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1、孙天希 * 刘志国 北京师范大学核科学与技术学院 *手机：13121947091 电话：010-62207171 E-mail:stx 报告人：姜博文 毛细管光学 毛细管光学原理 毛细管类型 应用 共聚焦XRF 共聚焦能量色散 XRD 共聚焦小角散射 其他潜在应用 Critical angle Y X Z 一、毛细管光学 毛细管光学原理 当X射线进入玻璃毛细管，X射线照射到毛细管内表面时，如果 其入射角小于X射线在相应玻璃材料表面的全反射临界角，则在 毛细管内表面X射线会发生全反射，其传播方向发生改变而进一 步向前传输。若X射线进入玻璃毛细管的入射角大于临界角，这 一部分X射线就会被毛细管管壁
2、吸收或发生散射。 毛细管光学原理毛细管光学原理 半会聚透镜 会聚透镜 椭球管 锥形管 拉 丝 机 单管 锥形管 多毛细管X光透镜（ Kumakhov 透镜） 会聚透镜 多毛细管X光透镜是由大量中空的玻璃纤维组合而成，由俄罗 斯科学家 Kumakhov发明，也可称为Kumakhov 透镜。该类 透镜可以将X射线进行会聚，从而得到焦斑直径达十微米量级 的焦斑，其光强增益可达到三个数量级。 平行束透镜，将发 散的X射线束约束为 发散度几毫弧度的 准平行束。 会聚透镜，将发散 的X射线束重新会聚 到一个焦点，且具 有功率密度增益。 装配式X光透镜 二、应用 基于多毛细管X射线透镜的共聚焦技 术应用 基
3、于多毛细管X射线透镜发展起来的共聚焦技术正被广泛的 使用，共聚焦技术最先由 Gibson 和Kumakhov 在90年代 初提出。现今，共聚焦技术已经广泛使用于三维微束X荧光 分析、三维X射线精细吸收谱学、能量色散微束X射线衍射 技术（EDMXRD)、X射线小角散射以及X射线成像技术。 共聚焦原理 三维共聚焦微元结构示意图 激发源端的会聚透镜 （PFXRL）的出口焦斑和探 测器端平行束透镜（PPXRL） 的焦斑重合时，构成共聚焦 结构。平行束透镜只能接收 到焦斑重合区域内的X射线信 号，使具有空间分辨能力。 三维共聚焦X射线荧光分析技术 CCD and spectroscopy Polycap
4、illary x- ray lens Polycapillary x- ray lens x-y-z sample stage X Z Y SDD X-ray source x-y-z sample stage X Z Y SDD X-ray source Sample 共聚焦调节完毕后，两个多毛 细管X光透镜不动。通过样品在 X-Y-Z 轴三个方向上的移动， 可以得到样品在不同深度处各 微元的X射线荧光信号，实现对 样品的无损三维元素分布等分 析。 X X射线光管射线光管 平移台平移台 CCDCCD摄像头摄像头 探测器探测器 会聚会聚X X射线透镜射线透镜 平行平行X X射线透镜射线透镜 三
5、维共聚焦XRF可用于深度剖析，定点分析， 表面形貌分析，基于表面形貌的深度元素分布 分析 Song Peng, Tianxi Sun (通讯作者), et.al Anal. Chem. 2014, 86, 362. (IF=5.8) Spatially Resolved In Situ Measurements of the Ion Distribution Near the Surface of Electrode in a Steady- State Diffusion in an Electrolytic Tank with Confocal Micro X-ray Fluorescen
6、ce. 能量色散共聚焦XRD Tianxi Sun et al. J.Appl.Cryst.(2007).40,1169-1173 晶格间距的分辨率 共聚焦EDMXRD系统是基于一个位于激发通道的PFXRL和一个位于 探测通道的PPXRL实现的。当这两个透镜的焦斑位置重合时，就构 成共聚焦状态。而PFXRL的出口焦点和PPXRL的入口焦点重合，这 种共聚焦结构可以保证只有被共聚焦微元覆盖的样品位置的XRD信 号可以被获得，通过在共聚焦位置在检测样品的表面平行移动或垂 直移动，可以点对点的获得物体三维XRD信息。同时共聚焦状态对 提高EDMXRD的信噪比非常有利。 Tianxi Sun et a
7、l. J.Appl.Cryst.(2007).40,1169-1173 点对点深度扫描（三维共聚焦） 不同深度处扫描 提高了信噪比 Tianxi Sun et al. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 723(2013)1-4 提高信噪比 运用共聚焦能量色散X射 线衍射原位实时分析电 化学沉积晶体生长过程 Fangzuo Li, Tianxi Sun (通讯作者）, et al. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 785(2015) 201-205
8、 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.010.511.011.512.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 (a) t=1min Energy (keV) Normalized intensity (a.u.) Cr k Cr k Fe k Fe k Cu k Cu k 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.010.511.011.512.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
9、 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 (b) Energy (keV) Normalized intensity (a.u.) t=2min (200) Cr k Cr k Fe k Fe k Cu k Cu k 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.010.511.011.512.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 (c) Normalized intensity (a.u.) Energy (keV) t=3min (200) Cr k Cr
10、k Fe k Fe k Cu k Cu k 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.010.511.011.512.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 (d) Energy (keV) Normalized intensity (a.u.) t=4min (200) Cr k Cr k Fe k Fe k Cu k Cu k 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.010.511.011.51
11、2.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 (e) Normalized intensity (a.u.) Energy (keV) t=5min (200) Cr k Cr k Fe k Fe k Cu k Cu k 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.010.511.011.512.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 (f) Energy (keV) Normalized intensity (
12、a.u.) t=6min (200) Cr k Cr k Fe k Fe k Cu k Cu k 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.010.511.011.512.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 Normalized intensity (a.u.) Energy (keV) (g) t=7min (200) Cr k Cr k Fe k Fe k Cu k Cu k (111) 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5
13、8.0 8.5 9.0 9.5 10.010.511.011.512.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 t=8min (h) Energy (keV) Normalized intensity (a.u.) (200) Fe k Fe k Cu k Cu k (111) 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.010.511.011.512.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 Normalized
14、 intensity (a.u.) (i) Energy (keV) t=9min (200) Fe k Cu k Cu k (111) 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.010.511.011.512.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 Normalized intensity (a.u.) (j)Energy (keV) t=10min (200) Fe k Cu k Cu k (111) (a) - (j)为原位时间解析的 共聚焦能量色散X射线衍射谱
15、 图 测量样品不同位置所得 的EDMXRD测量谱图（a),(b),(c) 对应的测量位置相距10微米 Weiyuan Sun, Tianxi Sun (通讯作者）et al . Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 764(2014)1-6 测量多晶材料晶粒尺寸 衍射峰强度与扫描距离的对应曲线：（a)在扫描方向上晶粒尺寸小 于共聚焦微元焦斑大小情况下的曲线，（b)在扫描方向上晶粒尺寸 大于共聚焦微元焦斑大小情况下的曲线，虚线表示实线曲线的微 分曲线， （c)在扫描方向上晶粒中存在间隙情况的曲线 Hehe Liu , Tianxi Sun (通讯作者），et al . Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 723(2013) 1-4 鉴定塑料成分 共聚焦小角散射 Tianxi Sun, et al J. Appl. Cryst. (2013). 46, 1880. 多毛细管透镜的其他潜在应用 Bowen Jiang , Tianxi Sun (通讯作者）,et al .Vacuum 121(2015) 1-4 多毛细管X透镜 替代铍窗作为真 空窗口 真空窗口
