[發明專利]一種微區XRF元素分析與多維成像方法及系統

有效

• 申請號: 202211266940.6
• 申請日: 2022-10-17
• 公開（公告）號: CN115656238B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 許瓊;魏存峰;舒巖峰;劉躍東;王逸凡
• 申請（專利權）人: 中國科學院高能物理研究所
• 主分類號: G01N23/223
• 分類號: G01N23/223;G01B11/24
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理有限公司 11200
• 代理人: 司立彬

本發明公開了一種微區XRF元素分析與多維成像方法及系統。本系統包括多維度運動裝置，用于搭載并驅動輪廓信息采集裝置和微區XRF進行多維度運動；輪廓信息采集裝置，用于在多維度運動裝置的驅動下對待檢測物體的輪廓進行掃描，獲取待檢測物體的輪廓信息并將其發送給多維度運動裝置；微區XRF，用于在多維度運動裝置的驅動下沿掃描軌跡移動到每一掃描點對應的工作位置，對待檢測物體進行X射線照射，并獲取待檢測物體發出的X射線熒光光譜并將其發送給數據分析與顯示系統；其中多維度運動裝置根據輪廓信息確定微區XRF相對于待檢測物體上每一掃描點的工作位置及掃描軌跡；數據分析與顯示系統，用于對光譜進行實時顯示以及元素分析。

技術領域

本發明涉及一種微區X射線熒光(XRF)元素分析與多維成像方法與系統，所述方法和系統具體適用于在開放場景下對各種形態的曲面樣品進行高精度的微區XRF元素分析與多維成像。

本發明還涉及一種掃描軌跡生成方法及表面元素分布的三維可視化方法。所述掃描軌跡生成方法可以用于生成樣品掃描點位置及方向數據，表面元素分布的三維可視化方法可以用于掃描區域內表面元素分布的三維顯示。

背景技術

目前公知的微區XRF主要由X射線源、多毛細管X光透鏡和X射線探測器三部分組成，X射線源發出的X射線，經過多毛細管X光透鏡匯聚在物體表面，使用X射線探測器獲取物體表面發出的X射線熒光光譜，從而獲得該探測點的元素種類及含量信息。進一步，使用微區X射線熒光光譜儀在物體表面進行掃描，可獲得各元素成分在物體表面的分布信息。

已有與本發明最相近似的方案是BRUKER公司研發的微區X射線熒光光譜儀M6JETSTREAM，該產品將微區X射線熒光光譜儀裝載在相互垂直的帶有螺紋的圓桿上，通過旋轉圓桿，微區X射線熒光光譜儀能在二維平面內自由移動。該產品使用光學攝像頭獲取物體表面的顏色信息和二維位置信息，設計掃描路徑，獲取各個元素在物體表面的分布情況。

現有技術中采用光學攝像頭只能獲取樣品的二維位置信息，并且微區X射線熒光光譜儀只能在二維平面內移動，所以在掃描曲面(或者表面不平整)樣品時，受空間位置和曲面方向角度的影響，X射線的焦點無法保持在樣品表面，且探測器記錄的光子數也與特征X射線的角分布有關，這使得每個掃描點的計數存在由于空間不一致(X射線焦點位置不一致，探測器空間位置和方向對于曲面樣品上每個掃描點不一致)引起的偏差，從而無法準確獲取樣品表面的元素分布及含量信息。

發明內容

本發明提供了一種能夠適用于曲面(或者表面不平整)樣品的高精度微區XRF元素分析與多維成像的方法及系統。本發明采用開放式的系統結構，可以適應多種復雜的外部環境，同時也便于不同大小、形態的樣品擺放，減小了可掃描樣品的外形限制。對于曲面(或表面不平整)樣品，本系統可獲得具有良好空間一致性的光子計數信息，以及表面元素組成和分布信息。

本發明由多維度運動裝置、輪廓信息采集裝置、微區XRF、數據分析與顯示系統四部分組成，如圖1所示。其中，多維度運動裝置用來搭載輪廓信息采集裝置和微區XRF進行多維度運動，該裝置可以是機械臂或多軸位移臺等能夠進行多維度平移、旋轉的裝置；輪廓信息采集裝置用于獲取物體表面輪廓信息，可以是深度相機、激光位移傳感器等；微區XRF包含X射線源及多毛細管透鏡(用來產生高亮度的、微小焦斑的激發X射線)以及粒子探測器(通常為硅漂移探測器，用來記錄樣品表面的特征光譜)兩部分組成，多毛細管透鏡和探測器成一定的夾角，構成一個典型的能量色散微區XRF；數據分析和顯示系統用于特征光譜的實時顯示與元素分析，以及樣品表面元素分布的三維可視化。

本發明還提供了一種掃描軌跡生成方法，所述掃描軌跡生成方法用于將采集的輪廓信息轉化成可以用于多維運動裝置解析掃描軌跡信息。

該方法包括：輪廓數據的截取，截取數據下采樣，去除下采樣數據中的離群點，上采樣補充殘缺數據，去除多余離群數據，下采樣生成掃描點數據，計算曲面法向量，掃描點的坐標系轉化與方向角轉化。