CN112083023A - 一种高性能紧凑型x射线吸收光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高性能紧凑型X射线吸收光谱仪，其特征在于，包括环形导轨，环形导轨上设有三个滑动模块，三个滑动模块分别设有各自独立的驱动机构，由每个驱动机构驱动相应的滑动模块沿环形导轨在周向上滑动；三个滑动模块上分别设有光源、弯晶分析器、探测器。与现有技术相比，本发明具有高光子收集效率；高机械稳定性；紧凑的运动扫描装置；灵活的采集模式。
Description
技术领域
本发明涉及一种X射线光谱仪，具体涉及一种高性能紧凑型X射线吸收光谱仪。
背景技术
X射线吸收谱具有元素选择性、位点结构对称性、可探测元素价态、电子和结构性质，以及自旋、电荷和轨道自由度等信息，已广泛应用于表征能源、催化、化工、生物等领域。
X射线吸收精细结构(X-ray Absorption Fine Structure，XAFS)的光谱范围通常在吸收边-50eV～+600eV，更大的能量范围可以得到更高的原子键长精度。测试XAFS光谱需要对入射光进行能量扫描，同时监测入射光通过样品前后的强度变化。
目前，X射线吸收光谱仪还有以下不足：
1、基于平晶的单色器，能量分辨率较高，但是空间收集角较小，导致光子利用效率较低。通常需要更高亮度的光源(如同步辐射)。
2、基于弯晶的单色器需要保证光源、晶体和探测器同时在一个罗兰圆上做扫描运动，在不同空间位置分别获得不同能量的单色光，上述几项的机械结构进行空间点对点扫描时过于复杂。
3、基于弯晶的单色器扫描是基于布拉格衍射原理，扫描能量范围取决于可以扫描的角度范围。目前的技术均采用直线导轨进行空间位置扫描。但扫描角度范围受限于直线导轨的长度，导致光谱仪的扫描能量范围有限。
4、目前的X射线吸收光谱仪通用性较差，不能满足同一个X射线吸收谱仪实现多种光源及多个采集模式的切换。
发明内容
本发明的目的是：提供一种具有高光子收集效率、高机械稳定性、紧凑的运动扫描装置以及灵活的采集模式的X射线吸收光谱仪。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种高性能紧凑型X射线吸收光谱仪，其特征在于，包括环形导轨，环形导轨上设有三个滑动模块，三个滑动模块分别设有各自独立的驱动机构，由每个驱动机构驱动相应的滑动模块沿环形导轨在周向上滑动；三个滑动模块上分别设有光源、弯晶分析器、探测器，光源和弯晶分析器的中心通过连接杆一相连，探测器和弯晶分析器的中心通过连接杆二相连，连接杆一的两端分别与光源和弯晶分析器的中心铰接，确保光源和弯晶分析器的相对方向及角度；连接杆二的两端分别与探测器和弯晶分析器的中心铰接，确保探测器和弯晶分析器的方向及角度；探测器前端依次设置狭缝和样品，探测器与信号处理系统相连，探测器先后采集X射线经过样品插入前和样品插入后的强度数据，信号处理系统对样品插入前后的探测器读出的强度数据求差值得到X射线吸收谱。
优选地，所述环形导轨的曲率半径大于、等于或者小于(100％±20％)×R，R为所述弯晶分析器的罗兰圆曲率半径。
优选地，所述环形导轨上设有环形齿轮；每个所述驱动机构包括驱动电机及设置在驱动电机输出轴上的驱动齿轮，驱动齿轮与环形齿轮相啮合；三个滑动模块进行同向θ-2θ扫描模式或者反向θ-θ扫描模式，同向是指所述弯晶分析器与所述探测器的转动方向相同或所述光源与弯晶分析器的转动方向相同，反向是指所述光源与所述探测器的转动方向相反；三个所述驱动机构的驱动电机分别采用相同或不同的传动比。
优选地，所述光源为X光管、转靶X光源、激光等离子体X光源、液态金属靶X光源、金刚石微聚焦X光源、同步辐射X光源或自由电子激光X光源。
优选地，所述弯晶分析器为全聚焦型弯晶分析器或者半聚焦型弯晶分析器，采用了弯晶作为单色器，提高了单色化光子的利用效率；所述弯晶分析器为球面、双曲面或抛物面；所述弯晶分析器为至少1块；所述弯晶分析器材料采用单晶材料。
优选地，所述单晶材料包括硅、锗、石英、蓝宝石或高定向热解石墨。
优选地，所述探测器为硅漂移探测器、气体探测器、闪烁体探测器或半导体探测器。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、高光子收集效率：采用了弯晶作为单色器，可以获得更大的空间接收角，提高了单色化光子的利用效率。
2、高机械稳定性：采用了环形导轨固定光源、晶体和探测器，确保各个组件进行扫描时均机械固定在圆形导轨上。避免了扫描运动偏差，提高了整个吸收光谱仪的运动精度和机械稳定性。
3、紧凑的运动扫描装置：采用了环形导轨及滑动模块，使得各组件可以沿着环形导轨进行大角度滑动，扫描布拉格角度范围高达20～85°，扩大了光谱仪的扫描能量范围。采用可变长度的连接杆，使得光源、晶体、探测器具有固有的指向性，设计紧凑、结构精简。
4、灵活的采集模式：采用的滑动模块各自独立运动，方便控制。扫描时固定一个滑动模块，另两个滑动模块可进行同向或者反向运动，可以实现多个扫描模式。如对应于高功率X光管或者同步辐射和自由电子激光光源，需要光源点不动，晶体和探测器进行同向扫描运动；而对应于低功率的X光管，需要多个晶体分析器进行切换，可以选择晶体分析器不动，光源和探测器进行反向扫描运动。本发明的多个扫描模式极大地扩展了X射线吸收光谱仪的通用性。
附图说明
图1为本发明的俯视图；
图2为本发明的立体结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1及图2所示，本发明提供的一种高性能紧凑型X射线吸收光谱仪包括光源1、弯晶分析器2、探测器3、环形导轨4、三个滑动模块5、连接杆一6-1、连接杆二6-2、狭缝7、样品8及信号处理系统9。
光源1、弯晶分析器2、探测器3分别置于三个滑动模块5上，三个滑动模块5则活动固定于环形导轨4上。环形导轨4的曲率半径和弯晶分析器2的罗兰圆曲率半径相等。环形导轨4上配置有环形齿轮，并且可以根据实际需要使用不同模数的环形齿轮。每个滑动模块5上都配备有一台电机，三个滑动模块5上配备的电机具有不同传动比。每个电机输出轴上的驱动齿轮与环形齿轮相啮合，从而使得三个滑动模块5可以在相应电机的驱动下沿环形导轨4在周向上滑动。
光源1和弯晶分析器2的中心通过连接杆二6-2相连，探测器3和弯晶分析器2的中心通过连接杆一6-1相连。
光源1可以选择X光管、转靶X光源、液态金属靶X光源、金刚石微聚焦X光源、同步辐射X光源或自由电子激光X光源等。弯晶分析器2可以是球面、双曲面或抛物面；材料可以选择硅、锗、石英、蓝宝石或高定向热解石墨等；可以是全聚焦型Johansson或者半聚焦型Johann；采用了弯晶作为单色器，提高了单色化光子的利用效率。
探测器3可以是硅漂移探测器、气体探测器、闪烁体探测器或者半导体探测器等。探测器3前端依次设置狭缝7和样品8。探测器3连接到信号处理系统9。探测器3先后采集X射线经过样品8插入前和样品8插入后的强度数据。信号处理系统9对样品插入前后的探测器3读出的强度数据求差值，得到X射线吸收谱。
进行X射线吸收谱测量时，光源1发射出X射线，X射线经弯晶分析器2后进行单色化，通过移动滑动模块5在环形导轨4的相对位置，进行不同能量的扫描运动。如对应于高功率X光管或者同步辐射和自由电子激光光源，需要光源1不动，弯晶分析器2和探测器3进行同向θ-2θ扫描运动，例如：保持光源1位置不变，弯晶分析器2沿着顺时针方向旋转θ角度，同时探测器3沿着顺时针方向旋转2θ角度；或者保持光源1位置不变，弯晶分析器2沿着逆时针方向旋转θ角度，同时探测器3沿着逆时针方向旋转2θ角度。而对应于低功率的X光管，需要多个弯晶分析器2进行切换，可以选择弯晶分析器2不动，光源1和探测器3进行反向θ-θ扫描运动，例如：保持光源1位置不变，弯晶分析器2沿着顺时针方向旋转θ角度，同时探测器3沿着反方向(逆时针)旋转θ角度；或者保持光源1位置不变，弯晶分析器2沿着逆时针方向旋转θ角度，同时探测器3沿着反方向(顺时针)旋转θ角度。对应于探测器不能移动的情况，需要探测器3不动，光源1和弯晶分析器2进行同向θ-2θ扫描运动，例如：保持探测器3位置不变，弯晶分析器2沿着顺时针方向旋转θ角度，同时光源1沿着顺时针方向旋转2θ角度；或者保持探测器3位置不变，弯晶分析器2沿着逆时针方向旋转θ角度，同时光源1沿着逆时针方向旋转2θ角度。
探测器3先后采集X射线经过样品8插入前和样品8插入后的强度数据。样品8插入后会对单色X光进行吸收，其余的光被后续探测器3探测。最终探测器3的信号连接到信号处理系统9，信号处理系统9对样品插入前后的探测器3读出的强度数据求差值，得到X射线吸收谱。
Claims (7)
1.一种高性能紧凑型X射线吸收光谱仪，其特征在于，包括环形导轨(4)，环形导轨(4)上设有三个滑动模块(5)，三个滑动模块(5)分别设有各自独立的驱动机构，由每个驱动机构驱动相应的滑动模块(5)沿环形导轨(4)在周向上滑动；三个滑动模块(5)上分别设有光源(1)、弯晶分析器(2)、探测器(3)，光源(1)和弯晶分析器(2)的中心通过连接杆一(6-1)相连，探测器(3)和弯晶分析器(2)的中心通过连接杆二(6-2)相连，连接杆一(6-1)的两端分别与光源(1)和弯晶分析器(2)的中心铰接，确保光源(1)和弯晶分析器(2)的相对方向及角度；连接杆二(6-2)的两端分别与探测器(3)和弯晶分析器(2)的中心铰接，确保探测器(3)和弯晶分析器(2)的方向及角度；探测器(3)前端依次设置狭缝(7)和样品(8)，探测器(3)与信号处理系统(9)相连，探测器(3)先后采集X射线经过样品(8)插入前和样品(8)插入后的强度数据，信号处理系统(9)对样品插入前后的探测器(3)读出的强度数据求差值得到X射线吸收谱。
2.如权利要求1所述的一种高性能紧凑型X射线吸收光谱仪，其特征在于，所述环形导轨(4)的曲率半径大于、等于或者小于(100％±20％)×R，R为所述弯晶分析器(2)的罗兰圆曲率半径。
3.如权利要求1所述的一种高性能紧凑型X射线吸收光谱仪，其特征在于，所述环形导轨(4)上设有环形齿轮；每个所述驱动机构包括驱动电机及设置在驱动电机输出轴上的驱动齿轮，驱动齿轮与环形齿轮相啮合；三个滑动模块(5)进行同向θ-2θ扫描模式或者反向θ-θ扫描模式，同向是指所述弯晶分析器(2)与所述探测器(3)的转动方向相同或所述光源(1)与弯晶分析器(2)的转动方向相同，反向是指所述光源(1))与所述探测器(3)的转动方向相反；三个所述驱动机构的驱动电机分别采用相同或不同的传动比。
4.如权利要求1所述的一种高性能紧凑型X射线吸收光谱仪，其特征在于，所述光源(1)为X光管、转靶X光源、激光等离子体X光源、液态金属靶X光源、金刚石微聚焦X光源、同步辐射X光源或自由电子激光X光源。
5.如权利要求1所述的一种高性能紧凑型X射线吸收光谱仪，其特征在于，所述弯晶分析器(2)为全聚焦型弯晶分析器或者半聚焦型弯晶分析器，采用了弯晶作为单色器，提高了单色化光子的利用效率；所述弯晶分析器(2)为球面、双曲面或抛物面；所述弯晶分析器(2)为至少1块；所述弯晶分析器(2)材料采用单晶材料。
6.如权利要求1所述的一种高性能紧凑型X射线吸收光谱仪，其特征在于，所述单晶材料包括硅、锗、石英、蓝宝石或高定向热解石墨。
7.如权利要求1所述的一种高性能紧凑型X射线吸收光谱仪，其特征在于，所述探测器为硅漂移探测器、气体探测器、闪烁体探测器或半导体探测器。
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