基于参考元素的X射线荧光薄层质量厚度测量系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及X射线荧光分析技术领域，针对现有X射线荧光测量系统及方法的测量结果易受仪器性能波动的影响，以及不适用于对以金属元素为主要成分的薄层质量厚度进行测量的不足，提供基于参考元素的X射线荧光薄层质量厚度测量系统及方法，其中测量系统包括X射线管、准直管、探测器、基底和控制终端，准直管的输入端与X射线管的出射口相连，输出端设置钨针孔；控制终端分别与X射线管和探测器电连接；基底表面贴放含参考元素的参考层，参考层的表面用于放置标准样品层或待测样品层；X射线管用于发射X射线，基底位于X射线的光路上；X射线通过准直管和钨针孔后垂直照射参考层；探测器用于接收X射线激发的荧光。

X ray fluorescence thin layer mass thickness measurement system and method based on reference elements

The present invention relates to the field of X-ray fluorescence analysis technology. In view of the fact that the measurement results of existing X-ray fluorescence measurement systems and methods are susceptible to instrumental performance fluctuations and are not suitable for measuring the thickness of thin layers with metal elements as the main components, the quality thickness of X-ray fluorescence thin layers based on reference elements is provided. Degree measuring system and method, in which the measuring system includes X-ray tube, collimator, detector, substrate and control terminal, the input end of collimator is connected with the outlet of X-ray tube, and the output end is provided with tungsten pinholes; the control terminal is electrically connected with X-ray tube and detector respectively; and the reference layer containing reference elements is placed on the surface of substrate. The surface of the reference layer is used to place the standard sample layer or the sample layer to be measured; the X-ray tube is used to emit X-rays, the substrate is located on the optical path of the X-ray; the X-ray passes through the collimator tube and the tungsten pinhole, and the detector is used to receive X-ray excited fluorescence.

【技术实现步骤摘要】
基于参考元素的X射线荧光薄层质量厚度测量系统及方法
本专利技术涉及X射线荧光分析
，具体涉及基于参考元素的X射线荧光薄层质量厚度测量系统及方法。
技术介绍
X射线荧光分析方法以适用范围广、测量效率和精密度高、非破坏性分析等优点被广泛应用于现代材料分析、地质勘探、物品安检等领域。其中，在材料质量厚度测量方面，现已发展出多种测量系统及方法，包括直接对样品X射线荧光强度进行标定的绝对测量法，以无限厚材料为基准的荧光相对测量法，带有基材样品的基材荧光吸收法，样品中含有轻介质的散射校正法等。以上方法都有各自的优势，但也存在以下不足：绝对测量法和基材荧光吸收法通过不同方式获得某种材料的荧光强度随待测薄层质量厚度间的关系，建立荧光强度随质量厚度的标定曲线，其测量结果直接依赖于材料自身的荧光强度，受仪器性能波动影响较大；无限厚材料荧光相对测量法分两次分别测量待测样品的荧光强度和同种材料的无限厚试样的荧光强度，两次测量的仪器条件不能保持严格一致，测量结果易受仪器性能波动影响；散射校正法则以样品中基质的散射线作为参照标准，测算目标元素的荧光强度和样品散射线强度的比值，建立其与样品质量厚度间的标定关系，该方法依赖于样品基质的原子序数，仅对材料中轻原子成分较高的材料有效。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有X射线荧光测量系统及方法的测量结果易受仪器性能波动的影响，或不适用于对以金属元素为主要成分的薄层质量厚度进行测量的不足，而提供基于参考元素的X射线荧光薄层质量厚度测量系统及方法。该系统和方法适用于含有原子序数大于10的元素、且该元素质量分数在10-6以上的任意材料薄层质量厚度的测量，对材料质量厚度的测量精密度可达1mg/cm2，能实现薄层质量厚度的快速、精确、非破坏性测量。为实现上述目的，本专利技术提供基于参考元素的X射线荧光薄层质量厚度测量系统，其特殊之处在于，包括X射线管、准直管、探测器、基底和控制终端，准直管的输入端与X射线管的出射口相连，输出端设置钨针孔；控制终端分别与X射线管和探测器电连接；基底表面贴放含参考元素的参考层，参考层的表面用于放置标准样品层或待测样品层；X射线管用于发射X射线，基底位于X射线的光路上；X射线通过准直管和钨针孔后垂直照射参考层；探测器用于接收X射线激发的荧光。进一步地，质量厚度测量系统还包括套装在准直管上的屏蔽板。进一步地，上述钨针孔的孔径为1～3mm。进一步地，上述探测器采用半导体探测器。进一步地，质量厚度测量系统还包括样品台，所述基底放置在样品台上。另外，本专利技术还提供了使用上述基于参考元素的X射线荧光薄层质量厚度测量系统的测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：1)根据待测样品层的元素组成及含量，选择一种待测样品层中含量在10％以上的元素a，其原子序数大于10；确定参考元素b，确定参考层c的物质组成；其中，b元素存在至少一种无放射性的常见、稳定同位素；元素b不是待测样品层的组成元素，参考层c含元素b但不含元素a；基底不包含元素a和元素b；2)选择X射线管的管电压、管电流、靶材料，参考层c的质量厚度，以及适合元素a、元素b特征线能量的探测器；3)根据待测样品层质量厚度测量允许的X射线最大照斑直径x，按照如下公式：x＝dr/l+R(1+d/l)，选择测量X射线照斑的直径R，确定准直管长度l、钨针孔直径R和钨针孔出光口距样品的距离d；其中，r为X射线管电子焦点半高全宽；4)制备5个以上质量厚度不同的标准待测样品层，待测样品层的质量厚度值在标准样品层最小质量厚度值和最大质量厚度值之间；分别将其与参考层以叠放的方式制成双层标准样品；5)搭建上述测量系统，按照标准待测样品质量厚度由小到大的顺序依次对双层标准样品进行逐个测量，获得双层标准样品中标准待测样品层元素的荧光强度A和参考层参考元素的荧光强度B；计算待测样品层元素荧光强度A与参考层参考元素荧光强度B的比值C，通过比值C与标准待测样品质量厚度m，得到二元有序数组(m,C)，通过指数函数(例如y＝a(ebx-1))或多项式等函数建立拟合标定曲线；6)将待测样品层与参考层制成双层待测样品，通过与步骤5)相同的方式测量双层待测样品中待测样品层元素与参考层参考元素的荧光强度比，对照标定曲线，确定未知样品的质量厚度。进一步地，步骤1)中，元素b的特征线能量与元素a的特征线能量之差的范围为1keV～10keV。保证常规半导体探测器能够将其分辨开，同时不会超出所用探测器的有效测量范围；具体的，参考层c整体具有如下特点：①具有良好的抗氧化性和光稳定性，可以在测量的准备与实测周期内，在通常大气环境、光照环境下保持原有的物理、化学性质不变；②不具有挥发性、毒性和放射性；③具有良好的延展性，易加工成扁平状；进一步地，步骤2)中，确定元素a、元素b的K吸收限，选取其中较大的数值M，按照X射线管激发产生的连续谱规律，其能谱峰值位于最大光子能量的1/3～1/2之间，则将M乘以2～3，得到的值即为管电压值；“K吸收限能量值”的定义为：原子核外K壳层电子被激发为自由电子所需吸收的最少能量值。在X射线管额定功率的85％以内，根据管电压选择工作管电流；根据管电压值，选择X射线管的靶材料；对照美国国家标准与技术研究院(NIST)提供的原子质量吸收系数随光子能量变化的关系，选择参考层c的质量厚度；参考层c在管电压下，能够使最大光子能量强度衰减90％。探测器的能量分辨本领小于元素a、元素b的K特征线的能量差；探测器量程大于元素a、元素b的K特征线能量的最大值，且二者能点均位于探测器量程的1/3～2/3范围内。进一步地，步骤4)中，为提高曲线上标定数据点的分布均匀性，使整条曲线的拟合精密度更高相邻两个标准样品间的质量厚度差保持相同。进一步地，步骤2)中，靶材料的特征线能量大于M的特征线能量，由于特征线强度远高于连续谱强度，选择这样的靶材料可以进一步提高激发效率。本专利技术的基本原理：利用一层含参考元素的均匀物质参考层，将其置于待测样品层一侧，在另一侧用X射线对二者进行激发，令参考层与待测样品层经历相同的测量过程并产生荧光，采集激发的荧光强度，通过计算二者荧光强度之比并建立比值与薄层质量厚度的关系曲线。当测量同类未知待测样品的质量厚度时，利用与标定曲线相同的参考层测算荧光强度比，参照已建立的标定曲线，即可获得未知样品的质量厚度。与现有技术相比，本专利技术的优点是：1、本专利技术通过令待测样品层与某种全部参数已知的参考层共同经历相同的X射线激发与荧光发射过程，并计算二者荧光强度比值的方法，达到降低系统性能波动对标定曲线精密度影响的目的。2、本专利技术对质量厚度的测量精密度受测量系统自身(射线源+探测器)稳定性与射线的统计涨落共同影响，随着测量时间延长，统计涨落的相对不确定度降低并趋于0，最终无限接近于由于系统自身性能波动造成的不确定度。3、本专利技术适用于含有某种原子序数大于10的元素、且该元素占有的质量分数较大的任意材料薄层的质量厚度测量。4、本专利技术可以通过对一系列某种标准样品的标定，获取能重复使用的标定曲线，该曲线适用于与标定流程相同工作条件下，与标准样品成分相同的均匀材料的质量厚度的高效、非破坏性测量。附图说明图1为本专利技术一个实施例的系统布局结构示意图；图2为图1实施例采用的双层待测样品结构示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于参考元素的X射线荧光薄层质量厚度测量系统，其特征在于：包括X射线管(1)、准直管(2)、探测器(3)、基底和控制终端(4)；准直管(2)的输入端与X射线管(1)的出射口相连，输出端设置钨针孔(22)；控制终端(4)分别与X射线管(1)和探测器(3)电连接；基底表面贴放含参考元素的参考层，参考层的表面用于放置标准样品层或待测样品层；X射线管(1)用于发射X射线，基底位于X射线的光路上；X射线通过准直管(2)和钨针孔(22)后垂直照射参考层；探测器(3)用于接收X射线激发的荧光。

【技术特征摘要】
1.基于参考元素的X射线荧光薄层质量厚度测量系统，其特征在于：包括X射线管(1)、准直管(2)、探测器(3)、基底和控制终端(4)；准直管(2)的输入端与X射线管(1)的出射口相连，输出端设置钨针孔(22)；控制终端(4)分别与X射线管(1)和探测器(3)电连接；基底表面贴放含参考元素的参考层，参考层的表面用于放置标准样品层或待测样品层；X射线管(1)用于发射X射线，基底位于X射线的光路上；X射线通过准直管(2)和钨针孔(22)后垂直照射参考层；探测器(3)用于接收X射线激发的荧光。2.根据权利要求1所述的基于参考元素的X射线荧光薄层质量厚度测量系统，其特征在于：还包括套装在准直管(2)上的屏蔽板(21)。3.根据权利要求1所述的基于参考元素的X射线荧光薄层质量厚度测量系统，其特征在于：所述钨针孔(22)的孔径为1～3mm。4.根据权利要求1所述的基于参考元素的X射线荧光薄层质量厚度测量系统，其特征在于：所述探测器(3)采用半导体探测器。5.根据权利要求1所述的基于参考元素的X射线荧光薄层质量厚度测量系统，其特征在于：还包括样品台(5)，所述基底放置在样品台(5)上。6.基于参考元素的X射线荧光薄层质量厚度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据待测样品层的元素组成及含量，选择一种待测样品层中含量在10％以上的元素a，其原子序数大于10；确定参考元素b，确定参考层c的物质组成；元素b不是待测样品层的组成元素；参考层c含元素b但不含元素a；基底不包含元素a和元素b；2)选择X射线管的管电压、管电流、靶材料，参考层c的质量厚度，以及适合元素a、元素b特征线能量的探测器；3)根据待测样品层质量厚度测量允许的X射线最大照斑直径x，按照如下公式：x＝dr/l+R(1+d/l)，选择测量X射线照斑的直径R，确定准直管长度l、钨针孔直径R和钨针孔出光口距样品的距离d；其中，r为X射线管电子焦点半高全宽；4)制备5个以上质量厚度不同的标准待测样品层，待测样品层的质量厚度值在标准样品层最小质...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘旭，马戈，黑东炜，夏惊涛，盛亮，裴明敬，魏福利，徐海斌，罗剑辉，唐波，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61