CN102621167A - 透射式硬x射线谱仪 - Google Patents

Abstract

提供一种透射式硬X射线晶体谱仪，包括：凹形底座，用于容纳支撑弯晶的弯晶支架，该底座具有相对的两端；前面板，其布置在所述凹形底座的其中一端，该面板具有一个孔和以该孔为中心对称的入射窗口，以使被测光经过该孔和入射窗口入射到弯晶上；光谱探测器，其连接到所述凹形底座的另一端上，用于探测经弯晶透射过的光；在凹形底座内还布置有位于弯晶和光谱探测器之间的狭缝，以使从弯晶透射过的光经该狭缝入射到光谱探测器；和顶盖，其覆盖于凹形底座上，用于密封凹形底座；其中所述孔被设置成适于在所述光谱探测器上提供X射线源的小孔成像。该谱仪对于硬X射线有高的集光效率，高光谱分辨能力，通过谱仪中心的小孔，能同时得到源的小孔像。

Description

透射式硬X射线谱仪

技术领域

本发明涉及一种应用于X射线分析的谱仪，尤其涉及一种透射式硬X射线谱仪。

背景技术

随着激光器的不断发展，激光功率的不断提高，激光等离子体相互作用中硬X射线的研究越来越受到人们的重视。激光与等离子体相互作用，通过受激喇曼散射、共振吸收、双等离子体衰变等集体过程会产生大量的超热电子，通过测量等离子体辐射的硬X射线轫致辐射光谱，可以获得超热电子能量分布的特性。此外，在一些高Z物质的量子电动力学理论及相对论修正和吸收光谱学方面，也常常需要对硬X射线的光谱进行诊断。

X射线光谱的探测和可见光谱探测一样，都是在谱仪上进行的，基于X射线的波动特征，根据采用的不同的色散元件，可以将其分为光栅谱仪和晶体谱仪两大类。晶体谱仪是测量短波长辐射的线状谱和连续谱的重要仪器，它使人们能够在原子尺度上深入的了解物质结构，并在此基础上建立起了一门有广泛应用领域和重要理论意义的X射线谱学。本申请属于透射式弯晶谱仪，它是晶体谱仪中的其中一种。

晶体谱仪是利用晶体中的原子点阵进行光谱分析，工作原理是基于晶体对X射线的衍射布拉格公式：2dsinθ＝nλ，d是晶体的晶面间距，θ是晶面的衍射角，n为衍射级次，λ为波长。

如附图1所示，硬X射线穿过石英，透射弯晶后满足布拉格定律，衍射后的X射线被探测屏接收。X射线从源S出射到达弯晶的C处，CO是透射弯晶曲率半径R，DE是探测屏，SC，CE是X光光路，s为源到弯晶的距离，在实验中s，R固定，如果已知特征谱线的波长，θ是对应的布拉格角，通过计算可得到弯晶到“光线”汇聚点A的位置，设记录面上谱线到中心线距离为x，通过近似计算公式(文献1，Mancini R C，Phaneuf R A.Atomic processesin plasma：twelfth topical conf[C]，American Institute of Physics.2000：25-35)可得：x＝λR/(2d)。

在现有的X射线谱仪中，存在的普遍缺陷是集光效率较低，无法对微弱X射线诊断，且分辨率低。而且，无法同时获得X射线源的空间特性(例如强度)，增加了实验探测的复杂度。

发明内容

因此，本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种高分辨透射式硬X射线谱仪。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明，提供一种透射式硬X射线晶体谱仪，包括：

凹形底座，用于容纳支撑弯晶的弯晶支架，该底座具有相对的两端；

前面板，其布置在所述凹形底座的其中一端，该面板具有一个孔和以该孔为中心对称的入射窗口，以使被测光经过该孔和入射窗口入射到弯晶上；

光谱探测器，其连接到所述凹形底座的另一端上，用于探测经弯晶透射过的光；

在凹形底座内还布置有位于弯晶和光谱探测器之间的狭缝，以使从弯晶透射过的光经该狭缝入射到光谱探测器；和

顶盖，其覆盖于凹形底座上，用于密封凹形底座；

其中所述孔被设置成适于在所述光谱探测器上提供X射线源的小孔成像。

在上述谱仪中，所述孔和入射窗口的中心为在同一水平线上。

在上述谱仪中，所述面板包括上下两个铅板，所述孔由夹在两个铅板之间的铅片提供。

在上述谱仪中，所述狭缝被布置为使经弯晶透射过的光会聚在该狭缝处并从中穿过。

在上述谱仪中，还包括设置在狭缝下游与其邻近的限位框，用于限制入射到光学探测器内的光。

在上述谱仪中，所述凹形底座内还布置有导轨，将所述狭缝安装在该导轨上。

在上述谱仪中，所述其中孔的直径为1至100微米。

在上述谱仪中，所述狭缝由以谱仪中心线为轴对称排列的两块楔形铅块之间的空隙提供。

在上述谱仪中，所述孔、弯晶、狭缝为同轴，且与谱仪的中心线重合。

在上述谱仪中，所述凹形底座和上盖由内外两层构成，内层由硬铅制成，外层由硬铝制成。

与现有X射线谱仪相比，本发明的谱仪具有以下优点：

1、相比于平晶X射线谱仪，本发明中使用弯晶，更有利于提高集光效率(大约高10-100倍)，能够在激光等离子相互作用中一次获取X射线谱线，能够很好地避免等离子体自身的不稳定性和不重复性对实验现象带来的干扰；

2、成像板与狭缝的距离可变，因此可以通过增加探测器距罗兰圆的距离，提高空间分辨率，这对于研究等离子体中的非均匀性有重要意义；

3、本谱仪在摄谱作用的同时能够对X射线源进行小孔成像，反映出源的大小，并且能够得到源强度的空间分布。

4、根据实验中不同类型的透射弯晶，可通过导轨来调节狭缝的位置，从而提高探测的谱宽范围，也方便操作；

5、由于本谱仪能从一次激光相互作用过程中获取尽可能多的时空信息，可以广泛地应用于激光惯性约束聚变、X射线激光和激光等离子体等重要研究领域，可以用来诊断等离子体参数，研究等离子体基本过程。

附图说明

以下参照附图对本发明作进一步说明，其中：

图1为现有透射式弯晶谱仪的工作原理；

图2a为本发明优选实施例的透射式硬X射线谱仪的光路图；

图2b为图2a所示透射式硬X射线谱仪的标定结构与示意图；

图3为图2b所示透射式硬X射线谱仪的局部立体图；

图4示出了图2b所示透射式硬X射线谱仪的弯晶及弯晶支架。

具体实施方式

图2a示出了本发明优选实施例的透射式硬X射线谱仪的光路图。如图所示，包括谱仪和X射线源7，其中谱仪包括前面板1、凹形底座2、顶盖3、弯晶支架4、铅制狭缝5、以及成像板6，其中前面板1包括两个重叠的铅板101和102，以及位于两个铅板中心的小孔103。下面参照图2b、图3和图4对谱仪的各部件做详细说明。

图2b为图2a所示透射式硬X射线谱仪的标定结构与示意图，图3为图1所示透射式硬X射线谱仪的局部立体图。如图3所示，凹形底座2呈凹槽状，具有两个相对的端部，在其中一端上安装有重叠的两个铅板101和102，另一端用于安装成像板(未示出)(例如磷屏或GE公司生产的IP板)，以显示光谱信息。可替代地，该端也可连接至光学探测器(例如CCD探测器)。为了防止谱仪外的杂散光，凹槽底座2通常采用两层材料制成，即内层为硬铅，外层为硬铝。类似地，用于密封凹槽底座2的顶盖3也可以使用上述材料，其目的都是屏蔽外界光线。

在前面板1的与来自X射线源的入射光对应的中心处具有一个小孔103，在该小孔103两侧设有呈中心对称的两个入射窗口104，其中小孔的直径为100微米以下，例如1～100微米。在本实施例中，小孔103是通过如下方法制成：首先在一个小且薄的铅片(例如直径为1～5厘米、厚度为0.5-1毫米的铅片)上打孔，该孔的直径例如为50微米；然后在构成前面板的两块铅板101和102开通孔，该通孔的直径小于铅片的直径，但大于铅片上小孔103的直径；将该铅片夹在两块铅板101和102之间，使小铅片上小孔的中心恰好位于通孔的中心线上。通过上述方法提供的小孔结构103便于在实际当中所使用，因为铅板101、102的厚度通常较大，很难直接在铅板上形成尺寸在微米级的小孔。当然，小孔103也不局限于此实施例所提供的方式，能够在前面板1上形成直径在微米级的其他小孔的结构也能在本发明中使用。可选地，为了屏蔽周围散射的X射线对探测的影响，前面板1上可覆盖合适的滤片，以消除可见光的影响。

继续参考图2b、3，入射窗口104的大小和形状以所使用的弯晶(例如图4所示的弯晶401)大小及形状相匹配，在本实施例中，入射窗口104为两个矩形窗口，入射光通过其照射在后面的矩形弯晶401上。本发明利用小孔成像原理，使通过小孔103的光经过弯晶的中心，在成像板6上产生源的像，从而在探测到X射线能谱的同时得到其空间分布，利于更全面的对源的特性分析(见图2a)。

在本实施例中，弯晶支架4固定在凹形底座2的底部(靠近前面板1的一侧)，用于支撑弯晶。参见图4，进一步示出了支撑弯晶401的弯晶支架4的立体图。如本领域普通技术人员所知，弯晶401指的是具有一定曲率的单晶。在本实施例中，采用的是弯曲后的石英片(实际上，可根据实验所需探测X射线的不同波段，选择合适的晶体)。弯晶401通过粘合剂粘附到弯晶支架4的前端，以使通过入射窗口104入射的X射线在弯晶4上发生布拉格衍射，穿过前面板1上小孔103的X射线直接穿过弯晶401中心。在本实施例中，弯晶支架4具有两个通道(或腔)402，其分别对应于两个入射窗口104，以使经石英片透过的光从中穿过。另外，在弯晶支架4的两个通道402之间设置有一个中心孔403，其位置与前面板的小孔103相对应，使穿过弯晶中心的光能从该孔103中穿过到达成像板。在本发明的其他实施例中，也可以把弯晶支架4设计为中空的(即在弯晶后面只形成一个腔)，从而使经弯晶401的光全部从该一个腔内通过。

在凹形底座2内且位于弯晶支架4和成像板6之间还安装有铅制狭缝5，以使经过弯晶401衍射的X射线在铅制狭缝5处汇聚后被X射线成像板6收集。狭缝5由以谱仪中心线为轴对称排列的两块楔形铅块之间的空隙提供(见图3)，这种结构能挡住来自漫反射和背景辐射的荧光干扰。

如前所述，根据不同探测波段，需要选择不同的透射晶体(即弯晶)，那么，铅制狭缝5的位置也会根据不同透射晶体的布拉格角和X射线的波段有所改变。因此，为了便于调节狭缝5的位置，优选在凹形底座2的底部两边缘处设置导轨，例如图3所示的平行导轨201，其中导轨上可有不同间隔的螺纹孔，当狭缝5移动到合适位置时通过螺钉固定在位。一旦狭缝的位置确定，还可在狭缝5的后面或下游设置限位框，例如图3所示的限位框501，以限制入射到光学探测器内的光。所述限位框501中部有一开口，开口的左右两侧面呈斜面，以便于只有固定波段的X射线能够被成像板采集，可以进一步排除其他光对测量的影响，提高谱线的对比度。

经弯晶401衍射的X射线在被X射线成像板6收集后，在X射线成像板中间显示出源的针孔像，并且以针孔像为中心，对称分布着所需探测波段的X射线的能谱。通过该显示的能谱能够获得X射线的光谱信息以及源的空间信息。

相比于平晶X射线谱仪，本发明中使用弯晶，更有利于提高集光效率(大约高10-100倍)。成像板与狭缝的距离可变，因此可以通过增加探测器距罗兰圆的距离，提高空间分辨率。在摄谱作用的同时能够对X射线源进行小孔成像，反映出源的大小，增加了空间信息。本发明的谱仪能够在激光等离子相互作用中一次获取X射线谱线，能够很好的避免等离子体自身的不稳定性和不重复性对实验现象带来的干扰。另外，因为弯晶和狭缝都是可变化的，通过改变弯晶的类型和狭缝位置可以实现不同的能量探测范围，使可探测的谱宽范围扩大。

以下是对上述本发明优选实施例的透射式硬X射线谱仪做谱仪标定以及摄谱实验的结果。

谱仪标定

标定用的X射线源使用标准硬X射线管，本实验中使用的是靶材为银的X射线管，通过在X射线管后部的电子枪加高压，产生电子束轰击银靶产生高能的X射线，源的大小约为2mm。X射线穿过前面板1的入射窗口104和中心小孔103，在弯晶支架4前端的弯晶401上发生衍射，光线汇聚到铅制狭缝5中心后被X射线成像板6收集，通过对成像板进行显影能够获取银的特征谱线，能够在成像板上清晰的看到银的Kα和Kβ谱线，并且在成像板中心能看到清晰的源的小孔像，根据成像关系和小孔像的尺寸得到源的尺寸，根据银的Kα和Kβ谱线的能量以及其相对位置和到中心的距离能够得到对应晶体谱仪的谱线分布。另外还发现，在保持晶体不变，保持铅制狭缝5到X射线成像板6的距离不变的情况下，改变源到谱仪的位置，最终的谱线位置几乎不变，由此说明距离的偏差对测量造成的影响很小(基本可以忽略)，因此，本谱仪对测量条件的要求较低。

摄谱实验

在中国科学院物理研究所“极光II号”实验上进行摄谱实验，实验中使用波长为800nm的短脉冲激光，脉宽为30fs，激光功率密度约为3×10¹⁸W/cm²，实验中用强激光与钼靶相互作用，在靠近靶室壁的位置加上谱仪，让前面板的小孔和铅制狭缝所在的中心线传过激光作用的打靶点，在打靶过程中加入刀边及单光子计算CCD。

从实验的情况来看，用本发明谱仪，能够得到一次打靶过程中钼的Kα，Kβ，其中Kα的分辨率为E/ΔE＝90.43，Kβ的分辨率E/ΔE＝215.96，而一般谱仪所能达到的分辨率最高为50，说明本发明的硬X射线谱仪在分辨率上具有显著提高。

尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (10)

1.透射式硬X射线晶体谱仪，包括：

凹形底座，用于容纳支撑弯晶的弯晶支架，该底座具有相对的两端；

前面板，其布置在所述凹形底座的其中一端，该面板具有一个孔和以该孔为中心对称的入射窗口，以使被测光经过该孔和入射窗口入射到弯晶上；

光谱探测器，其连接到所述凹形底座的另一端上，用于探测经弯晶透射过的光；

在凹形底座内还布置有位于弯晶和光谱探测器之间的狭缝，以使从弯晶透射过的光经该狭缝入射到光谱探测器；和

顶盖，其覆盖于凹形底座上，用于密封凹形底座；

其中所述孔被设置成适于在所述光谱探测器上提供X射线源的小孔成像。

2.根据权利要求1所述的透射式硬X射线晶体谱仪，其特征在于，所述孔和入射窗口的中心为在同一水平线上。

3.根据权利要求1所述的透射式硬X射线晶体谱仪，其特征在于，所述面板包括上下两个铅板，所述孔由夹在两个铅板之间的铅片提供。

4.根据权利要求1所述的透射式硬X射线晶体谱仪，其特征在于，所述狭缝被布置为使经弯晶透射过的光会聚在该狭缝处并从中穿过。

5.根据权利要求4所述的透射式硬X射线晶体谱仪，其特征在于，还包括设置在狭缝下游与其邻近的限位框，用于限制入射到光学探测器内的光。

6.根据权利要求1所述的透射式硬X射线晶体谱仪，其特征在于，所述凹形底座内还布置有导轨，将所述狭缝安装在该导轨上。

7.根据权利要求1所述的透射式硬X射线晶体谱仪，其特征在于，所述其中孔的直径为1至100微米。

8.根据权利要求1所述的透射式硬X射线晶体谱仪，其特征在于，所述狭缝由以谱仪中心线为轴对称排列的两块楔形铅块之间的空隙提供。

9.根据权利要求1所述的透射式硬X射线晶体谱仪，其特征在于，所述孔、弯晶、狭缝为同轴，且与谱仪的中心线重合。

10.根据权利要求1至9中任一所述的透射式硬X射线晶体谱仪，其特征在于，所述凹形底座和上盖由内外两层构成，内层由硬铅制成，外层由硬铝制成。

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