CN116046816A - 一种光谱信号接收装置及接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光谱信号接收装置及接收方法，其中装置包括光源、探测器和弯晶，所述弯晶一表面设置有反射面，所述光源位于反射面一侧，用于往反射面发射第一光线，所述探测器位于反射面一侧，用于接收第一光线。本发明通过使用光源、探测器、弯晶、遮光块和样品等，不需要扫描机构即可获取X射线吸收光谱的方法，探测器一次曝光可以获取完整的吸收光谱，该方案测试操作简单，整体系统无需复杂的扫描运动结构，结构简单紧凑；本发明提出的光谱信号接收方法测谱时间短，光谱分辨率高，能量范围宽。

Description

一种光谱信号接收装置及接收方法

技术领域

本发明属于光谱检测技术领域，特别涉及一种光谱信号接收装置及接收方法。

背景技术

X射线可被所有物质吸收，它是分析材料局部结构的强有力工具之一。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。将X射线穿过样品，由于样品对X射线的吸收，光的强度会发生衰减，这种衰减与样品的组成及结构密切相关。不同的元素对X射线的吸收具有不同的特征，因此，可根据样品的X射线吸收光谱对其原子结构和电子结构进行分析研究。

X射线吸收精细结构(X-ray Absorption Fine Structure，XAFS)是光谱学诊断、材料分析和结构表征等研究领域中获取关键状态参数的重要技术手段。基于罗兰圆分光汇聚原理布置的XAFS中，X射线光源、弯晶、样品都布置在罗兰圆上。X射线光源出射的复色光经弯晶单色化后，聚焦到样品上；单色化的X射线经样品吸收后被X射线探测器采集记录；为了获得样品完整的X射线吸收光谱需要通过联动扫描机构实现光源、弯晶、样品和探测器的运动以连续改变聚焦到样品上的X射线能点，同时始终保持各元器件的罗兰圆布置，探测器记录下每个单色能点的吸收谱数据，最后合成X射线吸收谱。完整的X射线吸收谱需要记录100-1000eV范围内的吸收光谱数据。因此，基于罗兰圆结构的XAFS谱仪需要高精度的扫描机构，且测谱时间长，其扫描过程复杂。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种光谱信号接收装置及接收方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种光谱信号接收装置，包括光源、探测器和弯晶；

所述弯晶一表面设置有反射面；

所述光源位于反射面一侧，用于往反射面发射第一光线；

所述探测器位于反射面一侧，用于接收第一光线；

所述反射面为曲面，用于衍射并单色化X射线光源发出的复合X射线，形成不同布拉格角的第一光线。

优选地，所述第一光线包括X射线。

优选地，所述弯晶为球面弯晶、柱面弯晶和超环面弯晶中的一种；所述探测器为面阵探测器或线阵探测器。

优选地，弯晶圆心和罗兰圆，所述弯晶圆心为反射面对应的圆心，所述罗兰圆与反射面相切，所述反射面的半径为罗兰圆的直径。

优选地，所述弯晶圆心位于光源与探测器的探测面的连线上。

优选地，光谱信号接收装置还包括遮光块和样品，所述遮光块位于探测器和反射面之间；

所述样品位于光源与反射面之间或者位于遮光块与反射面之间；

所述遮光块表面设置有狭缝。

优选地，所述样品呈气态、液态或固态。

一种光谱信号接收方法，包括以下步骤：

光源往弯晶的反射面发出第一光线；

光源发出的第一光线被反射面反射；

光源发出的第一光线被反射后被探测器接收。

优选地，光谱信号接收方法还包括以下步骤：

光源发出第一光线后，第一光线穿过光源与反射面之间的样品；

第一光线穿过样品后通过反射面反射；

第一光线被反射面反射后，穿过所述光源与探测器之间的遮光块的狭缝；

第一光线穿过所述狭缝后被探测器接收。

优选地，还包括以下步骤：

光源发出第一光线并通过反射面反射；

第一光线被反射面反射后，首先穿过反射面与探测器之间的样品，然后穿过所述样品与探测器之间的遮光块的狭缝；

第一光线穿过所述狭缝后被探测器接收。

本发明的有益效果：

1、本发明通过使用光源、探测器、弯晶、遮光块和样品等，不需要扫5描机构即可获取X射线吸收光谱的方法，探测器一次曝光可以获取完整的吸

收光谱，该方案测试操作简单，整体系统无需复杂的扫描运动结构，结构简单紧凑。

2、本发明提出的光谱信号接收方法测谱时间短，光谱分辨率高，能量范围宽。

0本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从

说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对5实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，

下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明的样品在光源跟弯晶之间的结构示意图；

图2示出了本发明的样品在探测器跟弯晶之间的结构示意图。

0图中：1、光源；2、探测器；3、弯晶；301、反射面；4、遮光块；401、狭缝；5、弯晶圆心；6、罗兰圆；7、样品。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本

发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说5明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种光谱信号接收装置，如图1所示，包括光源1、探测器2和弯晶3，

弯晶3一表面设置有反射面301，具体地，弯晶3可以采用球面弯晶、柱面弯晶和超环面弯晶等。光源1位于反射面301一侧，用于往反射面301发射第一光线，第一射线包括X射线；探测器2位于反射面301一侧，一般采用面阵探测器或者线阵探测器，用于接收第一光线；反射面301为曲面，用于形成不同布拉格角的第一光线。另外光谱信号接收装置还包括遮光块4和样品7，其中，遮光块4位于探测器2和反射面301之间；样品7位于光源1与反射面301之间或者位于遮光块4与反射面301之间，

样品7是根据研究检测需要而制成的，将X射线透过样品7，由于不同样品7对X射线吸收情况不同，因此得到的X射线吸收光谱也不相同，从而可对样品7材料的局域原子结构和电子结构进行研究和分析。样品7可以是固态(粉末状)，也可以是气态或液态。

狭缝401用于过滤探测范围外多余的X射线，阻挡杂散光和背景辐射，减少探测器对X射线的采集吸收的影响，可以提高光谱分辨率。

需要说明的是，弯晶3一般会配备有对应的基底，基底是用于承载弯晶3的，其承载的弯晶3的面是根据弯晶3需要呈现的形状而相应加工制成的。例如弯晶3需要制成球面弯晶时，基底承载面就会加工成球面。弯晶3由外力压制或粘贴在基底曲面上，基底的曲面面型可以是球面、柱面以及超环面等，因此，晶体会随之呈现相应的曲面以满足测试需求。

需要进一步说明的是，弯晶3和基底的装夹结构具备六维调节功能，同时，使用定位销与定位块可以实现弯晶3的装夹结构在系统中的重复定位。弯晶3只需在离线状态下调整好位置使之满足探测需求，随时更换弯晶3而不影响探测精度，从而具有良好的互换性。

进一步地，弯晶圆心5和罗兰圆6，弯晶圆心5为反射面301对应的圆心，罗兰圆6与反射面301相切，反射面301的半径为罗兰圆6的直径。例如，当罗兰圆6的直径为500mm时，弯晶3的反射面301的弯曲半径即为500mm。

需要说明的是，当第一光线为X射线时，位于罗兰圆6外的X射线的光源1出射的复色光经过弯晶3单色后聚焦。由于入射到弯晶3表面不同位置的X射线的布拉格角不同，因此聚焦的X射线具有一定的能量带宽，一般在100-1000eV。该能量带宽的X射线在焦点后会按照能量不同色散开，被面阵或线阵探测器所接收。将样品7放置在光源1的出光口或者X射线聚焦点位置，探测器2一次曝光可以获取完整的吸收光谱。

进一步地，弯晶圆心5位于光源1与探测器2的探测面的连线上，即弧矢聚焦位置，将探测器2沿着出第一光线方向前后移动布置也可以获取吸收谱数据，但是分辨率会下降，因此在弧矢聚焦位置可以获得更好的探测结果。

一种光谱信号接收方法，包括以下步骤：

光源1往弯晶3的反射面301发出第一光线；

光源1发出的第一光线被反射面301反射；

光源1发出的第一光线被反射后被探测器2接收。

需要说明的是，在接收光谱信号是还可以增加样品7和设置有狭缝401的遮光块4，对接收方法进行改进，下面介绍其中的两种方法：

方法一

S1：光源1发出第一光线后，第一光线穿过光源1与反射面301之间的样品7；

S2：第一光线穿过样品7后通过反射面301反射；

S3：第一光线被反射面301反射后，穿过光源1与探测器2之间的遮光块4；

S4：第一光线穿过遮光块4后被探测器2接收。

方法二

A1：光源1发出第一光线并通过反射面301反射；

A2：第一光线被反射面301反射后，首先穿过反射面301与探测器2之间的样品7，然后穿过样品7与探测器2之间的遮光块4；

A3：第一光线穿过遮光块4后被探测器2接收。

需要说明的是，当第一光线为X射线时，样品7可以放置于入射光线路上，如图1所示，也可以放置于出射光线路上，如图2所示，样品7可以放置于狭缝401之前，也可以放置于狭缝401之后。X射线经弯晶3衍射后再通过狭缝401，利用探测器2探测X射线强度；放上样品7，让X射线透过样品7，再通过狭缝401，利用探测器2探测样品7吸收后的X射线强度；通过穿透样品7的吸收光子数据和无样品7标定数据对比，即可一次获得完整的X射线吸收光谱，从而可以分析获取样品7有关的参数特征。

样品7测试时，先不装载样品7，探测器2会采集记录空载下X射线的强度；然后装上样品7，由于X射线会被样品7吸收掉一部分，此时被探测器2采集记录的X射线的强度发生变化，将有无样品7两种情况下探测器2采集吸收的光子数量进行对比，通过专门软件即可获得待测的样品7完整的X射线吸收光谱。样品7的光谱分析需要专业人员和软件来完成，从而可以分析获取样品7有关的参数信息。本专利的目的在于说明一种不需要高精度的扫描联动结构即可获取待测样品7完整的X射线吸收光谱的方法和结构。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光谱信号接收装置，其特征在于，包括光源(1)、探测器(2)和弯晶(3)；

所述弯晶(3)一表面设置有反射面(301)；

所述光源(1)位于反射面(301)一侧，用于往反射面(301)发射第一光线；

所述探测器(2)位于反射面(301)一侧，用于接收第一光线；

所述反射面(301)为曲面，用于衍射并单色化射线光源(1)发出的复合射线，形成不同布拉格角的第一光线。

2.根据权利要求1所述的一种光谱信号接收装置及接收方法，其特征在于，所述第一光线包括X射线。

3.根据权利要求1所述的一种光谱信号接收装置，其特征在于，所述弯晶(3)为球面弯晶、柱面弯晶和超环面弯晶中的一种；所述探测器(2)为面阵探测器或线阵探测器。

4.根据权利要求2所述的一种光谱信号接收装置，其特征在于，弯晶圆心(5)和罗兰圆(6)，所述弯晶圆心(5)为反射面(301)对应的圆心，所述罗兰圆(6)与反射面(301)相切，所述反射面(301)的半径为罗兰圆(6)的直径。

5.根据权利要求4所述的一种光谱信号接收装置，其特征在于，所述弯晶圆心(5)位于光源(1)与探测器(2)的探测面的连线上。

6.根据权利要求5所述的一种光谱信号接收装置及接收方法，其特征在于，还包括遮光块(4)和样品(7)，所述遮光块(4)位于探测器(2)和反射面(301)之间；

所述样品(7)位于光源(1)与反射面(301)之间或者位于遮光块(4)与反射面(301)之间；

所述遮光块(4)表面设置有狭缝(401)。

7.根据权利要求6所述的一种光谱信号接收装置及接收方法，其特征在于，所述样品(7)呈气态、液态或固态。

8.一种光谱信号接收方法，其特征在于，包括以下步骤：

光源(1)往弯晶(3)的反射面(301)发出第一光线；

光源(1)发出的第一光线被反射面(301)反射；

光源(1)发出的第一光线被反射后被探测器(2)接收。

9.根据权利要求8所述的一种光谱信号接收方法，其特征在于，还包括以下步骤：

光源(1)发出第一光线后，第一光线穿过光源(1)与反射面(301)之间的样品(7)；

第一光线穿过样品(7)后通过反射面(301)反射；

第一光线被反射面(301)反射后，穿过所述光源(1)与探测器(2)之间的遮光块(4)的狭缝(401)；

第一光线穿过所述狭缝(401)后被探测器(2)接收。

10.根据权利要求8所述的一种光谱信号接收方法，其特征在于，还包括以下步骤：

光源(1)发出第一光线并通过反射面(301)反射；

第一光线被反射面(301)反射后，首先穿过反射面(301)与探测器(2)之间的样品(7)，然后穿过所述样品(7)与探测器(2)之间的遮光块(4)的狭缝(401)；

第一光线穿过所述狭缝(401)后被探测器(2)接收。

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