CN1657922A - 时间分辨x射线衍射仪 - Google Patents
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Abstract
一种时间分辨X射线衍射仪，它由飞秒钛宝石激光系统、分束器、第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、第四全反射镜、第五全反射镜、第六全反射镜、第七全反射镜、靶、凹面反射镜、靶室、沃尔特镜、样品和探测器组成，所述靶室内有一个装载所述靶的转动台，靶和凹面反射镜，在该靶室外还有沃尔特镜、样品，探测器组成。利用本发明的时间分辨X射线衍射仪，能够研究原子尺度的物体的瞬态过程，时间分辨率可以达到亚皮秒量级，晶格移动间分辨率可以达到毫量级，特别适合于晶体材料和生物化学过程的研究，例如用此可以研究瞬态衍射，以探索生物的结构和功能关系。
Description
技术领域
本发明涉及X射线衍射仪，特别是一种时间分辨X射线衍射仪，这种时间分辨X射线衍射仪的时间分辨可以达到亚皮秒量级，晶格移动空间分辨率可以达到m量级，在材料科学和生物化学领域有广泛的用途。
背景技术
目前市场上出售的X射线衍射仪，都是利用X射线管做的静态衍射仪，而在材料科学和生物医学领域从事瞬态结构的研究人员，几乎是翘首盼望能够拥有一台时间分辨的X射线衍射仪，从事研究工作。
显然，研制一台时间分辨的X射线衍射仪刻不容缓，在科技上，能够为我国的科研人员在前沿领域占领制高点助一臂之力，也能使我国在这一领域拥有有自主知识产权的、有高科技含量的科学仪器；在经济上，目前国内外市场尚属空白，一旦占领广阔的国际市场与国内市场，可获得巨大的经济效应。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术不足，提供一种时间分辨X射线衍射仪，以便观测生化反应和物理变化过程中原子瞬间运动的状态，描述非稳态和短寿命的中间态，从而能了解更多物质世界的奥秘！
本发明的实质是一种泵浦与探针相结合的技术，即利用飞秒激光脉冲的一部分，在样品中激活一个超快过程(此即泵浦)，然后再用飞秒脉冲的另一部分去产生超快X射线，去测量这个激活的超快过程，通过一系列延时感知整个过程(此即探针)。
本发明的技术解决方案如下：
一种时间分辨X射线衍射仪，其特征在于它由飞秒钛宝石激光系统、分束器、第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、第四全反射镜、第五全反射镜、第六全反射镜、第七全反射镜、靶、凹面反射镜、靶室、沃尔特镜、样品和探测器组成，所述靶室内有一个载有所述靶的转动台，靶和凹面反射镜，在该靶室外还有沃尔特镜、样品，探测器组成；
在飞秒钛宝石激光系统的激光输出光路上安置所述的分束器，钛宝石激光经该分束器后输出A光束和B光束，A光束经由第一全反射镜、第二全反射镜和第三全反射镜组成的光学延迟线后，又经第五全反射镜、第六全反射镜和第七全反射镜折转后形成作用光束照射到样品，B光束经第四全反射镜进入靶室，被凹面反射镜反射并汇聚射到靶上，产生一特征X射线，再经沃尔特镜构成探测光束入射样品，探测作用光束在样品上产生应变的过程。
所述的飞秒钛宝石激光系统是一台辐射波长为780～820nm、脉宽为5～100fs、输出能量为10～1000nJ的激光装置。
所述的分束器是一半反射半透过介质膜板，是一块反射50％、透过50％的介质膜板。
所述的全反射镜是100％全反射的介质膜板。
所述的靶是一块可移动的固体靶、或液体靶、或气体靶，当飞秒钛宝石激光脉冲和其相互作用以后，将产生特征X射线Kα1和Kα2线，相应辐射波长为0.5～1.8。
所述的凹面反射镜是一块非球面凹面镜。
所述的靶室是一个真空室，真空度为10-5τ。
所述的沃尔特镜是由抛物面镜和双曲面镜组成的。
所述的样品是晶体材料或生物样品。
所述的所说的X射线探测器是一台X射线波段的CCD相机。
本发明的技术效果如下
当飞秒激光器运转之后，入射到与光束成45°放置的分束器上，分成强度相等的A光束和B光束。A光束经光学延迟线，然后经多块全反射镜后形成入射到待测样品上。B光束经全反射镜入射到靶上，产生特征X射线，被沃尔特镜聚焦后作为探测光束，当作用光束与样品作用之后产生应变，并且这种应变逐步向样品内部不断拓展，因此采用不同的延迟时间，对每一层进行常规的层析记录，就可以获得三维的应变动态过程。
本发明的时间分辨X射线衍射仪，能够研究原子尺度的物体的瞬态过程，时间分辨率可以达到亚皮秒量级，晶格移动间分辨率可以达到m量级，特别适合于晶体材料和生物化学过程的研究，例如用此可以研究瞬态衍射，以探索生物的结构和功能关系。
附图说明
图1为本发明的时间分辨X射线衍射仪实施例结构原理图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
先请参阅图1，图1为本发明的时间分辨X射线衍射仪实施例结构原理图。由图可见，本发明的时间分辨X射线衍射仪，其特征在于它由飞秒钛宝石激光系统1、分束器2、第一全反射镜3、第二全反射镜4、第三全反射镜5、第四全反射镜6、第五全反射镜8、第六全反射镜9、第七全反射镜11、靶7、凹面反射镜10、靶室12、沃尔特镜13、样品14和探测器15组成，所述靶室12内有一个载有靶7的转动台，靶7和凹面反射镜10，在该靶室12外还有沃尔特镜13、样品14、探测器15组成；
在飞秒钛宝石激光系统1的激光输出光路上安置所述的分束器2，钛宝石激光经该分束器2后输出A光束和B光束，A光束经由第一全反射镜3、第二全反射镜4和第三全反射镜5组成的光学延迟线后又经第五全反射镜8、第六全反射镜9、第七全反射镜11折转后形成作用光束照射到样品14上，B光束经第四全反射镜6进入靶室12，被凹面反射镜10反射并汇聚射到靶7上，产生一特征X射线，再经沃尔特镜13构成探测光束入射样品14，探测作用光束在样品14上产生的应变过程。
所述的飞秒钛宝石激光系统1是一台辐射波长为780～820nm、脉宽为5～10fs、输出能量为10～1000nJ的激光装置。
所述的分束器2是一半反射半透过介质膜板，是一块反射50％、透过50％的介质膜板。
所述的全反射镜是一块块对800nml00％全反射的介质膜板，其中第一全反射介质膜板3、第二全反射介质膜板4、第三全反射介质膜板5组成一个光学延迟线，用以调整A束和B束间的相对光学延迟。
所述的靶7是一块可移动的铜靶，当飞秒钛宝石激光脉冲和其相互作用以后，将产生特征X射线Kα1和Kα2线，相应辐射波长为1.540562和1.544398。
所述的凹面反射镜10是一块非球面凹面镜。它被用来聚焦作为打靶透镜。
所说的真空室12，采用3台机械泵和3台扩散泵，可使靶室内真空度达到5×10-7τ的真空室，市场内可订购。
所说的沃尔特镜13，是由两块抛物面镜和双曲面镜组成，市场有售。
所说的样品14，可以是晶体材料，也可以是生物样品。
所说的X射线探测器15，是一台X射线波段的CCD相机。
本发明的时间分辨X射线衍射仪的工作原理和基本过程是：
当飞秒钛宝石激光脉冲入射到半反射半透过介质膜板2以后，分成A光束和B光束。A光束飞秒脉冲经延迟线和折转反射镜以后，照射样品14。B光束飞秒脉冲经第四全反射镜6反射进入真空室12，被凹面反射镜10聚焦入射到固体铜靶7上，产生铜的Kα1线和Kα2线，这个X射线作为X射线源，经沃尔特镜聚焦，探测样品14被A光束照明以后所产生的应变过程，在不同延迟时间内，拍摄不同X射线衍射图，再调整延迟线，就可以获得晶体动态变化过程，时间分辨率可以达到2皮秒，晶格移动空间分辨率可以达到毫埃间距。
Claims (10)
1、一种时间分辨X射线衍射仪，其特征在于它由飞秒钛宝石激光系统(1)、分束器(2)、第一全反射镜(3)、第二全反射镜(4)、第三全反射镜(5)、第四全反射镜(6)、第五全反射镜(8)、第六全反射镜(9)、第七全反射镜(11)、固体靶(7)、凹面反射镜(10)、靶室(12)、沃尔特镜(13)、样品(14)和探测器(15)组成，所述靶室(12)内有一个载有靶(7)的转动台，靶(7)和凹面反射镜(10)，在该靶室(12)外还有沃尔特镜(13)、样品(14)，探测器(15)组成；
在飞秒钛宝石激光系统(1)的激光输出光路上安置所述的分束器(2)，钛宝石激光经该分束器(2)后输出A光束和B光束，A光束经由第一全反射镜(3)、第二全反射镜(4)和第三全反射镜(5)组成的光学延迟线后又经多块全反射镜折转后形成作用光束照射到样品(14)，B光束经第四全反射镜(6)进入靶室(12)，被凹面反射镜(10)反射并汇聚射到靶(10)上，产生一特征X射线，再经沃尔特镜(13)构成探测光束入射样品(14)，探测作用光束在样品(14)上产生应变的过程。
2、根据权利要求1所述的时间分辨X射线衍射仪，其特征在于所述的飞秒钛宝石激光系统(1)是一台辐射波长为780～820nm、脉宽为5～100fs、输出能量为10～1000nJ的激光装置。
3、根据权利要求1所述的时间分辨X射线衍射仪，其特征在于所述的分束器(2)是一半反射半透过介质膜板，是一块反射50％、透过50％的介质膜板。
4、根据权利要求1所述的时间分辨X射线衍射仪，其特征在于所述的全反射镜是100％全反射的介质膜板。
5、根据权利要求1所述的时间分辨X射线衍射仪，其特征在于所述的靶(7)是一块移动的固体靶、或液体靶、或气体靶，当飞秒钛宝石激光脉冲和其相互作用以后，将产生特征X射线Kα1和Kα2线，相应辐射波长为0.5～1.8。
6、根据权利要求1所述的时间分辨X射线衍射仪，其特征在于所述的凹面反射镜(10)是一块非球面凹面镜。
7、根据权利要求1所述的时间分辨X射线衍射仪，其特征在于所述的靶室(12)是一个真空室，真空度为10-5τ。
8、根据权利要求1所述的时间分辨X射线衍射仪，其特征在于所述的沃尔特镜(13)是由抛物面镜和双曲面镜组成的。
9、根据权利要求1所述的时间分辨X射线衍射仪，其特征在于所述的样品(14)是晶体材料或生物样品。
10、根据权利要求1至9任一项所述的时间分辨X射线衍射仪，其特征在于所述的所说的X射线探测器(15)是一台X射线波段的CCD相机。
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