CN2783319Y - 超快时间分辨x射线谱仪 - Google Patents
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Abstract
一种超快时间分辨X射线谱仪,包括飞秒激光器,其特征是在所述的飞秒激光器的激光输出光路上安置一分束器,该分束器的反射光经由光学延迟线到达样品,构成对样品的作用光束,在该分束器的透射光经全反射镜入射在光阴极X射线二极管上,该光阴极X射线二极管产生的X射线入射到样品上,探测作用光束产生瞬态结构变化的过程,然后入射在硅单晶上,产生的光谱色散被探测器接收,显示在计算机上。本实用新型可用来研究待测样品的瞬态结构变化导致的光谱变化。
Description
技术领域
本实用新型有关X射线谱仪,特别是涉及一种超快时间分辨X射线谱仪,它在材料科学、信息光学、生物化学等领域有着广泛的应用,时间分辨率可以达到皮秒量级。
背景技术
X射线光谱的探测和通常可见光谱探测一样,都是在谱仪上进行的,是基于X射线所固有的波动特性,根据所采用的不同色散元件,把它分成光栅谱仪和晶体谱仪两大类,光栅谱仪又可分为透射式和反射式两类,晶体谱仪主要用在硬X射线区域。
晶体谱仪利用晶体中的原子点阵进行光谱分析,其工作原理是基于晶体对X射线的衍射布喇格公式:
2dsinθ=nλ (1)
d为晶体的晶面间距,θ为晶面的衍射角,n为衍射级次,λ为波长。晶体谱仪的重要参数是谱分辨率、角色散和线色散。将(1)式两端微分,即得角色散率:
线色散率:
式中,x为记录平面的坐标,谱仪分辨率为:
式中,δθ为晶体衍射强度分布的半宽度,δx为取决于仪器几何因子的响应函数宽度。
晶体谱仪可以分成两种类型,一种是非聚焦型,另一种是聚焦型晶体谱仪。非聚焦型晶体谱仪包含平晶谱仪和凸晶谱仪两种。晶体谱仪的分类可用下图来表示:
我们感兴趣的是反射式平晶谱仪,原理如图1所示。
这种谱仪由4部分组成:X射线源1,狭缝13,色散晶体10和探测器11。从X射线源发出的X射线经晶体色散以后,测得X射线谱,被探测器CCD接收,这种谱仪色散率为:
分辨率为:
式中,a为光源到晶面的距离,b为从晶面到记录介质的距离,r为光源的横向尺寸。从公式(2)可以看出:为提高谱仪的分辨率,必须增大距离a+b,并且要以接近90°掠射角工作,也就是说,选择值接近被测X射线波长的晶体。这种X射线谱仪是静态谱仪,不能用来研究瞬态光谱变化。
发明内容:
本实用新型要解决的技术问题是针对上述在先技术所存在的缺点,提供一种超快时间分辨的X射线谱仪,用以测量瞬态光谱的变化。
本实用新型的技术解决方案如下:
一种超快时间分辨X射线谱仪,包括飞秒激光器,其特征是在所述的飞秒激光器的激光输出光路上安置一分束器,该分束器的反射光经由光学延迟线到达样品,构成对样品的作用光束,在该分束器的透射光经全反射镜入射在光阴极X射线二极管上,该光阴极X射线二极管产生的X射线入射到样品上,探测作用光束产生瞬态结构变化的过程,然后入射在硅单晶上,产生的光谱色散被探测器接收,显示在计算机上。
所述的飞秒激光器是一台辐射波长为800nm的钛宝石激光器,脉宽为100~1500飞秒、输出能量为0.8~8毫焦耳,1/10的能量用来泵浦光阴极X射线二极管。
所述的分束器是一块对800nm反射90%、透过10%的介质膜板,其基质材料是石英。
所述的光学延迟线由四块全反射镜构成。
所述的反射镜都是镀金的、对800nm具有100%反射率的金属膜板。
所述的光阴极X射线二极管是一个包含四个组成部分的二极管,即光阴极材料是铝,阳极材料是钨,外壳材料是石英,它能透800nm,外壳内抽高真空密封,外加50~120kV的高压源。
所说的样品是用来产生快过程的固体或液体,例如,被飞秒脉冲激发以后,它能产生瞬态结构变化,我们就是研究该过程。
所说的硅单晶用来产生X射线色散谱。
所说的探测器是用来探测光阴极X射线二极管经过样品以后,含有样品的动态信息所成的图像。
所说的计算机是用来显示探测器上所接收到的图像信息。
本实用新型的技术效果
本实用新型采用一台钛宝石激光器进行分束,其中一束用来作作用光束,产生一快过程,作为待测事件,另一束用来产生X射线脉冲,作为探测光束,而作用光束和探测光束之间用光束延迟线,用于调整光束延迟,这样能很方便地探测快过程。由于光阴极X射线二极管上施加一高电压,能将阳极上打出X射线,这在激光等离子体上是难以得到的。
本实用新型与在先技术相比:
本实用新型超快时间分辨X射线谱仪,由于采用同一台激光器作作用光束和泵浦光束,能控制延迟,拍摄快过程,可用来研究待测样品的瞬态结构变化导致的光谱变化。
附图说明
图1为在先技术所使用的X射线平晶谱仪结构框图。
图2为本实用新型的超快时间分辨X射线谱仪结构框图。
具体实施方式
先请参阅图2,图2为本实用新型的超快时间分辨X射线谱仪结构框图。由图可见,本实用新型超快时间分辨X射线谱仪,包括飞秒激光器1,在该飞秒激光器1的激光输出光路上安置一分束器2,该分束器2的反射光束A经由光学延迟线到达样品9,构成对样品9的作用光束,在该分束器2的透射光束B经全反射镜3入射在光阴极X射线二极管8上,该光阴极X射线二极管8产生的X射线入射到样品9上,探测作用光束A产生瞬态结构变化的过程,然后入射在硅单晶10上,产生的光谱色散被探测器11接收,显示在计算机12上。
所述的飞秒激光器1是一台辐射波长为800nm的钛宝石激光器,脉宽为100~1500飞秒、输出能量为0.8~8毫焦耳,1/10的能量用来泵浦光阴极X射线二极管8。
所述的分束器2是一块对800nm反射90%、透过10%的介质膜板,其基质材料是石英。
所述的光学延迟线由四块全反射镜4、5、6、7构成
所述的全反射镜都是镀金的、对800nm具有100%反射率的金属膜板。
所说的光阴极X射线二极管8,是一个用来产生X射线的装置,它是由四部分组成:
阳极81,材料是金属,当光电子打在金属上时,会产生X射线。
阴极82,材料是铝,外加高压源83,工作电压为100kV,外壳84,壳内抽高真空,外壳材料透800nm,外壳上有一硬X射线的窗口。
所说的样品9,是用来产生快过程的固体样品。
所说的硅单晶10,用来将X射线色散,这是谱仪核心部件,它的色散率和分辨率由公式(5)和(6)确定。
所说的探测器11,是一台CCD电荷耦合器,它能对X射线光谱敏感。
所说的计算机12,是用来存储和显示探测器上获得的图像的装置。
本实用新型的超快时间分辨X射线谱仪的工作原理和基本过程如下:
本实用新型采用一台钛宝石激光器1进行分束,其中一束(占总强度的9/10)用来作作用光束,辐射在待研究的样品9上,产生一激光与物质相互作用的快过程,作为待测动态事件。另一束用来产生光电子,产生X射线脉冲作为探测光束,探测上述动态事件,而两光束之间的延迟,通过光束延迟线来实现,因此,能很方便地实现两光束之间的同步和延迟,通过调整延迟线,就可以测量出不同动态时刻的瞬态结构变化。
由于采用光电子,它的单色性可以通过控制钛宝石激光的线宽来控制,由于光阴极X射线二极管中的阳极采用金属,发射的X射线,是激光等离子体远不能达到的。
当记录下第一张超快时间分辨X射线光谱的照片以后,延迟10ps,重复上述实验,再拍摄一张,这样不断以10ps为一步,重复进行,一直拍摄到上述动态事件结束为止,其时间分辨率为皮秒量级。
Claims (6)
1、一种超快时间分辨X射线谱仪,包括飞秒激光器(1),其特征是在所述的飞秒激光器(1)的激光输出光路上安置一分束器(2),该分束器(2)的反射光经由光学延迟线到达样品(9),构成对样品(9)的作用光束(A),在该分束器(2)的透射光(B)经全反射镜(3)入射在光阴极X射线二极管(8)上,该光阴极X射线二极管(8)产生的X射线入射到样品(9)上,探测作用光束(A)产生瞬态结构变化的过程,然后入射在硅单晶(10)上,所产生的光谱色散被探测器(11)接收,显示在计算机(12)上。
2、根据权利要求1所述的超快时间分辨X射线谱仪,其特征在于所述的飞秒激光器(1)是一台辐射波长为800nm的钛宝石激光器,脉宽为100~1500飞秒、输出能量为0.8~8毫焦耳,1/10的能量用来泵浦光阴极X射线二极管(8)。
3、根据权利要求1所述的超快时间分辨X射线谱仪,其特征在于所述的分束器(2)是一块对800nm反射90%、透过10%的介质膜板,其基质材料是石英。
4、根据权利要求1所述的超快时间分辨X射线谱仪,其特征在于所述的光学延迟线由四块全反射镜(4、5、6、7)构成
5、根据权利要求4所述的超快时间分辨X射线谱仪,其特征在于所述的反射镜都是镀金的、对800nm具有100%反射率的金属膜板。
6、根据权利要求1至5任一项所述的超快时间分辨X射线谱仪,其特征在于所述的光阴极X射线二极管(8)是一个包含四个组成部分的二极管,即光阴极材料是铝,阳极材料是钨,外壳材料是石英,它能透800nm,外壳内抽高真空密封,外加50~120kV的高压源。
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AV01 | Patent right actively abandoned |
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