位于第一侧边111靠近光源机构200的一侧。测试过程中，可使测试样品400发生衍射时的法线位于微米级白光X射线与第一侧边111之间，以确保弧形探测器机构100所接收的光线均来源于测试样品400表面。

如图3所示，在一些实施例中，同一探测器子阵列121中的多个单点硅漂移探测器单元1211可沿圆弧板110的轴向呈线性分布，且各探测器子阵列121相互平行。从而，可实现探测器子阵列121的模块化，方便封装及布线，降低弧形探测器机构100的加工难度，也可进一步降低弧形探测器机构100的投入成本。实施例中，单点硅漂移探测器单元1211可具有较强的能量分辨能力，大幅度提升了弧形探测器机构100接收到的光通量，从而使衍射效率相比传统衍射实验装置提高了数个量级。

当然，在另一些实施例中，同一探测器子阵列121中的多个单点硅漂移探测器单元1211还呈现为非线性分布，例如沿弧形、不规则曲线、不规则折线等形状进行分布。

再一并结合图5，在一些实施例中，弧形探测器机构100可包括N个单点硅漂移探测器单元1211，

其中，r可代表圆弧板110的半径，θ可代表微米级白光X射线在测试样品400发生衍射时的最大衍射角，d可代表单点硅漂移探测器单元1211的直径。

如图1所示，现有技术中，

可以理解的是，当测试样品400与传统探测机构之间的距离D与本实施例中圆弧板110的半径r接近时，传统探测机构所需的单点硅漂移探测器单元1211数量明显多于本申请弧形探测器机构100所需的单点硅漂移探测器单元1211数量。相应地，本申请提供的弧形探测器机构100与传统探测机构实现相同测试时，本申请所提供的弧形探测器机构100可明显缩减单点硅漂移探测器单元1211的设置数量，降低弧形探测器机构100的投入成本。

另外，本实施例中，通过三维分布的探测器阵列120对测试样品400的衍射光线进行采集，可清晰区分出测试样品400的衍射信号和荧光信号，获取测试样品400的衍射光谱和荧光光谱，同时，可提高衍射信号和荧光信号的灵敏度及信噪比，使获取一个信噪比较好的完整数据所需的时间大幅缩短。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。