CN101849178A - 线上能量分散x射线衍射分析仪 - Google Patents

Abstract

一种线上EDXRD分析仪包括：(i)壳体，其限定分析区且具有贯穿通道，以允许输送工艺物料流中的材料通过分析区；(ii)经准直的多色X射线源(iii)能量分辨(ER)X射线探测器；(iv)设置在X射线源与(ER)X射线探测器之间的主束准直器，其包括环形狭缝，该环形狭缝限定多色X射线的入射束辐照分析区的一部分；(v)设置在主束准直器与(ER)X射线探测器之间的散射准直器，该散射准直器包括环形狭缝，该环形狭缝限定被材料散射的X射线衍射束向(ER)X射线探测器会聚；以及(vi)探测器准直器，其包括锥形开口，该锥形开口进一步限定被材料散射的X射线衍射束。该(ER)X射线探测器测量在由(ii)到(vi)的相对定位所限定的预定衍射角处的衍射X射线的能谱，且其中(iv)和(v)中的一个包括设置成使探测器能测量直射X射线束通过材料的透射。

Description

线上能量分散X射线衍射分析仪

相关申请的交叉参照

本申请要求2007年10月3日提交的澳大利亚临时专利申请No.2007905416的优先权，该申请的内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明一般涉及用于对工艺物料流中的材料进行矿物分析的线上能量分散X射线衍射分析仪。本发明尤其涉及对矿物浆料和干粉进行矿物分析。

背景技术

许多矿物加工厂和用于金属制造的技术对送入加工厂的给料的矿物成分以及元素组分敏感。在许多情况下，就加工厂在矿物加工时的性能而言，工艺物料流的矿物组分而非化学组分是最重要的因素。

对工艺物料流的直接矿物分析主要限于线下技术。广泛使用的技术包括扫描电子显微[Sutherland 1991]¹和常规X射线衍射(XRD)[Roach 1998]²。这些技术要求从取至实验室以供分析的工艺物料流中去除小样品或试样。然而，从加工厂通常遇到的极大量中提取的用于此类试样的少量样品一般与准确控制所需信息关联不良，这将导致大的取样误差。此外，分析结果出来之前的延迟时间会产生大成本。随后，线下分析被认为不适用于需要对工艺物料流的日常和迅速分析的工艺控制(尤其对于浆料而言)。

常规XRD基于倾向于需要昂贵设备的角度分散技术。替代技术是基于多色辐射的能量分散技术EDXRD。对应于布拉格方程的晶格面反射的干涉通过不同波长的衍射强度而不是改变常规XRD中的布拉格角来研究。

另一方面，对工艺物料流的线上监测主要限于测量工艺物料流中的材料的化学组分的元素分析仪。广泛使用的用于工艺监测和控制的线上元素分析技术包括X射线荧光(XRF)[Smallbone 1977]³和瞬发中子/γ射线活化分析(PGNAA)[Sowerby 2005]⁴。该流的矿物成分利用所讨论的材料的化学和矿物组分之间的已知关系来确定。然而，这些技术不能区分具有相同化学组分(在此情况下为TiO₂)的矿物(例如锐钛矿和金红石)。此外，在组成工艺物料流的多种不同材料中存在的同一元素会导致错误的结果。例如，如果需要知道石英(SiO₂)的数量，则结果将会被工艺物料流所包含的其他材料中存在的Si和O影响。

利用常规角度分散X射线衍射的准线上矿物分析仪已经出现[Scarlett2001]⁵。然而，该技术需要复杂的自动样品处理设备，且仅具有有限的应用。

本说明书中所包括的对文献、作用、材料、器件、制品等的任何讨论仅用于提供本发明的背景。不承认这些内容中的任一些或全部构成现有技术基础的一部分，或者是在本申请的各个权利要求的优先权日之前存在的与本发明相关的领域中的一般常识。

在本说明书通篇中，单词“包括(comprise)”或诸如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”之类的变型将被理解为表示包括所述元件、整体或步骤、或元件组、整体或步骤，但不排除任何其他元件、整数或步骤、或元件组、整体或步骤。

发明内容

本发明是一种用于对工艺物料流中的材料进行矿物分析的线上能量分散X射线衍射(EDXRD)分析仪，该EDXRD分析仪包括：

壳体，该壳体限定分析区且具有贯穿通道，以允许输送工艺物料流中的材料通过该分析区；

经准直的多色X射线源和能量分辨X射线探测器，其各自相对于该壳体设置；

设置在经准直的多色X射线源与能量分辨X射线探测器之间的主束准直器，该主束准直器包括环形狭缝，该环形狭缝限定入射的多色X射线束辐照分析区的一部分；

设置在主束准直器与能量分辨X射线探测器之间的散射准直器，该散射准直器包括环形狭缝，该环形狭缝限定被材料散射的X射线衍射束向能量分辨X射线探测器会聚；以及

探测器准直器，该探测器准直器包括锥形开口，该锥形开口进一步限定被材料散射的X射线衍射束；

其中能量分辨X射线探测器测量衍射X射线在预定衍射角处的能谱，其中多色X射线源、主束准直器、散射准直器、能量分辨X射线探测器以及探测器准直器中的每一个的相对定位限定所述衍射角，而且其中主束准直器和散射准直器中的至少一个还包括孔隙，该孔隙或各个孔隙设置成使探测器能测量直射X射线束通过材料的透射。

在一个实施例中，主束准直器和散射准直器各具有孔隙，相应的孔隙沿X射线源与能量分辨X射线探测器之间的中心轴彼此对准，以使能量分辨探测器能测量直射X射线束通过材料的透射。

在可任选的实施例中，与能量分辨探测器分开的第二探测器测量直射X射线束通过材料的透射。在这样的实施例中，该散射准直器包括相对主束准直器的环形狭缝的一段对准的孔隙，以使第二探测器能测量直射X射线束透过材料的透射。

该EDXRD分析仪还可包括信号处理器，该信号处理器用于处理来自探测器的信号以确定工艺物料流内的矿物的平面间距。该信号处理器可用于确定平面间距和/或材料中存在的不同矿物种类的比例。该处理器可将测得的衍射X射线能谱除以直射X射线束透过材料的透射，以解释衰减损耗。

优选相应的主束准直器和散射准直器的环形狭缝为锥体形状。相应的主束准直器和散射准直器的环形狭缝优选关于X射线源与能量分辨X射线探测器之间的中心轴沿圆周对称。相应的主束准直器和散射准直器的环形狭缝的宽度可在十分之一毫米到若干毫米的范围内。

在优选实施例中，相应的主束准直器和散射准直器的环形狭缝不连续。优选该不连续将是该环形狭缝的总周长的最小可能部分，以支持内锥体部分。

优选辐照分析区的入射X射线束是扩散空锥体的表面的形式。被该材料散射的X射线衍射束优选是会聚空锥体的表面的形式。因此，能量分辨探测器接收对应于扩散空锥体与会聚空锥体之间的交集的会聚锥体衍射束。

在一个实施例中，EDXRD分析仪还可包括平移平台，主束准直器与散射准直器安装在该平移平台上。任选地，可设置独立的平移平台，以独立地安装相应的主束准直器和散射准直器。

在一个实施例中，限定分析区的壳体可以是工艺物料流可通过或移动的管道、管等。该管道可由低密度、无衍射材料制成。使工艺物料流移动的手段可以是通过泵或重力给料。应当理解的是，在这样的实施例中，经准直的多色X射线源和能量分辨X射线探测器将位于管道的相反两面上。

该EDXRD分析仪还可包括屏蔽盒，该屏蔽盒用于容纳分析仪的部件，且具有供管道通过的通道。该盒可以是辐射屏蔽盒。该辐射屏蔽盒可用导线连线。

在另一实施例中，该壳体可以是容器、槽或具有体积的箱子等。该通道可包括进口和出口，以使工艺物料流能通过容器的体积移动。工艺物料流的压力足以影响材料通过容器的转移；任选地，可使用泵或重力给料。该EDXRD分析仪还可包括用于容纳分析仪的部件的屏蔽盒。任选或此外，该容器可形成屏蔽盒的至少一部分。经准直的多色X射线源和能量分辨X射线探测器可整个地位于容器、槽或箱内。任选地，经准直的多色X射线源和能量分辨X射线探测器分别延伸通过容器的相对壁。优选通路端口设置在容器的相对壁上，且多色X射线源和能量分辨X射线探测器安装至相应的通路端口的***。还优选多色X射线源和能量分辨X射线探测器可密封地安装至相应的通路端口的***，以防止材料从容器内泄漏。在壳体是容器、槽、箱等类似物的实施例中，该EDXRD分析仪可包括安装有X射线源和源准直器的第一平移平台和安装有能量分辨X射线探测器和探测器准直器的第二平移平台。在这样的实施例中，主束准直器和散射准直器相对于壳体刚性地固定。例如，主束准直器和散射准直器中的每一个可相应地固定至凸出到壳体内部的凸出装置的第一端。相应的凸出装置可按照仍使材料能通过分析区的该部分的方式彼此耦合。

在这些实施例中的任一个中，该平移平台或各个平移平台可包括一个或多个测微计，以实现主束准直器和散射准直器在与X射线源与能量分辨X射线探测器之间的中心轴垂直的方向上的精细调节。

多色X射线源优选为密封的X射线管。密封的X射线管包含永久真空，因此不需要维护。密封X射线管通常表征为具有反射靶和具有在制造期间建立和密封的极高真空度的密封工作盒。密封X射线管的优点是它们在较低kV下工作，且具有长工作寿命。

优选多色X射线源在150kV或约150kV电压下工作。更优选X射线源在80kV与200kV之间的电压下工作。此类工作产生能量在0keV到150keV的范围内、更优选在20keV到200keV内的多色X射线。最优选源产生20keV到80keV的范围内的多色X射线。

能量分辨X射线探测器优选为CdTe探测器。任选地，该探测器可以是可在室温或接近室温下工作的另一高分辨率半导体，例如CZT或HgI。任选地，该探测器可以是HPGe探测器。在该探测器是HPGe探测器的一个实施例中，分析仪还可包括用于将探测器冷却至足以测量能谱数据的冷却***。

经准直的多色X射线源可包括靠近或附连至该X射线源的源准直器。该源准直器可具有圆柱形孔隙或锥形孔隙，该孔隙具有显著减少背景散射的直径。

主束准直器、散射准直器以及探测器准直器中的任一个或多个可包括辐射屏蔽体。该屏蔽体可粘附至经受X射线束的相应准直器的第一表面(面)。

该壳体和/或屏蔽盒可由任何合适的材料制成，该材料具有足够高的原子数以显著吸收X射线(除了到达探测器的那些X射线、被材料吸收的那些X射线)。

经准直的多色X射线源和能量分辨X射线探测器可整个设置于基本屏蔽的盒内。

该工艺物料流在非限制性示例中可包括矿物浆料。任选地，该工艺物料流可包括气动地、通过重力、或通过螺旋给料器或类似设备运送的干粉。

附图说明

以下将参照附图描述本发明的示例。

图1是用于线上矿物分析的线上能量分散X射线衍射(EDXRD)分析仪的实用装置的示意图；

图2是用于线上矿物分析的线上EDXRD分析仪的替代装置的示意图；

图3a是图2中所示的主束准直器的示意性俯视图；

图3b是替代主束准直器的示意性侧视图；

图3c是图3b中所示的主束准直器的示意性俯视图；

图4是EDXRD分析仪的替代装置的示意图；

图5a是用于线上矿物分析的线上EDXRD分析仪的另一替代装置的示意性俯视图；

图5b是图5a中所示装置的示意性侧视图；

图6a是图2的EDXRD分析仪存在主束准直器与散射准直器的水平偏移情况下的示意图；

图6b是示出图6a中所示的偏移对衍射峰的影响的曲线图；

图7a是图2的EDXRD分析仪存在主束准直器与散射准直器的垂直偏移情况下的示意图；

图7b是示出图6a中所示的偏移对衍射峰的影响的曲线图；

图8是示出互换分析仪的部件影响衍射角中的变化的示意图；

图9a是示出图1中所示的EDXRD分析仪相对于背景技术中所提到的设备的性能结果的曲线图；

图9b是在背景技术和图9a中提到的设备的示意图；

图10a和10b分别是从根据本发明的分析仪采集的单种矿物金红石和赤铁矿的EDXRD谱的曲线图；以及

图11是利用图1中所示装置采集的矿物混合物的EDXRD谱的曲线图。

实现本发明的最佳方式

现参照附图，在整个若干视图中相同标记表示相同元件。图1示意性地示出用于安装相对于泵浦的矿物浆料的工艺物料流定位的线上能量分散X射线衍射分析仪10的实际装置。虽然相对于泵浦矿物浆料的分析在以下描述中描述了该装置的配置，但应当理解的是，该装置的配置适用于干粉末的分析。

分析仪10包括形式为管道28的壳体，其限定分析区22且具有贯穿通道以允许传输工艺物料流中的矿物成分26通过分析区22壳体。该矿物成分26借助泵(未示出)通过管道28向前移动，该管道28穿过分析区22。管道28由诸如塑料之类的低密度、无衍射材料制造。

设置了接有导线的辐射屏蔽盒20，其具有供管道28通过的通道24。

多色X射线光源30和能量分辨X射线探测器40设置在屏蔽盒20内，且位于管道28的相对两侧。源30产生多色入射X射线束。如本领域已知的具有合适阳极类型的任何合适的X射线管可用于产生该多色束。例如，这些X射线可利用Hamamatsu L8121-01Microfocus X光管产生，该X光管在使用时在120kV电压和0.5mA电流下工作。

附连至多色X射线源30的是由导块组成且其中心具有锥形孔隙的源准直器32。

能量分辨X射线探测器40是允许极高能量分辨率(在60keV下约为570eV)的Amptek XR-100T-CdTe探测器。使用CdTe二极管探测器具有优于其他可能探测器的多种优势。与高杂质锗(HPGe)探测器不同，CdTe探测器不需要液氮冷却。它们还更便宜、尺寸更小、且具有与HPGe相当的能量分辨率。CdTe探测器还提供比相似的镉锌碲(CZT)探测器更好的电荷输运性质，因此可观测到好得多的光谱。

由钢制成的主束准直器50设置在经准直的多色X射线源30与分析区22之间。主束准直器50包括半径为r₁且具有以角度θ₁倾斜的表面的贯穿环形狭缝52，该狭缝限定X射线入射束54照射分析区22。入射束54是扩散空锥体的表面的形式。在分析区中的材料内，某些相干散射将出现，对于给定测量的最优值将在角θ₁+θ₂附近的相对窄范围内出现。

同样由钢制成的散射准直器60设置在分析区22与能量分辨X射线探测器40之间。散射准直器60还包括环形狭缝62，用于限定被该材料散射的X射线衍射束向探测器40会聚，该环形狭缝62具有半径r₂，且也具有以角度θ₂倾斜的内表面。

设置了由钢制成的探测器准直器70。探测器准直器70进一步限定了被该材料散射的X射线衍射束。探测器准直器70具有允许X射线到达探测器40的定位于中间的锥形孔隙72。该锥形孔隙72利用电火花线切割形成。该锥形孔隙72的内表面倾斜以使其与通过散射准直器的孔隙62至能量分辨探测器40的X射线的传播方向平行。散射准直器的孔隙62与能量分辨探测器40的相对几何结构使能量分辨X射线探测器40测量在选定角θ＝θ₁+θ₂附近的窄角度范围处散射的X射线能谱。因此，能量分辨探测器40接收对应于扩散空锥体与会聚空锥体之间的交集的会聚锥体衍射束。

最优衍射角θ将取决于待测样品材料的晶体结构和入射光子的能量。如下定义的布拉格定律描述了发生X射线光子的相长干涉的条件。

λ＝2dsin(θ/2)，(1)

其中λ是X射线波长，d是原子平面间距。在EDXRD的情况下，根据X射线能量而不是波长来写方程1更方便。

$E=\frac{\mathrm{hc}}{2d\sin (\mathrm{\θ}/2)},---\left(2\right)$

其中E是X射线能量，h是普朗克常数，以及c是光束。通过检测以固定角度(EDXRD)散射的X射线的能谱，可推导出存在的矿物的平面间距(d)，从而确定材料中存在的不同矿物种类的比例。

在给定材料内可能存在许多散射面，表示平面间距(d)的范围。某些入射光谱能量将满足相长干涉的布拉格定律(对于特定d值)。这导致将具有与待测材料相关的唯一“签名”的光子能谱。

散射准直器60还包括孔隙64。设置第二探测器80(也是能量分辨探测器)以测量已通过主束准直器的狭缝52、通过材料以及通过散射准直器60的孔隙64的直射X射线束的透射(即测量无散射地通过的透射束的那部分)。第二探测器80优选与能量分辨探测器40为同一类型。任选地，第二探测器80可以是较低分辨率探测器，诸如耦合至光电二极管或光电倍增器的闪烁晶体。来自探测器40和80的输出耦合至处理电子电路(未示出)。

样品厚度对衍射光谱的主要影响是决定低能X射线在材料中被吸收的程度。因为低能X射线不太可能穿透材料，所以在衍射光谱中的低能处易于存在衍射计数不可观测的区域。低计数区域扩展能量标度的程度由样品的密度和厚度决定。这在EDXRD分析仪的设计中是重要的考虑因素，因为主衍射峰必须处于能容易穿透样品的能量处。衍射峰能量由测量衍射束的角度确定，因此衍射角必须被选择成使这些峰处于材料被测量的合适能量处。

对于类似于碲化镉之类的固态探测器，X射线能量被CdTe吸收然后直接释放为电信号。该电信号强度与X射线的能量直接成比例。

定位于中央的开口(未示出)可设置在主束准直器50和散射准直器60中的每一个中以实现对准。在工作时，插塞可阻塞相应的开口。

图2示出了用于安装线上能量分散X射线衍射分析仪10a的另一实用装置。然而，可对如图1所示的EDXRD分析仪10的某些部件的配置作出微小修改。具体而言，主束准直器50和散射准直器60各自包括圆柱形孔隙90，这些圆柱形孔隙90穿过相应的准直器板50、60的整个厚度，且沿着源30与能量分辨探测器40之间的中心轴彼此对齐。这些圆柱形孔隙90为探测器提供测量通过工艺物料流中的材料透射的直射束的装置。而且，参照图1，探测器80已被弃用，且探测器40替代地测量直接透射的X射线的能谱。机械装置(未示出)允许中央孔隙交替地打开和关闭，以允许衍射和透射信号被分别收集。

孔隙90的直径可以在约1/10毫米到若干毫米的范围内。在衍射测量期间，主束准直器50和散射准直器60的圆柱形孔隙90被由钨制成的插塞(未示出)阻塞。插塞的厚度足以完全阻止用于测量的最大X射线能量。主束准直器50和散射准直器60的中央开口还提供用于对准的装置。

主束准直器50和散射准直器60由金属板制成，且按照完全相同的方式设计。之前提到的狭缝52、62通过去除相应板的锥形部分并以具有较小半径的同一材料的锥形片代替来制造。这样得到供X射线束通过的恒定宽度的开口。

参照图3a到3c，更具体地参照图3b，显然狭缝52的内表面是倾斜的。这允许X射线束高效地通过狭缝52。各个狭缝52、62的宽度可在1/10毫米到若干毫米的范围内。在图1中所示的示例中，主束和散射准直器的宽度相同。电火花线切割技术提供制造狭缝52、62的高精度装置。设置了不连续(未示出)以使内锥体部分64相对于准直器保持在适当的位置。然而，该不连续相对于准直器的大小和重量保持尽可能小，因为该不连续越大，孔隙的总面积越小从而计数率的减小越大。

主束准直器50和散射准直器60的大小、形状以及厚度根据EDXRD分析仪10或10a的预期最终应用而不同。用钢制造主束准直器50和散射准直器60是有利的，因为与其他金属相比，钢的成本更低，而且较容易精确加工。

虽然未在图3a中示出，但可为主束准直器50和散射准直器60中的每一个设置用铅制成的附加辐射屏蔽体56(参见图3b和3c)。铅屏蔽体56覆盖主束准直器50和散射准直器60中的每一个受X射线束照射的那一面的整个表面积，除了狭缝52、62周围的小圆柱区58之外。铅屏蔽体56直接附连至其相应的准直器，并提供除准直器的钢部分提供的X射线屏蔽之外的额外X射线屏蔽。在此情况下使用铅，因为这些薄板不用于准直X射线束，从而不需要加工至高准确度。

检测器准直器70还包括用铅制成的辐射屏蔽体(未示出)。在锥形孔隙72区域附近从检测器准直器屏蔽体去除圆柱形孔。

上述分析仪的部件被设置成使工厂的工艺物料流通过屏蔽20。部件的对准需要细致的精度。基于工艺物料流直接配置分析仪对于管道/输送设备的直径小于约25mm的应用而言是实用的。然而，加工厂内的管道或输送设备的直径一般大得多。在这种情况下设置了支线，如图4中示出的示意性设置。

采样器100从工艺物料流102将材料的代表性部分转移至支线104中。该材料然后通过EDXRD分析仪10或10a(如关于以上图1或2所述)，且该材料然后返回主工艺物料流102。

图5a和5b示出了用于安装特别针对矿物浆料的矿物分析的在线能量分散X射线衍射分析仪10b的另一实用装置。EDXRD分析仪10b的部件与图1中所示的分析仪的部件相同，且具有现在将描述的少量修改。与材料通过管道的上述装置不同，此处的分析仪10b浸入浆料槽112中。浆料槽112(壳体)设置有浆料进口114和浆料出口116。来自工艺物料流的给料经由浆料进口114和浆料出口116通过浆料槽。在某些应用中，工艺物料流的压力足以影响材料向槽中的转移；或者，可使用泵或重力给料。浆料槽112的配置和体积以及泵特征速率确保恒定材料流进入浆料进口114并流出浆料出口116而返回工艺物料流。所示槽适用于高达每分钟60升的流速。位于浆料槽任一侧上的是束通路端口118。在本实施例中，主束准直器50和散射准直器60相对于浆料槽112刚性地固定。主束准直器50和散射准直器60中的每一个分别安装至钢管120延伸至浆料槽112的第一端。这些钢管120中的每一根的第二端刚性地安装至相应的束通路端口118。相应管的第一端的某些部分可连结，以辅助保持分析仪10b的部件之间的精确对准。X射线源30和源准直器32安装至第一X/Y可调节板122。同样，能量分辨X射线探测器40、第二探测器80以及探测器准直器70安装至第二X/Y可调节板122。各个板刚性地安装至槽112。

图5a和5b中所示的X射线衍射分析仪10b的配置是有优势的，因为它可分析显著更多体积的材料。这样的配置就采样准确度和维护简易度而言可具有显著好处。

如上所述，部件的对准需要细致的精度。EDXRD分析仪10、10a、10b对多色X射线源30、探测器40、源准直器32、主束准直器50、散射准直器60以及探测器准直器70之间的偏移尤其敏感，而且任何此类偏移将使设备的计数率和分辨率降低。相应的主束准直器和散射准直器的狭缝52、62关于X射线源30与第一X射线探测器40之间的中心轴沿圆周对称。与中心轴的对称偏移量将增大误差率。同样，期望相应的主束准直器和散射准直器环形狭缝52、62尽可能平行于X射线行进方向。同样重要的是主束准直器50和散射准直器60相对源30和探测器40在垂直方向上的对准，以及主束准直器50和散射准直器60相对源30和探测器40在水平方向上的对准。

图6a和6b示出了主束准直器50和散射准直器60在水平方向上的偏移对所得的观测到的衍射峰的影响。这些结果从其中主束准直器环形狭缝52和散射准直器环形狭缝62各具有0.5mm宽度，而探测器准直器孔隙72a具有1.2mm宽度的分析仪获得。参照图6b，6(i)是基本无偏移(0mm)时的曲线图，6(ii)是存在0.2mm偏移时的曲线图，6(iii)是存在0.4mm偏移时的曲线图，6(iv)是存在0.6mm偏移时的曲线图，6(v)是存在0.8mm偏移时的曲线图，以及6(vi)是存在1.0mm偏移时的曲线图。如图所见，仅0.2mm偏移足以可观地降低峰值强度，并降低分辨率(峰宽)。然而，将能理解的是，对于具有更宽的准直器开口的设备而言，可允许的偏移一般更大。

鉴于准直器、源以及探测器放置在几百毫米的距离上却必须在十分之几毫米内对准，加工部件以使准直器以所需精度定位是困难而且昂贵的。

水平对准通过将主束准直器50和散射准直器60放置在装配有测微计以允许精细调节的平移平台上而获得。主束准直器50和散射准直器60可固定在一起同时保持可接受的公差，因为它们相当接近地分隔开(一般小于100mm)。这意味着它们可通过单次调节来对准。当所检测到的通过中央开口的X射线计数最大时，实现对准。

主束准直器环形狭缝52和散射准直器环形狭缝62相对源30和探测器40在垂直方向上的偏移不比水平方向上的偏移关键。参照图7b，7(i)是基本无偏移(0mm)时的曲线图，7(ii)是存在+0.2mm偏移时的曲线图，7(iii)是存在-0.2mm偏移时的曲线图，7(iv)是存在+0.4mm偏移时的曲线图，7(v)是存在-0.4mm偏移时的曲线图。应当理解的是，7(i)和7(ii)、7(iii)之间的两个曲线图是存在±0.1mm偏移时的曲线，类似地，7(ii)、7(iii)和7(iv)、7(v)之间的曲线是存在±0.3mm偏移时的曲线。如图所示，高达2mm的偏移一般是可接受的。平移平台可以是可调节的，以精细调节垂直方向上的对准，然而这并不关键。

然而，EDXRD分析仪10、10a以及优选10b可构造为包含可互换的部件，从而该设备的参数(具体而言是衍射角θ)能容易地变化以适用于特定应用。该分析仪的最优设置是建立一种***，藉此由主束准直器50和散射准直器60组成的组件被去除并被不同的组件替代，其中环形狭缝52的半径r₁和环形狭缝62的半径r₂变化。这样的设置在图8中示出。

任选地，主束准直器50与散射准直器60之间的距离可变化，而相应的狭缝孔隙半径如同源30与探测器40之间的距离一样保持恒定。

还可能将分析仪配置成使装配有X射线源30和探测器40、(80)的组件的高度可调。这可利用使源和探测器准直器固定于离样品不同距离处的装配板来实现。如果期望改变衍射角，则该部件是有用的，但样品上的入射X射线束的半径需要恒定。通常情况就将是这样，因为期望使束宽度与样品自身一样宽，从而测量最大可能量的材料。

模块化设计的主要优点在于该设备可改变以适合不同的应用，而不是必须使用不同的分析仪。它还意味着不同设计的分析仪可由标准部件的集合制成，从而降低开发和构造成本。

处理器(未示出)可通过将测得的衍射X射线能谱除以通过材料的直射X射线束的测得透射而将测得谱归一化。测得谱的归一化解释X射线束的衰减。

在不同矿物的峰之间可能存在相当多的交迭。为解决交迭的存在，可利用简单线性回归技术处理衍射数据。因此，两个或三个能量“窗口”可分配给各种矿物，并放置在该材料的最清楚和最强的峰附近，且确定各个窗口在特定时间周期中的X射线总数量。线性回归可用于将窗口计数率与矿物组分相关联。

对于线性回归不适合的情况，去卷积/回归会是合适的。在这些情况下，基于对设备和探测器如何影响衍射谱的分布的了解，将该谱去卷积。这能显著减少峰交迭。然后对经去卷积的谱进行回归分析。任选地，可进行全图样分析，例如Rietveld分析。在这种情况下，全衍射图样用于确定矿物量，而不是像线性回归中一样仅使用衍射峰。全图样方法一般从计算出的衍射图样开始，然后对用于计算的变量进行求精，直到计算出的图样与实际光谱尽可能接近地匹配。矿物量然后根据求精的变量来确定。全图样方法是优选的，因为它们一般比单峰方法准确。

实验数据和分析结果

图9a示出了如图1所示的EDXRD分析仪10相对于如图9b所示的已知设备6的性能的模拟结果。各个数据点表示分析仪10于设备的不同配置，其中差别是因为准直器开口宽度(该宽度在0.1mm与2.0mm之间变化)和源到样品以及样品到探测器距离引起的。因为结果是模拟出来的，所以主束准直器和探测器准直器孔隙的直径、以及已知设备的部件之间的对准被认为是精确的，并与分析仪10的对准一致。

不论该精确度如何，都容易观测到根据本发明的分析仪10的性能远远优于图9b中所示的已知设备，其中任一分辨率值下的计数率性能比根据本发明的分析仪10大一个数量级。

根据本发明的EDXRD分析仪10有利地实现了比图9b中所示设备测量更大体积的材料。在图9b的设备中，入射束具有非常小的直径(一般小于2mm)，因此仅小体积的材料被测量，而根据本发明的分析仪测量直径为数十毫米的材料环。这是显著的优点，因为采样误差被降低，且能得到更有代表性的材料组分评定。

图10a和10b中示出了利用装置10采集的矿物赤铁矿(Fe₂O₃)(图10a)和金红石(Ti₂O)(图10b)的示例EDXRD谱。该谱在120kV X射线管电压和0.5mA电流下采集。该衍射谱包含表示来自不同晶面的反射的衍射峰的集合。

图11中示出了用装置10采集的分别含约50％和40％重量百分比的岩盐(NaCl)和钾盐(KCl)作为多数成分、以及赤铁矿(Fe₂O₃)、石英(SiO₂)、石膏(CaSO₄·2(H₂O))、无水石膏(CaSO₄)和高岭石(Al₂Si₂O₅(OH)₄)作为少数成分(均小于5％重量百分比)的样品的EDXRD谱的示例。在35keV与70keV之间的这四个强峰属于主要组分岩盐和钾盐。制作了十五个此类样品，分别包含量略有不同的各种矿物。这七种矿物中的每一种量化的准确度通过分析这十五个样品的谱来确定。与广泛用于工艺监测和控制的线上元素分析技术不同，我们发现多数组分能以低于0.5％重量百分比的准确度量化，而少数组分能以约0.2％重量百分比的准确度量化。

如根据上述示例显而易见的是，与许多常规分析仪所利用的反射技术相比，根据本发明的EDXRD分析仪使用透射技术。比较而言，根据本发明的EDXRD分析仪实现更高的X射线能量(例如，EDXRD分析仪可达120keV，相比于典型的常规分析仪约10keV。)更高X射线能量的优点是能可靠地测量更厚的材料。根据本发明的EDXRD分析仪容易能测量厚度为数十毫米的材料。而且，在EDXRD中使用更高能的X射线减小了微吸收的影响，这能减低对样品制备的要求。

根据本发明的至少一个实施例的EDXRD分析仪的另一优点是不存在移动零件。无移动零件降低了分析仪的复杂度和由机械磨损和损坏引起的成本。

虽然已经连续材料的泵浦描述了上述实施例，但某些实施例可应用于重力给料浆料、气动给料干粉、螺旋给料干粉以及输送材料。关于重力给料浆料，工艺物料流在重力的影响下通过分析仪给料。在该设置中，图1和2中所示的管道28处于垂直方向。分析仪的部件的相对配置保持相同。该管道可以是主工艺物料流或支线。该管道最可能由具有低原子数的低密度材料制成。当待测材料是干粉时，气动***可用于将材料经由管道吹过分析仪。关于螺旋给料干粉，可经由旋转的螺旋桨迫使材料通过分析仪。材料可任选地通过分析仪运送。然而，因为材料在分析仪内堵塞的风险，这是最不优选的选择。

在上述示例中，主束准直器50和散射准直器60的孔隙宽度相同，然而在某些情况下，为各个准直器50、60使用不同的开口宽度实际是更有利的。虽然主束准直器50和散射准直器60已描述为用钢加工而成，但应当理解还可使用其他材料。例如，可使用的可能材料包括铅和钨，然而这些材料不如钢合适，因为它们存在难以精确加工的缺点。钨还具有相比于钢昂贵的缺点。

在上述示例中，源准直器26在中心处具有锥形孔隙。在可选实施例中，源准直器在中心处具有圆柱形孔隙。

在上述示例中，X射线利用工作于120kV电压和0.5mA电流的Hamamatsu L8121-01Microfocus X射线管产生。然而，在产业环境内，该X射线源将是比用于实验装置的Hamamatsu管更高功率的X射线管。它最可能工作于70-120kV之间和若干mA下。

在上述示例中，EDXRD分析仪使用CdTe探测器。该探测器中的CdTe晶体大小非常小，在用于实验装置的XR-100T-CdTe探测器的情况下，探测器大小为3×3×1mm³，因此测得束在探测点处必须具有非常小的直径。根据本发明的分析仪10满足该要求，因为衍射束在会聚锥体的顶点处测得。此外，CdTe探测器能在室温下工作。

虽然不期望，但其他可能的X射线探测器包括高纯度锗(HPGe)。在包含HPGe探测器的实施例中，将能理解冷却***将是必须的。

应当理解，术语“平移平台”一般描述用于将对象约束于一个或多个运动轴的运动***部件。平移平台通常具有平台和底座，该平台和底座通过某种形式的导轨或线性轴承结合，以使该平台受限于关于底座沿X和Y方向上的运动。在常用用途中，术语“平移平台”可能或可能不包括平台的位置相对于底座受控的机制。

分析仪10适用于监测大量的矿物加工。无限制的示例应用包括铁矿石、铝土矿、铜矿石、镍矿石、波特兰水泥以及涉及矿物加工的其他应用。如将能理解的那样，衍射角将取决于应用，从而最优几何配置将确定。

对于其中测量连续材料流的应用，通过分析仪10的材料体积会从每分钟几升到每分钟几百升变化。

本领域技术人员将能理解，可对如特定实施例中所示的本发明作出多种变化和/或修改，而不背离如广泛描述的本发明的精神或范围。因此，所给出的实施例在各方面而言都应被认为是说明性而非限制性的。

参考文献：

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Claims (22)

1.一种用于对工艺物料流中的材料进行矿物分析的线上能量分散X射线衍射(EDXRD)分析仪，所述EDXRD分析仪包括：

壳体，所述壳体限定分析区且具有贯穿通道，以允许输送工艺物料流中的材料通过所述分析区；

经准直的多色X射线源和能量分辨X射线探测器，其各自相对于所述壳体设置；

设置在所述经准直的多色X射线源与所述能量分辨X射线探测器之间的主束准直器，所述主束准直器包括环形狭缝，所述环形狭缝限定入射的多色X射线束辐照所述分析区的一部分；

设置在所述主束准直器与所述能量分辨X射线探测器之间的散射准直器，所述散射准直器包括环形狭缝，所述环形狭缝限定被所述材料散射的X射线衍射束向所述能量分辨X射线探测器会聚；以及

探测器准直器，所述探测器准直器包括锥形开口，所述锥形开口进一步限定被所述材料散射的X射线衍射束；

其中所述能量分辨X射线探测器测量所述衍射X射线在预定衍射角处的能谱，其中所述多色X射线源、所述主束准直器、所述散射准直器、所述能量分辨X射线探测器以及探测器准直器中的每一个的相对定位限定所述衍射角，而且其中所述主束准直器和所述散射准直器中的至少一个还包括孔隙，所述孔隙或每个孔隙设置成使探测器能测量直射X射线束通过所述材料的透射。

2.如权利要求1所述的EDXRD分析仪，其特征在于，所述主束准直器与所述散射准直器中的每一个具有孔隙，所述相应的孔隙沿所述经准直的多色X射线源与所述能量分辨X射线探测器之间的中心轴彼此对准。

3.如权利要求1所述的EDXRD分析仪，其特征在于，还包括与所述能量分辨探测器分开的第二探测器。

4.如权利要求3所述的EDXRD分析仪，其特征在于，所述散射准直器包括相对所述主束准直器的所述环形狭缝的一段对准的孔隙，以使直射X射线束能透射以照射在所述第二探测器上。

5.如以上权利要求中的任一项所述的EDXRD分析仪，其特征在于，还包括信号处理器，用于处理来自所述探测器的信号以确定所述工艺物料流内的矿物的平面间距。

6.如以上权利要求中的任一项所述的EDXRD分析仪，其特征在于，所述相应的主束准直器和散射准直器的所述环形狭缝为锥体形状。

7.如以上权利要求中的任一项所述的EDXRD分析仪，其特征在于，所述相应的主束准直器和散射准直器的所述环形狭缝关于所述经准直的多色X射线源与所述能量分辨X射线探测器之间的中心轴沿圆周对称。

8.如权利要求7所述的EDXRD分析仪，其特征在于，所述主束准直器和散射准直器的相应环形狭缝的宽度在十分之一毫米到若干毫米的范围内。

9.如以上权利要求中的任一项所述的EDXRD分析仪，其特征在于，所述相应的主束准直器和散射准直器的所述环形狭缝不连续。

10.如以上权利要求中的任一项所述的EDXRD分析仪，其特征在于，照射所述分析区的所述部分的入射X射线束是扩散空锥体的表面的形状。

11.如权利要求10所述的EDXRD分析仪，其特征在于，所述被所述材料散射的X射线衍射束是会聚空锥体的表面的形状。

12.如以上权利要求中的任一项所述的EDXRD分析仪，其特征在于，所述多色X射线源是密封X射线管。

13.如以上权利要求中的任一项所述的EDXRD分析仪，其特征在于，所述X射线源在80kV与120kV之间的电压下工作。

14.如以上权利要求中的任一项所述的EDXRD分析仪，其特征在于，所述能量分辨X射线探测器是CdTe探测器或基本可在室温下工作的另一高分辨率半导体。

15.如权利要求1到13中的任一项所述的EDXRD分析仪，其特征在于，所述能量分辨X射线探测器是HPGe探测器。

16.如权利要求15所述的EDXRD分析仪，其特征在于，还包括将所述HPGe探测器冷却至足以测量能谱数据的温度的冷却***。

17.如以上权利要求中的任一项所述的EDXRD分析仪，其特征在于，还包括靠近或附连至所述X射线源的源准直器。

18.如权利要求17所述的EDXRD分析仪，其特征在于，所述源准直器具有圆柱形孔隙和锥形孔隙中的一种。

19.如以上权利要求中的任一项所述的EDXRD分析仪，其特征在于，还包括安装有所述主束准直器的第一平移平台和安装有所述散射准直器的第二独立平移平台。

20.如权利要求1到18中的任一项所述的EDXRD分析仪，其特征在于，所述主束准直器和所述散射准直器相对于所述壳体刚性地固定。

21.如权利要求20所述的EDXRD分析仪，其特征在于，还包括安装有所述X射线源和源准直器的第一平移平台和安装有所述能量分辨X射线探测器和探测器准直器的第二平移平台。

22.如权利要求20或21所述的EDXRD分析仪，其特征在于，所述壳体的至少一部分包括具有进口和出口的容器，工艺物料流中的材料通过所述容器。

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