CN107219241A - 原位时间分辨x射线吸收谱的测量装置和测量方法 - Google Patents

原位时间分辨x射线吸收谱的测量装置和测量方法 Download PDF

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Abstract

一种原位时间分辨X射线吸收谱的测量装置和方法。测量装置主要包括X射线源、第一狭缝、声光X射线滤波器、射频发射器、第二狭缝、前电离室、前电离室信号放大器、待测样品、后电离室、后电离室信号放大器、数据采集器和计算机等部分。X射线源、声光X射线滤波器和射频发射器用于产生单色X光束，前电离室用于测量X光束穿过样品前的强度，后电离室用于测量X光束穿过样品后的强度，前电离室信号放大器、后电离室信号放大器、数据采集器和计算机用于数据采集和数据处理。本发明在测量过程中不存在任何机械部件的运动，因而可实现X射线吸收谱的时间分辨测量，此外对X射线吸收谱具有较高的测量精度。

Description

原位时间分辨X射线吸收谱的测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及X射线吸收谱测量领域，特别是一种原位时间分辨X射线吸收谱的测量装置和测量方法。
背景技术
X射线吸收谱能够提供物质的微观局域结构(包括电子结果和几何结构)信息，是用于描绘局部结构最强有力的工具之一[1,2]，而时间分辨X射线吸收谱测量技术可以获得自然界一些重要反应过程中局域原子和电子结构的本征动力学信息，已在材料科学、生命科学、环境科学、催化科学等领域都获得了广泛的应用[3-7]。
目前国际上普遍采用的时间分辨X射线吸收谱测量装置[8，9]的结构如图1所示，主要包括X射线源1、双晶单色器2、光阑3、前电离室4、待测样品5、后电离室6和电子学组件7。基于该时间分辨X射线吸收谱测量装置，X射线吸收谱的测量主要包括以下步骤：
①根据待测X射线吸收谱的能量范围，将双晶单色器运动到起始能量点对应的位置处；
②使双晶单色器连续匀速运动到待测吸收谱终止能量点对应的位置处，同时让电子学系统按照一点的积分时间持续的采集前电离室和后电离室的光强，并计算对应的吸收系数，形成一组吸收系数序列；
③待双晶单色器运动至终止能量点对应的位置时，停止数据采集；
④根据双晶单色器的运动速度，计算吸收系数序列中各个吸收系数值对应的光子能量，得到X射线吸收谱。
目前这种时间分辨X射线吸收谱测量装置和测量方法的主要缺点是：(1)在测量过程中，双晶单色器内部的机械结构一直处于连续的运动过程中，由于涉及到机械运动，X射线吸收谱的测量速度因而较慢，如获取一个完整的EXAFS谱，大约需要4秒钟左右的时间，而在实际X射线吸收谱的动态测量环境中，为了观察化学反应、材料合成等动力学过程，需要X射线吸收谱能在亚秒量级甚至是毫秒量级完成快速的测量，目前普遍采用的测试装置和方法显然是无法胜任的；(2)由于测量过程中，双晶单色器一直处于连续的运动状态，电离室一直在保持持续的数据采集，这两个动作是并行的，因此在数据处理过程中(计算吸收谱序列中各个吸收系数值对应光子能量的时候)，往往会产生不可忽略的数据匹配误差，从而会产生吸收谱的测量误差。
另外一种时间分辨X射线吸收谱测量方法是利用弯曲晶体将复色X光束中不同能量的成分在一维空间色散开来，结合线阵CCD探测器即可通过一次曝光的方式实现X射线吸收谱的快速测量[10,11]，在该测量技术中，由于不存在任何机械部件的运动，因此可以实现超快速的X射线吸收谱测量，时间分辨能力可以达到微秒量级。但是该时间分辨测量方法的主要缺点是：(1)与采用电离室的测量方法相比，由于该方法是采用线阵CCD实现信号采集的，X射线吸收谱的测量精度因而不高；(2)测量系统的能量分辨率较低；(3)X射线吸收谱的测量波段不可灵活调节。
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发明内容
为了解决现有时间分辨X射线吸收谱测量技术中存在的问题，本发明专利提供一种速度快、精度高的时间分辨X射线吸收谱测量装置和测量方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种原位时间分辨X射线吸收谱的测量装置，其特点在于，包括X射线源、第一狭缝、X射线滤波器、射频发射器、第二狭缝、前电离室、前电离室信号放大器、待测样品、后电离室、后电离室信号放大器、数据采集器和计算机；
沿所述X射线源的光束出射方向依次是第一狭缝和X射线滤波器，沿所述X射线滤波器光束出射方向依次是第二狭缝、前电离室、待测样品和后电离室，所述的前电离室的输出信号经所述的前电离室信号放大器放大处理后，传送至所述的数据采集器，所述的后电离室的输出信号经所述的后电离室信号放大器进行放大处理后，传送至所述的数据采集器，所述的数据采集器的输出端与所述的计算机的输入端相连，所述的计算机的输出端与所述射频发射器的输入端相连，射频发射器发出的激励信号传送至所述的X射线滤波器。
所述的X射线滤波器为声光X射线声光滤波器或者为X射线液晶可调谐滤波器。
一种原位时间分辨X射线吸收谱的测量方法，包括以下步骤：
①根据待测X射线吸收谱的波长范围(λ1,λn)，通过射频发生器将X射线滤波器出射的光子波长设置为初始波长λ1；
②通过数据采集器、前电离室信号放大器和后电离室信号放大器，利用前电离室和后电离室分别同时测量入射X光束穿过待测样品前的强度I0和入射X光束穿过待测样品后的强度I1，并按照以下公式计算待测样品在波长λ1位置处的光吸收系数μ1；
③通过射频发生器将X射线滤波器出射的光子波长依次设置为λ2,λ3…λn-1和λn，在各个波长位置处重复步骤②，得到各个波长位置处的光吸收系数和
④根据光吸收系数和绘制待测样品在波段范围(λ1,λn)内的X射线吸收谱。
与现有普遍采用的时间分辨X射线吸收谱测量装置和方法相比，本发明专利提出的测量装置和测量方法主要具有以下优点：
(1)与现有时间分辨X射线吸收谱测量技术相比(在测量过程中，双晶单色器内部的机械结构一直处于连续的运动过程中，由于涉及到机械运动，X射线吸收谱的测量速度因而较慢，如获取一个完整的EXAFS谱，大约需要4秒钟左右的时间)，本发明专利提出的测量技术在测量过程中不存在任何机械部件的运动，因而可实现X射线吸收谱的高速测量，对于同样的X射线吸收谱，大约在毫秒量级即可完成测量；
(2)与现有时间分辨X射线吸收谱测量技术相比(在计算吸收谱序列中各个吸收系数值对应光子能量的时候，往往会产生不可忽略的数据匹配误差，从而会产生吸收谱的测量误差)，本发明专利提出的测量技术在不存在这一误差来源，因而对X射线吸收谱具有较高的测量精度。
附图说明
图1是现有时间分辨X射线吸收谱测量装置的结构示意图；
图2是本发明专利提出的时间分辨X射线吸收谱测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：
一种时间分辨测量X射线吸收谱的装置，如图2所示，该装置主要包括X射线源1、第一狭缝2、声光X射线滤波器9、射频发射器10、第二狭缝4、前电离室5、前电离室信号放大器11、待测样品6、后电离室7、后电离室信号放大器13、数据采集器12和计算机14。X射线源1用于为X射线吸收谱测量提供光源，一般为同步辐射加速器，X射线源1出射的复色X光束经过第一狭缝2的作用后，形成高质量的X光束，第一狭缝2起到限制X光束的孔径和抑制杂散光的目的，经过第一狭缝2的准直X光束入射到声光X射线滤波器9内，经过声光X射线滤波器9的作用后形成单色的X光束，射频发生器10用于为声光X射线滤波器9提供调制信号，从而控制声光X射线滤波器9输出X光束的波长，第二狭缝4用于限制声光X射线滤波器9输出X光束的孔径和抑制杂散光的目的，前电离室5用于测量X光束穿过样品前的强度，后电离室7用于测量X光束穿过样品6后的强度，前电离室信号放大器11用于对前电离室5的输出信号进行放大处理，后电离室信号放大器13用于对后电离室7的输出信号进行放大处理，数据采集器12用于采集前电离室信号放大器11和后电离室信号放大器13的输出信号，计算机14用于控制射频发生器10和数据采集器12，以实现快速数据采集和数据处理的功能。
一种原位时间分辨X射线吸收谱的测量方法，包括以下步骤：
①根据待测X射线吸收谱的波长范围(λ1,λn)，通过射频发生器10将X射线滤波器9出射的光子波长设置为初始波长λ1；
②通过数据采集器12、前电离室信号放大器11和后电离室信号放大器13，利用前电离室5和后电离室7分别同时测量入射X光束穿过待测样品6前的强度I0和入射X光束穿过待测样品6后的强度I1，并按照以下公式计算待测样品6在波长λ1位置处的光吸收系数μ1；
③通过射频发生器10将X射线滤波器9出射的光子波长依次设置为λ2,λ3…λn-1和λn，在各个波长位置处重复步骤②，得到各个波长位置处的光吸收系数和
④根据光吸收系数和绘制待测样品6在波段范围(λ1,λn)内的X射线吸收谱。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种原位时间分辨X射线吸收谱的测量装置，其特征在于，包括X射线源(1)、第一狭缝(2)、X射线滤波器(9)、射频发射器(10)、第二狭缝(4)、前电离室(5)、前电离室信号放大器(11)、待测样品(6)、后电离室(7)、后电离室信号放大器(13)、数据采集器(12)和计算机(14)；
沿所述X射线源(1)的光束出射方向依次是第一狭缝(2)和X射线滤波器(9)，沿所述X射线滤波器(9)光束出射方向依次是第二狭缝(4)、前电离室(5)、待测样品(6)和后电离室(7)，所述的前电离室(5)的输出信号经所述的前电离室信号放大器(11)放大处理后，传送至所述的数据采集器(12)，所述的后电离室(7)的输出信号经所述的后电离室信号放大器(13)进行放大处理后，传送至所述的数据采集器(12)，所述的数据采集器(12)的输出端与所述的计算机(14)的输入端相连，所述的计算机(14)的输出端与所述的射频发射器(10)的输入端相连，所述射频发射器(10)发出的激励信号传送至所述的X射线滤波器(9)。
2.如权利要求1中所述的原位时间分辨X射线吸收谱的测量装置，其特征在于，所述的X射线滤波器(9)为声光X射线声光滤波器或者为X射线液晶可调谐滤波器。
3.一种利用权利要求1所述的原位时间分辨X射线吸收谱的测量装置进行原位时间分辨X射线吸收谱的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
①根据待测X射线吸收谱的波长范围(λ1,λn)，通过射频发生器(10)将X射线滤波器(9)出射的光子波长设置为初始波长λ1；
②通过数据采集器(12)、前电离室信号放大器(11)和后电离室信号放大器(13)，利用前电离室(5)和后电离室(7)分别同时测量入射X光束穿过待测样品(6)前的强度I0和入射X光束穿过待测样品(6)后的强度I1，并按照以下公式计算待测样品(6)在波长λ1位置处的光吸收系数μ1；
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③通过射频发生器(10)将X射线滤波器(9)出射的光子波长依次设置为λ2,λ3…λn-1和λn，在各个波长位置处重复步骤②，得到各个波长位置处的光吸收系数和
④根据光吸收系数和绘制待测样品(6)在波段范围(λ1,λn)内的X射线吸收谱。
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