CN100491987C - 超快时间分辨x射线谱仪 - Google Patents

Abstract

一种超快时间分辨X射线谱仪，包括飞秒激光器，其特征是在所述的飞秒激光器的激光输出光路上安置一分束器，该分束器的反射光经由光学延迟线到达样品，构成对样品的作用光束，在该分束器的透射光经全反射镜入射在光阴极X射线二极管上，该光阴极X射线二极管产生的X射线入射到样品上，探测作用光束产生瞬态结构变化的过程，然后入射在硅单晶上，产生的光谱色散被探测器接收，显示在计算机上。本发明可用来研究待测样品的瞬态结构变化导致的光谱变化。

Description

超快时间分辨X射线谱仪

技术领域

本发明有关X射线谱仪，特别是涉及一种超快时间分辨X射线谱仪，它在材料科学、信息光学、生物化学等领域有着广泛的应用，时间分辨率可以达到皮秒量级。

背景技术

X射线光谱的探测和通常可见光谱探测一样，都是在谱仪上进行的，是基于X射线所固有的波动特性，根据所采用的不同色散元件，把它分成光栅谱仪和晶体谱仪两大类，光栅谱仪又可分为透射式和反射式两类，晶体谱仪主要用在硬X射线区域。

晶体谱仪利用晶体中的原子点阵进行光谱分析，其工作原理是基于晶体对X射线的衍射布喇格公式：

2dsinθ＝nλ      (1)

d为晶体的晶面间距，θ为晶面的衍射角，n为衍射级次，λ为波长。晶体谱仪的重要参数是谱分辨率、角色散和线色散。将(1)式两端微分，即得角色散率：

$D_{\mathrm{\θ}}=\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{d\θ}}=\frac{2d}{n}\cos \mathrm{\θ}=\mathrm{\λctg\θ}---\left(2\right)$

线色散率：

$D_x=\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{d\θ}}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dx}}=D_{\mathrm{\θ}}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dx}}---\left(3\right)$

式中，x为记录平面的坐标，谱仪分辨率为：

$R=\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\Δ\λ}}_{\min }}=\frac{\mathrm{\λ}}{D_{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\θ}}+D_x{\mathrm{\δ}}_x}---\left(4\right)$

式中，δ_θ为晶体衍射强度分布的半宽度，δ_x为取决于仪器几何因子的响应函数宽度。

晶体谱仪可以分成两种类型，一种是非聚焦型，另一种是聚焦型晶体谱仪。非聚焦型晶体谱仪包含平晶谱仪和凸晶谱仪两种。晶体谱仪的分类可用下图来表示：

我们感兴趣的是反射式平晶谱仪，原理如图1所示。

这种谱仪由4部分组成：X射线源1，狭缝13，色散晶体10和探测器11。从X射线源发出的X射线经晶体色散以后，测得X射线谱，被探测器CCD接收，这种谱仪色散率为：

$D_x=\frac{\mathrm{\λ}}{a+b}\mathrm{ctg\θ}---\left(5\right)$

分辨率为：

$R=\frac{\mathrm{\λ}}{D_{x}r}=\frac{a+b}{r}\mathrm{ctg\θ}---\left(6\right)$

式中，a为光源到晶面的距离，b为从晶面到记录介质的距离，r为光源的横向尺寸。从公式(2)可以看出：为提高谱仪的分辨率，必须增大距离a+b，并且要以接近90°掠射角工作，也就是说，选择值接近被测X射线波长的晶体。这种X射线谱仪是静态谱仪，不能用来研究瞬态光谱变化。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是针对上述在先技术所存在的缺点，提供一种超快时间分辨的X射线谱仪，用以测量瞬态光谱的变化。

本发明的技术解决方案如下：

一种超快时间分辨X射线谱仪，包括飞秒激光器，其特征是在所述的飞秒激光器的激光输出光路上安置一分束器，该分束器的反射光经由光学延迟线到达样品，构成对样品的作用光束，在该分束器的透射光经全反射镜入射在光阴极X射线二极管上，该光阴极X射线二极管产生的X射线入射到样品上，探测作用光束产生瞬态结构变化的过程，然后入射在硅单晶上，产生的光谱色散被探测器接收，显示在计算机上。

所述的飞秒激光器是一台辐射波长为800nm的钛宝石激光器，脉宽为100～1500飞秒、输出能量为0.8～8毫焦耳，1/10的能量用来泵浦光阴极X射线二极管。

所述的分束器是一块对800nm反射90％、透过10％的介质膜板，其基质材料是石英。

所述的光学延迟线由四块全反射镜构成。

所述的反射镜都是镀金的、对800nm具有100％反射率的金属膜板。

所述的光阴极X射线二极管是一个包含四个组成部分的二极管，即光阴极材料是铝，阳极材料是钨，外壳材料是石英，它能透800nm，外壳内抽高真空密封，外加50～120kV的高压源。

所说的样品是用来产生快过程的固体或液体，例如，被飞秒脉冲激发以后，它能产生瞬态结构变化，我们就是研究该过程。

所说的硅单晶用来产生X射线色散谱。

所说的探测器是用来探测光阴极X射线二极管经过样品以后，含有样品的动态信息所成的图像。

所说的计算机是用来显示探测器上所接收到的图像信息。

本发明的技术效果

本发明采用一台钛宝石激光器进行分束，其中一束用来作作用光束，产生一快过程，作为待测事件，另一束用来产生X射线脉冲，作为探测光束，而作用光束和探测光束之间用光束延迟线，用于调整光束延迟，这样能很方便地探测快过程。由于光阴极X射线二极管上施加一高电压，能将阳极上打出X射线，这在激光等离子体上是难以得到的。

本发明与在先技术相比：

本发明超快时间分辨X射线谱仪，由于采用同一台激光器作作用光束和泵浦光束，能控制延迟，拍摄快过程，可用来研究待测样品的瞬态结构变化导致的光谱变化。

附图说明

图1为在先技术所使用的X射线平晶谱仪结构框图。

图2为本发明的超快时间分辨X射线谱仪结构框图。

具体实施方式

先请参阅图2，图2为本发明的超快时间分辨X射线谱仪结构框图。由图可见，本发明超快时间分辨X射线谱仪，包括飞秒激光器1，在该飞秒激光器1的激光输出光路上安置一分束器2，该分束器2的反射光束A经由光学延迟线到达样品9，构成对样品9的作用光束，在该分束器2的透射光束B经全反射镜3入射在光阴极X射线二极管8上，该光阴极X射线二极管8产生的X射线入射到样品9上，探测作用光束A产生瞬态结构变化的过程，然后入射在硅单晶10上，产生的光谱色散被探测器11接收，显示在计算机12上。

所述的飞秒激光器1是一台辐射波长为800nm的钛宝石激光器，脉宽为100～1500飞秒、输出能量为0.8～8毫焦耳，1/10的能量用来泵浦光阴极X射线二极管8。

所述的分束器2是一块对800nm反射90％、透过10％的介质膜板，其基质材料是石英。

所述的光学延迟线由四块全反射镜4、5、6、7构成

所述的全反射镜都是镀金的、对800nm具有100％反射率的金属膜板。

所说的光阴极X射线二极管8，是一个用来产生X射线的装置，它是由四部分组成：

阳极81，材料是金属，当光电子打在金属上时，会产生X射线。

阴极82，材料是铝，外加高压源83，工作电压为100kV，外壳84，壳内抽高真空，外壳材料透800nm，外壳上有一硬X射线的窗口。

所说的样品9，是用来产生快过程的固体样品。

所说的硅单晶10，用来将X射线色散，这是谱仪核心部件，它的色散率和分辨率由公式(5)和(6)确定。

所说的探测器11，是一台CCD电荷耦合器，它能对X射线光谱敏感。

所说的计算机12，是用来存储和显示探测器上获得的图像的装置。

本发明的超快时间分辨X射线谱仪的工作原理和基本过程如下：

本发明采用一台钛宝石激光器1进行分束，其中一束(占总强度的9/10)用来作作用光束，辐射在待研究的样品9上，产生一激光与物质相互作用的快过程，作为待测动态事件。另一束用来产生光电子，产生X射线脉冲作为探测光束，探测上述动态事件，而两光束之间的延迟，通过光束延迟线来实现，因此，能很方便地实现两光束之间的同步和延迟，通过调整延迟线，就可以测量出不同动态时刻的瞬态结构变化。

由于采用光电子，它的单色性可以通过控制钛宝石激光的线宽来控制，由于光阴极X射线二极管中的阳极采用金属，发射的X射线，是激光等离子体远不能达到的。

当记录下第一张超快时间分辨X射线光谱的照片以后，延迟10ps，重复上述实验，再拍摄一张，这样不断以10ps为一步，重复进行，一直拍摄到上述动态事件结束为止，其时间分辨率为皮秒量级。

Claims (6)

1、一种超快时间分辨X射线谱仪，包括飞秒激光器(1)，其特征是在所述的飞秒激光器(1)的激光输出光路上安置一分束器(2)，该分束器(2)的反射光经由光学延迟线到达样品(9)，构成对样品(9)的作用光束(A)，在该分束器(2)的透射光(B)经全反射镜(3)入射在光阴极X射线二极管(8)上，该光阴极X射线二极管(8)产生的X射线入射到样品(9)上，探测作用光束(A)产生瞬态结构变化的过程，然后入射在硅单晶(10)上，所产生的光谱色散被探测器(11)接收，显示在计算机(12)上。

2、根据权利要求1所述的超快时间分辨X射线谱仪，其特征在于所述的飞秒激光器(1)是一台辐射波长为800nm的钛宝石激光器，脉宽为100～1500飞秒、输出能量为0.8～8毫焦耳，1/10的能量用来泵浦光阴极X射线二极管(8)。

3、根据权利要求1所述的超快时间分辨X射线谱仪，其特征在于所述的分束器(2)是一块对波长为800nm的光束反射90％、透过10％的介质膜板，其基质材料是石英。

4、根据权利要求1所述的超快时间分辨X射线谱仪，其特征在于所述的光学延迟线由四块全反射镜(4、5、6、7)构成

5、根据权利要求4所述的超快时间分辨X射线谱仪，其特征在于所述的反射镜都是镀金的、对波长为800nm的光束具有100％反射率的金属膜板。

6、根据权利要求1至5任一项所述的超快时间分辨X射线谱仪，其特征在于所述的光阴极X射线二极管(8)是一个包含四个组成部分的二极管，即光阴极材料是铝，阳极材料是钨，外壳材料是石英，它能透波长为800nm的光束，外壳内抽高真空密封，外加50～120kV的高压源。

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