CN113406133B - 一种x射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪，其特征在于：包括真空腔体、四轴调节架、快速切换腔、制冷系统、探测机构和弯晶；所述四轴调节架包括调节机构和工作杆，所述工作杆通过真空腔体上的接口伸入真空腔体，所述弯晶设在工作杆的末端，通过所述调节机构调节弯晶在真空腔体内的方位，使得弯晶的中心与入射光接口和出射光接口位于同一条直线上；所述快速切换腔与真空腔体真空连接用于更换弯晶；所述探测机构设在真空腔体的外部，通过真空腔体上的探测窗口对X射线进行探测。本发明通过高性能晶体分光、高精度晶体四轴调节和快速在线晶体切换，实现了单脉冲X射线光子的能量分布和入射强度的实时观测。

Description

一种X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪
技术领域
本发明涉及一种X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪。
背景技术
硬X射线自由电子激光装置(X-Ray Free-Electron Laser,XFEL)是新一代X射线光源，可以提供前所未有的亮度、高相干性和超短脉冲。结合XFEL谱学技术与泵浦-探测技术，可以实时观测物质体系受激发后能量或电荷传递、转移的超快过程，从原子、分子层次上了解其机理，从而深入地了解复杂体系光致反应的本质和历程。实际上，自发放大自发辐射(self-amplified spontaneous emission,SASE)机制的XFEL产生的X射线脉冲，其能量分布和强度是随机的，随着每一个脉冲变动而有不同的光谱分布。这就需要高精度地表征每个脉冲，使实验人员能够通过使用入射光谱进行归一化来提高其数据质量。因此，开发一种可实时观测单脉冲X射线光子的能量分布和入射强度的在线能谱仪对开展基于XFEL实验至关重要。
适用于XFEL装置的单脉冲在线能谱仪应该具有以下特点：
1、XFEL实验站的能量分辨率需求一般为1×10-4，这对在线诊断提出了更高的能量分辨要求。同时，光束通过在线能谱仪后还要进行后续实验。为了保证后续实验有足够多的光通量，要求在线能谱仪必须具有高透射性。
2、在线能谱仪安装在XFEL光束线上。由于光束线较长，为了保证产生的XFEL高效率传输，要选择超高真空管道。因此在线能谱仪需要设计超高真空腔体以兼容光束线传输。
3、光学元件在线调光时需要对准，要具有高精度的位置调节装置。此外，XFEL更高的峰值亮度和重复频率会导致更高的热负载，而高热负载会损坏光学元件。需要制冷系统将热量及时带走，从而保护光学元件长时间运行。
4、当在线能谱仪运行时，光学元件由于热负载效应达到使用寿命需要切换，或者根据不同能量分辨率和透射率需求需要选用多个光学元件，应该具有不破坏真空就可以切换光学元件的能力。
针对最新硬X射线自由电子激光装置对单脉冲在线光谱仪的需求，目前还没有对应的解决方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有技术没有能够实时观测单脉冲X射线光子的能量分布和入射强度的在线能谱仪。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪，其特征在于：包括真空腔体、四轴调节架、快速切换腔、制冷系统、探测机构和弯晶；
所述四轴调节架包括调节机构和工作杆，所述工作杆与调节机构连接，调节机构具有X向、Y向、Z向和旋转调节功能，用于对工作杆进行调节；
所述工作杆通过真空腔体上的接口伸入真空腔体，所述弯晶设在工作杆的末端，所述真空腔体上设有入射光接口和出射光接口，通过所述调节机构调节弯晶在真空腔体内的方位，使得弯晶的中心与入射光接口和出射光接口位于同一条直线上；
所述快速切换腔与真空腔体真空连接用于更换弯晶；
所述制冷系统与弯晶连接用于降温；
所述探测机构设在真空腔体的外部，通过真空腔体上的探测窗口对X射线进行探测。
优选地，所述弯晶包括平凹面基底、平凸面基底、通孔、螺丝、弹性柱塞、超薄单晶晶片和保持架，所述平凹面基底和平凸面基底中心设置通孔，平凹面基底的凹面和平凸面基底的凸面中间夹持超薄单晶晶片，保持架设在平凹面基底和平凸面基底的两端起到夹持作用，保持架上装有弹性柱塞，弹性柱塞分别压紧于平凹面基底和平凸面基底的平面，保持架两侧设置螺丝，通过拧紧螺丝固定保持架。
优选地，所述快速切换腔和真空腔体之间通过阀门连接。
优选地，所述真空腔体连接有真空泵。
优选地，所述探测窗口水平垂直于光路方向，探测窗口选用高透射X射线材料。
优选地，所述探测机构包括面探测器和位移台，所述面探测器设在位移台上正对探测窗口，通过所述位移台调整面探测器与探测窗口之间的距离。
优选地，所述四轴调节架包括X向位移台、旋转位移台、Z向位移台和Y向位移台，所述X向位移台、旋转位移台、Z向位移台和Y向位移台分别与工作杆连接用于对工作杆进行调节。
优选地，所述四轴调节架与真空腔体之间通过套设在工作杆上的法兰连接。
优选地，还包括支撑台面，所述真空腔体和位移台设在支撑台面上。
优选地，所述超薄单晶晶片为单晶硅、单晶锗或单晶金刚石。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、能够实现高性能晶体分光：晶体由于晶格间距与X射线波长尺度接近，可以实现X射线的衍射分光，具有高能量分辨。将平面晶体弯曲固定制作弯晶，使得不同能量的光子在空间展开，可以实现X射线的分光。面探测器不同位置对应于不同能量的光子，实现在线光谱监测。设计超薄透射式弯晶，可以同时具有高能量分辨和高透射率。
2、具有超高真空腔体：通过多接口超高真空腔体设计，使得在线能谱仪可以兼容光束线超高真空传输。同时，真空探测窗口采用Be窗或者KAPTON等X射线高透射材料，兼容超高真空的同时具备更高的X射线透过率。
3、能够实现高精度晶体四轴调节：设计了光学元件四轴调节装置，包括X向位移台、旋转位移台、Z向位移台和Y向位移台，分别调整在线光学元件的X、Y、Z、θ方向的位置调节，具有更高的精度和更灵活的适配场景。此外，四轴调节装置还设计了制冷系统，制冷系统与弯晶底座管道连接，管道内填充液氮可以带走弯晶产生的热量，最低可以达到4K，具有更高的热负载能力，可以保证光学元件长时间运行。
4、能够实现快速在线晶体切换：快速进样腔的设实现不破坏真空就可以切换光学元件。快速切换腔与真空腔体之间设置阀门，更换弯晶时，关闭阀门，隔绝内外真空，在快速进样腔更换弯晶，然后快速进样腔进行抽真空，当快速切换腔与真空腔体的真空度小于两个量级时，打开阀门，将弯晶从快速切换腔传送到真空腔体内，降低了在线光谱仪维护难度。
附图说明
图1为本发明一种X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪结构示意图；
图2为真空腔体结构示意图；
图3为四轴调节架结构示意图；
图4为弯晶结构示意图；
图5为X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪光路图；
图6为X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪主要参数图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
针对最新硬X射线自由电子激光装置对单脉冲在线光谱仪高能量分辨衍射分光、高透射性、高真空兼容、高热负载能力等的需求，本发明提出了一种高性能、多模式的X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪。设计原理基于X射线衍射，利用硅原子晶格间距与X射线波长尺度相近，来实现X射线的衍射分光。超薄单晶的X射线吸收低，可实现高透射性，从而实现实时检测X射线自由电子激光单脉冲的能量以及入射强度分布。
如图1至4所示，本发明一种X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪包括真空腔体1、四轴调节架2、阀门3、快速切换腔4、位移台5、面探测器6、支撑平台7、弯晶8和真空泵14。
真空腔体1上加工入射光接口11、出射光接口12和探测窗口13，入射光接口11与出射光接口12保持180°。探测窗口13水平垂直于光路方向，选用高透射X射线材料。真空泵14设在真空腔体1外部与真空腔体1连接。
真空腔体1和快速切换腔4通过阀门3真空连接，阀门3和快速切换腔4可以实现不破坏真空腔体1的真空就可以切换弯晶8，降低了在线光谱仪维护难度。
面探测器6安装在位移台5上正对探测窗口13，面探测器6可以是计数型面面探测器，也可以是积分型面面探测器。位移台5置于真空腔体1外，用于调节面探测器6和探测窗口13的相对位置，位移台5行程可以为100mm、300mm和500mm。真空腔体1和位移台5安装在支撑台面7上与支撑台面7固定连接。
弯晶8包括平凹面基底81、平凸面基底82、通孔83、螺丝84、弹性柱塞85、超薄单晶晶片86和保持架87，平凹面基底81和平凸面基底82的中心设置通孔83，通孔83可以保证透射光直通。平凹面基底81的凹面和平凸面基底82的凸面中间夹持超薄单晶晶片86，超薄单晶晶片86的面形与平凹面基底81的凹面和平凸面基底82保持一致。保持架87安装在平凹面基底81和平凸面基底82的两端起到夹持作用，保持架87上方安装弹性柱塞85，弹性柱塞85分别压紧于平凹面基底81和平凸面基底82的平面，用于均匀施加压力，减少晶片损伤。保持架87两侧设置螺丝84，通过拧紧螺丝84固定保持架87。
超薄单晶晶片86可以是单晶硅、单晶锗、单晶金刚石等完美晶体。弯晶8可以是一个，也可以是多个。
四轴调节架2包括X向位移台21、旋转位移台22、Z向位移台24、Y向位移台25和工作杆26，X向位移台21、旋转位移台22、Z向位移台24、Y向位移台25组成调节机构对工作杆26的位置进行调节，调节机构通过工作杆26连接弯晶8，并通过对工作杆26的调节进而对弯晶8的空间位置进行调节。工作杆26通过真空腔体1上的接口伸入真空腔体1，四轴调节架2与真空腔体1之间通过套设在工作杆26上的法兰连接。弯晶8置于真空腔体1内部中心，弯晶8中心与入射光接口11和出射光接口12中心共线。制冷系统23安装在四轴调节架2上与弯晶8连接。
当一束已知发散度的X射线通过真空腔体1的入射光接口11照射到弯晶8的凸面时，每个满足布拉格条件的波长都被反射，并在径向上远离弯曲圆的中心分散，如图5所示。根据等式nλi＝2dsinθB，i，其中d是晶格间距，θB，i是布拉格角，并且i表示在光束内每个不同的波长。对应于能量区间ΔE的布拉格衍射脉冲在探测器平面上的光谱色散位置Δx由下式给出：
Figure GDA0003899479560000051
L′表示从晶体到探测器的距离，R为曲率半径。
Figure GDA0003899479560000052
为光谱仪的光谱分辨率。
最大的光谱范围ΔEmax取决于入射光束大小H和弯曲晶体的半径R。
Figure GDA0003899479560000053
由以上两个公式可以得到X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪的主要参数，有晶面选择布拉格角、透射率、能量范围及能量分辨率，分别依次对应于图6a、b、c和d。
晶面选择：如图6a所示，不同晶面的晶体在特定光子能量下的本征达尔文宽度是不同的，这使得晶体的布拉格角也是不同的。例如，在10keV光子入射下，Si(111)的布拉格角为11.4°，而Si(333)的布拉格角为36.38°。同一晶面布拉格角随着入射能量的变大而减小。高阶晶面具有小的晶面间距和大的布拉格角。
透射率：如图6b，在10-25keV能量范围内，硅晶体的透射率随着不同厚度减小而增大。使用厚度小于20um的硅晶体可以保持80％以上的透过率。
能量范围：如图6c,谱仪的能量范围是指分析晶体所能探测X射线的光谱范围。自由电子激光装置单次激发的频谱宽度一般为0.001-0.01。即入射光能量为10keV，光谱仪的能量范围应该在10-100eV。
能量分辨率：能量分辨率是光谱仪最重要的参数。自由电子激光单发光谱并不是传统同步辐射光源的高斯分布，而是SASE模式的随机分布。单发光谱具有几十个尖峰,角宽可达2μrad。实验时可以根据晶体晶面，或者选用合适的弯晶8半径,调节面探测器6与弯晶8的距离,选用分辨率更高的面探测器6等参数实现高能量分辨。曲率半径为300mm，探测器与弯晶距离400mm，像素大小为50um，不同晶面的能量分辨率如图6d所示。

Claims (10)

1.一种X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪，其特征在于：包括真空腔体(1)、四轴调节架(2)、快速切换腔(4)、制冷系统(23)、探测机构和弯晶(8)；
所述四轴调节架(2)包括调节机构和工作杆(26)，所述工作杆(26)与调节机构连接，调节机构具有X向、Y向、Z向和旋转调节功能，用于对工作杆(26)进行调节；
所述工作杆(26)通过真空腔体(1)上的接口伸入真空腔体(1)，所述弯晶(8)设在工作杆(26)的末端，所述真空腔体(1)上设有入射光接口(11)和出射光接口(12)，通过所述调节机构调节弯晶(8)在真空腔体(1)内的方位，使得弯晶(8)的中心与入射光接口(11)和出射光接口(12)位于同一条直线上；
所述快速切换腔(4)与真空腔体(1)真空连接用于更换弯晶(8)；
所述制冷系统(23)与弯晶(8)连接用于降温；
所述探测机构设在真空腔体(1)的外部，通过真空腔体(1)上的探测窗口(13)对X射线进行探测。
2.如权利要求1所述的一种X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪，其特征在于：所述弯晶(8)包括平凹面基底(81)、平凸面基底(82)、通孔(83)、螺丝(84)、弹性柱塞(85)、超薄单晶晶片(86)和保持架(87)，所述平凹面基底(81)和平凸面基底(82)中心设置通孔(83)，平凹面基底(81)的凹面和平凸面基底(82)的凸面中间夹持超薄单晶晶片(86)，保持架(87)设在平凹面基底(81)和平凸面基底(82)的两端起到夹持作用，保持架(87)上装有弹性柱塞(85)，弹性柱塞(85)分别压紧于平凹面基底(81)和平凸面基底(82)的平面，保持架(87)两侧设置螺丝(84)，通过拧紧螺丝(84)固定保持架(87)。
3.如权利要求1所述的一种X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪，其特征在于：所述快速切换腔(4)和真空腔体(1)之间通过阀门(3)连接。
4.如权利要求1所述的一种X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪，其特征在于：所述真空腔体(1)连接有真空泵(14)。
5.如权利要求1所述的一种X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪，其特征在于：所述探测窗口(13)水平垂直于光路方向，探测窗口(13)选用高透射X射线材料。
6.如权利要求1所述的一种X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪，其特征在于：所述探测机构包括面探测器(6)和位移台(5)，所述面探测器(6)设在位移台(5)上正对探测窗口(13)，通过所述位移台(5)调整面探测器(6)与探测窗口(13)之间的距离。
7.如权利要求1所述的一种X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪，其特征在于：所述四轴调节架(2)包括X向位移台(21)、旋转位移台(22)、Z向位移台(24)和Y向位移台(25)，所述X向位移台(21)、旋转位移台(22)、Z向位移台(24)和Y向位移台(25)分别与工作杆(26)连接用于对工作杆(26)进行调节。
8.如权利要求1所述的一种X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪，其特征在于：所述四轴调节架(2)与真空腔体(1)之间通过套设在工作杆(26)上的法兰连接。
9.如权利要求6所述的一种X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪，其特征在于：还包括支撑台面(7)，所述真空腔体(1)和位移台(5)设在支撑台面(7)上。
10.如权利要求2所述的一种X射线自由电子激光单脉冲在线诊断能谱仪，其特征在于：所述超薄单晶晶片(86)为单晶硅、单晶锗或单晶金刚石。
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