CN112259262A - 一种x射线衍射成像双晶体谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种X射线衍射成像双晶体谱仪，属于光谱探测器件领域。针对存在像差的传统球面弯晶谱仪，提出了一种基于双球面弯晶结构的无像散X射线衍射成像谱仪，本发明中采用两个球面弯曲晶体，其物理关系满足两球面弯晶半径的负比值正比于其对应布拉格角余弦值和2倍布拉格角正切值的乘积，所涉及X射线晶体谱仪能够解决单个球面晶体在子午面和弧矢面射线聚焦焦点不一致造成的成像像差问题。本发明提出的双晶体X射线衍射成像谱仪能够使得X射线经两晶体衍射后的射线汇聚于罗兰圆位置上同一点，可以有效提升晶体谱仪成像聚焦效果及诊断精度。
Description
技术领域
本申请属于光谱探测器件领域，涉及一种基于双球面弯晶结构的X射线衍射成像谱仪。
背景技术
通过可控核聚变技术能获得可再生清洁能源，其中惯性约束聚变(InertialConfinement Fusion)是实现可控核聚变的一个重要手段。在ICF中，X射线光谱诊断占有十分重要的地位，不同物理过程辐射的X射线谱需要不同的诊断系统进行精密诊断，从而进一步推知ICF中相关物理信息。X射线衍射晶体常作为分光元件应用于获取X射线能谱信息的光谱仪中，在波长范围为0.1～2nm的等离子X射线辐射探测应用尤为突出。X射线衍射晶体最早采用的是平面晶体，采用平面晶体作为分光元件的平晶谱仪是一种最简单的X射线光谱探测仪器，具有结构简单、加工难度系数小等优点而被广泛地应用于X射线光谱分析实验研究。但平晶谱仪射线收集效率低且谱线强度弱，不具有较强的聚焦能力，此外，平晶谱仪所获得的光谱分辨率在很大程度上受到光源尺寸的影响，无法达到高分辨率探测效果。与平晶谱仪相比，采用弯曲晶体作为分光元件的弯晶谱仪具有“强聚焦”能力，能够获得高分辨率能谱信息。晶体面的弯曲同时允许空间方向(垂直于色散方向)相同波长X射线以相同的布拉格角在晶体面上衍射聚焦，提高了射线收集效率。在各类弯曲晶体中，球面晶体因其可使得X射线在子午和弧矢方向上同时聚焦，在惯性约束聚变和磁约束聚变等大科学装置的等离子体诊断中都得到了广泛应用。
但是这种结构不能获取子午面和弧矢面的二维聚焦图像信息。如公开号为CN1598503A的中国专利“共靶X射线时空分辨摄谱方法及其谱仪”，其中公开了一种利用椭圆弯曲晶体来获得X射线的时空信息的方法和谱仪，但这种方法和谱仪只能获取一维光谱聚焦信号，不能获取子午面和弧矢面的二维聚焦图像信息。
图2为球面晶体成像原理图；图2(a)为子午面聚焦光路；图2(b)为弧矢面聚焦光路；球面弯曲晶体原理可以用“罗兰圆”结构来解释。罗兰圆直径与弯曲晶体的弯曲半径R相等，来自罗兰圆上X射线源发出的X射线经过球面弯曲晶体，满足布拉格条件被弯曲晶体反射后仍在罗兰圆平面焦点Fm处聚焦。在罗兰圆平面即子午平面，所有器件按约翰光谱仪原理工作。而在垂直罗兰圆平面上即弧矢面，弯曲晶体如一个凹面镜将X射线聚焦在此平面焦点Fs处。球面弯曲晶体在子午面上可探测光谱信息，而在弧矢面上可得到等离子体的空间信息。图2中，R为球面晶体的曲率半径；p为射线源到晶体中心的距离；q为晶体中心到子午平面聚焦位置Fm的距离；q′是晶体中心到弧矢平面聚焦位置Fs的距离；θ是入射布拉格角。由透镜成像公式可知，在子午平面上p和q的倒数之和等于R与θ正弦值之积的倒数的2倍，在弧矢平面上p和q′的倒数之和等于θ正弦值与R比值的2倍。当把一物体置于射线源到球面晶体的光路上时，在探测器一侧就可得到物体的二维图像。
对于目前的球面弯晶谱仪结构，在大多数情况下，当不满足物体对称条件或者需要对物体进行二维成像时，由于存在较严重的像散，球面弯晶成像将不能达到获取物体相关信息的成像要求。如图2所示，传统球面弯晶谱仪的成像特性取决于球面晶体的散光度，即由罗兰圆上的射线源发出的弧矢和子午光线形成的图像在空间上是各自独立的，并且聚焦射线在Fs和Fm处相互垂直。即使给定射线源是在罗兰圆上的理想点源，使用球面弯晶依然存在较大的像散误差。其中子午面焦距fm的值等于R与θ正弦值之积，弧矢面焦距fs等于R与θ正弦值之积与2θ余弦值的比值的负值。
因此对于球面弯晶而言，若要获得弧矢面聚焦图像就必须满足入射布拉格角θ大于45°，当入射布拉格角θ小于45°时，射线在弧矢面发散，当θ等于45°时，射线在弧矢面永不相交。
因此，对于球面弯晶X射线谱仪而言，由于子午面和弧矢面上的两个散焦线不重合，应用球面弯晶进行自发光光谱成像时，会存在较大的像差，使得最终经光谱分析所得到的分析结果与实物信息之间的误差较大。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于双球面弯晶的X射线晶体衍射成像谱仪，使X射线衍射成像谱仪在射线光路的子午面与弧矢面能同时聚焦，有效提升晶体谱仪成像聚焦效果及诊断精度
为实现上述目的，本申请实施例所采用技术方案如下：
一种X射线衍射成像双晶体谱仪，包括晶体台一、晶体台二、粘贴在晶体台一的球面弯晶薄片一以及粘贴在晶体台二的球面弯晶薄片二；
所述晶体台一和晶体台二是设有凹球面轮廓的凹坑；
球面弯晶薄片一和球面弯晶薄片二分别为两个曲率半径不同的球面晶体；
晶体材质由所测X射线源波长决定；
球面弯晶薄片一与晶体台一上的凹表面粘贴结合，形成球面弯晶一；
球面弯晶薄片二与晶体台二上的凹表面粘贴结合，形成球面弯晶二；
该谱仪采用球面弯晶薄片一和球面弯晶薄片二实现射线点源的衍射聚焦。
可选的，所述晶体台一和晶体台二的材质为SiO2玻璃。
可选的，所述球面弯晶薄片一和球面弯晶薄片二满足：晶体台一和晶体台二球半径的负比值，正比于，其对应布拉格角余弦值和2倍布拉格角正切值的乘积，即球面弯晶薄片一和球面弯晶薄片二分别满足布拉格条件。
可选的，所述球面弯晶一和球面弯晶二的入射布拉格角取决于晶体材料，即球面弯晶一的射线入射布拉格角θ1的取值范围为：大于45°小于90°，球面弯晶二的射线入射布拉格角θ2的取值范围为：大于0°小于45°。
可选的，所述球面弯晶一的弧矢面焦距fs 1等于球面弯晶一的子午面焦距fm 1、球面弯晶二的子午面焦距fm 2以及球面弯晶二的弧矢面焦距fs 2三者之和，以确保射线经两个球面弯晶衍射后在子午面和弧矢面聚焦在同一点。
一种X射线衍射成像双晶体谱仪的制作方法，该方法包括以下步骤：
第一步，制作球面弯晶；
(1a)选择晶格间距与所测X射线源波长数量级相近的晶体材料，包括石英、硅和云母，并按晶向解理切割成厚度为0.1-0.2mm的晶体薄片；
(1b)在高温环境下，利用凹凸折弯机对(1a)中所得到的晶体薄片进行塑形弯曲，分别得到半径不同的球面弯晶薄片一和球面弯晶薄片二；
凹凸折弯机上设有一块凹球面金属模块和一块凸球面金属模块，凹球面金属模块具有凹球面形状轮廓，其凹面半径等于球面弯晶薄片一和球面弯晶薄片二的半径；
凸球面金属模块具有凸球面形状轮廓，其凸面半径等于球面弯晶薄片一和球面弯晶薄片二的半径；
球面弯晶薄片一和球面弯晶薄片二放置于凹凸金属模块之间，并在其之间放置石棉垫圈，在200℃+/-10℃的恒温下加压成型；
第二步，制作晶体台；
(2a)采用SiO2玻璃材料，在精密磨床上对SiO2玻璃加工成两个具有不同凹凸半径球型表面的晶体台，得到的晶体台表面分别与第一步得到的球面弯晶薄片的曲率互相吻合；
第三步，将通过第一步得到的两个球面弯晶薄片与第二步所得到的两个晶体台成对粘贴，即得到两个曲率不同的球面弯晶。
相对于现有技术而言，本申请实施例具有以下有益效果：
本实施例提出的双球面晶体谱仪结构能够使得射线经球面弯晶以和球面弯晶二衍射后的射线汇聚于罗兰圆位置上同一点，即最终经球面弯晶二衍射后的射线在球面弯晶二所在的罗兰圆上实现子午面及弧矢面的同时聚焦，可以有效提升晶体谱仪成像聚焦效果及诊断精度。
本申请实施例的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本申请实施例的实践中得到教导。本申请实施例的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例作优选的详细描述，其中：
图1为本申请实施例单个晶体台结构示意图；
图2为传统球面晶体成像原理图；图2(a)为子午面；图2(b)为弧矢面；
图3为本申请实施例双球晶体成像结构图；图3(a)为子午面；图3(b)为弧矢面；
图4为本申请实施例双球弯晶谱仪成像图。
附图标记：球面晶体1，射线源2，罗兰圆3，成像点4，球面弯晶一5，球面弯晶二6。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请实施例的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请实施例的其他优点与功效。本申请实施例还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请实施例的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本申请实施例的限制；为了更好地说明本申请的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本申请实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本申请实施例的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图4，1为球面晶体，2为射线源，3为罗兰圆，4为成像点，5为球面弯晶一，6为球面弯晶二。
第一实施例：
本申请实施例涉及的双球面晶体衍射诊断谱仪，由两个晶体台以及粘贴在其上的球面弯晶薄片组成。
所述两个晶体台分别设有曲率半径不同的凹球面轮廓的凹坑，晶体台的材质为SiO2玻璃。所述两个球面弯晶薄片分别具有与对应晶体台相同的曲率半径，弯晶薄片材质都为Si硅。
所述晶体台的凹面与球面弯晶薄片粘贴结合，晶体台背面为定位面，与晶体谱仪定位元件连接。
具体地，球面弯晶一5和球面弯晶二6分别满足布拉格条件，两晶体的入射布拉格角取决于晶体材料，球面弯晶一5射线入射布拉格角θ1的取值范围为大于45°小于90°，球面弯晶二6射线入射布拉格角θ2的取值范围为大于0°小于45°。
具体地，本申请实例中球面弯晶一5的弧矢面焦距等于球面弯晶一5子午面焦距、球面弯晶二6子午面焦距以及球面弯晶二6弧矢面焦距三者之和；两球面弯晶半径的负比值正比于其对应布拉格角余弦值和2倍布拉格角正切值的乘积时，本申请实例可实现前述有益效果，射线经两个弯曲球面晶体衍射后在子午面和弧矢面聚焦在同一点。
可选的，球面弯晶一5入射布拉格角θ1＝60o，球面弯晶二6入射布拉格角θ2＝30o时，球面弯晶一5与球面弯晶二6曲率半径满足衍射条件，即两晶体曲率半径比值为0.575，R1＝600mm，R2＝344.8mm。
可选地，制作双球面弯晶薄片采用材质为α-石英材料，厚度为0.275mm，其余与实施例一相同。
可选地，制作双球面弯晶薄片采用材质为锗，厚度为0.23mm，其余与实施例一相同。
第二实施例：
本实施例提供一种球面弯曲晶体衍射器的制作方法，所述方法应用于制备如第一实施例所述的双球面弯晶，
如图3所示，所述方法具体包括以下步骤：
第一步，制作球面弯晶
(1a)将石英晶体材料按晶向解理切割成厚度为0.1～0.2mm的晶体薄片。
(1b)在高温环境下，利用凹凸折弯机对(1a)中所得到的晶体薄片进行塑形弯曲，分别得到半径不同的球面弯晶一5和球面弯晶二6；上述凹凸折弯机上设有一块凹球面金属模块和一块凸球面金属模块，凹球面金属模块具有凹球面形状轮廓，其凹面半径等于晶体半径，凸球面金属模块具有凸球面形状轮廓，其凸面半径等于晶体半径；晶体薄片放置与凹凸金属模块之间并在晶体薄片与金属模块之间放置石棉垫圈，在200℃+/-10℃的恒温下加压成型。
第二步，制作晶体台
(2a)采用SiO2玻璃材料，在精密磨床上对SiO2玻璃加工成两个具有不同凹凸半径球型表面的晶体台，所得到的晶体台表面分别与第一步所得到的球面弯晶薄片的曲率互相吻合。
第三步，将通过第一步所得到的两个球面弯晶薄片与第二步所得到的两个晶体台成对粘贴，即得到两个曲率不同的球面弯晶。
粘胶采用短时抗高温粘胶，型号为3M LSB60NS双组分环氧树脂。
可选的，制作双球面弯晶薄片采用材质为α-石英材料，厚度为0.275mm，其余与实施例二相同。
可选的，制作双球面弯晶薄片采用材质为锗，厚度为0.23mm，其余与实施例二相同。
本发明在传统的单个球面弯曲衍射晶体谱仪结构的基础上，提出了一种基于双球面弯晶的新型无像散晶体衍射谱仪结构。在成像光路上同时布置两个球面弯曲晶体，当其衍射光路几何关系满足衍射条件时能够使得子午面和弧矢面的成像聚焦点汇聚于一处，消除传统球面弯曲晶体谱仪X射线聚焦成像过程中存在的像散现象。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种X射线衍射成像双晶体谱仪，其特征在于：包括晶体台一、晶体台二、粘贴在晶体台一的球面弯晶薄片一以及粘贴在晶体台二的球面弯晶薄片二；
所述晶体台一和晶体台二是设有凹球面轮廓的凹坑；
球面弯晶薄片一和球面弯晶薄片二分别为两个曲率半径不同的球面晶体；
晶体材质由所测X射线源波长决定；
球面弯晶薄片一与晶体台一上的凹表面粘贴结合，形成球面弯晶一；
球面弯晶薄片二与晶体台二上的凹表面粘贴结合，形成球面弯晶二；
该谱仪采用球面弯晶薄片一和球面弯晶薄片二实现射线点源的衍射聚焦。
2.根据权利要求1所述的一种X射线衍射成像双晶体谱仪，其特征在于：所述晶体台一和晶体台二的材质为SiO2玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种X射线衍射成像双晶体谱仪，其特征在于：所述球面弯晶薄片一和球面弯晶薄片二满足：晶体台一和晶体台二球半径的负比值，正比于，其对应布拉格角余弦值和2倍布拉格角正切值的乘积，即球面弯晶薄片一和球面弯晶薄片二分别满足布拉格条件。
4.根据权利要求3所述的一种X射线衍射成像双晶体谱仪，其特征在于：所述球面弯晶一和球面弯晶二的入射布拉格角取决于晶体材料，即球面弯晶一的射线入射布拉格角θ1的取值范围为：大于45°小于90°，球面弯晶二的射线入射布拉格角θ2的取值范围为：大于0°小于45°。
5.根据权利要求4所述的一种X射线衍射成像双晶体谱仪，其特征在于：所述球面弯晶一的弧矢面焦距
等于球面弯晶一的子午面焦距
球面弯晶二的子午面焦距
以及球面弯晶二的弧矢面焦距
三者之和，以确保射线经两个球面弯晶衍射后在子午面和弧矢面聚焦在同一点。
6.一种X射线衍射成像双晶体谱仪的制作方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
第一步，制作球面弯晶；
(1a)选择晶格间距与所测X射线源波长数量级相近的晶体材料，包括石英、硅和云母，并按晶向解理切割成厚度为0.1-0.2mm的晶体薄片；
(1b)在高温环境下，利用凹凸折弯机对(1a)中所得到的晶体薄片进行塑形弯曲，分别得到半径不同的球面弯晶薄片一和球面弯晶薄片二；
凹凸折弯机上设有一块凹球面金属模块和一块凸球面金属模块，凹球面金属模块具有凹球面形状轮廓，其凹面半径等于球面弯晶薄片一和球面弯晶薄片二的半径；
凸球面金属模块具有凸球面形状轮廓，其凸面半径等于球面弯晶薄片一和球面弯晶薄片二的半径；
球面弯晶薄片一和球面弯晶薄片二放置于凹凸金属模块之间，并在其之间放置石棉垫圈，在200℃+/-10℃的恒温下加压成型；
第二步，制作晶体台；
(2a)采用SiO2玻璃材料，在精密磨床上对SiO2玻璃加工成两个具有不同凹凸半径球型表面的晶体台，得到的晶体台表面分别与第一步得到的球面弯晶薄片的曲率互相吻合；
第三步，将通过第一步得到的两个球面弯晶薄片与第二步所得到的两个晶体台成对粘贴，即得到两个曲率不同的球面弯晶。
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