CN113884525A - 基于激光电离气体的高灵敏度x射线探测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
基于激光电离气体的高灵敏度X射线探测方法和装置，通过激光电离气体产生X射线信号。利用金属滤膜对激光和低能射线滤除。通过小孔和烧结钕铁硼磁铁偏转电子，滤除因为电子碰撞而产生的荧光X射线(至少减弱一个数量级)，提高信号对比度。最后由X射线硅漂移探测器对弱X射线信号进行探测。同时通过改变激光参数、气体种类或X射线探测器的角度，本发明也可用于弱X射线信号的角分布探测。
Description
技术领域
本发明属于X射线技术领域，具体是一种基于激光电离气体的高灵敏度X射线探测方法和装置，能够对X射线波段的信号进行过滤，提高信噪比，从而实现对信号中高次谐波微弱信号的探测。
背景技术
原子内电子动力学的实时观测需要飞秒到阿秒的超短时间跨度，这相当于0.1-10KeV(KeV,千电子伏特，电子伏特为能量单位)的光子能量跨度，同时超快动力学中的泵浦探测需要极紫外(XUV)和X射线阿秒光源。高次谐波目前是一种重要的相干光源，但大多数高次谐波光源频谱仅限于XUV波段。而X射线可以获得原子和分子运动的内部状态，需要光子能量扩展到约500eV甚至1KeV以上。
目前获得X射线波段高次谐波光谱方法有两种，第一种为通过将中红外飞秒激光作用在在超高压气体中，通过相位匹配过程，得到光子能量超过1.6KeV的光谱(TenioPopmintchev et al.,Science 336,1287(2012))。第二种为通过提高入射激光强度，完全电离气体，利用离子产生高次谐波(D.D.A.Clarke et al.,Phys.Rev.A 97,023413(2018)；Dimitar Popmintchev et.al.，Science 350，6265(2015))子能量也可能达到1KeV及以上波段。但是目前第二种方法仍停留在理论阶段，尚未有实验证明通过离子高次谐波机制可以产生1KeV及以上波段的光子能量。通过激光电离气体产生X射线信号，信号中可能同时包含荧光光谱和高次谐波光谱，对于能量达到KeV波段时，高次谐波光谱信号是非常弱的，而被电离的电子与物质发生碰撞(特别是包含金属元素的物质)就会产生相应的X射线荧光辐射，对高次谐波信号产生干扰，甚至会湮没离子产生的高次谐波信号。这就导致了实验上很难对离子产生高次谐波机制探索。
发明内容
本发明主要在于利用激光电离气体产生X射线信号，同时设计一种电子偏转装置，消除由于被电离的电子散射碰撞而产生荧光X射线的影响，提高光谱信噪比，从实验上实现X射线波段高灵敏度高次谐波信号的探测。
本发明的技术解决方案：
一种基于激光电离气体的高灵敏度X射线探测方法，其特征在于通过激光电离气体产生X射线信号。激光焦点处强度为2×1016W/cm2，气体作用时气压超过1Mpa，产生的X射线波段信号的机制为气体离子高次谐波产生，信号经过滤波后，其中的荧光X射线等噪声被滤除，获得X射线波段的微弱信号。
一种基于激光电离气体的高灵敏度X射线的装置，其特征在于，包括半波片、1/4波片、具有输入窗口的X射线产生腔和计算机，以及设置在所述的X射线产生腔的平凸汇聚透镜、气体喷嘴系统、电子偏转系统、X射线探测系统；沿入射飞秒激光的传播方向依次是所述的半波片、1/4波片、输入窗口、平凸汇聚透镜、电子偏转系统和硅漂移探测器(SDD)；所述的气体喷嘴系统，用于将气体喷出，并与激光作用，产生X射线信号，传输至电子偏转系统；所述的电子偏转系统，用于滤除激光和低能射线滤除，以及使电子偏转，从而滤除因电子碰撞而产生的荧光X射线；所述的X射线探测系统用于探测产生的弱X射线信号。所述的计算机分别与所述的气体喷射系统和硅漂移探测器连接。
所述的气体喷嘴系统包括：气体喷嘴、气体喷嘴控制系统、三维电动平移台和支架；所述的气体喷嘴与支架固定连接，该支架与三维电动平移台连接，所述的气体喷嘴控制系统调节气体喷嘴的工作参数；
所述的气体喷嘴控制系统包括延时控制器，示波器和气体喷嘴控制器；延时控制器输入端口B接收激光放大器发出的+5V电信号A，然后产生一个延时可调的电信号从端口C输出，将此信号同时输入给气体喷嘴控制器端口F和示波器输入端口D，示波器同时输入激光电信号于端口E和延时控制器产生的电信号于端口D，通过观察示波器，调节延时控制器输出信号C的延时以调节两个信号之间的时间差，气体喷嘴控制器在接受到由延时控制器输入的电信号F时，从其端口G输出电信号H控制气体喷嘴的工作。
所述的三维电动平移台可实现三维空间中XYZ方向的调节，由计算机控制。
所述的电子偏转系统包括电子偏转装置，支架和金属滤膜支架，所述的电子偏转装置包含前表面小孔、后表面小孔，以及侧面两块磁铁；所述的前表面小孔用以阻挡发散角较大的噪声信号和部分电子，后表面小孔用于阻挡部分基频激光束；电子偏转装置与支架连接，支架中长槽大通孔和小通孔结构允许电子偏转装置和支架连接时进行相对位置的调整；电子偏转装置后端有三个凹槽；将金属滤膜镀在金属滤膜支架上，再将滤膜支架放入凹槽中，用于阻挡入射飞秒激光以及过滤低能信号；
所述的电子偏转装置由聚酰胺纤维制作而成，主要构成元素为C,H,O,N。
所述的X射线探测系统包括：SDD、支杆、底座和电动旋转台；所述的SDD由支杆和底座支撑，底座与电动旋转台连接；
所述的电动旋转台可实现沿激光传播方向为中心，允许顺时针转动150°和逆时针转动150°，重复定位精度±0.001°，实现对X射线角分布(水平方向空间分布)的探测；所述的电动旋转台由计算机控制。
所述的半波片前后表面镀有0°增透膜，用于旋转线性偏振光的偏振面。
所述的1/4波片前后表面镀有0°增透膜，用于调节入射飞秒激光的偏振态。
所述的X射线产生腔包含三个机械干泵，一个罗茨真空泵，三个分子泵，每个分子泵配备相应的前级泵,可保证真空度在10-4Pa以上，实验时可保证真空度在10-3Pa以上。
所述的平凸汇聚透镜前后表面镀有0°增透膜。
所述的磁铁是由两块烧结钕铁硼强力磁铁构成，单块表面磁力大小5080Gauss(高斯，磁场强度单位)，剩磁14700Gauss，目的是用于构建强磁场偏转电子，使电子打在偏转装置内壁上，防止电子打在金属制品、金属滤膜以及SDD上。提高X射线(主要为1KeV及以上)信号的信噪比
所述的金属滤膜，常用为铝膜或者锆膜，厚度范围在0.15μm至10μm之间。通过调整滤膜的厚度，控制探测器采集X射线信号时计数率低于0.05光子计数/秒/赫兹。
本发明的主要工作流程为：
1.使入射飞秒激光中心轴与电子偏转装置、SDD中心轴对齐
2.通过控制电动平移台使气体喷嘴紧贴激光焦点。优化X射线信号强度。
3.通过气体喷嘴控制系统使激光工作频率和气体喷嘴工作频率匹配，使产生的X射线信号最强。
4.通过电动旋转台控制SDD的旋转，用来探测X射线的角分布。
5.使用计算机将软件采集的X射线信号数据保存，处理。
本发明的优点：
1.利用激光电离气体产生X射线信号。通过金属滤膜阻挡入射基频激光以及除去低能射线信号，同时通过磁场偏转电子，除去电子与金属材料碰撞而产生的高能荧光X射线(光子能量大于1KeV)，可以使荧光X射线强度至少降低一个数量级。整套装置可以实现对X射线信号的高灵敏度探测。
2.电子偏转装置结构紧密，体积小巧，将小孔光阑，磁铁，金属滤膜支架，集成在同一结构上，并与SDD连接，可随探测器同步移动，实现对X射线信号角分布(水平方向空间分布)的探测。
3.可实现快捷更换不同强度的磁铁和不同的金属滤膜，节省装调时间。
4.该系统可以通过使用不同的气体，以及改变实验激光的参数，可直接用于多种不同物理机制的实验探索，例如离子高次谐波X射线产生，特征X射线谱探测等。
附图说明
图1是本发明一种基于激光电离气体的高灵敏度X射线探测装置结构示意图
图2是气体喷嘴控制系统工作示意图
图3是电子偏转装置和支架关系图
图4是电子偏转装置结构侧视图和剖面图
图5是电子偏转装置结构另一方向侧视图和剖面图
图6是电子偏转装置中金属滤膜支架结构示意图
图7是电子偏转装置连接支架结构示意图
图8是包含电子偏转系统和不包含电子偏转系统的光谱图
图9是氪气产生高次谐波光谱图
图10是不同激光偏振态下的光谱图
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的说明。
参阅图1，图1为本发明一种基于激光电离气体的高灵敏度X射线探测方法和装置结构示意图。由图可见，本发明包括沿所述的入射飞秒激光1的传播方向依次为半波片2、1/4波片3和X射线产生腔5，该腔5具有输入窗口4，所述的X射线产生腔5的真空度达到10-4Pa以上，实验时该腔5的真空度可达10-3Pa以上。该产生腔5中沿激光传播方向依次是平凸汇聚透镜6、气体喷嘴7、电子偏转系统20、SDD10。气体喷嘴7与固定其支架12稳定连接，支架12与三维电动平移台11连接，三维电动平移台11由计算机16控制。气体喷嘴控制系统17调节气体喷嘴7的工作参数。SDD10由支杆15和底座14支撑，底座14与可水平360度旋转的电动旋转台13连接，且底座14左端中心与真空中激光焦点在垂直方向完全重合，保证SDD10随电动平移台13旋转时，以激光焦点为中心。电动旋转台13由计算机16控制。
飞秒激光1经过半波片2、1/4波片3后产生特定偏振的入射光，后经过窗口4进入X射线产生腔中。经过平凸汇聚透镜6聚焦在气体出口处，气体出口紧贴激光焦点处。产生的X射线信号与飞秒入射光沿光轴方向穿过小孔81和小孔82，高能电子在通过磁铁83产生的磁场时，被偏转撞击到电子偏转装置8的内壁上。后经过金属滤膜85时，入射飞秒激光和特定波段信号被过滤掉。最后X射线信号被SDD10捕获，通过电脑16中的采集软件保存数据。
所述的半波片2前后表面镀有0°增透膜，用于旋转线性偏振光的偏振面。
所述的1/4波片3前后表面镀有0°增透膜，用于调节入射飞秒激光的偏振态。
所述的高次谐波产生腔5包含三个机械干泵，一个罗茨真空泵，三个分子泵，每个分子泵配备相应的前级泵。可保证真空度在10-4Pa以上，实验时可保证真空度在10-3Pa以上。
所述的平凸汇聚透镜6前后表面镀有0°增透膜。
所述的三维电动平移台11可实现三维空间中XYZ方向的调节。调节精度2.5μm，允许对激光焦点位置的精细调节。
所述的电动旋转台13可实现沿激光传播方向为中心，允许顺时针转动150°和逆时针转动150°。重复定位精度±0.001°。实现对X射线角分布(水平方向空间分布)的探测。
所述的气体喷嘴控制系统17由三部分组成。参见图2，分别为延时控制器171，示波器172，气体喷嘴控制器173。延时控制器171输入端口B接收激光放大器发出的+5V电信号A，然后产生一个延时可调的电信号从端口C输出，将此信号同时输入给气体喷嘴控制器173端口F和示波器172输入端口D。示波器172同时输入激光电信号于端口E和延时控制器171产生的电信号于端口D，通过观察示波器172，调节延时控制器171输出信号C的延时以调节两个信号之间的时间差。气体喷嘴控制器173在接受到由延时控制器171输入的电信号F时，从其端口G输出电信号H控制气体喷嘴7的工作。
所述的电子偏转系统20由三部分构成，参见图3、图4、图5、图6、图7。分别为电子偏转装置8，支架9，金属滤膜支架84。电子偏转装置8中包含前表面小孔81和后表面小孔82，前表面小孔81用以阻挡发散角较大的噪声信号和部分电子，后表面小孔82用于阻挡基频激光束，以及侧面两块磁铁83。电子偏转装置8与支架9通过4个M4和4个M3真空兼容螺丝进行连接，保证连接的稳定性。支架9中长槽大通孔91和小通孔92结构允许电子偏转装置8和支架9连接时进行相对位置的调整，便于符合实际安装的调节。电子偏转装置8后端有三个凹槽84，便于安装金属滤膜支架。将金属滤膜镀在金属滤膜支架85上，再将滤膜支架85放入凹槽84中，用于实验中阻挡入射飞秒激光以及过滤低能信号。金属滤膜种类的选取依据具体实验更换。电子偏转系统20通过支架9中长槽结构94与SDD连接固定。
所述的电子偏转装置8由聚酰胺纤维(尼龙,型号HP 3D PA 12)制作而成，主要构成元素为C,H,O,N。
所述的磁铁83是由两块烧结钕铁硼强力磁铁构成，单块表面磁力大小5080Gauss，剩磁14700Gauss，目的是用于构建强磁场偏转电子，使杂散电子打在内壁上，防止电子打在金属制品、金属滤膜以及探测器上。提高X射线(主要为1KeV及以上)信号的信噪比。
所述的金属滤膜支架85，表面金属滤膜，常用为铝膜或者锆膜，金属膜厚度范围在0.15μm至10μm之间，通过调整滤膜的厚度，控制计数率低于0.05光子计数/秒/赫兹。
本发明利用电子偏转装置中磁铁产生的磁场，使电子在磁场中运动发生偏转，最终打在由尼龙(聚酰胺纤维)材质的内壁上，消除电子与金属材料碰撞而引起的能量大于1KeV的荧光X射线。信号经过金属滤膜过滤低能射线，同时控制SDD计数率低于0.05光子计数/秒/赫兹。从而实现对于激光电离气体产生的X射线波段弱高次谐波信号的高灵敏度探测。
下面为本发明具体实例的详细说明：
实施例1：
红外飞秒激光即入射飞秒激光1，中心波长1450nm，脉冲宽度60fs，重复频率20Hz，能量输出7mJ，通过半波片2、1/4波片3、入射窗口4、焦距为100mm的平凸汇聚透镜6聚焦后，在焦点处的有效光强约为1.2×1016W/cm2。激光焦点紧挨气体喷嘴7的出气口，其中充满第一惰性气体(He)，气体气压为0.8Mpa。工作时气体喷嘴7的单次喷气时间通过气体喷嘴控制系统17设置为300μs，工作频率为20Hz，通过延时控制器171设置气体喷嘴7与激光运行频率匹配。
激光与信号同轴传输至电子偏转系统20，经过电子偏装装置8中前表面小孔81正中心，后经过由两块磁铁83构成的偏转磁场，电子被偏转打在电子偏转装置8内壁上，经过后表面小孔82，镀有150nm厚铝膜的滤膜支架85，最终被SDD10采集光谱信号(采集时间为1800s)，通过计算机16保存数据。所获得的信号光谱为图8曲线A所示。
实施例2：
重复上述实施例1中的步骤，将其中电子偏转系统8去掉。在SDD10前放置镀有150nm厚的铝膜支架85，所获得的信号光谱为图8曲线B所示。
从图8曲线A和曲线B对比中可以看出，电子偏转系统20可以有效地降低荧光X射线信号(光子能量1KeV至5KeV)，荧光X射线信号减少至少一个数量级。
实施例3：
利用本发明高灵敏度X射线探测方法和装置，重复上述实施例1中的步骤，将其中气体喷嘴7中的气体换成第四惰性气体(Kr)，气体气压设置为0.1MPa。金属滤膜支架85换为8μm厚铝膜。SDD10采集时间设置为1200s。利用本发明，得到Kr离子X射线高次谐波光谱，光谱图参见图9。通过1/4波片3改变入射飞秒激光1的偏振态(线偏振和圆偏振)，采集不同偏振态下，获得的X射线光谱图，参见图10，通过对比线偏振时的信号(曲线C)和圆偏振时的信号曲线(曲线D)，通过不同偏振下的光谱可以判断光谱9中的X射线为Kr离子产生的高次谐波信号。
Claims (9)
1.一种基于激光电离气体的高灵敏度X射线探测方法，其特征在于通过激光电离气体产生X射线信号。激光焦点处强度为2×1016W/cm2，气体作用时气压超过1Mpa，产生的X射线波段信号的机制为气体离子高次谐波产生，信号经过滤波后，其中的荧光X射线等噪声被滤除，获得X射线波段的微弱信号。
2.一种基于激光电离气体的高灵敏度X射线的装置，其特征在于，包括半波片(2)、1/4波片(3)、具有输入窗口(4)的X射线产生腔(5)和计算机(16)，以及设置在所述的X射线产生腔(5)的平凸汇聚透镜(6)、气体喷嘴系统、电子偏转系统(20)、X射线探测系统；沿入射飞秒激光(1)的传播方向依次是所述的半波片(2)、1/4波片(3)、输入窗口(4)、平凸汇聚透镜(6)、电子偏转系统(20)和硅漂移探测器(10)；
所述的气体喷嘴系统，用于将气体喷出，并与激光作用，产生X射线信号，传输至电子偏转系统(20)；
所述的电子偏转系统(20)，用于滤除激光和低能射线滤除，以及使电子偏转，从而滤除因电子碰撞而产生的荧光X射线；
所述的X射线探测系统用于探测产生的弱X射线信号。
所述的计算机(16)分别与所述的气体喷射系统和硅漂移探测器(10)连接。
3.根据权利要求2所述的基于激光电离气体的高灵敏度X射线的装置，其特征在于，所述的气体喷嘴系统包括：气体喷嘴(7)、气体喷嘴控制系统(17)、三维电动平移台(11)和支架(12)；所述的气体喷嘴(7)与支架(12)固定连接，该支架(12)与三维电动平移台(11)连接，所述的气体喷嘴控制系统(17)调节气体喷嘴(7)的工作参数；
所述的气体喷嘴控制系统(17)包括延时控制器(171)，示波器(172)和气体喷嘴控制器(173)；延时控制器(171)输入端口B接收激光放大器发出的+5V电信号A，然后产生一个延时可调的电信号从端口C输出，将此信号同时输入给气体喷嘴控制器(173)端口F和示波器(172)输入端口D，示波器(172)同时输入激光电信号于端口E和延时控制器(171)产生的电信号于端口D，通过观察示波器(172)，调节延时控制器(171)输出信号C的延时以调节两个信号之间的时间差，气体喷嘴控制器(173)在接受到由延时控制器(171)输入的电信号F时，从其端口G输出电信号H控制气体喷嘴(7)的工作。
所述的三维电动平移台(11)可实现三维空间中XYZ方向的调节，由计算机(16)控制。
4.根据权利要求2所述的基于激光电离气体的高灵敏度X射线的装置，其特征在于，所述的电子偏转系统(20)包括电子偏转装置(8)，支架(9)和金属滤膜支架(84)，所述的电子偏转装置(8)包含前表面小孔(81)、后表面小孔(82)，以及侧面两块磁铁(83)；所述的前表面小孔(81)用以阻挡发散角较大的噪声信号和部分电子，后表面小孔(82)用于阻挡部分基频激光束；电子偏转装置(8)与支架(9)连接，支架(9)中长槽大通孔(91)和小通孔(92)结构允许电子偏转装置(8)和支架(9)连接时进行相对位置的调整；电子偏转装置(8)后端有三个凹槽(84)；将金属滤膜镀在金属滤膜支架(85)上，再将滤膜支架(85)放入凹槽(84)中，用于阻挡入射飞秒激光以及过滤低能信号；
所述的电子偏转装置(8)由聚酰胺纤维制作而成，主要构成元素为C,H,O,N。
5.根据权利要求2所述的基于激光电离气体的高灵敏度X射线的装置，其特征在于，所述的X射线探测系统包括：硅漂移探测器(10)、支杆(15)、底座(14)和电动旋转台(13)；所述的硅漂移探测器(10)由支杆(15)和底座(14)支撑，底座(14)与电动旋转台(13)连接；
所述的电动旋转台(13)可实现沿激光传播方向为中心，重复定位精度±0.001°，实现对X射线角分布(水平方向空间分布)的探测；所述的电动旋转台(13)由计算机(16)控制。
6.根据权利要求2所述的基于激光电离气体的高灵敏度X射线的装置，其特征在于，所述的半波片(2)前后表面镀有0°增透膜，用于旋转线性偏振光的偏振面。
7.根据权利要求2所述的基于激光电离气体的高灵敏度X射线的装置，其特征在于，所述的1/4波片(3)前后表面镀有0°增透膜，用于调节入射飞秒激光的偏振态。
8.根据权利要求2所述的基于激光电离气体的高灵敏度X射线的装置，其特征在于，所述的X射线产生腔(5)包含三个机械干泵，一个罗茨真空泵，三个分子泵，每个分子泵配备相应的前级泵,可保证真空度在10-4Pa以上，实验时可保证真空度在10-3Pa以上。
9.根据权利要求2所述的基于激光电离气体的高灵敏度X射线的装置，其特征在于，所述的平凸汇聚透镜(6)前后表面镀有0°增透膜。
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