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
技術領域：
：本發(fā)明涉及用于完成x射線熒光測量，同時防止人員暴露于危險的周圍環(huán)境輻射水平下的方法^i史備。
背景技術：
：x射線熒光(XRF)儀測量材料的棒性，其通過用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。在處和所附權利要求中^^]的術語、射線"是指由輻射源或例如x射線管的裝置產生的輻射，并且其包括y射線在內的所有形式的穿透性輻射。要確定的具^f爭性包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常具有準直i16^^1^的屏蔽，使得才剁乍者不會受到不當的電離輻射。例如，實驗室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。便攜式XRF儀具有特別的凈謝屏蔽要求，因為它們的使用通常需要才喿作者在進布則量時手持儀器。周圍環(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實施方式之一，并且提供了一個其需要的好例子。便攜式XRF^J見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射線管產生激勵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射線強度提供了對其濃度的測量并允i午一僉查者確定^^牛是否超出所確定的調整限制。各國所允許的環(huán)境凈謝水平不盡相同。美國規(guī)章對直接在儀器的X射線出口端后方的環(huán)境空間中的輻射水平進行限制。特別關注的是可能存在操怍者的手和臉的地方。最少給予關注的是當進行測量時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。通過實;^儀器自身中的屏蔽能夠滿足美國的摔謝限制。當前歐洲的l謝限制明顯比美國的要嚴格。對于職業(yè)工作者可接受的輻射水平剩氐10倍，即，歐洲為lpSv/hr，美國為10|uSv/hr(jiSv/hr是百萬分之一西弗特每小時的標準縮寫，等于現在已廢止單位的1萬分之一雷姆輻射的輻射水平)。jt。卜，對于本發(fā)明非常重要的是，法國要求XRF儀的4封^fii^表面10cm以內的點不能^^過l|uSv/hr的水平。該要求a法通ittXRF儀內部屏蔽來滿足的。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殳計用于吸^^研究過程中直接來自專謝源但是沒有通過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ii7v探測器并且不會擾舌UE在進行的測量。但是，在儀器前端的該吸收材料無法防jL/人目標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)明內容根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例，提供了一種通過4賴者手持的熒光儀檢查測試材泮+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^#料表面的照射區(qū)域；b、探測由該測試材料發(fā)出的熒光；和c、通過利用輻射屏蔽保護^^]者免受從該測^#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。根據本發(fā)明的另一實施例，保護^躺者的步驟可以包括利用從該測i^才料表面的故照射區(qū)域向夕卜延伸的輻射屏蔽來防護。5在本發(fā)明的另一個方面，提供一種測量測試材料組成的儀器。該儀器具有用于照射該測試材料的被照射區(qū)域的穿透性輻射源，和用于探測由該測試材料發(fā)出的熒光并產生探測器信號的探測器。該儀器還具有用于將該探測器信號轉化為表征該測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。可以4^尺寸制作該衰減材料的壓4反，使得已經同被照射表面相互作用多次的電離輻射在傳播到周圍環(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。通過下面參考附圖的詳細說明將更容易理解本發(fā)明前面的特征，其中圖1是在根據本發(fā)明的實施例中具有用于保護使用者免受從測^#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本發(fā)明實施例的輻射屏蔽；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構；和圖4是從允許在拐角中<^1]XRF的華謝屏蔽仰—彭見察的透視圖。M實施方式根據本發(fā)明的實施例，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^巨離具有足夠強度的XRF儀較遠的墻壁出射而超出調整限制。為了充分體會為何需要本發(fā)明以及是多么必須^~設計本發(fā)明，我們需要理解當x射線^A材料并引起Compton^t射時產生的周圍環(huán)境輻射的來源。周圍環(huán)境輻射的物理學下面的+兌明特指用于鉛)^H"分析的XRF儀，但是，應當理解所提出的結論和所述發(fā)明可適用于廣泛的應用群，特別是對土壤和可塑體的XRF分析。當使用10.5keV和12.6keV的鉛的Lx射線用于該分析時，向鉛發(fā)熒光的x射線能量通常為20keV，當4^]72.8keV和75keV的Kx射線用于該分析時，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(來自109Cd)和122keV的用于激發(fā)K線的發(fā)熒光能量(來自57Co)。但是，應當理解，這些細節(jié)是以說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(標號也指示所發(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來探討。x射線由源100產生，源100可以如圖所示為輻射源，或者是x射線管或其它x射線產生裝置。x射線8從XRF儀2中出射，并ii^測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的探測器].02中被計數或者被儀器的側壁20吸收。對熒光光子的探測產生探測器信號，該信號被數字信號處理器104和控制器106處理以產生光譜，根據例如在(Grodzins等人的2004年7月20日公布的)美國專利US6765986中所述的技術，該光譜用于該測試樣品的元素組成識別，上述專利在此結合作為參考。x射線24中的一部分反向，出墻壁，且^)J達XRF儀。但是，許多x射線12和16，到墻壁材料本體內。這些，到墻壁材料中的x射線的一p分再次散射產生x射線22和126，它們徊巨XRF儀2相當的距離處從被涂刷的墻壁出射。以這種方式從墻壁出射的x射線的相對強度取決于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過的距離。如我們下面所述，在大約為2倍的因子內，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，希望屏蔽能夠將輻射水平減少到使用者可暴露在其中的指定安全7^平內，就像上面列舉的那些。7與XRF有關的x射線的Compton散射的角分布類似于Thompson(古典)散射的分布。Thompson散射通過角度e的概率與(l+cos26)成比例。反向散射的強度等于前向，的強度，而側向散射則為一半的強度。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向和后向|*剩余。當通過特定角6散射時x射線能量的變化取決于x射線能量。通過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射線在墻壁介質中傳播的距離很大程度上取決于該介質的成分。以平均自由程(MFP)測量該距離是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的因數下降之前一束x射線在該介質中傳播的距離。因為x射線已經被光電效應所吸收，所以TOt光束的強度會下降，這時該x射線不^it成周圍環(huán)境專謝。光電效應導致當光電受激的原子衰減到其地狀態(tài)時產生次級x射線。這些特有的x射線在特定環(huán)境中對于明顯增加周圍環(huán)境輻射是足夠強烈的。這些次級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號24指示的單獨"ft射的x射線。如果由于，造成A4t光束的強度下降，那么該入射x射線只不過是轉換為在新的方向上傳播的較低能量的x射線，并且其仍然造成周圍環(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，它提供了對究竟發(fā)生什么的進一步了解。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，任何穿過涂料6ii7v^U嗇4的22keV的x射線擬目互作用之前會傳播幾厘米。而當22keV的x射線相互作用時，存在40%的可能性該x射線〗Wt且不被吸收。此外，絲將在側面的概率很大。那些側面散射的x射線將具有幾乎和入財能量一樣的能量，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膝易看出相當數量的專謝能夠/碌該XRF儀2側面的木頭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的問題較少，因為x射線不會在這些材料中傳播太遠，它們被快速吸收。表1和表2也示出了為何通過研究K線測量鉛濃度的K層XRF分析儀具有更多的控制周圍環(huán)境輻射的困難時刻。除了對于鋼鐵墻壁以夕卜，散射遠i^i過了吸收，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，輻射屏蔽的一種實施例是標號18所指示的漸縮壓板。通過考慮隨著擋圈半徑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。動詞"漸縮，，以及在此使用的同類術語是指J^^b^板寬度l^^巨目標點的距離單調減小，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)的均質圓盤，并且其一直到至少50keV時都工作良好。隨著x射線能量進入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射線在經測試樣品內的光電作用的吸收而停止之前必然經過許多次的Compton散財。根據1瓦的100keV電子轟擊鴒陽極的簡單計算表明，在幾英寸半^5巨離時該擋圈要有至少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擔。因此，根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例，擋圈18的特4碌于其厚度w按照半徑R的函數變化(即，從x射線ii/v點的距離，或在iii)J了被照射范圍更適于表示為一個區(qū)域而不是一個點時，該測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。因為必須要4皮屏蔽的x射線數量和x射線的平均能量隨著距初始x射線束的進入點的距離變大而減少，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射線數量比從x射線束iiX該目標墻壁的點測得的半徑的平方下降得更快。在不存在對墻壁中傳播的x射線吸收的假沒情況下，會有相同數量的x射線穿過自中心點的每連續(xù)的環(huán)。每平方厘米的x射線數量(以及由此，出該墻壁的x射線數量)將按半徑的平方減少，以便該擋圈厚度w(為簡單起見假設其靠著墻壁4)能夠隨半徑R減小。(對于每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本發(fā)明另一實施例的輻射屏蔽18。通過可以包括螺釘、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，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示出了由兩個彈性體(例如橡膠)層夾有屏蔽材料的內含層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，以允許其適應相接表面的輪廓，例如用于盡可能接近于角落測量，或探詢例如墻上的窗體滑槽等凹穴。參考圖4,根據本發(fā)明的其它實施例，為了允許該輻射屏自于例如墻體的拐角內，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?？梢詫⒉还裁娌糠?0以固定的彎曲或作為選擇，正如本領域^^口的那樣通過鉸^ii接到壓板28的剩余部分。所述的本發(fā)明實施例僅僅是示例性的，^^種變4^N'務i^f于^^領i或4支術人員來^#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利要求書限定的本發(fā)明范圍之內。權利要求1、一種通過使用者手持的熒光儀檢查測試材料組成的方法，所述方法包括以下步驟a、用穿透性輻射照射所述測試材料表面的被照射區(qū)域；b、探測由所述測試材料發(fā)出的熒光；和c、通過利用輻射屏蔽保護使用者免受從所述測試材料表面發(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、根據權利要求1所述的方法，其中所述保護使用者的步驟包括利用從所述測試材料表面的所述被照射區(qū)域向外延伸的輻射屏蔽來屏蔽。3、一種用于測量測試材料元素組成的儀器，所述儀器包括a、用于照射所述測試材料的被照射區(qū)域的穿if性輻射源；b、用于探測由所述測試材料所發(fā)的熒光并產生探測器信號的探測器；c、用于將所述探測器信號轉換成表征所述測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、才艮據權利要求3所述的儀器，其中所錄減材料是包i錄聚合母體內的原子量大于45的^屬。5、根據權利要求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、根據權利要求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、根據權利要求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、根據權利要求3所述的儀器，其中依尺寸制作所減材料的壓板，使得已經同被照射表面相互作用多次的電離輻射在傳播到周圍環(huán)境之前就^皮所述輻射屏蔽衰減了。9、根據權利要求3所述的儀器，其中所i^減材料的壓板特^i^于，其厚度f敘巨所述^支吸射區(qū)域的半徑距離增大而減d、。10、根據權利要求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)明提供一種用于測量測試材料元素組成的儀器和方法。該儀器具有用于照射該測試材料的被照射區(qū)域的穿透性輻射源，用于探測由該測試材料發(fā)出的熒光并產生探測器信號的探測器和用于將該探測器信號轉化為表征該測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試材料的被照射區(qū)域向外延伸。在一些實施例中，該衰減壓板的厚度漸縮，例如隨著距測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H05B33/00GK101455120SQ200780019171公開日2009年6月10日申請日期2007年5月25日優(yōu)先權日2006年5月25日發(fā)明者李·格羅津斯申請人:塞莫尼根分析技術有限責任公司