本發(fā)明涉及一種粒子束激發(fā)真空紫外-可見光波段磁光譜測試方法及系統(tǒng)，屬于磁光譜精密檢測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

深紫外即真空紫外(vacuumultraviolet，簡稱vuv)。真空紫外波長在200～100nm，更低可到100～10nm，是探測一些較深的原子能級躍遷或固體能帶躍遷的重要光頻段，但尚未得到有效的開發(fā)利用。原因在于難以產(chǎn)生真空紫外光譜。普通光源如氙燈、汞燈雖然有深紫外譜線，但強度極弱。更好的辦法是采用深紫外激光器，但深紫外激光的波長目前都在200～100nm，很難得到100～10nm的波長?；蛴眉す獗额l方式產(chǎn)生，但倍頻時功率損失很大，而且頻段往往不足于滿足測試要求。

其次是采用同步輻射激發(fā)，不足之處是需要使用大型加速器，設備昂貴，機時資源十分有限。

另一種激發(fā)方式是粒子束激發(fā)，目前主要采用電子束和離子束。電子束激發(fā)稱為陰極熒光，原則上可以產(chǎn)生很大范圍的深紫外躍遷。但電子束激發(fā)不能用于測量磁光譜，因為電子帶有電荷，在磁場中會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，很難打到置于磁場中的樣品上。

由于相同的原因，離子激發(fā)也不能用于測量磁光譜。為了揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)，急需一種穩(wěn)定激發(fā)形成真空紫外的裝置和測試方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種粒子束激發(fā)真空紫外-可見光波段磁光譜測試方法及系統(tǒng)，讓帶電的離子束通過與電子束中和而形成中性粒子束(原子束)，這種粒子束可以不受磁場影響而對樣品進行激發(fā)，利用原子核能躍遷能引起的電磁輻射反映物質(zhì)內(nèi)部的超精細結(jié)構(gòu)，利用磁光譜信息為新材料的研發(fā)、生產(chǎn)和應用提供電子結(jié)構(gòu)依據(jù)。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供了一種粒子束激發(fā)真空紫外-可見光波段的磁光譜測試方法，包括以下步驟：

(1)在真空環(huán)境下，利用激發(fā)源產(chǎn)生質(zhì)子束噴出，質(zhì)子束經(jīng)過離子束中和器發(fā)生中和，形成中性的載能原子束，載能原子束傳輸至樣品臺內(nèi)放置的樣品的表面，激發(fā)樣品的表面層中的原子，激發(fā)態(tài)的原子的電子躍遷產(chǎn)生紫外光譜；

(2)控制樣品臺內(nèi)的電磁鐵使其產(chǎn)生的磁場平行或垂直紫外光譜的傳播方向；在磁場作用下的紫外光譜依次經(jīng)過靜電聚焦透鏡、光彈性調(diào)節(jié)器和線偏振器進入單色儀；

(3)紫外光譜經(jīng)單色儀處理后，經(jīng)過光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)由穩(wěn)流器反饋至鎖相放大器；同時經(jīng)過光彈性調(diào)制器的振蕩信號作為基準信號進入鎖相放大器；

(4)鎖相放大器將信號輸入至計算機進行控制。

步驟(1)所述質(zhì)子束經(jīng)過離子束光闌達到離子束中和器發(fā)生中和，形成中性的載能原子束后經(jīng)過粒子束光闌達到樣品的表面。

步驟(2)所述磁場為穩(wěn)恒磁場。

步驟(2)的樣品處于10-300k的低溫環(huán)境中。

本發(fā)明同時提供了一種基于上述方法的粒子束激發(fā)真空紫外-可見光波段的磁光譜測試系統(tǒng)，包括真空環(huán)境內(nèi)的激發(fā)源和用于放置樣品的樣品臺，激發(fā)源和樣品臺之間放置有離子束中和器；所述樣品臺配置有由直流變壓器控制磁場強度的電磁鐵，所述電磁鐵用于產(chǎn)生平行或垂直于樣品表面被激發(fā)時產(chǎn)生的紫外光的磁場；所述樣品臺的一側(cè)設有靜電聚焦透鏡，所述靜電聚焦透鏡用于將紫外光聚焦后依次通過光彈性調(diào)制器和線偏振器后進入單色儀，所述單色儀的出口垂直安裝有光電倍增管，光電倍增管的出口通過穩(wěn)流器接入鎖相放大器；所述光彈性調(diào)制器的一端與單色儀的管路相連，一端與壓電陶瓷垂直固定連接，并通過壓電陶瓷與光彈性調(diào)制器電源振蕩器連接，光彈性調(diào)制器電源振蕩器接入鎖相放大器，鎖相放大器通過線纜與計算機連接。

所述激發(fā)源出口設有用于讓激發(fā)源產(chǎn)生的質(zhì)子束對準離子束中和器入口的離子束光闌，所述樣品臺前方設有用于讓從離子束中和器產(chǎn)生的原子束對準樣品的粒子束光闌。

所述電磁鐵活動安裝于樣品臺，在樣品臺中旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至狀態(tài)一時電磁鐵的磁場方向垂直于樣品表面，旋轉(zhuǎn)至狀態(tài)二時電磁鐵的磁場方向平行于樣品表面；電磁鐵設有用于安裝低溫恒溫器的可擴展間隙。

所述光彈性調(diào)制器電源振蕩器安裝有光電耦合器。

所述激發(fā)源采用離子源，其內(nèi)部的靜電吸極電壓為0～35kv連續(xù)可調(diào)。

所述光彈性調(diào)制器的光軸和線偏振器的透射平面的相對角度為45°。

本發(fā)明基于其技術(shù)方案所具有的有益效果在于：

(1)本發(fā)明粒子束激發(fā)真空紫外-可見光波段的磁光譜測試方法和系統(tǒng)利用激發(fā)源產(chǎn)生帶電的質(zhì)子束，通過與電子束中和而形成中性粒子束(原子束)，這種粒子束可以不受磁場影響而對樣品進行激發(fā)，當粒子束轟擊固體表面作用時，會發(fā)生碰撞產(chǎn)生電離、光激發(fā)、x射線激發(fā)等多種物理過程，控制離子能量在10～20kev，可以使這種激發(fā)主要發(fā)生在真空紫外-可見光頻段，從而實現(xiàn)探測真空紫外光譜的新型測試分析，真空紫外磁光譜可以從內(nèi)層電子層次揭示物質(zhì)的精細電子結(jié)構(gòu)；真空紫外屬于一種磁光譜，是探測粒子-固體相互作用過程產(chǎn)生的不同頻段的一種電磁輻射，能夠揭示不同層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，特別是不同材料在低溫、磁場中的光吸收、光致發(fā)光(熒光)、偏振二向色性、偏振熒光等精細結(jié)構(gòu)，而原子核能級躍遷引起的電磁輻射則可反映物質(zhì)內(nèi)部的超精細結(jié)構(gòu)，這些磁光譜信息可為新材料的研發(fā)、生產(chǎn)和應用提供電子結(jié)構(gòu)依據(jù)，可為磁性半導體、稀土材料、鐵基超導、新能源材料、地質(zhì)、環(huán)境、生物、制藥等眾多領(lǐng)域的企業(yè)和研究機構(gòu)提供磁光譜精密測試服務；

(2)本發(fā)明通過測量真空紫外光譜線在低溫磁場中的行為，特別是磁圓二向色性、磁圓偏振熒光譜，揭示真空紫外譜線的偏振特性，為過渡金屬、稀土離子真空紫外偏振光的產(chǎn)生和技術(shù)應用提供科學依據(jù)；磁圓二向色性即磁場引起的原子能級分裂而產(chǎn)生的圓偏振光，被選擇新地吸收，因此磁圓二向色性出現(xiàn)在吸收譜上，磁圓偏振熒光即磁場中原子能級分裂而產(chǎn)生的圓偏振光，以熒光發(fā)射形式出現(xiàn)，因此形成磁圓偏振熒光譜。

附圖說明

圖1是本發(fā)明粒子束激發(fā)真空紫外-可見光波段的磁光譜測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1所示粒子束激發(fā)真空紫外-可見光波段的磁光譜測試裝置中電磁鐵的主視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖1所示粒子束激發(fā)真空紫外-可見光波段的磁光譜測試裝置中電磁鐵的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4本發(fā)明裝置測量得到的典型真空紫外磁光譜，橫坐標為波長，波長范圍120～450nm，縱坐標為光子計數(shù)，為任意單位。光譜的上的幾個峰值反映出稀土元素4f-4f、4f-5d電子能級的躍遷。

圖中：1-激發(fā)源，2-離子束光闌，3-離子束中和器，4-粒子束光闌，5-樣品臺，5.1-電磁鐵，5.2-粒子束傳輸孔，6-靜電聚焦透鏡，7-光彈性調(diào)制器，8-線偏振器，9-單色儀的入口，10-單色儀，11-單色儀的出口，12-光電倍增管，13-穩(wěn)流器，14-壓電陶瓷，15-光彈調(diào)制器電源振蕩器，16-光電耦合器，17-鎖相放大器，18-計算機。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明提供了一種粒子束激發(fā)真空紫外-可見光波段的磁光譜測試方法，參照圖1，包括以下步驟：

(1)在真空環(huán)境下，利用激發(fā)源1產(chǎn)生質(zhì)子束噴出，質(zhì)子束經(jīng)過離子束中和器3發(fā)生中和，形成中性的載能原子束，載能原子束傳輸至樣品臺5內(nèi)放置的樣品的表面，激發(fā)樣品的表面層中的原子，激發(fā)態(tài)的原子的電子躍遷產(chǎn)生紫外光譜；

(2)控制樣品臺5內(nèi)的電磁鐵19使其產(chǎn)生的磁場平行或垂直紫外光譜的傳播方向；在磁場作用下的紫外光譜依次經(jīng)過靜電聚焦透鏡6、光彈性調(diào)節(jié)器7和線偏振器8進入單色儀10；

(3)紫外光譜經(jīng)單色儀10處理后，經(jīng)過光電倍增管12將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)由穩(wěn)流器13反饋至鎖相放大器17；同時經(jīng)過光彈性調(diào)制器7的振蕩信號作為基準信號進入鎖相放大器17；

(4)鎖相放大器17將信號輸入至計算機18進行控制，以進行進一步分析。

步驟(1)所述質(zhì)子束經(jīng)過離子束光闌2達到離子束中和器3發(fā)生中和，形成中性的載能原子束后經(jīng)過粒子束光闌4達到樣品的表面。

步驟(2)所述磁場為穩(wěn)恒磁場。

步驟(2)的樣品處于10-300k的低溫環(huán)境中。

本發(fā)明同時提供了一種基于上述方法的粒子束激發(fā)真空紫外-可見光波段的磁光譜測試系統(tǒng)，參照圖1，包括真空環(huán)境內(nèi)的激發(fā)源1和用于放置樣品的樣品臺5，激發(fā)源1和樣品臺5之間放置有離子束中和器3；所述樣品臺5配置有由直流變壓器控制磁場強度的電磁鐵19，所述電磁鐵19用于產(chǎn)生平行或垂直于樣品表面被激發(fā)時產(chǎn)生的紫外光的磁場；所述樣品臺5的一側(cè)設有靜電聚焦透鏡6，所述靜電聚焦透鏡6用于將紫外光聚焦后依次通過光彈性調(diào)制器7和線偏振器8后進入單色儀的入口9，所述單色儀的出口11垂直安裝有光電倍增管12，光電倍增管12的出口通過穩(wěn)流器13接入鎖相放大器17；所述光彈性調(diào)制器7的一端與單色儀10的管路相連，一端與壓電陶瓷14垂直固定連接，并通過壓電陶瓷與光彈性調(diào)制器電源振蕩器15連接，光彈性調(diào)制器電源振蕩器15接入鎖相放大器17，鎖相放大器17通過線纜與計算機18連接。

所述激發(fā)源出口設有用于讓激發(fā)源產(chǎn)生的質(zhì)子束對準離子束中和器入口的離子束光闌2，所述樣品臺前方設有用于讓從離子束中和器產(chǎn)生的原子束對準樣品的粒子束光闌4。

參照圖2和圖3，電磁鐵5.1設有用于中性粒子束穿過的粒子束傳輸孔5.2。所述電磁鐵活動安裝于樣品臺，在樣品臺中旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至狀態(tài)一時電磁鐵的磁場方向垂直于樣品表面，旋轉(zhuǎn)至狀態(tài)二時電磁鐵的磁場方向平行于樣品表面；電磁鐵設有用于安裝低溫恒溫器的可擴展間隙。

所述光彈性調(diào)制器電源振蕩器安裝有光電耦合器16。

所述激發(fā)源采用離子源，其內(nèi)部的靜電吸極電壓為0～35kv連續(xù)可調(diào)。

所述光彈性調(diào)制器的光軸和線偏振器的透射平面的相對角度為45°。

當用本發(fā)明粒子束激發(fā)真空紫外-可見光波段的磁光譜測試系統(tǒng)進行真空紫外光譜測試時，激發(fā)源1的離子束從光闌2射出，被離子束中和器3發(fā)射的電子中和，形成中性粒子束(載能原子束)。載能原子束經(jīng)粒子束光闌4控制束斑大小，以細小粒子束照射在樣品上，使樣品中的原子激發(fā)，最后樣品原子的電子躍遷產(chǎn)生發(fā)光。在磁場中，樣品發(fā)出的熒光為部分偏振光。通過粒子束光闌4后，部分偏振光通過光彈性調(diào)制器7(分析器)和線偏振器8，光彈性調(diào)制器7的光軸和線偏振器8的透射平面相對角度是45°，光線能夠聚焦在單色儀的入口9。連接到單色儀出口11的光電倍增管12以恒定電流模式工作，并由穩(wěn)流器13進行反饋。來自光彈調(diào)制器7、穩(wěn)流器13和光彈性調(diào)制器電源振蕩器15的信號進入鎖相放大器17，最終由計算機18控制。光彈性調(diào)制器電源振蕩器15的信號用作鎖相放大器17的基準信號。

光彈調(diào)制器7的有源元件是石英晶體，與矩形壓電陶瓷14連接。光彈調(diào)制器的兩個部分以相同共振頻率工作。對于光彈調(diào)制器7的電壓供應，用光彈性調(diào)制器的電源振蕩器15。該電源的輸出端與壓電陶瓷14連接。作為實現(xiàn)正反饋的基礎(chǔ)，采用安裝在光彈調(diào)制器7上的光電耦合器16。為了控制振蕩相位，來自光電耦合器的正弦信號被饋送到光彈調(diào)制器電源振蕩器15的輸入。這種電隔離的光學正反饋的應用，提高了光彈調(diào)制器7的啟動和運行可靠性。

參照圖4，為利用本發(fā)明的方法和裝置測量得到的典型真空紫外磁光譜，橫坐標為波長，波長范圍120～450nm，縱坐標為光子計數(shù)，為任意單位。光譜的上的幾個峰值反映出稀土元素4f-4f、4f-5d電子能級的躍遷。

由于電磁鐵設有用于安裝低溫恒溫器的可擴展間隙，本發(fā)明還能夠在安裝低溫恒溫器后進行低溫磁場環(huán)境實驗，以低溫磁場下粒子-固體相互作用的物理規(guī)律為基礎(chǔ)，探測粒子轟擊過程產(chǎn)生的不同頻段的電磁輻射，包括紅外-可見光-紫外-真空紫外，從而揭示不同層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。