CN114879243B - 一种基于光子计数的束流光谱检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光子计数的束流光谱检测装置和方法，包括：离子束经过固体靶形成光辐射源，其产生的光经过聚焦透镜进入光谱仪，光谱仪与光子计数模块连接，并将计数结果传输至束流采集模块和计算处理模块；第一束流计设置在固体靶的前方，其中，与离子束入射方向相反的方向为前方；第二束流计设置在固体靶的表面上；第一束流计和第二束流计采集的信号均传输至束流采集模块，束流采集模块用于根据第一束流计、第二束流计和光子计数模块的计数结果获得的信号计算光子产额；计算处理模块用于将光子计数模块和束流采集模块的结果结合，获得光子产额随光谱仪波长变化光谱分布。其使用不受环境影响，随时调整离子流强度的大小，提高实验测量质量。

Description

一种基于光子计数的束流光谱检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于光子计数的束流光谱检测装置及方法，属于加速器束流采集技术领域。

背景技术

低速、高电荷态离子与固体表面相互作用过程中，空心原子形成以及形成后的运动过程中，空心原子通过自电离、Auger过程和光辐射等方式退激。光辐射速率随入射离子核电荷数的4次方增加，随着入射离子电荷态增高，光辐射退激成为入射离子释放所带势能的一个重要过程，其势能沉积在固体表面将产生固体靶表面电子发射、靶表面光发射。在这种情况，电子发射、X射线辐射和溅射离子只耗费高电荷态离子所带势能的10％。入射离子大部分势能在飞秒时间内，沉积在纳米尺度范围的靶表面上，沉积能量密度可高达10¹⁴W/cm²，从而使靶原子激发，在短时间内高密度能量沉积产生不同于传统激发方式的原子激发，受激靶原子退激将发出不同波段的光辐射。通过对受激固体靶表面辐射光与入射离子种类、能量、电荷态以及固体内在的物理性质之间关联的研究，对研究低速、高电荷态离子与固体表面作用中势能转移机制、势能激发靶原子的机理，以及光谱性质与固体结构的关系是十分重要的，而且有可能通过对其测量和分析展现出一种适用固体表面分析和研究的新方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供了一种基于光子计数的束流光谱检测装置及方法，其使用简单，易操作可随时调整离子流强度的大小，提高实验测量质量。

为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种基于光子计数的束流光谱检测装置，包括：固体靶、聚焦透镜、光谱仪、光子计数模块、第一束流计、第二束流计、束流采集模块和计算处理模块；离子束经过固体靶形成光辐射源，其产生的光经过聚焦透镜进入光谱仪，光谱仪与光子计数模块连接，用于对入射光子进行计数，并将计数结果传输至束流采集模块和计算处理模块；第一束流计设置在固体靶的前方，其中，与离子束入射方向相反的方向为前方；第二束流计设置在固体靶的表面上；第一束流计和第二束流计采集的信号均传输至束流采集模块，束流采集模块用于根据第一束流计、第二束流计和光子计数模块的计数结果获得的信号计算光子产额；计算处理模块用于将光子计数模块和束流采集模块的结果结合，获得光子产额随光谱仪波长变化光谱分布。

进一步，光子计数模块的积分时间与第一束流计和第二束流计的测量时间相同。

进一步，光子计数模块包括光电倍增管、电阻分配器、跟随器以及放大电路，发射光入射到光阴极时，致使从光阴极上逸出光电子，这些光电子按照聚焦极之间的电压逐步升高，在电场作用下逐级倍增，把倍增后的电子被阳极收集作为脉冲信号输出。本发明内容中的光电倍增管采用型号为R955。

进一步，光子计数模块通过设置幅度甄别器去除热发射噪声脉冲和背景噪声，由单道在单光子峰位开窗和光谱的符合，通过时间选择，进一步剔除其他噪声。

进一步，经过幅度甄别器后，获得的整形的脉冲分别进入单道和延迟线路，经过单道的信号经脉冲展宽后，与延迟线路的信号一起送入线性门，线性门的输出结果通过光谱仪集线器转换成数字信号后向计算处理模块发送一次计数结果，并立即清零光子计数模块，开始累加光谱仪步进后的光脉冲信号。

进一步，第一束流计获得离子束的入射流强I_f，第二束流计获得靶表面流强I_t，根据第一和第二束流计的信号，获得C＝I_t/I_f，光谱仪遍历预设的检测波长范围，光子计数模块获得各波长对应的光子数，辐射光谱的光子产额Y_λ的计算公式为：

Y_λ＝N_λ/(I_t/C*e*q)

其中，N_λ为辐射光谱的光子数，e为电荷电量，q是入射离子电荷态数。

进一步，束流采集模块包括第一驱动电路、第二驱动电路、CPLD控制电路、USB接口电路和USB接口，第一驱动电路与第一束流计连接并接收其信号，第二驱动电路与第二束流计连接并接收其信号，第一驱动电路和第二驱动电路的输出端均与CPLD控制电路连接，CPLD控制电路用于进行脉冲采样和数据存储，其输出端连接USB接口电路，USB接口电路用于接收计算处理模块的指令，进行解析，并提取配置参数，并将配置参数反馈至CPLD控制电路，USB接口电路与USB接口连接，USB接口用于数据传输。

进一步，CPLD控制电路和USB接口电路分别与不同频率的时钟电路连接，USB接口与FLASH电路连接，CPLD控制电路还与LED显示电路连接。

进一步，计算处理数据通过二维图和列表进行显示。

本发明还公开了一种基于光子计数的束流光谱检测方法，包括：束流采集模块接收计算处理模块发送的配置指令、工作模式及参数，在没有收到光子计数模块的计数信号时，束流采集模块处于等待状态；光谱仪接收计算处理模块发送的起始波长、步进波长、终止波长及积分时间T，启动光谱仪进行扫描，同时光子计数模块进行光子计数，将计数信号传输给束流采集器；束流采集模块开始采样，并记录第一束流计和第二束流计输入的脉冲数，并将计数结果通过USB接口电路送至计算处理模块进行实时显示和存盘；当光谱仪移动波长至终止波长时，停止光谱仪、光子计数模块和束流采集器，结束测量。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明中装置对环境无污染，其检测结果不受离子流涨落和外来干扰的影响。

2、本发明属于低噪声的信号检测设备，具有实验测量精确可控的特点，测量光谱精度可以达到±0.001nm。

3、本发明中装置使用简单，易操作，可随时调整离子流强度的大小，提高实验测量质量。

4、本发明中装置可应用于天体物理、表面物理、材料科学等不同领域的光发射光谱学实验中。

附图说明

图1是本发明一实施例中基于光子计数的束流光谱检测装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例中光子计数模块的数据流示意图；

图3是本发明一实施例中束流采集模块的结构示意图；

图4是本发明一实施例中CPLD控制电路的数据流示意图；

图5是本发明一实施例中定时模式时的指令格式图；

图6是本发明一实施例中定数模式时的指令格式图；

图7是本发明一实施例中定时模式下获得的工作时序图；

图8是本发明一实施例中定数模式下获得的工作时序图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了解决现有技术中存在的低速、高电荷态离子与固体相互作用的光辐射从X射线延伸到红外，对于其范围的离子与固体作用可见光发射测量，普通测量技术难以测量或不能获得精确的实验结果的问题，本发明提出了一种基于光子计数的束流光谱检测装置及方法，其在离子与固体作用中对于光发射实验测量，利用光电倍增管接收光信号增益高，电子噪声低的优点，把淹没在噪声中的极弱的光信号测量出来，还能够消除离子流强度变化对光谱测量产生的影响。这是当前和未来离子与固体相互作用中的光发射机制重要内容研究中需要采取和解决的重要技术之一。下面结合附图，通过实施例对本发明方案进行详细说明。

实施例一

本实施例公开了一种基于光子计数的束流光谱检测装置，应用于在离子与固体作用的弱光发射测量系统，如图1所示，包括：固体靶、聚焦透镜、光谱仪、光子计数模块、第一束流计、第二束流计、束流采集模块和计算处理模块；

离子束经过固体靶形成光辐射源，其产生的光经过聚焦透镜进入光谱仪的入射狭缝，光谱仪与光子计数模块连接，用于对入射光子进行计数，并将计数结果传输至束流采集模块和计算处理模块；第一束流计设置在固体靶的前方，其中，与离子束入射方向相反的方向为前方；第二束流计设置在固体靶的表面上；第一束流计和第二束流计采集的信号均传输至束流采集模块。实验过程中，光谱仪设定起始波场、步进波长、终止波长，光谱仪扫描一步，光子计数模块通过光谱仪集线器向计算处理模块输送依次测量数值。计算处理模块用于根据第一束流计、第二束流计和光子计数模块的计数结果获得的信号计算光子产额，将光子计数模块和束流采集模块的结果结合，获得光子产额随光谱仪波长变化光谱分布。光子计数模块的积分时间与第一束流计和第二束流计的测量时间相同。本实施例中光谱仪优选为SP-2558光谱仪。

如图2所示，光子计数模块中的光电倍增管包括入射窗、光阴极、聚焦极、阳极和倍增极，当入射光照射到光阴极时，由于光电效应，致使从光阴极上发射出光电子。由于相邻电极之间电压逐步升高，在电场的作用下，电子将被加速轰击到第一打拿极，发射出成倍的二次电子。继而它们又轰击第二打拿极，依次下去，电子逐级被倍增，最后聚集到阳极上的电子数可达初级发射电子数的10⁶倍甚至更多，形成电脉冲，通过负载电阻形成电压脉冲，这个脉冲称为单光子脉冲。其中光电倍增管采用真空条件半导体制冷，该光电倍增管置于-20℃下，暗电流小于0.1nA。

光子计数模块中测量的信号主要由背景噪声、光子信号和光电倍增管热发射噪声分组成。为了获得准确的光子信号，需要去除背景噪声、光电倍增管热发射噪声等噪声，以提高信噪比。光电倍增管热发射噪声脉冲是光电倍增管各倍增极的热发射电子在阳极回路形成的热发射噪声脉冲，但热电子倍增的次数比光子少的多，在阳极形成的脉冲幅度较低。本实施例中利用光电倍增管的工作原理和输出信号的特征，通过设置幅度甄别器去除热发射噪声脉冲和背景噪声，由单道在单光子峰位开窗和光谱的符合，通过时间选择，进一步剔除其他噪声。经过幅度甄别器后，获得的整形的脉冲分别进入单道和延迟线路，经过单道的信号经脉冲展宽后，与延迟线路的信号一起送入线性门，线性门的输出结果通过光谱仪集线器转换成数字信号后向计算处理模块发送一次计数结果，并立即清零光子计数模块，开始累加光谱仪步进后的光脉冲信号。光谱仪完成一轮在设定光谱波长(即设定的起始波长和终止波长的范围内)范围内的扫描，得到在其测量范围内不同波长的光子数能谱。

根据离子与固体相互作用过程中的光发射光源特性，根据电流计算公式即：I＝Q/T，其中，I为入射离子流强，Q为电量，T为离子束在靶表面流强的测量时间，将光子计数模块的积分时间设定为与离子束在靶表面流强的测量时间相同，即在工作时，光谱仪每移动一个波长后的光子测量时间与靶表面流强的测量时间T相同。

第一束流计获得离子束的入射流强I_f，第二束流计获得靶表面流强I_t，根据第一和第二束流计的信号，获得C＝I_t/I_f，光谱仪遍历预设的检测波长范围，光子计数模块获得各波长对应的光子数，辐射光谱的光子产额Y_λ的计算公式为：

Y_λ＝N_λ/(I_t/C*e*q)

其中，N_λ为辐射光谱的光子数，e为电荷电量，q是入射离子电荷态数。

如图3所示，束流采集模块包括第一驱动电路、第二驱动电路、CPLD控制电路、USB接口电路、USB接口和复位电路，第一驱动电路与第一束流计连接并接收其信号，第二驱动电路与第二束流计连接并接收其信号，第一驱动电路和第二驱动电路的输出端均与CPLD控制电路连接，CPLD控制电路用于进行脉冲采样和数据存储，其输出端连接USB接口电路，USB接口电路用于接收计算处理模块的指令，进行解析，并提取配置参数，并将配置参数反馈至CPLD控制电路，USB接口电路与USB接口连接，USB接口用于数据传输。CPLD控制电路和USB接口电路分别与不同频率的时钟电路连接，USB接口与FLASH电路连接，CPLD控制电路还与LED显示电路连接。计算处理模块通过二维图和列表进行显示。复位电路相对于束流采集模块中其他部件独立设置，用于使束流采集模块的设置恢复初始状态。

如图4所示，CPLD控制电路包括第一脉冲计数模块、第二脉冲计数模块、数据组包子模块、定时器子模块、计数使能子模块和数据发送子模块，第一脉冲计数子模块和第二脉冲计数子模块分别通过第一驱动电路、第二驱动电路采集第一束流计和第二束流计的计数使能信号和计数脉冲，并将计数值发送至数据组包子模块，数据组包子模块在需要时，如每次计数完毕时，向脉冲计数子模块发送控制清零信号。定时器子模块向该数据组包模块发送定时控制信号，计数使能子模块向数据组包模块发送计数使能控制信号，指令收发子模块从USB接口电路接收指定，并向数据组包子模块发送模块控制使能信号，同时向计数使能子模块发送计数配置参数及应答，向定时器子模块发送定时配准参数及应答。数据组包子模块对各个子模块发送来的数据进行处理，并将计数器数据包发送至数据发送子模块，该数据发送子模块将计数器数据包发送至USB接口电路。复位电路输入信号通过看门狗子模块输入CPLD控制电路。

本实施例中，束流采集模块采用NIM(Network Interface Module)插件，其输入接口采用BNC(Bayonet Nut Connector)标准，输入信号电平为TTL；每个通道可接收脉冲频率≤20MHz。离子束在靶表面流强的测量时间T设定范围0.1s-10min；在步长的计数范围是1-42.9×10⁸。USB接口电路采用CY68013A芯片，利用内部增强8051核编程实现上位机指令接收和解析。

实施例二

基于相同的发明构思，本实施例公开了一种基于光子计数的束流光谱检测方法，包括：

计算处理模块软件发送配置指令，设置工作模式及相关参数，其中，工作模式包括两种，即定时模式和定数模式，在定时模式时，其指令格式如图5所示，包括包头、指令码、工作模式01＝定时器、定时时长高字节HB、定时时长低字节LB和包尾；在定数模式时，其指定格式如图6所示，包括包头、指令码、工作模式10＝计数器、脉冲计数高字节HB、脉冲计数低字节LB和包尾。

束流采集模块接收计算处理模块发送的配置指令、工作模式及参数，在没有收到光子计数模块的计数信号时，束流采集模块处于等待状态；

光谱仪接收计算处理模块发送的起始波长、步进波长、终止波长及积分时间T，启动光谱仪进行扫描，同时光子计数模块进行光子计数，将计数信号传输给束流采集器；

束流采集模块开始采样，并记录第一束流计和第二束流计输入的脉冲数，并将计数结果通过USB接口电路送至计算处理模块进行实时显示和存盘；定时模式下获得的工作时序图如图7所示，定数模式下获得的工作时序图如图8所示。

当光谱仪移动波长至终止波长时，停止光谱仪、光子计数模块和束流采集器，结束测量。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于光子计数的束流光谱检测装置，其特征在于，包括：固体靶、聚焦透镜、光谱仪、光子计数模块、第一束流计、第二束流计、束流采集模块和计算处理模块；

离子束经过所述固体靶形成光辐射源，其产生的光经过聚焦透镜进入光谱仪，所述光谱仪与所述光子计数模块连接，用于对入射光子进行计数，并将计数结果传输至所述束流采集模块和计算处理模块；

所述第一束流计设置在所述固体靶的前方，其中，与离子束入射方向相反的方向为前方；所述第二束流计设置在所述固体靶的表面上；第一束流计和第二束流计采集的信号均传输至所述束流采集模块，所述束流采集模块用于根据所述第一束流计、第二束流计和所述光子计数模块的计数结果获得的信号计算光子产额；

所述计算处理模块用于将所述光子计数模块和束流采集模块的结果结合，获得所述光子产额随光谱仪波长变化的光谱分布；

所述光子计数模块的积分时间与第一束流计和第二束流计的测量时间相同；

所述光子计数模块包括的光电倍增管包括光入射窗、光阴极、聚焦极、阳极和倍增极，发射光经过光入射窗到光阴极后，致使从光阴极上逸出光电子，所述光电子在所述聚焦极进行聚焦，所述聚焦极之间的电压逐步升高，所述光电子在电场作用下逐级倍增，并在所述阳极处被收集，最后形成电脉冲信号后输出。

2.如权利要求1所述的基于光子计数的束流光谱检测装置，其特征在于，所述光子计数模块通过设置幅度甄别器去除热发射噪声脉冲和背景噪声，根据单道在单光子峰位开窗和光谱的符合程度，通过时间选择，进一步剔除其他噪声。

3.如权利要求2所述的基于光子计数的束流光谱检测装置，其特征在于，经过所述幅度甄别器后，获得的整形的脉冲分别进入单道和延迟线路，经过单道的信号经脉冲展宽后，与所述延迟线路的信号一起送入线性门，所述线性门的输出结果通过光谱仪集线器转换成数字信号后向计算处理模块发送一次计数结果，并立即清零所述光子计数模块，开始累加光谱仪步进后的光脉冲信号。

4.如权利要求1所述的基于光子计数的束流光谱检测装置，其特征在于，所述第一束流计获得离子束的入射流强I_f，第二束流计获得靶表面流强I_t，根据第一和第二束流计的信号，获得C＝I_t/I_f，所述光谱仪遍历预设的检测波长范围，所述光子计数模块获得各波长对应的光子数，辐射光谱的所述光子产额Y_λ的计算公式为：

Y_λ＝N_λ/(I_t/C*e*q)

其中，N_λ为辐射光谱的光子数，e为电荷电量，q是入射离子电荷态数。

5.如权利要求1所述的基于光子计数的束流光谱检测装置，其特征在于，所述束流采集模块包括第一驱动电路、第二驱动电路、CPLD控制电路、USB接口电路和USB接口，所述第一驱动电路与第一束流计连接并接收其信号，所述第二驱动电路与第二束流计连接并接收其信号，第一驱动电路和第二驱动电路的输出端均与CPLD控制电路连接，所述CPLD控制电路用于进行脉冲采样和数据存储，其输出端连接USB接口电路，USB接口电路用于接收计算处理模块的指令，进行解析，并提取配置参数，并将所述配置参数反馈至所述CPLD控制电路，所述USB接口电路与USB接口连接，所述USB接口用于数据传输。

6.如权利要求5所述的基于光子计数的束流光谱检测装置，其特征在于，所述CPLD控制电路和USB接口电路分别与不同频率的时钟电路连接，所述USB接口与FLASH电路连接，所述CPLD控制电路还与LED显示电路连接。

7.如权利要求6所述的基于光子计数的束流光谱检测装置，其特征在于，所述计算处理模块通过二维图和列表进行显示。

8.一种基于光子计数的束流光谱检测方法，采用如权利要求1-7任一项所述的基于光子计数的束流光谱检测装置，其特征在于，包括：

束流采集模块接收计算处理模块发送的配置指令、工作模式及参数，在没有收到光子计数模块的计数信号时，所述束流采集模块处于等待状态；

光谱仪接收计算处理模块发送的起始波长、步进波长、终止波长及积分时间T，启动光谱仪进行扫描，同时光子计数模块进行光子计数，将计数信号传输给束流采集器；

所述束流采集模块开始采样，并记录第一束流计和第二束流计输入的脉冲数，并将计数结果通过USB接口电路送至计算处理模块进行实时显示和存盘；

当光谱仪移动波长至终止波长时，停止光谱仪、光子计数模块和束流采集器，结束测量。

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