專利名稱：超快時間分辨x射線譜儀的制作方法
技術領域：
本實用新型有關X射線譜儀，特別是涉及一種超快時間分辨X射線譜儀，它在材料科學、信息光學、生物化學等領域有著廣泛的應用，時間分辨率可以達到皮秒量級。
背景技術：
X射線光譜的探測和通常可見光譜探測一樣，都是在譜儀上進行的，是基于X射線所固有的波動特性，根據所采用的不同色散元件，把它分成光柵譜儀和晶體譜儀兩大類，光柵譜儀又可分為透射式和反射式兩類，晶體譜儀主要用在硬X射線區域。
晶體譜儀利用晶體中的原子點陣進行光譜分析，其工作原理是基于晶體對X射線的衍射布喇格公式2dsinθ＝nλ (1)d為晶體的晶面間距，θ為晶面的衍射角，n為衍射級次，λ為波長。晶體譜儀的重要參數是譜分辨率、角色散和線色散。將(1)式兩端微分，即得角色散率Dθ=dλdθ=2dncosθ=λctgθ----(2)]]>線色散率Dx=dλdθdθdx=Dθdθdx----(3)]]>式中，x為記錄平面的坐標，譜儀分辨率為R=λΔλmin=λDθδθ+Dxδx----(4)]]>式中，δθ為晶體衍射強度分布的半寬度，δx為取決于儀器幾何因子的響應函數寬度。
晶體譜儀可以分成兩種類型，一種是非聚焦型，另一種是聚焦型晶體譜儀。非聚焦型晶體譜儀包含平晶譜儀和凸晶譜儀兩種。晶體譜儀的分類可用下圖來表示 我們感興趣的是反射式平晶譜儀，原理如圖1所示。
這種譜儀由4部分組成X射線源1，狹縫13，色散晶體10和探測器11。從X射線源發出的X射線經晶體色散以后，測得X射線譜，被探測器CCD接收，這種譜儀色散率為Dx=λa+b=ctgθ----(5)]]>分辨率為R=λDxr=a+brctgθ----(6)]]>式中，a為光源到晶面的距離，b為從晶面到記錄介質的距離，r為光源的橫向尺寸。從公式(2)可以看出為提高譜儀的分辨率，必須增大距離a+b，并且要以接近90°掠射角工作，也就是說，選擇值接近被測X射線波長的晶體。這種X射線譜儀是靜態譜儀，不能用來研究瞬態光譜變化。
發明內容
本實用新型要解決的技術問題是針對上述在先技術所存在的缺點，提供一種超快時間分辨的X射線譜儀，用以測量瞬態光譜的變化。
本實用新型的技術解決方案如下一種超快時間分辨X射線譜儀，包括飛秒激光器，其特征是在所述的飛秒激光器的激光輸出光路上安置一分束器，該分束器的反射光經由光學延遲線到達樣品，構成對樣品的作用光束，在該分束器的透射光經全反射鏡入射在光陰極X射線二極管上，該光陰極X射線二極管產生的X射線入射到樣品上，探測作用光束產生瞬態結構變化的過程，然后入射在硅單晶上，產生的光譜色散被探測器接收，顯示在計算機上。
所述的飛秒激光器是一臺輻射波長為800nm的鈦寶石激光器，脈寬為100～1500飛秒、輸出能量為0.8～8毫焦耳，1/10的能量用來泵浦光陰極X射線二極管。
所述的分束器是一塊對800nm反射90％、透過10％的介質膜板，其基質材料是石英。
所述的光學延遲線由四塊全反射鏡構成。
所述的反射鏡都是鍍金的、對800nm具有100％反射率的金屬膜板。
所述的光陰極X射線二極管是一個包含四個組成部分的二極管，即光陰極材料是鋁，陽極材料是鎢，外殼材料是石英，它能透800nm，外殼內抽高真空密封，外加50～120kV的高壓源。
所說的樣品是用來產生快過程的固體或液體，例如，被飛秒脈沖激發以后，它能產生瞬態結構變化，我們就是研究該過程。
所說的硅單晶用來產生X射線色散譜。
所說的探測器是用來探測光陰極X射線二極管經過樣品以后，含有樣品的動態信息所成的圖像。
所說的計算機是用來顯示探測器上所接收到的圖像信息。
本實用新型的技術效果本實用新型采用一臺鈦寶石激光器進行分束，其中一束用來作作用光束，產生一快過程，作為待測事件，另一束用來產生X射線脈沖，作為探測光束，而作用光束和探測光束之間用光束延遲線，用于調整光束延遲，這樣能很方便地探測快過程。由于光陰極X射線二極管上施加一高電壓，能將陽極上打出X射線，這在激光等離子體上是難以得到的。
本實用新型與在先技術相比本實用新型超快時間分辨X射線譜儀，由于采用同一臺激光器作作用光束和泵浦光束，能控制延遲，拍攝快過程，可用來研究待測樣品的瞬態結構變化導致的光譜變化。
圖1為在先技術所使用的X射線平晶譜儀結構框圖。
圖2為本實用新型的超快時間分辨X射線譜儀結構框圖。
具體實施方式
先請參閱圖2，圖2為本實用新型的超快時間分辨X射線譜儀結構框圖。由圖可見，本實用新型超快時間分辨X射線譜儀，包括飛秒激光器1，在該飛秒激光器1的激光輸出光路上安置一分束器2，該分束器2的反射光束A經由光學延遲線到達樣品9，構成對樣品9的作用光束，在該分束器2的透射光束B經全反射鏡3入射在光陰極X射線二極管8上，該光陰極X射線二極管8產生的X射線入射到樣品9上，探測作用光束A產生瞬態結構變化的過程，然后入射在硅單晶10上，產生的光譜色散被探測器11接收，顯示在計算機12上。
所述的飛秒激光器1是一臺輻射波長為800nm的鈦寶石激光器，脈寬為100～1500飛秒、輸出能量為0.8～8毫焦耳，1/10的能量用來泵浦光陰極X射線二極管8。
所述的分束器2是一塊對800nm反射90％、透過10％的介質膜板，其基質材料是石英。
所述的光學延遲線由四塊全反射鏡4、5、6、7構成所述的全反射鏡都是鍍金的、對800nm具有100％反射率的金屬膜板。
所說的光陰極X射線二極管8，是一個用來產生X射線的裝置，它是由四部分組成陽極81，材料是金屬，當光電子打在金屬上時，會產生X射線。
陰極82，材料是鋁，外加高壓源83，工作電壓為100kV，外殼84，殼內抽高真空，外殼材料透800nm，外殼上有一硬X射線的窗口。
所說的樣品9，是用來產生快過程的固體樣品。
所說的硅單晶10，用來將X射線色散，這是譜儀核心部件，它的色散率和分辨率由公式(5)和(6)確定。
所說的探測器11，是一臺CCD電荷耦合器，它能對X射線光譜敏感。
所說的計算機12，是用來存儲和顯示探測器上獲得的圖像的裝置。
本實用新型的超快時間分辨X射線譜儀的工作原理和基本過程如下本實用新型采用一臺鈦寶石激光器1進行分束，其中一束(占總強度的9/10)用來作作用光束，輻射在待研究的樣品9上，產生一激光與物質相互作用的快過程，作為待測動態事件。另一束用來產生光電子，產生X射線脈沖作為探測光束，探測上述動態事件，而兩光束之間的延遲，通過光束延遲線來實現，因此，能很方便地實現兩光束之間的同步和延遲，通過調整延遲線，就可以測量出不同動態時刻的瞬態結構變化。
由于采用光電子，它的單色性可以通過控制鈦寶石激光的線寬來控制，由于光陰極X射線二極管中的陽極采用金屬，發射的X射線，是激光等離子體遠不能達到的。
當記錄下第一張超快時間分辨X射線光譜的照片以后，延遲10ps，重復上述實驗，再拍攝一張，這樣不斷以10ps為一步，重復進行，一直拍攝到上述動態事件結束為止，其時間分辨率為皮秒量級。
權利要求1.一種超快時間分辨X射線譜儀，包括飛秒激光器(1)，其特征是在所述的飛秒激光器(1)的激光輸出光路上安置一分束器(2)，該分束器(2)的反射光經由光學延遲線到達樣品(9)，構成對樣品(9)的作用光束(A)，在該分束器(2)的透射光(B)經全反射鏡(3)入射在光陰極X射線二極管(8)上，該光陰極X射線二極管(8)產生的X射線入射到樣品(9)上，探測作用光束(A)產生瞬態結構變化的過程，然后入射在硅單晶(10)上，所產生的光譜色散被探測器(11)接收，顯示在計算機(12)上。
2.根據權利要求1所述的超快時間分辨X射線譜儀，其特征在于所述的飛秒激光器(1)是一臺輻射波長為800nm的鈦寶石激光器，脈寬為100～1500飛秒、輸出能量為0.8～8毫焦耳，1/10的能量用來泵浦光陰極X射線二極管(8)。
3.根據權利要求1所述的超快時間分辨X射線譜儀，其特征在于所述的分束器(2)是一塊對800nm反射90％、透過10％的介質膜板，其基質材料是石英。
4.根據權利要求1所述的超快時間分辨X射線譜儀，其特征在于所述的光學延遲線由四塊全反射鏡(4、5、6、7)構成
5.根據權利要求4所述的超快時間分辨X射線譜儀，其特征在于所述的反射鏡都是鍍金的、對800nm具有100％反射率的金屬膜板。
6.根據權利要求1至5任一項所述的超快時間分辨X射線譜儀，其特征在于所述的光陰極X射線二極管(8)是一個包含四個組成部分的二極管，即光陰極材料是鋁，陽極材料是鎢，外殼材料是石英，它能透800nm，外殼內抽高真空密封，外加50～120kV的高壓源。
專利摘要一種超快時間分辨X射線譜儀，包括飛秒激光器，其特征是在所述的飛秒激光器的激光輸出光路上安置一分束器，該分束器的反射光經由光學延遲線到達樣品，構成對樣品的作用光束，在該分束器的透射光經全反射鏡入射在光陰極X射線二極管上，該光陰極X射線二極管產生的X射線入射到樣品上，探測作用光束產生瞬態結構變化的過程，然后入射在硅單晶上，產生的光譜色散被探測器接收，顯示在計算機上。本實用新型可用來研究待測樣品的瞬態結構變化導致的光譜變化。
文檔編號G01N23/00GK2783319SQ20052004125
公開日2006年5月24日 申請日期2005年4月29日 優先權日2005年4月29日
發明者陳建文, 高鴻奕, 李儒新, 朱化鳳, 干慧倩, 徐至展 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所