專利名稱：透射式硬x射線譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于X射線分析的譜儀，尤其涉及一種透射式硬X射線譜儀。
背景技術(shù)：
隨著激光器的不斷發(fā)展，激光功率的不斷提高，激光等離子體相互作用中硬X射線的研究越來越受到人們的重視。激光與等離子體相互作用，通過受激喇曼散射、共振吸收、雙等離子體衰變等集體過程會產(chǎn)生大量的超熱電子，通過測量等離子體輻射的硬X射線軔致輻射光譜，可以獲得超熱電子能量分布的特性。此外，在一些高Z物質(zhì)的量子電動力學(xué)理論及相對論修正和吸收光譜學(xué)方面，也常常需要對硬X射線的光譜進(jìn)行診斷。X射線光譜的探測和可見光譜探測一樣，都是在譜儀上進(jìn)行的，基于X射線的波動特征，根據(jù)采用的不同的色散元件，可以將其分為光柵譜儀和晶體譜儀兩大類。晶體譜儀是測量短波長輻射的線狀譜和連續(xù)譜的重要儀器，它使人們能夠在原子尺度上深入的了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上建立起了一門有廣泛應(yīng)用領(lǐng)域和重要理論意義的X射線譜學(xué)。本申請屬于透射式彎晶譜儀，它是晶體譜儀中的其中一種。晶體譜儀是利用晶體中的原子點陣進(jìn)行光譜分析，工作原理是基于晶體對X射線的衍射布拉格公式2dsin 0 = nA , d是晶體的晶面間距，0是晶面的衍射角，n為衍射級次，\為波長。如附圖I所示，硬X射線穿過石英，透射彎晶后滿足布拉格定律，衍射后的X射線被探測屏接收。X射線從源S出射到達(dá)彎晶的C處，CO是透射彎晶曲率半徑R，DE是探測屏，SC，CE是X光光路，s為源到彎晶的距離，在實驗中s，R固定，如果已知特征譜線的波長，0是對應(yīng)的布拉格角，通過計算可得到彎晶到“光線”匯聚點A的位置，設(shè)記錄面上譜線到中心線距離為X,通過近似計算公式(文獻(xiàn)I, Mancini R C, Phaneuf R A. Atomic processesin plasma :twelfth topical conf[C],American Institute of Physics. 2000 :25-35)可得x = A R/ (2d)。在現(xiàn)有的X射線譜儀中，存在的普遍缺陷是集光效率較低，無法對微弱X射線診斷，且分辨率低。而且，無法同時獲得X射線源的空間特性(例如強度)，增加了實驗探測的復(fù)雜度。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種高分辨透射式硬X射線譜儀。本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明，提供一種透射式硬X射線晶體譜儀，包括凹形底座，用于容納支撐彎晶的彎晶支架，該底座具有相對的兩端；前面板，其布置在所述凹形底座的其中一端，該面板具有一個孔和以該孔為中心對稱的入射窗口，以使被測光經(jīng)過該孔和入射窗口入射到彎晶上；
光譜探測器，其連接到所述凹形底座的另一端上，用于探測經(jīng)彎晶透射過的光；在凹形底座內(nèi)還布置有位于彎晶和光譜探測器之間的狹縫，以使從彎晶透射過的光經(jīng)該狹縫入射到光譜探測器；和頂蓋，其覆蓋于凹形底座上，用于密封凹形底座；其中所述孔被設(shè)置成適于在所述光譜探測器上提供X射線源的小孔成像。
在上述譜儀中，所述孔和入射窗口的中心為在同一水平線上。在上述譜儀中，所述面板包括上下兩個鉛板，所述孔由夾在兩個鉛板之間的鉛片提供。在上述譜儀中，所述狹縫被布置為使經(jīng)彎晶透射過的光會聚在該狹縫處并從中穿過。在上述譜儀中，還包括設(shè)置在狹縫下游與其鄰近的限位框，用于限制入射到光學(xué)探測器內(nèi)的光。在上述譜儀中，所述凹形底座內(nèi)還布置有導(dǎo)軌，將所述狹縫安裝在該導(dǎo)軌上。在上述譜儀中，所述其中孔的直徑為I至100微米。在上述譜儀中，所述狹縫由以譜儀中心線為軸對稱排列的兩塊楔形鉛塊之間的空隙提供。在上述譜儀中，所述孔、彎晶、狹縫為同軸，且與譜儀的中心線重合。在上述譜儀中，所述凹形底座和上蓋由內(nèi)外兩層構(gòu)成，內(nèi)層由硬鉛制成，外層由硬招制成。與現(xiàn)有X射線譜儀相比，本發(fā)明的譜儀具有以下優(yōu)點I、相比于平晶X射線譜儀，本發(fā)明中使用彎晶，更有利于提高集光效率(大約高10-100倍)，能夠在激光等離子相互作用中一次獲取X射線譜線，能夠很好地避免等離子體自身的不穩(wěn)定性和不重復(fù)性對實驗現(xiàn)象帶來的干擾；2、成像板與狹縫的距離可變，因此可以通過增加探測器距羅蘭圓的距離，提高空間分辨率，這對于研究等離子體中的非均勻性有重要意義；3、本譜儀在攝譜作用的同時能夠?qū)射線源進(jìn)行小孔成像，反映出源的大小，并且能夠得到源強度的空間分布。4、根據(jù)實驗中不同類型的透射彎晶，可通過導(dǎo)軌來調(diào)節(jié)狹縫的位置，從而提高探測的譜寬范圍，也方便操作；5、由于本譜儀能從一次激光相互作用過程中獲取盡可能多的時空信息，可以廣泛地應(yīng)用于激光慣性約束聚變、X射線激光和激光等離子體等重要研究領(lǐng)域，可以用來診斷等離子體參數(shù)，研究等離子體基本過程。


以下參照附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，其中圖I為現(xiàn)有透射式彎晶譜儀的工作原理；圖2a為本發(fā)明優(yōu)選實施例的透射式硬X射線譜儀的光路圖；圖2b為圖2a所示透射式硬X射線譜儀的標(biāo)定結(jié)構(gòu)與示意圖；圖3為圖2b所示透射式硬X射線譜儀的局部立體圖4示出了圖2b所示透射式硬X射線譜儀的彎晶及彎晶支架
具體實施例方式圖2a示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例的透射式硬X射線譜儀的光路圖。如圖所示，包括譜儀和X射線源7，其中譜儀包括前面板I、凹形底座2、頂蓋3、彎晶支架4、鉛制狹縫5、以及成像板6，其中前面板I包括兩個重疊的鉛板101和102，以及位于兩個鉛板中心的小孔103。下面參照圖2b、圖3和圖4對譜儀的各部件做詳細(xì)說明。圖2b為圖2a所示透射式硬X射線譜儀的標(biāo)定結(jié)構(gòu)與示意圖，圖3為圖I所示透射式硬X射線譜儀的局部立體圖。如圖3所示，凹形底座2呈凹槽狀，具有兩個相對的端部，在其中一端上安裝有重疊的兩個鉛板101和102，另一端用于安裝成像板(未示出)(例如磷屏或GE公司生產(chǎn)的IP板)，以顯示光譜信息?？商娲?，該端也可連接至光學(xué)探測器(例如CCD探測器)。為了防止譜儀外的雜散光，凹槽底座2通常采用兩層材料制成，即內(nèi)層為硬鉛，外層為硬鋁。類似地，用于密封凹槽底座2的頂蓋3也可以使用上述材料，其目的都是屏蔽外界光線。在前面板I的與來自X射線源的入射光對應(yīng)的中心處具有一個小孔103，在該小孔103兩側(cè)設(shè)有呈中心對稱的兩個入射窗口 104，其中小孔的直徑為100微米以下，例如I 100微米。在本實施例中，小孔103是通過如下方法制成首先在一個小且薄的鉛片(例如直徑為I 5厘米、厚度為0. 5-1毫米的鉛片)上打孔，該孔的直徑例如為50微米；然后在構(gòu)成前面板的兩塊鉛板101和102開通孔，該通孔的直徑小于鉛片的直徑，但大于鉛片上小孔103的直徑；將該鉛片夾在兩塊鉛板101和102之間，使小鉛片上小孔的中心恰好位于通孔的中心線上。通過上述方法提供的小孔結(jié)構(gòu)103便于在實際當(dāng)中所使用，因為鉛板101、102的厚度通常較大，很難直接在鉛板上形成尺寸在微米級的小孔。當(dāng)然，小孔103也不局限于此實施例所提供的方式，能夠在前面板I上形成直徑在微米級的其他小孔的結(jié)構(gòu)也能在本發(fā)明中使用?？蛇x地，為了屏蔽周圍散射的X射線對探測的影響，前面板I上可覆蓋合適的濾片，以消除可見光的影響。繼續(xù)參考圖2b、3，入射窗口 104的大小和形狀以所使用的彎晶(例如圖4所示的彎晶401)大小及形狀相匹配，在本實施例中，入射窗口 104為兩個矩形窗口，入射光通過其照射在后面的矩形彎晶401上。本發(fā)明利用小孔成像原理，使通過小孔103的光經(jīng)過彎晶的中心，在成像板6上產(chǎn)生源的像，從而在探測到X射線能譜的同時得到其空間分布，利于更全面的對源的特性分析(見圖2a)。在本實施例中，彎晶支架4固定在凹形底座2的底部(靠近前面板I的一側(cè))，用于支撐彎晶。參見圖4，進(jìn)一步示出了支撐彎晶401的彎晶支架4的立體圖。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知，彎晶401指的是具有一定曲率的單晶。在本實施例中，采用的是彎曲后的石英片(實際上，可根據(jù)實驗所需探測X射線的不同波段，選擇合適的晶體)。彎晶401通過粘合劑粘附到彎晶支架4的前端，以使通過入射窗口 104入射的X射線在彎晶4上發(fā)生布拉格衍射，穿過前面板I上小孔103的X射線直接穿過彎晶401中心。在本實施例中，彎晶支架4具有兩個通道(或腔)402，其分別對應(yīng)于兩個入射窗口 104，以使經(jīng)石英片透過的光從中穿過。另外，在彎晶支架4的兩個通道402之間設(shè)置有一個中心孔403，其位置與前面板的小孔103相對應(yīng)，使穿過彎晶中心的光能從該孔103中穿過到達(dá)成像板。在本發(fā)明的其他實施例中，也可以把彎晶支架4設(shè)計為中空的(即在彎晶后面只形成一個腔)，從而使經(jīng)彎晶401的光全部從該一個腔內(nèi)通過。在凹形底座2內(nèi)且位于彎晶支架4和成像板6之間還安裝有鉛制狹縫5，以使經(jīng)過彎晶401衍射的X射線在鉛制狹縫5處匯聚后被X射線成像板6收集。狹縫5由以譜儀中心線為軸對稱排列的兩塊楔形鉛塊之間的空隙提供(見圖3)，這種結(jié)構(gòu)能擋住來自漫反射和背景輻射的熒光干擾。如前所述，根據(jù)不同探測波段，需要選擇不同的透射晶體(即彎晶)，那么，鉛制狹縫5的位置也會根據(jù) 不同透射晶體的布拉格角和X射線的波段有所改變。因此，為了便于調(diào)節(jié)狹縫5的位置，優(yōu)選在凹形底座2的底部兩邊緣處設(shè)置導(dǎo)軌，例如圖3所示的平行導(dǎo)軌201，其中導(dǎo)軌上可有不同間隔的螺紋孔，當(dāng)狹縫5移動到合適位置時通過螺釘固定在位。一旦狹縫的位置確定，還可在狹縫5的后面或下游設(shè)置限位框，例如圖3所示的限位框501，以限制入射到光學(xué)探測器內(nèi)的光。所述限位框501中部有一開口，開口的左右兩側(cè)面呈斜面，以便于只有固定波段的X射線能夠被成像板采集，可以進(jìn)一步排除其他光對測量的影響，提高譜線的對比度。經(jīng)彎晶401衍射的X射線在被X射線成像板6收集后，在X射線成像板中間顯示出源的針孔像，并且以針孔像為中心，對稱分布著所需探測波段的X射線的能譜。通過該顯示的能譜能夠獲得X射線的光譜信息以及源的空間信息。相比于平晶X射線譜儀，本發(fā)明中使用彎晶，更有利于提高集光效率(大約高10-100倍)。成像板與狹縫的距離可變，因此可以通過增加探測器距羅蘭圓的距離，提高空間分辨率。在攝譜作用的同時能夠?qū)射線源進(jìn)行小孔成像，反映出源的大小，增加了空間信息。本發(fā)明的譜儀能夠在激光等離子相互作用中一次獲取X射線譜線，能夠很好的避免等離子體自身的不穩(wěn)定性和不重復(fù)性對實驗現(xiàn)象帶來的干擾。另外，因為彎晶和狹縫都是可變化的，通過改變彎晶的類型和狹縫位置可以實現(xiàn)不同的能量探測范圍，使可探測的譜寬范圍擴大。以下是對上述本發(fā)明優(yōu)選實施例的透射式硬X射線譜儀做譜儀標(biāo)定以及攝譜實驗的結(jié)果。譜儀標(biāo)定標(biāo)定用的X射線源使用標(biāo)準(zhǔn)硬X射線管，本實驗中使用的是靶材為銀的X射線管，通過在X射線管后部的電子槍加高壓，產(chǎn)生電子束轟擊銀靶產(chǎn)生高能的X射線，源的大小約為2mm。X射線穿過前面板I的入射窗口 104和中心小孔103，在彎晶支架4前端的彎晶401上發(fā)生衍射，光線匯聚到鉛制狹縫5中心后被X射線成像板6收集，通過對成像板進(jìn)行顯影能夠獲取銀的特征譜線，能夠在成像板上清晰的看到銀的K a和1(0譜線，并且在成像板中心能看到清晰的源的小孔像，根據(jù)成像關(guān)系和小孔像的尺寸得到源的尺寸，根據(jù)銀的Ka和1(0譜線的能量以及其相對位置和到中心的距離能夠得到對應(yīng)晶體譜儀的譜線分布。另外還發(fā)現(xiàn)，在保持晶體不變，保持鉛制狹縫5到X射線成像板6的距離不變的情況下，改變源到譜儀的位置，最終的譜線位置幾乎不變，由此說明距離的偏差對測量造成的影響很小(基本可以忽略)，因此，本譜儀對測量條件的要求較低。攝譜實驗在中國科學(xué)院物理研究所“極光II號”實驗上進(jìn)行攝譜實驗，實驗中使用波長為800nm的短脈沖激光，脈寬為30fs，激光功率密度約為3X 1018W/cm2，實驗中用強激光與鑰靶相互作用，在靠近靶室壁的位置加上譜儀，讓前面板的小孔和鉛制狹縫所在的中心線傳過激光作用的打靶點，在打靶過程中加入刀邊及單光子計算CCD。從實驗的情況來看，用本發(fā)明譜儀，能夠得到一次打靶過程中鑰的Ka，，其中K a的分辨率為E/ A E = 90. 43，K ^的分辨率E/ A E = 215. 96，而一般譜儀所能達(dá)到的分辨率最高為50，說明本發(fā)明的硬X射線譜儀在分辨率上具有顯著提高。盡管參照上述的實施例已對本發(fā)明作出具體描述，但是對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，應(yīng)該理解可以在不脫離本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)基于本發(fā)明公開的內(nèi)容進(jìn)行修改或改進(jìn)，這些修改和改進(jìn)都在本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.透射式硬X射線晶體譜儀，包括 凹形底座，用于容納支撐彎晶的彎晶支架，該底座具有相對的兩端； 前面板，其布置在所述凹形底座的其中一端，該面板具有一個孔和以該孔為中心對稱的入射窗口，以使被測光經(jīng)過該孔和入射窗口入射到彎晶上； 光譜探測器，其連接到所述凹形底座的另一端上，用于探測經(jīng)彎晶透射過的光； 在凹形底座內(nèi)還布置有位于彎晶和光譜探測器之間的狹縫，以使從彎晶透射過的光經(jīng)該狹縫入射到光譜探測器；和 頂蓋，其覆蓋于凹形底座上，用于密封凹形底座； 其中所述孔被設(shè)置成適于在所述光譜探測器上提供X射線源的小孔成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透射式硬X射線晶體譜儀，其特征在于，所述孔和入射窗口的中心為在同一水平線上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透射式硬X射線晶體譜儀，其特征在于，所述面板包括上下兩個鉛板，所述孔由夾在兩個鉛板之間的鉛片提供。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透射式硬X射線晶體譜儀，其特征在于，所述狹縫被布置為使經(jīng)彎晶透射過的光會聚在該狹縫處并從中穿過。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的透射式硬X射線晶體譜儀，其特征在于，還包括設(shè)置在狹縫下游與其鄰近的限位框，用于限制入射到光學(xué)探測器內(nèi)的光。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透射式硬X射線晶體譜儀，其特征在于，所述凹形底座內(nèi)還布置有導(dǎo)軌，將所述狹縫安裝在該導(dǎo)軌上。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透射式硬X射線晶體譜儀，其特征在于，所述其中孔的直徑為I至100微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透射式硬X射線晶體譜儀，其特征在于，所述狹縫由以譜儀中心線為軸對稱排列的兩塊楔形鉛塊之間的空隙提供。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透射式硬X射線晶體譜儀，其特征在于，所述孔、彎晶、狹縫為同軸，且與譜儀的中心線重合。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9中任一所述的透射式硬X射線晶體譜儀，其特征在于，所述凹形底座和上蓋由內(nèi)外兩層構(gòu)成，內(nèi)層由硬鉛制成，外層由硬鋁制成。
全文摘要
提供一種透射式硬X射線晶體譜儀，包括凹形底座，用于容納支撐彎晶的彎晶支架，該底座具有相對的兩端；前面板，其布置在所述凹形底座的其中一端，該面板具有一個孔和以該孔為中心對稱的入射窗口，以使被測光經(jīng)過該孔和入射窗口入射到彎晶上；光譜探測器，其連接到所述凹形底座的另一端上，用于探測經(jīng)彎晶透射過的光；在凹形底座內(nèi)還布置有位于彎晶和光譜探測器之間的狹縫，以使從彎晶透射過的光經(jīng)該狹縫入射到光譜探測器；和頂蓋，其覆蓋于凹形底座上，用于密封凹形底座；其中所述孔被設(shè)置成適于在所述光譜探測器上提供X射線源的小孔成像。該譜儀對于硬X射線有高的集光效率，高光譜分辨能力，通過譜儀中心的小孔，能同時得到源的小孔像。
文檔編號G01N23/04GK102621167SQ20121007274
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月19日
發(fā)明者張璐, 毛婧一, 閆文超, 陳黎明 申請人:中國科學(xué)院物理研究所