專利名稱：：具有漸縮吸收擋圈的便攜式x射線熒光儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用于完成x射線熒光測(cè)量，同時(shí)防止人員暴露于危險(xiǎn)的周?chē)h(huán)境輻射水平下的方法^i史備。
背景技術(shù)：
：x射線熒光(XRF)儀測(cè)量材料的棒性，其通過(guò)用x射線或y射線照射材料并分析熒光輻射以確定具體的棒性。在處和所附權(quán)利要求中^^]的術(shù)語(yǔ)、射線"是指由輻射源或例如x射線管的裝置產(chǎn)生的輻射，并且其包括y射線在內(nèi)的所有形式的穿透性輻射。要確定的具^(guò)f爭(zhēng)性包4斜皮照射物的元素組成、或者在該物體近表面處的特定元素分布或該物體的密度或形態(tài)。XRF^Ot常具有準(zhǔn)直i16^^1^的屏蔽，使得才剁乍者不會(huì)受到不當(dāng)?shù)碾婋x輻射。例如，實(shí)驗(yàn)室XRF^if常要求^f乍者要完全覆蓋該儀器和樣品，使得只有極少的輻射t^人XRF儀中絲出來(lái)。便攜式XRF儀具有特別的凈謝屏蔽要求，因?yàn)樗鼈兊氖褂猛ǔＰ枰艈鬃髡咴谶M(jìn)布則量時(shí)手持儀器。周?chē)h(huán)境輻射水平是首要考慮因素。操作者和附近的人員決不能受到不當(dāng)水平的電離輻射。檢查房間鉛泰fr的XRF儀是本發(fā)明的M實(shí)施方式之一，并且提供了一個(gè)其需要的好例子。便攜式XRF^J見(jiàn)在成為用于房間涂刷后墻壁的鉛濃度定量確定的選擇。商業(yè)化的便攜式XRF鉛涂料儀^^]例如1C)9Cd和57Co的豸謝源或者x射線管產(chǎn)生激勵(lì)在涂刷后表面中鉛原子的熒光輻射。鉛所發(fā)熒光的特征X射線強(qiáng)度提供了對(duì)其濃度的測(cè)量并允i午一僉查者確定^^牛是否超出所確定的調(diào)整限制。各國(guó)所允許的環(huán)境凈謝水平不盡相同。美國(guó)規(guī)章對(duì)直接在儀器的X射線出口端后方的環(huán)境空間中的輻射水平進(jìn)行限制。特別關(guān)注的是可能存在操怍者的手和臉的地方。最少給予關(guān)注的是當(dāng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)在正在檢查的墻壁和操作者的手、胳脾和身體之間空間中的輻射水平。通過(guò)實(shí);^儀器自身中的屏蔽能夠滿足美國(guó)的摔謝限制。當(dāng)前歐洲的l謝限制明顯比美國(guó)的要嚴(yán)格。對(duì)于職業(yè)工作者可接受的輻射水平剩氐10倍，即，歐洲為lpSv/hr，美國(guó)為10|uSv/hr(jiSv/hr是百萬(wàn)分之一西弗特每小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)縮寫(xiě)，等于現(xiàn)在已廢止單位的1萬(wàn)分之一雷姆輻射的輻射水平)。jt。卜，對(duì)于本發(fā)明非常重要的是，法國(guó)要求XRF儀的4封^fii^表面10cm以內(nèi)的點(diǎn)不能^^過(guò)l|uSv/hr的水平。該要求a法通ittXRF儀內(nèi)部屏蔽來(lái)滿足的。商業(yè)化的手持x射線熒光儀在其前端具有輻射吸收材料。該吸收材^B殳計(jì)用于吸^^研究過(guò)程中直接來(lái)自專謝源但是沒(méi)有通過(guò)出口出去轟擊樣品的輻射。該吸收材料還吸收以前M的輻射，使得以前散射的輻射不會(huì)ii7v探測(cè)器并且不會(huì)擾舌UE在進(jìn)行的測(cè)量。但是，在儀器前端的該吸收材料無(wú)法防jL/人目標(biāo)某些地方且以不與儀器前端相交的方向形成的多次散射的輻射。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，提供了一種通過(guò)4賴者手持的熒光儀檢查測(cè)試材泮+組成的方法。該方法包i舌以下步-驟a、用穿逸1"生輻射照射該測(cè)^#料表面的照射區(qū)域；b、探測(cè)由該測(cè)試材料發(fā)出的熒光；和c、通過(guò)利用輻射屏蔽保護(hù)^^]者免受從該測(cè)^#料表面發(fā)出的電離輻射，其特征在于厚度隨著在基本平行于該測(cè)試材料表面的方向上距被照射區(qū)域的半徑距離增大而減小。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，保護(hù)^躺者的步驟可以包括利用從該測(cè)i^才料表面的故照射區(qū)域向夕卜延伸的輻射屏蔽來(lái)防護(hù)。5在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種測(cè)量測(cè)試材料組成的儀器。該儀器具有用于照射該測(cè)試材料的被照射區(qū)域的穿透性輻射源，和用于探測(cè)由該測(cè)試材料發(fā)出的熒光并產(chǎn)生探測(cè)器信號(hào)的探測(cè)器。該儀器還具有用于將該探測(cè)器信號(hào)轉(zhuǎn)化為表征該測(cè)試材料組成的光譜的控制器，和衰減材料的壓+反(platen),其特征在于厚度隨著在基本平行于該測(cè)試材料表面的方向上距被照射區(qū)域的半徑距離增大而減小。在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，該衰減材料可以是^皮聚合母體包裹的原子量大于45的材料。該衰減材料的壓板可以利用緊固件連接到該儀器，并可以從該儀器上拆卸，還可以包括彈l"生體的外層?？梢?^尺寸制作該衰減材料的壓4反，使得已經(jīng)同被照射表面相互作用多次的電離輻射在傳播到周?chē)h(huán)境之前就被該輻射屏蔽衰減了。該衰減材料的壓fe^度可以隨著距該被晤射區(qū)域的半^^巨離增大以比該半4效巨離的平方更快的比率減小。通過(guò)下面參考附圖的詳細(xì)說(shuō)明將更容易理解本發(fā)明前面的特征，其中圖1是在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中具有用于保護(hù)使用者免受從測(cè)^#品發(fā)出的電離輻射的漸縮輻射屏蔽的手持XRF儀的截面圖2是以其裝配到XRF儀分解形錄示的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的輻射屏蔽；圖3是圖2中輻射屏蔽的半徑的截面圖，示出了層疊的屏蔽結(jié)構(gòu)；和圖4是從允許在拐角中<^1]XRF的華謝屏蔽仰—彭見(jiàn)察的透視圖。M實(shí)施方式根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，正如參考圖1所示，使用擋圏形式的屏蔽，防止多次，的x射線A^巨離具有足夠強(qiáng)度的XRF儀較遠(yuǎn)的墻壁出射而超出調(diào)整限制。為了充分體會(huì)為何需要本發(fā)明以及是多么必須^~設(shè)計(jì)本發(fā)明，我們需要理解當(dāng)x射線^A材料并引起Compton^t射時(shí)產(chǎn)生的周?chē)h(huán)境輻射的來(lái)源。周?chē)h(huán)境輻射的物理學(xué)下面的+兌明特指用于鉛)^H"分析的XRF儀，但是，應(yīng)當(dāng)理解所提出的結(jié)論和所述發(fā)明可適用于廣泛的應(yīng)用群，特別是對(duì)土壤和可塑體的XRF分析。當(dāng)使用10.5keV和12.6keV的鉛的Lx射線用于該分析時(shí)，向鉛發(fā)熒光的x射線能量通常為20keV，當(dāng)4^]72.8keV和75keV的Kx射線用于該分析時(shí)，則向鉛發(fā)熒光的x射線能量高于88keV。在下面的i兌明中，我們將自我限制到22.2keV的用于激發(fā)L線(line)的發(fā)熒光能量(來(lái)自109Cd)和122keV的用于激發(fā)K線的發(fā)熒光能量(來(lái)自57Co)。但是，應(yīng)當(dāng)理解，這些細(xì)節(jié)是以說(shuō)明的方式而不是限制的方式l是出的。參考圖1,手持的XRF儀2表示為處于緊靠著墻壁4的位置。儀器2主要沿著由箭頭8(標(biāo)號(hào)也指示所發(fā)射的x射線)指示的傳播軸發(fā)射穿透性輻射，并將在此作為發(fā)射x射線8的XRF儀2來(lái)探討。x射線由源100產(chǎn)生，源100可以如圖所示為輻射源，或者是x射線管或其它x射線產(chǎn)生裝置。x射線8從XRF儀2中出射，并ii^測(cè)i勁羊品6，該樣品例如是墻壁4上的^4,層。x射線8中的一部分引發(fā)熒光10或，，熒光10回到儀器2中，在XRF儀2的探測(cè)器].02中被計(jì)數(shù)或者被儀器的側(cè)壁20吸收。對(duì)熒光光子的探測(cè)產(chǎn)生探測(cè)器信號(hào)，該信號(hào)被數(shù)字信號(hào)處理器104和控制器106處理以產(chǎn)生光譜，根據(jù)例如在(Grodzins等人的2004年7月20日公布的)美國(guó)專利US6765986中所述的技術(shù)，該光譜用于該測(cè)試樣品的元素組成識(shí)別，上述專利在此結(jié)合作為參考。x射線24中的一部分反向，出墻壁，且^)J達(dá)XRF儀。但是，許多x射線12和16，到墻壁材料本體內(nèi)。這些，到墻壁材料中的x射線的一p分再次散射產(chǎn)生x射線22和126，它們徊巨XRF儀2相當(dāng)?shù)木嚯x處從被涂刷的墻壁出射。以這種方式從墻壁出射的x射線的相對(duì)強(qiáng)度取決于Compton散射的角分布、所M輻射的能量以及所散射凈謝在相互作用間在墻體材料中經(jīng)過(guò)的距離。如我們下面所述，在大約為2倍的因子內(nèi)，該是各向同性的(isotropic);所散射的x射線的能量幾乎和入射能量一樣高；并且^|€^^前該x射線在木頭中階式(cascade)傳播的距離能夠是許多厘米。因此，如在此所述，希望屏蔽能夠?qū)⑤椛渌綔p少到使用者可暴露在其中的指定安全7^平內(nèi)，就像上面列舉的那些。7與XRF有關(guān)的x射線的Compton散射的角分布類似于Thompson(古典)散射的分布。Thompson散射通過(guò)角度e的概率與(l+cos26)成比例。反向散射的強(qiáng)度等于前向，的強(qiáng)度，而側(cè)向散射則為一半的強(qiáng)度。只有百分之幾的22keVx射線，符合Thompson規(guī)則。122keVx射線的Comptonlfet極有可能更多的前向減少而側(cè)向和后向|*剩余。當(dāng)通過(guò)特定角6散射時(shí)x射線能量的變化取決于x射線能量。通過(guò)90度散射的22keVx射線僅損失lkeVg射電子，使得^4i后的x射線具有21keV。x射線在墻壁介質(zhì)中傳播的距離很大程度上取決于該介質(zhì)的成分。以平均自由程(MFP)測(cè)量該距離是4睹用的。入射x射線的平均自由程是在該入射的x射線以2.718的因數(shù)下降之前一束x射線在該介質(zhì)中傳播的距離。因?yàn)閤射線已經(jīng)被光電效應(yīng)所吸收，所以TOt光束的強(qiáng)度會(huì)下降，這時(shí)該x射線不^it成周?chē)h(huán)境專謝。光電效應(yīng)導(dǎo)致當(dāng)光電受激的原子衰減到其地狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生次級(jí)x射線。這些特有的x射線在特定環(huán)境中對(duì)于明顯增加周?chē)h(huán)境輻射是足夠強(qiáng)烈的。這些次級(jí)x射線也非常易于被在此所述的津謝屏蔽吸收?！穊^卜，輻射屏蔽18還極易阻擋例如那些由標(biāo)號(hào)24指示的單獨(dú)"ft射的x射線。如果由于，造成A4t光束的強(qiáng)度下降，那么該入射x射線只不過(guò)是轉(zhuǎn)換為在新的方向上傳播的較低能量的x射線，并且其仍然造成周?chē)h(huán)境輻射。表1給出了22keV和122keV的x射線的平均自由程，以及在90度散射后21keV和98keVx射線的能量。材料是空氣、木頭、；膚、鋁和鐵。表l、平均自由程(cm)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>22keV輻射的平均自由程在空氣中是許多米，在木頭中是幾厘米，在構(gòu)成普通墻壁的重型材料中則是幾毫米或更小。用于^t^鉛K線的122keV輻射在除了鋼鐵以外的所有"fit墻體材料中前進(jìn)幾厘米至許多厘米。表2給出了x射線一^材料中傳播在其被吸收之前至少，一次的概率，它提供了對(duì)究竟發(fā)生什么的進(jìn)一步了解。表2、x射線至少散射一次的相克率22keV21keV122keV98keV空氣40%33%99.6%98.6%木頭40%33%99.3%98.5%磚8%7%95%91%鋁6%5%93%87.5%鐵0.6%0.5%52%38%從表1可以清楚，任何穿過(guò)涂料6ii7v^U嗇4的22keV的x射線擬目互作用之前會(huì)傳播幾厘米。而當(dāng)22keV的x射線相互作用時(shí)，存在40%的可能性該x射線〗Wt且不被吸收。此外，絲將在側(cè)面的概率很大。那些側(cè)面散射的x射線將具有幾乎和入財(cái)能量一樣的能量，它們將斜目互作用前傳播幾^i。并且再次"t謝的概率很高J膝易看出相當(dāng)數(shù)量的專謝能夠/碌該XRF儀2側(cè)面的木頭4脫離。如表1和表2所示，具有比木頭更高原子量和更大密度的材料出現(xiàn)的問(wèn)題較少，因?yàn)閤射線不會(huì)在這些材料中傳播太遠(yuǎn)，它們被快速吸收。表1和表2也示出了為何通過(guò)研究K線測(cè)量鉛濃度的K層X(jué)RF分析儀具有更多的控制周?chē)h(huán)境輻射的困難時(shí)刻。除了對(duì)于鋼鐵墻壁以夕卜，散射遠(yuǎn)i^i過(guò)了吸收，的輻射能夠在相互作用之前在木頭中傳播10cm。如圖1中所示，輻射屏蔽的一種實(shí)施例是標(biāo)號(hào)18所指示的漸縮壓板。通過(guò)考慮隨著擋圈半徑R(即距x射線^i^泉的距離)的增大而減少所需吸)]t^度，可以4膝易將輻射屏蔽(或擋圈)的重量最小化。動(dòng)詞"漸縮，，以及在此使用的同類術(shù)語(yǔ)是指J^^b^板寬度l^^巨目標(biāo)點(diǎn)的距離單調(diào)減小，不管是連續(xù)iMA階躍地，也不管該減少的作用形式。下文中參考圖2說(shuō)明的平行表面的擋圈18是填充有鎢(或其它原子量通常大于45的元素)的橡膠(或其它彈l"生體)的均質(zhì)圓盤(pán)，并且其一直到至少50keV時(shí)都工作良好。隨著x射線能量進(jìn)入100keV的范圍，擋圈18的性能變得更-接近臨界(critical),其中尤其是在輕元素材料中，該x射線在經(jīng)測(cè)試樣品內(nèi)的光電作用的吸收而停止之前必然經(jīng)過(guò)許多次的Compton散財(cái)。根據(jù)1瓦的100keV電子轟擊鴒陽(yáng)極的簡(jiǎn)單計(jì)算表明，在幾英寸半^5巨離時(shí)該擋圈要有至少10平均自由程的厚度。通常，隨著主x射線束能量的增力口，該擋圈的直徑和吸收必須增加增力口。隨著x射線能量的增力口，均勻厚度(基于在小半徑時(shí)需要的吸收)的擋圈重量變成了手持儀器總重的重要一卩分，并且由于在儀器的前端，成為操作者的沉重負(fù)擔(dān)。因此，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，擋圈18的特4碌于其厚度w按照半徑R的函數(shù)變化(即，從x射線ii/v點(diǎn)的距離，或在iii)J了被照射范圍更適于表示為一個(gè)區(qū)域而不是一個(gè)點(diǎn)時(shí)，該測(cè)試樣品的故照射范圍)。厚度w的漸縮有利于為最小重量而優(yōu)化擋圈18的橫截面。因?yàn)楸仨氁?皮屏蔽的x射線數(shù)量和x射線的平均能量隨著距初始x射線束的進(jìn)入點(diǎn)的距離變大而減少，所以擋圏18是漸縮的，越朝其外周變#^薄。為了理解減縮剖面的目的，可以假定有一圈目標(biāo)墻壁4。由于p及收的纟彖古i:，每平方厘米出射的x射線數(shù)量比從x射線束iiX該目標(biāo)墻壁的點(diǎn)測(cè)得的半徑的平方下降得更快。在不存在對(duì)墻壁中傳播的x射線吸收的假?zèng)]情況下，會(huì)有相同數(shù)量的x射線穿過(guò)自中心點(diǎn)的每連續(xù)的環(huán)。每平方厘米的x射線數(shù)量(以及由此，出該墻壁的x射線數(shù)量)將按半徑的平方減少，以便該擋圈厚度w(為簡(jiǎn)單起見(jiàn)假設(shè)其靠著墻壁4)能夠隨半徑R減小。(對(duì)于每2倍因子大半;f鼓巨離該吸^^度能夠按1og4(即40%)減小。)由于墻壁4通過(guò)Wt和光電作用吸收x射線，因jtt/人自中心的連續(xù)環(huán)發(fā)出的x射線的數(shù)量將比該半徑的平方減少得更快。此外，考慮到多次散射，每次連續(xù)10M"損耗x射線的能量，使得出射的x射線的平均能量^y要照半徑的函數(shù)下降。由此，吸收擋圈18的必要厚度能夠隨半徑迅速減小，使得與均勻厚度的擋圈的重量相比，更有利于顯著減輕該漸縮(邊緣刨薄)擋圈的重量。在圖2的透視圖中示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的輻射屏蔽18。通過(guò)可以包括螺釘、鉚釘、夾子或^f可其它緊固件的緊固件26將輻射屏蔽18連接到XRF儀2上。一1#屏蔽18可以被iSai卸下或更換。如圖3中的截面圖中所示，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，輻射屏蔽18具有屏蔽材料的壓板28。該壓板可以在jt詠示為"膜"。在伊Cit實(shí)施例中，壓板28是圓的，并且具有大約20cm的直徑。其它的形^l犬和尺寸^本發(fā)明的范圍之內(nèi)，例如，輻射屏蔽18可以從傳播軸8(圖1中所示)圓錐形地向外延伸。圖3示出了由兩個(gè)彈性體(例如橡膠)層夾有屏蔽材料的內(nèi)含層32形成的疊片，其中該屏蔽材料例如是通常大于Z-45的高原子量金屬，^皮包埋在聚合母體中。這樣的金屬可以包括錫、鎢或鉛。優(yōu)選的一種材料是填tt鉛的聚氯乙稀(PVC)。該壓板伊Cit為柔性的，以允許其適應(yīng)相接表面的輪廓，例如用于盡可能接近于角落測(cè)量，或探詢例如墻上的窗體滑槽等凹穴。參考圖4,根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，為了允許該輻射屏自于例如墻體的拐角內(nèi)，輻射屏蔽18的^p分40可以處于不同于壓^反28的主體部分的平面內(nèi)。可以將不共面部分40以固定的彎曲或作為選擇，正如本領(lǐng)域^^口的那樣通過(guò)鉸^ii接到壓板28的剩余部分。所述的本發(fā)明實(shí)施例僅僅是示例性的，^^種變4^N'務(wù)i^f于^^領(lǐng)i或4支術(shù)人員來(lái)^#1奪是顯然的。希望將4^卩這樣的變化和修夂都包含在如所附權(quán)利要求書(shū)限定的本發(fā)明范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1、一種通過(guò)使用者手持的熒光儀檢查測(cè)試材料組成的方法，所述方法包括以下步驟a、用穿透性輻射照射所述測(cè)試材料表面的被照射區(qū)域；b、探測(cè)由所述測(cè)試材料發(fā)出的熒光；和c、通過(guò)利用輻射屏蔽保護(hù)使用者免受從所述測(cè)試材料表面發(fā)出的電離輻射，其特征在于，輻射屏蔽的厚度隨著在基本平行于所述測(cè)試材料表面的方向上距所述被照射區(qū)域的半徑距離增大而減小。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述保護(hù)使用者的步驟包括利用從所述測(cè)試材料表面的所述被照射區(qū)域向外延伸的輻射屏蔽來(lái)屏蔽。3、一種用于測(cè)量測(cè)試材料元素組成的儀器，所述儀器包括a、用于照射所述測(cè)試材料的被照射區(qū)域的穿if性輻射源；b、用于探測(cè)由所述測(cè)試材料所發(fā)的熒光并產(chǎn)生探測(cè)器信號(hào)的探測(cè)器；c、用于將所述探測(cè)器信號(hào)轉(zhuǎn)換成表征所述測(cè)試材料所述組成的光譜的控制器；和d、衰減材料的壓+反，特4正在于，衰減材料的壓+反的厚度隨著在基本平4亍于所述測(cè)試材料表面的方向Ji^巨所述收瞎射區(qū)域的半^^巨離增大而減小。4、才艮據(jù)權(quán)利要求3所述的儀器，其中所錄減材料是包i錄聚合母體內(nèi)的原子量大于45的^屬。5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的儀器，其中所#減材料的壓板利用緊固件連接到所述4義器。6、根據(jù)權(quán)利要求3所述的儀器，其中所錄減材料的壓板可以從所述儀器卸下。7、根據(jù)權(quán)利要求3所述的儀器，其中所ii^減材料的壓板包括彈性體的外層。8、根據(jù)權(quán)利要求3所述的儀器，其中依尺寸制作所減材料的壓板，使得已經(jīng)同被照射表面相互作用多次的電離輻射在傳播到周?chē)h(huán)境之前就^皮所述輻射屏蔽衰減了。9、根據(jù)權(quán)利要求3所述的儀器，其中所i^減材料的壓板特^i^于，其厚度f(wàn)敘巨所述^支吸射區(qū)域的半徑距離增大而減d、。10、根據(jù)權(quán)利要求9所述的儀器，其中所n減材料的壓板其特;ti^于，其厚度隨著距所述被照射區(qū)域的半徑距離增大以比所述半徑距離的平方更快的比率減小。全文摘要本發(fā)明提供一種用于測(cè)量測(cè)試材料元素組成的儀器和方法。該儀器具有用于照射該測(cè)試材料的被照射區(qū)域的穿透性輻射源，用于探測(cè)由該測(cè)試材料發(fā)出的熒光并產(chǎn)生探測(cè)器信號(hào)的探測(cè)器和用于將該探測(cè)器信號(hào)轉(zhuǎn)化為表征該測(cè)試材料組成的光譜的控制器。衰減材料的壓板從之相鄰并被包圍的測(cè)試材料的被照射區(qū)域向外延伸。在一些實(shí)施例中，該衰減壓板的厚度漸縮，例如隨著距測(cè)試材料中央的被照射區(qū)域的半徑距離的增加而減小。文檔編號(hào)H05B33/00GK101455120SQ200780019171公開(kāi)日2009年6月10日申請(qǐng)日期2007年5月25日優(yōu)先權(quán)日2006年5月25日發(fā)明者李·格羅津斯申請(qǐng)人:塞莫尼根分析技術(shù)有限責(zé)任公司