Al窗Ag靶微型透射式X射线管模拟与性能分析

微型透射式X射线管广泛应用于能量色散X射线荧光分析领域,具有体积小、功耗低、X射线发射效率高等特点,可作为手持式X射线荧光分析仪器的激发源。目前常用铍(Be)作为出射窗材料,成本高,而且有毒性。同时为减少低能散射射线,在射线管前端放置铝(Al)作为过滤窗。本文拟采用Al为微型透射式X射线管出射窗材料,透射高能射线,屏蔽低能散射射线,降低制作成本和难度。文中采用蒙特卡洛模拟软件MCNP5模拟计算不同银(Ag)靶厚度和Al窗厚度的X射线管输出谱。结果表明,Al窗对低能射线的屏蔽作用强于对高能射线的屏蔽作用,在Al窗厚度超过1.5 mm时,低能射线完全被屏蔽,高能射线有部分透射。通过和已有研究成果[1,5]对比分析,在Ag靶厚度为2 μm,Al窗厚度为0.8 mm时,低能射线所占的比例仅为0.087 8%,高能射线产生率为0.002 73%,既能有效屏蔽低能射线,又能保证高能射线较高的出射率,能够满足野外现场能量色散 X射线荧光分析的需要。     

微型X射线管出射谱特征研究及Be窗厚度确定

微型X射线管已广泛应用于现场元素分析、放射性医疗等领域,对于微型X射线管铍窗,普遍认为除保证管内真空外,应越薄越好。采用蒙特卡洛方法,模拟了从50～500 μm范围内共13个Be窗厚度的微型X射线管出射X射线谱。按照在应用中的作用,将出射X射线划分为不同能量段进行分析。通过分析谱线特征,发现Be窗厚度应依据其应用要求合理选择。因此,提出了K系特征X射线与轫致辐射强度的比值和低能射线与激发射线计数比值等参量作为评价Be窗厚度最优化的判断依据。除上述评判指标外,铍窗的厚度最优化选择还应考虑Be窗对不同能量X射线的屏蔽效果。依据模拟结果分析,原位(现场)X射线能量色散荧光分析应用中,Be窗厚度约250 μm的微型X射线管最为合适。与50 μm铍窗厚度出射射线相比,71.66%低能原级X射线被屏蔽,5~50 keV能量原级X射线仅有21.31%被屏蔽,低能射线强度占总X射线比值小于10%,且K系X射线占激发射线的比例仍保持较高的水平。因此,采用250 μm铍窗厚度的微型X射线管作为能量色散激发源,能保证探测器探测的有效信号比值较高,低能X射线对探测器的能量分辨率的影响最小,而且能量色散分析谱线的散射本底相对强度处于较低的水平,从而保证元素分析结果精准度。对于放射性治疗的应用中,则铍窗厚度越薄越好,此时,低能X射线具有较高的通量,能保证辐射剂量在治疗组织中剂量的集中。     

掠发射X射线荧光强度的实验研究

文章探讨掠发射 X射线荧光强度与 X射线管阳极高压的关系。依据实验结果 ,掠发射 X射线荧光强度随 X射线管阳极高压的增大而增加 ,因此采用高的 X射线管阳极高压 ,有利于减小 X射线荧光的测量时间 ,提高掠发射 X射线荧光分析的速度     

微通道板2.0～5.5 keV X射线透过率标定

 在北京同步辐射3B3中能X射线束线2.0~5.5 keV能段对微通道板(MCP)透过率进行了测量标定。实验表明,MCP在2.0 keV的低能段处和5.5 keV的高能段处的透过率较高,而中段较低。对MCP透射和X光在MCP毛细导管列阵中的全反射两种机制进行了物理建模,分别计算验证。结果发现:X光在毛细导管内掠入射会产生全反射,且能段越低反射率越高;MCP透过率特性正是MCP特殊的结构和材料造成的,为透射和反射两种机制共同贡献的结果,低能端主要来自X光在毛细导管中的全反射贡献,高能端主要来自透射贡献。     

杂质元素特征X射线对氢气放电源打靶新谱线的影响

 在氢气放电源打靶的实验中,测到了系列能量恒定不变的低能X射线新谱线,这些新谱线的能量分别为(1.70±0.10) keV, (2.25±0.07) keV,(2.56±0.08) keV,(3.25±0.10) keV和（3.62±0.11） keV,与Si,Ta,S,Cl,K和Ca等元素的特征X射线能量相近,但靶中所含的杂质或来自放电室的杂质元素可能会产生这些能量的X射线谱峰,证实新谱线是否由这些元素的特征X射线干扰所致显得尤为重要。分析了本实验系统中各种杂质的可能来源,论证了放电室端杂质对新谱线的影响,及靶材料中体杂质和面杂质对新谱线的影响;用X射线光电子能谱仪对靶做了表面分析。研究结果表明：杂质元素的特征X射线不会对氢气放电源打靶产生的新谱线有影响。这些新谱线的性质有待进一步的实验研究。     

偏振X射线荧光系统测量痕量Cd元素的Geant4模拟研究

通过传统能量色散X射线荧光分析(EDXRF)对Cd元素进行痕量分析时,X光管发出的原级轫致辐射连续谱对Cd元素的分析具有严重的影响。为了减弱原级X射线对测量结果的影响,通过Geant4程序包模拟不同几何尺寸下偏振激发X射线荧光分析(P-EDXRF)中荧光靶的结构,研究其在减弱测量过程中原级X射线轫致辐射连续谱的影响。为了提高模拟效率,本文分三步进行模拟。第一步模拟不同管电压下电子打靶过程,得到不同管压下的X光管原级能谱。第二步针对Cd元素的痕量分析设置不同种类、不同几何条件的Te及BaSO₄作为荧光靶材料进行模拟。结果表明在使用K_α1能量(27.468 keV)与Cd元素吸收限26.711 keV最为接近的Te作为荧光靶材料时,随着Te靶厚度增加Te元素的特征峰强度在100 μm前快速增长,在150 μm后趋于稳定。而其信噪比(SNR)在80 μm到达最大值21.434。继续增加厚度由于荧光靶材料的自吸收作用SNR开始有些许下降,达到饱和吸收厚度后稳定。在不同应用场景时荧光靶选材应有不同,对于测量时间没有限制的条件下,应选择荧光强度更大的荧光靶厚度。而对于测量时间相对较短的条件下,则应该选择SNR更大的荧光靶厚度。第三步模拟通过荧光靶后的出射能谱激发含0.01%Cd的样品,经过Te靶后的出射能谱激发样品,得到Cd元素K_α1峰背比为8.28。相较于直接通过原级谱激发样品,Cd元素K_α1峰背比为2.29,其峰背比明显提高但Te元素的散射峰对Cd元素K_α1峰仍然有所影响。选用特征X射线能量与Cd元素K_α1相距更远的BaSO₄作为荧光靶材料,可减弱由于样品中的基体轻元素的散射作用而引起目标元素的峰背比降低情况,可将Cd元素K_α1峰背比提高至14.179。通过增大X光管管电压可进一步提高激发效果,在管电压为70 kV时对于Cd元素有最佳激发效果,峰背比为21.431。     

能量色散X荧光分析中元素间效应的蒙特卡罗模拟

针对能量色散X荧光分析(EDXRF)技术中元素间效应实验研究的难点问题,采用蒙特卡罗方法对基于Si（PIN）探测器的EDXRF系统建立模拟模型,并对模拟微束软X射线注量谱建立了高斯展宽算法。对Fe-Ni样品进行模拟计算,表明经该算法展宽后的注量谱与实测K系特征X射线谱吻合度较高,并得到了各元素特征X射线归一计数与元素含量关系曲线,结果表明该方法可自行校正EDXRF中元素间效应,获得准确的元素K系特征X射线谱理论强度。     

衍射分析用的X射线管谱线纯度的定量测定

本文提出了衍射分析用的X射线管谱线纯度的定量测定方法。在国产衍射仪上用石英单晶作分光晶体进行展谱测定。实验测得的各种波长X射线的强度应还原为X射线管窗口处的出射强度。对影响强度的各种因素作了详细的理论分析,给出了对应于不同靶、不同杂质元素的强度还原换算因子表。X射线管阳极靶元素主特征谱线强度用铜或铝吸收箔进行衰减,以避免计数损失造成的误差。用这一方法,对许多X射线管进行了测定。 关键词：     

X射线管激发X荧光光谱连续本底扣除方法研究

X射线管是目前X射线荧光光谱分析中最常采用的激发源,它所产生的原级谱成为了X荧光光谱中本底成分的主要来源,在对这种光谱进行进一步的分析处理之前需要对其本底进行扣除,对本底估计的准确性直接影响后续处理步骤的效果。对射线管激发X荧光光谱的成分进行了分析,针对其本底特点构造了一种本底强度的估计方法,并根据实测谱线构建了理论测试谱线以便对光谱处理算法的效果进行评价。该方法利用测得X射线荧光光谱中不包含特征峰的谱段对X射线管原级谱造成的本底成分进行估计,使用只包含连续本底的谱段对整个测量谱段进行插值,从而避免了谱线特征峰重叠或对半高宽估计不当时所产生的影响。利用构建的测试光谱对SNIP法、傅里叶变换法和本文的本底估计方法的使用效果进行了比较,使用该方法估计的本底与理论本底更加接近。结果表明使用的方法对X射线管激发的X荧光光谱的本底估计准确,可以采用这种方法对连续本底进行扣除,在对实际测得的X射线荧光光谱的本底扣除中取得了较好的应用效果。     

强流二极管产生大面积脉冲X射线参数计算

利用二极管的电压电流波形计算了电子束参数,建立了串级二极管和四路并联二极管阳极靶蒙特卡罗粒子输运计算模型,给出了两种情况下轫致辐射X射线场参数。结果表明:阳极靶厚度增加时,轫致辐射X射线平均能量增大,而能量转换效率先增大,后减小;距离串级二极管和四路并联二极管阳极靶5cm位置处,X射线注量分别为76.50,3.74mJ/cm2;光子平均能量分别为81.13,60.77keV;半径为12cm的圆面上,串级二极管X射线剂量呈马鞍形分布,均匀性为1.70∶1;边长为52cm的正方形平面上,四路并联二极管X射线剂量均匀性小于6.30∶1;电子束轫致辐射转换效率分别为0.29%,0.32%。     

微型X射线管靶材厚度理论计算与出射光谱模拟研究

根据端窗透射微型X射线管阳极靶的结构,建立了数理模型,讨论了电子束打靶的平均厚度与光管高压的关系,得到了X光管出射特征光谱强度的角度分布特征。同时利用Monte Carlo方法,对出射光谱在2π方向上的强度分布特征开展模拟研究。结果表明,微型X射线管阳极靶材平均厚度在2 μm左右,在与入射电子束垂直方向几度的范围内获得的出射光谱其单色性较好。这些结论对于微型X射线管的结构设计和出射光谱单色化应用具有一定的理论指导意义。     

Improvements of the low‐energy performance of a micro‐focus x‐ray source for XRF analysis with the SEM

X‐ray Fluorescence (XRF) with a scanning electron microscope (SEM) is a valuable completion of the analytical capabilities of SEMs. Small and compact micro‐focus x‐ray sources are mounted to the microscope chamber, and the x‐ray spectra are monitored with conventional EDS systems. Up to now the x‐ray tubes used for the micro‐focus x‐ray sources are equipped with beryllium windows about 100 µm thick. The poly‐capillary x‐ray lenses have their transmission maximum at photon energies around 10 keV. It drops down in both low‐ and high‐energy ranges. Hence, L‐radiation from an Mo or Rh target will be strongly attenuated, and the excitation of fluorescence in the soft x‐ray range becomes very ineffective. A new micro‐focus x‐ray source was developed. It is characterised by a lower self‐absorption in the tube target, thin beryllium windows and an x‐ray optics having a large distance between its foci and the maximum of transmission at about 5 keV. Thus K line fluorescence of light elements becomes effectively excited by the L‐radiation from Mo or Rh tube targets. The detection limit for sodium oxide in glass was found to be below 1 mass%. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

Influence of Polarization of Exciting X-Radiation on Sensitivity of Energy Dispersive X-Ray Fluorescence Trace Analysis at Rocks and Soils

The application of polarized X-rays in energy dispersive X-ray fluorescence analysis (EDXRF) is prooved to be one method for improvement the sensitivity of trace analysis at rock- and soil-samples. The use of a high power X-ray tube in connection with an amorphous Barkla-scattering target for polarization makes possible the increase of peak-to-background ratios in a wide energy range (5 keV < E < 40 keV) in comparison to direct excitation. The influence of the polarization on the peak-to-background ratios at trace analysis at geological samples will be shown.     

Studying the energy dependence of intrinsic conversion efficiency of single crystal scintillators under X-ray excitation

Single crystal scintilators are used in various radiation detectors applications. The efficiency of the crystal can be determined by the Detector Optical Gain (DOG) defined as the ratio of the emitted optical photon flux over the incident radiation photons flux. A parameter affecting DOG is the intrinsic conversion efficiency (n _C ) giving the percentage of the X-ray photon power converted to optical photon power. n _C is considered a constant value for X-ray energies in the order of keV although a non-proportional behavior has been reported. In this work an analytical model, has been utilized to single crystals scintillators GSO:Ce, LSO:Ce and LYSO:Ce to examine whether the intrinsic conversion efficiency shows non proportional behavior under X-ray excitation. DOG was theoretically calculated as a function of the incident X-ray spectrum, the X-ray absorption efficiency, the energy of the produced optical photons and the light transmission efficiency. The theoretical DOG values were compared with experimental data obtained by irradiating the crystals with X-rays at tube voltages from 50 to 140 kV and by measuring the light energy flux emitted from the irradiated screen. An initial value for n _C (calculated from literature data) was assumed for the X-ray tube voltage of 50 kV. For higher X-ray tube voltages the optical photon propagation phenomena was assumed constant and any deviations between experimental and theoretical data were associated with changes in the intrinsic conversion efficiency. The experimental errors were below 7% for each experimental setup. The behavior of n _C values for LSO:Ce and LYSO:Ce were found very similar, i.e., ranging with values from 0.089 at 50 kV to 0.015 at 140 kV, while for GSO:Ce, n _C demonstrated a peak at 80 kV.     

微通道板选通X射线纳秒分幅相机的研制

设计并研制了一种新的微通道板选通X射线纳秒分幅相机,相机系统由带有行波选通微带光电阴极的近贴聚焦分幅变像管、电控单元、针孔安装和调节系统及真空系统组成.电控单元提供相机上作需要的直流电压和脉冲开关电雎.输出图像山采用光纤面板耦合到荧光屏的CCD相机读出.采用厚50 mm的Au作为变像管光电阴极,相机谱响应范围0.1～10 keV.可获得八幅分幅图像,每幅曝光时间1 ns,2 ns和5.0 ns三档可调,像幅时间间隔分2 ns、5 ns和10 ns 三档可调.相机动态空间分辨力优于18 lp/mm,触发晃动小于100 ps,时间抖动小于5%.并可实现远距离监视、控制和数据采集.对相机静态特性和动态特性的实验标定及应用现场所获得的实验结果均表明,相机上作性能稳定,具有几何畸变小、动态范围大等特点,满足 Z-箍缩实验研究的需要.     

Properties of a Miniature X-Ray Source

A miniature X-ray source, based on a small vacuum discharge, is studied. It was designed to be of small size and low cost. The electrical characteristics are given. Evidence of pinches is shown even with kiloampere pulses. The size and the reproducibility of the source are estimated by radiography: the source diameter and its excursion are certainly smaller than 50 ?m. The total energy scales as V4 and is independent of Z, the anode atomic number. The spectrum is studied by the absorption method. The temperature varies in the range 7-10 keV.