CN115931928A - 一种基于椭圆弯晶的x射线吸收谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，包括光源、待测样品、狭缝、探测器和椭圆弯晶；所述椭圆弯晶的反射面为椭圆柱面或者椭球面；所述光源的出光口的光出射点位于椭圆的第一焦点F1上，所述狭缝位于椭圆的第二焦点F2上；入射光线被椭圆弯晶反射后的出射光线在椭圆的第二焦点F2处聚焦；所述待测样品位于光路上；第二焦点F2处聚焦的光束穿过狭缝，经过狭缝后的光束由探测器探测得到光束的光谱。本发明的基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，具有提高了光谱分辨率、一次获得全谱且能谱范围宽、弯晶谱仪整体尺寸小且结构紧凑等优点。

Description

一种基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪

技术领域

本发明涉及光谱测量领域，特别是涉及一种基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪。

背景技术

晶体是由原子(或离子、分子)在空间进行周期地排列而构成的固体物质，具有三维空间的周期性。由于X射线波长与晶体的晶格间距接近，晶体可以衍射X射线，实现单色。将晶体压弯制成弯曲晶体(简称弯晶)元件，可以实现X射线的分光和聚焦。

XAFS(X-ray Absorption Fine Structure，即X射线吸收精细结构)，通过X射线对样品进行探测进而获取样品的光谱信息，实现对样品的原子结构和电子结构的分析研究。因此，XAFS技术在催化、能源电池和材料等研究领域中得到广泛应用。然而，现阶段XAFS光谱基本都需要在同步辐射装置上获取。稀缺的同步辐射机时严重限制了XAFS在科学领域和产业中的应用需求。

近几年，基于实验室光源的XAFS谱仪得到快速的发展，而目前的XAFS谱仪通常采用罗兰圆结构，X射线光源、弯晶、样品都布置在罗兰圆上。X射线光源出射的X射线经过弯晶聚焦后，在子午方向仍然会聚焦到罗兰圆上，测试样品会放置在罗兰圆聚焦处。为了获得样品完整的X射线吸收谱需要记录吸收边附近带宽为100-1000eV范围内的吸收光谱数据，需要宽扫描范围的能量扫描系统以连续改变聚焦到样品上的X射线能点，并且扫描的同时还要保持X射线光源、弯晶以及探测器始终满足罗兰圆关系。

因此，罗兰圆结构的XAFS谱仪对扫描结构精度要求高，结构相对复杂，且测谱时间长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，在不需要宽扫描范围的能量扫描系统以连续改变聚焦到待测样品上的X射线能点的前提下，只通过一次测试即可获得待测样品吸收边附近能量带宽为100-1000eV范围内的完整的X射线吸收光谱，大大地缩短了测谱时长，同时提高光谱分辨率、降低吸收谱仪的整体尺寸，无运动机构的设计使谱仪结构更加简洁紧凑，成本更低，结构稳定性更好。。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪。

本发明的一种基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，包括光源、待测样品、狭缝、探测器和椭圆弯晶；

所述椭圆弯晶的反射面为椭圆柱面或者椭球面；

所述光源1的出光口的光出射点位于椭圆的第一焦点F1上，所述狭缝位于椭圆的第二焦点F2上；入射光线被椭圆弯晶反射后的出射光线在椭圆的第二焦点F2处聚焦；

所述待测样品位于光路上；

第二焦点F2处聚焦的光束穿过狭缝，经过狭缝后的光束由探测器探测得到光束的光谱。

具体实施时，所述待测样品置于光源和椭圆弯晶之间；入射光线通过待测样品后照射到椭圆弯晶上。

具体实施时，所述待测样品置于光源的狭缝之前；出射光线通过待测样品后照射到狭缝上。

具体实施时，所述待测样品置于光源的狭缝之后；出射光线通过狭缝之后照射到待测样品上。

进一步地，所述光源发射的出射光线为X射线。

进一步地，所述X射线为复色X射线。

进一步地，所述椭圆弯晶将复色X射线衍射成单色X射线。

进一步地，所述所述光源为X射线光源。

进一步地，所述所述光源为X射线管。

进一步地，所述探测器为线阵探测器。

进一步地，所述探测器为面阵探测器。

本发明的有益效果是：

本发明公开了一种基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，包括光源、待测样品、狭缝、探测器和椭圆弯晶；所述椭圆弯晶的反射面为椭圆柱面或者椭球面；所述光源的出光口的光出射点位于椭圆的第一焦点F1上，所述狭缝位于椭圆的第二焦点F2上；入射光线被椭圆弯晶反射后的出射光线在椭圆的第二焦点F2处聚焦；所述待测样品位于光路上；第二焦点F2处聚焦的光束穿过狭缝，经过狭缝后的光束由探测器探测得到光束的光谱。

本发明的基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，有以下几个特点。

1、晶体弯曲成椭圆柱形或者椭球形，利用椭圆具有完美自聚焦的几何光学原理，提高了光谱分辨率；

2、出射狭缝和探测圆的几何中心位置固定，椭圆光路具有等光程的特点；

3、不需要能谱扫描机构，一次获得全谱，能谱范围宽；

4、弯晶谱仪整体尺寸小，结构紧凑。

本发明的基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，具有提高了光谱分辨率、一次获得全谱且能谱范围宽、弯晶谱仪整体尺寸小且结构紧凑等优点。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明的基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪的样品放置在X射线入射光路的示意图；

图2是本发明的基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪的样品放置在X射线出射光路的示意图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明一种基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，达到预期目的，以下结合附图和具体操作方法对本发明提出的一种基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，其具体实施方式方法、特点以及功效，进行进一步的详细说明。在如下说明中，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，并不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

请参阅图1和图2，本发明的一种基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，包括光源1、待测样品2、狭缝3、探测器4和椭圆弯晶5；

所述椭圆弯晶5的反射面为椭圆柱面或者椭球面；

所述光源1的出光口的光出射点位于椭圆的第一焦点F1上，所述狭缝3位于椭圆的第二焦点F2上；入射光线被椭圆弯晶5反射后的出射光线在椭圆的第二焦点F2处聚焦；

所述待测样品2位于光路上；

第二焦点F2处聚焦的光束穿过狭缝3，经过狭缝3后的光束由探测器4探测得到光束的光谱。

具体实施时，所述待测样品2置于光源1的出射点前方；入射光线通过待测样品2后照射到椭圆弯晶5上。

具体实施时，所述待测样品2置于光源1的狭缝3之前；出射光线通过待测样品2后照射到狭缝3上。

具体实施时，所述光源1发射的出射光线为X射线。

具体实施时，所述X射线为复色X射线。

具体实施时，所述椭圆弯晶5将复色X射线衍射成单色X射线。

具体实施时，所述所述光源1为高亮度实验室X射线光源。

具体实施时，所述所述光源1为X射线管。

具体实施时，所述探测器4为线阵探测器。

具体实施时，所述探测器4为面阵探测器。

本发明的基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，其弯晶元件设计成椭圆柱面或椭球面，将X射线光源放置在椭圆的第一个焦点上，出射狭缝布置在椭圆的第二个焦点上。当X射线光源发出X射线，经椭圆弯晶衍射单色后，光束通过狭缝，最终被狭缝后方的探测器采集。样品放置在光源出光口或者椭圆第二聚焦点上，即可获得吸收谱数据。相较于基于罗兰圆结构的XAFS谱仪，椭圆弯晶的X射线吸收谱仪不需高精度的扫描结构，能够一次成谱。

本发明的基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，主要组成部分为X射线光源、椭圆弯晶、狭缝、探测器和待测样品等。

使用时，样品可以放置在X射线入射光路上，如图1；也可以放置在出射光路上，如图2。由于X射线照射到椭圆弯晶不同位置上的Bragg角度不同，会衍射单色出不同能量的X射线，先聚焦到第二焦点上，然后再按照能量不同色散开被面阵或线阵探测器接收，从而只需一次测试即可获取样品完整的吸收光谱，大大缩短了测试时间。

本发明中，充分利用了椭圆形具有完美聚焦的几何光学原理，根据椭圆光路的特点，从一个焦点发出的光线经椭圆弯晶反射后，必然会汇聚在椭圆的另一个焦点上。由于椭圆弯晶能对衍射光线进行完美聚焦，所以椭圆光路能够提高探测器采集到光线强度，提高衍射效率，同时获取很高的能量分辨率。并且，由于椭圆上任意一点到两个焦点的距离之和为一定值，即等于椭圆长轴的长度，所以椭圆光路具有等光程的特点。

椭圆几何光学的优点是无论以何种角度入射椭圆晶体，衍射光线都会通过一个固定的交叉点，即椭圆的一个焦点。这个交叉点可以作为垂直入射探测圆的几何中心，以及阻挡杂散光和背景辐射的狭缝的位置。

由于光路是按照椭圆自聚焦原理设计的，所以X射线光源、椭圆弯晶和出射狭缝三者之间要严格满足椭圆方程。

出射狭缝位置固定在椭圆的另一焦点处，两个焦点位置相对于弯晶固定，可以实现简单而又精确的准直。

将晶体内表面弯曲成椭圆柱形或椭球形，X射线光源和样品分别放置在椭圆的两个焦点上。位于第一焦点上的X射线光源发出的复色光打到弯晶表面时，弯晶不同位置的入射光Bragg角不同，满足Bragg条件衍射后的单色光的能量也不同，因此聚焦到样品上的X射线经过弯晶单色后仍具有较宽的能量带宽，一般在100-1000eV。

将探测器放置在椭圆焦点后面，X射线经过焦点后会根据Bragg角的不同再色散开，被面阵或线阵探测器接受。样品放置在光源出光口或者椭圆第二聚焦点上，不需要能谱扫描，一次获取吸收光谱信号。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，其特征在于，包括光源(1)、待测样品(2)、狭缝(3)、探测器(4)和椭圆弯晶(5)；

所述椭圆弯晶(5)的反射面为椭圆柱面或者椭球面；

所述光源(1)的出光口的光出射点位于椭圆的第一焦点F1上，所述狭缝(3)位于椭圆的第二焦点F2上；入射光线被椭圆弯晶(5)反射后的出射光线在椭圆的第二焦点F2处聚焦；

所述待测样品(2)位于光路上；

第二焦点F2处聚焦的光束穿过狭缝(3)，经过狭缝(3)后的光束由探测器(4)探测得到光束的光谱。

2.根据权利要求1所述的基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，其特征在于，所述待测样品(2)置于光源(1)的出射点前方；入射光线通过待测样品(2)后照射到椭圆弯晶(5)上。

3.根据权利要求1所述的基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，其特征在于，所述待测样品(2)置于光源(1)的狭缝(3)之前；出射光线通过待测样品(2)后照射到狭缝(3)上。

4.根据权利要求1所述的基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，其特征在于，所述光源(1)发射的出射光线为X射线。

5.根据权利要求4所述的基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，其特征在于，所述X射线为复色X射线。

6.根据权利要求4所述的基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，其特征在于，所述椭圆弯晶(5)将复色X射线衍射成单色X射线。

7.根据权利要求4所述的基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，其特征在于，所述所述光源(1)为X射线光源。

8.根据权利要求4所述的基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，其特征在于，所述所述光源(1)为X射线管。

9.根据权利要求1所述的基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，其特征在于，所述探测器(4)为线阵探测器。

10.根据权利要求1所述的基于椭圆弯晶的X射线吸收谱仪，其特征在于，所述探测器(4)为面阵探测器。

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