CN103884725A - X射线吸收谱的原位加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的X射线吸收谱的原位加热装置，包括样品架和样品室。样品架包括盖部、穿设于盖部的两电极及电偶、设置于两电极下端的加热部，电偶伸入加热部。样品室包括样品室主体，设置于样品室主体的第一通光窗、第二通光窗、第三通光窗，以及与样品室主体连通的抽真空接口。其中，样品室主体的顶壁上开设有上开口，其侧壁上开设有第一通光孔、第二通光孔和第三通光孔，第一通光窗对应于第一通光孔设置于样品室主体的外侧，第二通光窗对应于第二通光孔设置于样品室主体的外侧，第三通光窗对应于第三通光孔设置于样品室主体的外侧，盖部下侧的电极、电偶及加热部由上开口伸入到样品室主体内，盖部螺接于样品室主体而形成密封的腔体。

Description

X射线吸收谱的原位加热装置

技术领域

本发明涉及加热装置，尤其涉及X射线吸收谱的原位加热装置。

背景技术

X射线吸收精细结构谱学（XAFS）是研究物质结构的有力手段，在凝聚态物理、材料科学、化学化工及环境科学等学科中有及其广泛的应用。随着实验技术及方法的发展，原位XAFS逐渐成为一个研究的热点。高温原位XAFS在研究物质相变、材料生长过程及催化剂催化性能、催化原理方面有很广泛的用途。国内外在高温原位XAFS装置的开发上不是很多，且大多存在各式各样的不利于实验进行的问题。诸如，高温条件下样品挥发会对加热器造成污染，在此之后的实验会进一步污染所测的样品，使得实验测量的准确性和真实性受到了很大的挑战；加热过程不好控制，尤其是升温速度慢，这会浪费好多宝贵的实验时机，目前的加热装置太大，且升温较慢，且不能同时兼顾X射线吸收谱实验的荧光和透射两种测量模式。

发明内容

本发明在于解决现有X射线吸收谱的原位加热装置无法兼顾荧光和透射两种测量模式且装置大、高温条件下容易造成样品污染的问题。

为此，本发明提供一种X射线吸收谱的原位加热装置，包括样品架和样品室。样品架包括盖部、穿设于盖部的两电极及电偶、设置于两电极下端的加热部，电偶伸入加热部。样品室包括样品室主体，设置于样品室主体的第一通光窗、第二通光窗、第三通光窗，以及与样品室主体连通的抽真空接口。第一通光窗和第三通光窗开设于样品室主体的两相对侧且两者的光轴在同一直线上，第二通光窗的光轴垂直于第一通光窗和第二通光窗的光轴，且第一通光窗、第二通光窗、第三通光窗的光轴共面。其中，样品室主体的顶壁上开设有上开口，其侧壁上开设有第一通光孔、第二通光孔和第三通光孔，第一通光窗对应于第一通光孔设置于样品室主体的外侧，第二通光窗对应于第二通光孔设置于样品室主体的外侧，第三通光窗对应于第三通光孔设置于样品室主体的外侧，盖部下侧的电极、电偶及加热部由上开口伸入到样品室主体内，盖部螺接于样品室主体而形成密封的腔体。该原位加热装置可同时兼顾荧光和透射两种测量模式下X射线的通过性，且装置小、高温条件下不易造成样品污染。

在一实施例中，加热部是由贴附在一起的两金属箔片构成，两箔片之间留有一定的间隙，在两箔片的中央对应地开设有两通孔，在通孔处的两箔片的间隙内放置样品。

在一实施例中，通孔呈水平方向的长度大于垂直方向的高度的矩形。

在一实施例中，箔片选用厚度为0.1mm的钽箔，两箔片的长度可不同。可满足加热部的升温效率高、耐高温及耐腐蚀的需要。

在一实施例中，在盖部与样品室主之间设置O型密封圈，以加强两者之间的密封性。

在一实施例中，在盖部设有螺孔，在样品室主体上沿上开口211的边缘向外凸设有凸台，在凸台上设有两组螺孔，每一组螺孔都与盖部的螺孔相对应，通过螺钉旋设于螺孔中，以实现盖部与样品室主体的可拆卸连接。

在一实施例中，盖部设有四个螺孔且相邻螺孔的相位角为90度，凸台设有八个螺孔且相邻螺孔的相位角为45，相位角为90度的四个螺孔为一组。以利于在两种测量模式下快速切换。

在一实施例中，两电极与盖部绝缘且其上端穿出盖部，穿出盖部的上端与快速连接装置相连接，以实现电极与外部电路的便捷连接。

在一实施例中，两电极的下端沿轴向开有槽缝，用以插入加热部，槽缝的宽度与加热部的厚度相接近。可有效地降低加热部与电极的接触电阻，从而降低通入电流时因发热而造成的能量损耗。

在一实施例中，两电极的下端越靠近末端直径越小而呈锥形，将加热部插入槽缝后，依次将锥形卡箍和螺母套入电极的末端。可进一步降低加热部与电极的接触电。

在一实施例中，电偶与盖部绝缘且穿出盖部的冷端连接有冷端补偿导线。以克服电偶的冷端温度升高而造成的测温误差。

在一实施例中，在盖部与加热部之间设置挡片，以阻挡加热器对盖部热辐射。

在一实施例中，在挡片的边缘对应电极而设有两凹槽，在挡片的中间设有穿设电偶的通孔。

在一实施例中，抽真空接口为快速法兰接口，以便捷地与真空规及真空泵相连接。

在一实施例中，第一通光窗、第二通光窗、第三通光窗中的每一个都包括环设于其对应通光孔边缘的密封圈、覆盖于对应通光孔和密封圈的窗口膜、设于窗口膜外侧的法兰。以保证样品室的气密性。

在一实施例中，法兰的内径与对应通光孔的直径相同。

在一实施例中，窗口膜包括内膜和外膜，内膜为碳膜，外膜为聚酰亚胺膜、铍窗或石英玻璃。内膜选用耐高温的碳膜，可吸收加热部在加热时所发射的中长红外波，用以消除其对X吸收光谱的影响。外膜根据X射线波长可选用聚酰亚胺膜（麦拉膜）、铍窗，石英玻璃等，以减少对X射线的吸收。

第一通光窗对应的第一通光孔与第三通光窗对应的第三通光孔的大小相同，第二通光窗对应的第二通光孔大于第一通光窗和第三通光窗所对应的通光孔。以兼顾透射与荧光光谱的特性。

在一实施例中，进一步包括外部控制电路及设置于样品室本体内的真空计，该外部控制电路包括与电偶连接的PID温控仪、连接于PID温控仪和电极之间的可控硅、连接于真空计与电极之间的真空开关。以实现对加热过程的精准控制。

附图说明

图1为本发明中X射线吸收谱的原位加热装置的立体示意图。

图2为本发明中X射线吸收谱的原位加热装置的立体分解图。

图3为本发明中加热部的放大示意图。

图4为本发明中样品室的立体分解图。

图5为发明中X射线吸收谱的原位加热装置的部分剖视图。

其中，附图标记说明如下：

100样品架     110盖部

111冷却接口                 112螺孔

120电极                     121快速连接装置

122槽缝                     123锥形卡箍

124螺母

130电偶                     131冷端

140加热部                   141箔片

142通孔                     150挡片

200样品室

210样品室主体               211上开口

212第一通光孔               213第二通光孔

214凸台                     215螺孔

220第一通光窗               221密封圈

222窗口膜                   223法兰

230第二通光窗

240第三通光窗

250抽真空接口

260冷却接口

具体实施方式

以下将参照附图详细地说明本发明的X射线吸收谱的原位加热装置。

如图1至3所示，该X射线吸收谱的原位加热装置包括样品架100和样品室200。样品架100包括盖部110、穿设于盖部110的一对电极120及一对电偶130、设置于两电极120下端的加热部140，电偶130伸入加热部140。

设置于盖部110内部的冷却通道（图未示）在其外部露出两冷却接口111。经由冷却接口111向冷却通道内加入冷却水或冷媒，用以降低盖部110的温度。在盖部110设有螺孔112。

两电极120与盖部110绝缘且其上端穿出盖部110，穿出盖部110的上端优选地与快速连接装置121相连接，以实现电极120与外部电路的便捷连接。两电极120的下端沿轴向开有槽缝122，用以插入加热部140。为有效地降低加热部140与电极120的接触电阻，从而降低通入电流时因发热而造成的能的能量损耗，槽缝122的宽度与加热部140的厚度相接近。两电极120的下端呈锥形，越靠近末端直径越小。将加热部140插入电极120的槽缝122后，依次将锥形卡箍123和螺母124套入电极120的末端，从而进一步降低加热部140与电极120的接触电阻。电极120可为一体结构，为实现快速更换也可为分体结构（如图2所示）。

加热部140是由贴附（例如为焊接）在一起的两金属箔片141构成，两箔片141之间留有一定的间隙，用以放置样品，因此加热部140可兼用作样品池和加热器。为满足加热部140的升温效率高、耐高温及耐腐蚀的需要，箔片141可选用电阻率高、熔点高、抗腐蚀性强的金属薄片。在本实施例中，箔片141选用厚度为0.1mm的钽箔。两箔片141的长度可不同，在两箔片141的中央对应地开设有两通孔142，样品放置于通孔142处的两箔片的间隙内。考虑到荧光X射线吸收谱测量的需要，通孔142呈水平方向的长度大于垂直方向的高度的矩形，优选地呈圆角矩形。

电偶130与盖部110绝缘且穿出盖部110，电偶130的测量端位于通孔142内。在本实施例中，电偶130由两箔片141的间隙插入并将测量端探入通孔142。在加热时，位于盖部110以上电偶130的冷端131的温度会有所升高，为克服冷端131的升温而造成的测温误差，可在冷端131连接有冷端补偿导线。

进一步地，在盖部110与加热部140之间设置挡片150，以阻挡加热器140对盖部110的热辐射。在本实施例中，在挡片150的边缘对应电极120而设有两凹槽，在挡片150的中间设有穿设电偶130的通孔。

如图4和5所示，样品室200包括样品室主体210，设置于样品室主体210的第一通光窗220、第二通光窗230、第三通光窗240、以及与样品室主体210连通的抽真空接口250。样品室主体210为中空的腔体，其顶壁上开设有上开口211，其侧壁上开设有第一通光孔212、第二通光孔213和第三通光孔（未标示）。第一通光窗220对应于第一通光孔212设置于样品室主体210的外侧，第二通光窗230对应于第二通光孔213设置于样品室主体210的外侧，第三通光窗240对应于第三通光孔设置于样品室主体210的外侧。盖部110下侧的电极120、电偶130及加热部140由上开口211伸入到样品室主体210内，盖部110螺接于样品室主体210而形成密封的腔体。设置于样品室主品室主体210的侧壁内部的冷却通道（图未示）在其外侧露出冷却接口260，可经由冷却接口260向冷却通道内加入冷却水或冷媒用以为样品室200降温。在本实施例中，抽真空接口250为快速法兰接口，可便捷地与下述真空计及真空泵相连接。样品室200的冷却接口260以及盖部110的冷却接口111也为快速接头，以便于与外部设备快速连接。

在样品室主体210上，沿上开口211的边缘向外凸设有凸台214，在凸台214上设有两组螺孔215，每一组螺孔215都与盖部110的螺孔112相对应，通过螺钉旋设于螺孔215和112中，以实现盖部110与样品室主体210的可拆卸连接，从而实现样品架100与样品室200的可拆卸连接，以使样品室主体210形成密封腔体。在盖部110与样品室主体210之间可设置O型密封圈，以实现两者密封连接。在本实施例中，上开口211为圆形孔，凸台214为圆环形的；盖部110设有四个螺孔112，相邻螺孔112的相位角为90度；凸台211设有八个螺孔215，相邻螺孔215的相位角为45度，相位角为90度的四个螺孔215为一组。

第一通光窗220设置于第一通光孔212的外侧，其包括环设于第一通光孔212边缘的密封圈221、覆盖于第一通光孔212和密封圈222的窗口膜222、设于窗口膜222外侧的法兰223。法兰223上设有多个螺孔，在第一通光孔212周围的样品室主体210侧壁上相应地设有多个螺孔，螺钉旋设于法兰224的螺孔和侧壁的螺孔而将法兰224固定于样品室主体210的侧壁，由此将密封圈222和窗口膜223紧密地贴附于样品室200，以保证气密性。法兰223的内径与第一通光孔212的直径相同。第二通光窗230和第三通光窗240与第一通光窗220的结构相同，在此不再详细地描述。窗口膜222为透光膜，由此保证X射线的通过性。优选的，窗口膜222包括一朝向样品室200腔体的内膜和一朝向外侧的外膜（图未示）。其中，内膜选用耐高温的碳膜，可吸收加热部140在加热时所发射的中长红外波，用以消除其对X吸收光谱的影响。外膜根据X射线波长可选用聚酰亚胺膜（麦拉膜）、铍窗，石英玻璃等，以减少对X射线的吸收。

第一通光窗220和第三通光窗240开设于样品室主体210的两相对侧且两者的光轴在同一直线上，优选地，第一通光窗220对应的第一通光孔212与第三通光窗240对应的第三通光孔的大小相同。第二通光窗230的光轴垂直于第一通光窗220和第二通光窗240的光轴，优选地，第二通光窗230对应的第二通光孔213大于第一通光窗220和第三通光窗240所对应的通光孔。并且第一通光窗220、第二通光窗230、第三通光窗240的光轴共面。

在透射X射线吸收谱的测量模式下，盖部110上的螺孔112对应凸台211上的一组螺孔215，通过螺钉将盖部110固定于样品室主体210，使得加热部140的通孔142位于第一通光窗220和第三通光窗240的光轴连线上。此时，X射线由第一通光窗220（或第三通光窗240）进入样品室主体210，入射到设置于通孔142的样品上，由第三通光窗240（或第一通光窗220）收集经由样品透射的X射线。

在荧光X射线吸收谱的测量模式下，相对于透射X射线吸收谱的测量模式，盖部110旋转45度角后，盖部110上的螺孔112对应凸台211上的另一组螺孔215，通过螺钉将盖部110固定于样品室主体210，使得加热部140的通孔142的法线与第一通光窗220（或第三通光窗240）、第二通光窗230的光轴均成45度角。此时，X射线由第一通光窗220（或第三通光窗240）进入样品室主体210，入射到设置于通孔142的样品上，由第二通光窗230收集经由样品反射的X射线。

该X射线吸收谱的原位加热装置进一步包括外部控制电路及设置于样品室本体210内的真空计，该外部控制电路包括与电偶连接的PID温控仪、连接于PID温控仪和电极120之间的可控硅、连接于真空计与电极120之间的真空开关。在该X射线吸收谱的原位加热装置组装后，样品处于密封空间内。在加热过程中，通过电极120对加热部140施以一定的电压，用以使样品升温，同时电偶130将测量的温度值反馈给PID温控仪，再通过与PID温控仪连接的可控硅来控制电极120两端的电压，从而实现对加热部140的精确控温。在加热某些样品时，为保持加热过程中样品物性的稳定，样品室200在加热过程中应保持一定的真空度。当设置于样品室200内真空计测量的真空度小于设定值时，与真空计和电极120连接的真空开关断开，从而使加热部140停止加热，用以保护加热部140及样品。在加热某些样品时，样品室200的腔内可充入氦气、氩气等保护气体。

使用本发明提供的原位加热装置，样品的最高温度可达到1000摄氏度、温度的控制精度可达到千分之一摄氏度以内、升温速度可达100摄氏度每秒。在降温过程中，在有保护气的条件下1分钟可从1000摄氏度降到室温，在真空环境中20分钟可从1000摄氏度降到室温。由于升降温速度的提升，可以节约测量时间，同时避免错失很多宝贵的测量时机。

经过实际测量，应用本发明提供的原位加热装置对高温条件下纳米CeO2的相变研究，取得了预期的实验目标，说明此装置对于进行XAFS实验是可行的。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种X射线吸收谱的原位加热装置，包括样品架和样品室，其特征在于：

样品架包括盖部、穿设于盖部的两电极及电偶、设置于两电极下端的加热部，电偶伸入加热部；

样品室包括样品室主体，设置于样品室主体的第一通光窗、第二通光窗、第三通光窗以及与样品室主体连通的抽真空接口，其中，样品室主体的顶壁上开设有上开口，第一通光窗和第三通光窗开设于样品室主体的两相对侧且两者的光轴在同一直线上，第二通光窗的光轴垂直于第一通光窗和第二通光窗的光轴，且第一通光窗、第二通光窗、第三通光窗的光轴共面，其侧壁上开设有第一通光孔、第二通光孔和第三通光孔，第一通光窗对应于第一通光孔设置于样品室主体的外侧，第二通光窗对应于第二通光孔设置于样品室主体的外侧，第三通光窗对应于第三通光孔设置于样品室主体的外侧，组装时盖部下侧的电极、电偶及加热部由上开口伸入到样品室主体内，盖部螺接于样品室主体而形成密封的腔体。

2.如权利要求1所述的原位加热装置，其特征在于，加热部是由贴附在一起的两金属箔片构成，两箔片之间留有一定的间隙，在两箔片的中央对应地开设有两通孔，在两箔片通孔处的间隙内放置样品。

3.如权利要求2所述的原位加热装置，其特征在于，通孔呈水平方向的长度大于垂直方向的高度的矩形。

4.如权利要求2所述的原位加热装置，其特征在于，箔片选用厚度为0.1mm的钽箔，两箔片的长度可不同。

5.如权利要求1所述的原位加热装置，其特征在于，在盖部与样品室主之间设置O型密封圈。

6.如权利要求1所述的原位加热装置，其特征在于，在盖部设有螺孔，在样品室主体上沿上开口的边缘向外凸设有凸台，在凸台上设有两组螺孔，凸台的每一组螺孔都与盖部的螺孔相对应，通过螺钉旋设于螺孔中，以实现盖部与样品室主体的可拆卸连接。

7.如权利要求6所述的原位加热装置，其特征在于，盖部设有四个螺孔且相邻螺孔的相位角为90度，凸台设有八个螺孔且相邻螺孔的相位角为45，相位角为90度的四个螺孔为一组。

8.如权利要求1所述的原位加热装置，其特征在于，两电极与盖部绝缘，两电极穿出盖部的上端与快速连接装置相连接。

9.如权利要求1所述的原位加热装置，其特征在于，两电极的下端沿轴向开有槽缝，加热部插入槽缝，槽缝的宽度与加热部的厚度相接近。

10.如权利要求9所述的原位加热装置，其特征在于，两电极的下端呈锥形，越靠近末端直径越小，将加热部插入槽缝后，依次将锥形卡箍和螺母套入电极的末端。

11.如权利要求1所述的原位加热装置，其特征在于，电偶与盖部绝缘，电偶穿出盖部的冷端连接有冷端补偿导线。

12.如权利要求1所述的原位加热装置，其特征在于，在盖部与加热部之间设置挡片，以阻挡加热器对盖部热辐射。

13.如权利要求12所述的原位加热装置，其特征在于，挡片的边缘设有对应电极的两凹槽，挡片的中间设有穿设电偶的通孔。

14.如权利要求1所述的原位加热装置，其特征在于，抽真空接口为快速法兰接口，与真空规及真空泵相连接。

15.如权利要求1所述的原位加热装置，其特征在于，第一通光窗、第二通光窗或第三通光窗中都包括环设于其对应通光孔边缘的密封圈、覆盖于对应通光孔和密封圈的窗口膜、设于窗口膜外侧的法兰。

16.如权利要求15所述的原位加热装置，其特征在于，法兰的内径与对应通光孔的直径相同。

17.如权利要求15所述的原位加热装置，其特征在于，窗口膜包括内膜和外膜，内膜为碳膜，外膜为聚酰亚胺膜、铍窗或石英玻璃。

18.如权利要求1所述的原位加热装置，其特征在于，第一通光孔与第三通光孔的大小相同，第二通光孔大于第一通光孔和第三通光孔。

19.如权利要求1所述的原位加热装置，其特征在于，进一步包括外部控制电路及设置于样品室本体内的真空计，该外部控制电路包括与电偶连接的PID温控仪、连接于PID温控仪和电极之间的可控硅、连接于真空计与电极之间的真空开关。

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