一種低溫X射線誘導熱釋光光譜測量裝置的制作方法

本發明涉及X-Ray射線、高低溫控制和光譜檢測領域，特別涉及一種X-Ray誘導熱釋光光譜檢測裝置。

背景技術：

當材料受到高能粒子(如X射線，γ射線等)輻照后會產生電子-空穴對。在材料制備的過程中，由于制備工藝限制難免會存在各種缺陷(電子陷阱，空穴陷阱，反位置缺陷等)，受高能射線輻照后，處于激發態的電子或空穴會被材料中的缺陷捕獲，將輻射能量暫時儲存在陷阱中。但這些能級并不穩定，當加熱時，陷阱中的能量便以光的形式釋放出來，這種現象稱為熱釋發光。熱釋光對材料研究和了解材料發光過程來說具有重要意義。以閃爍材料為例，閃爍材料是一種能將入射在其上的高能射線(X/γ射線)或粒子轉換為紫外或可見光的晶態能量轉換體，廣泛應用在高能物理與核物理實驗、影像核醫學(Computed Tomography，簡稱CT和Positron Emission Tomography，簡稱PET)、工業CT在線檢測、油井勘探、安全稽查及反恐應用等。閃爍材料中的缺陷在能帶結構中表現為在能帶間隙中形成陷阱。缺陷的存在嚴重影響閃爍材料載流子輸運過程，造成發光慢分量，降低光產額，這些閃爍性能的降低會嚴重影響材料的實際應用效果，造成探測效率和成像分辨率大大降低。熱釋光光譜儀是研究固體缺陷的有力工具，可以對陷阱深度、陷阱濃度等進行分析表征。根據結果，我們可以對制備工藝進行設計和優化，提高發光性能。此外，我們可以根據陷阱能級位置，對閃爍材料的能級進行設計計算，這對制備新型高光輸出快衰減閃爍材料意義重大。材料的陷阱深度和熱釋光的溫度密切相關，這是因為，材料受熱時，載流子首先由較淺的陷阱中釋放出來，當這些陷阱中儲存的載流子全部釋放完時，光強度減小，形成熱釋光圖譜中的第一個峰。隨著加熱溫度的增加，較深的陷阱中的載流子被釋放。因此，熱釋光儀器所能達到的溫度范圍直接決定了其所能探測的陷阱深度。處于淺能級的陷阱只有用低溫熱釋光才可以探測到。

熱釋光測試系統還可用于熱釋光定年法判斷古陶瓷年代，主要是利用熱釋光信號的強度來進行年代判定。因為對于陶瓷制品來講，其中含有大量的礦物晶體，如石英、長石和方解石等，這些晶體長期受到核輻射(如α、β和γ)的作用，積累了相當的能量，因此若把陶瓷加熱，將可觀察熱釋光現象，熱釋光的強度與它所接受的核輻照的多少成正比。由于陶瓷所受的核輻射是來自于自然環境和陶瓷本身所含的微少的放射性雜質(如鈾、釷和鉀40等)。其放射性劑量相對恒定，因此熱釋光的強度便和受輻時間的長短成正比。在陶瓷的 燒制過程中原始的熱釋光能量都會因高溫而全部釋放掉，此后陶瓷重新積累熱釋光信號，所以最后所測量得到的熱釋光信號，是與陶瓷的燒制年代成正比，這就是熱釋光斷代的基本原理。同樣地，根據熱釋光信號的強弱，還可以進行輻照劑量的測定，以此原理可制成輻照劑量儀。

另外，發光光譜是由物質本身的能級結構決定的，因此可以根據物質所產生的光譜，對發光離子進行定性分析鑒別，在生物、化學、環境等領域有重要作用。

目前，國內尚無低溫X-Ray誘導熱釋光光譜測量裝置，現有熱釋光儀器僅能測試室溫以上的熱釋光信號，主要原因在于：在技術上同時實現樣品的低溫控制及X-ray輻照和光譜接收十分困難。但是，如前所述，材料內部的陷阱深度直接與溫度相關，例如閃爍材料的位置缺陷一般出現在100K-200K之間，所以現有的熱釋光無法對這些淺能級缺陷進行探測，其測量范圍限制了這項技術在材料研究和檢測方面的應用。而且在進行類似X-Ray誘導熒光光譜測量裝置中，該類裝置由X-Ray源、熒光探頭、單色儀組成，該類裝置用于收集X-Ray誘導熒光的光譜數據。其中的X-Ray源作為激發光光源，熒光探頭用于收集熒光物質被激發后產生的熒光，單色儀用于檢測熒光光譜，進行熒光檢測時(見圖2)，熒光探頭收集的熒光先通過單色儀上的狹縫21進入單色儀，再通過一反射鏡22反射到光柵23上，經光柵色散后通過另一反射鏡24反射到單點探測器25上，由于不同波長的從光柵的角度不同，控制光柵23順序轉動，即可使光柵色散后的不同波長的光順序照射到單點探測器25上，光柵23順序轉動一個周期后，即可實現對熒光光譜的掃描，進而獲得熒光光譜。

該類X-Ray誘導熒光光譜測量裝置的缺陷在于：

1.單色儀中需要配置驅動光柵轉動的驅動部件，因此其體積、功耗都較大，導致整個裝置的體積、功耗都過于龐大，而且獲取熒光光譜的時間周期較長，無法實現熒光光譜的實時采集，因而也無法分析熒光信號的一些瞬態特征，光譜重復性也較差；

2.僅僅對X-Ray誘導熒光光譜進行了測量，在更長波長范圍內的X-Ray誘導熱釋光光譜無法進行測量，影響了分析的信息內容；

現有的熱釋光儀器僅有室溫以上熱釋光測試系統，主要原因在于現有技術沒有集成可以進行液氮或液氦降溫的樣品室。

因而，該領域迫切需要一種性能優異的低溫X-Ray誘導熱釋光光譜測量裝置。

技術實現要素：

本發明旨在填補低溫X-Ray誘導熱釋光光譜測量裝置的技術空白，本發明提供了一種低溫X射線誘導熱釋光光譜測量裝置。

本發明提供了一種低溫X射線誘導熱釋光光譜測量裝置，所述測量裝置包括X射線源、溫度控制單元、設置于溫度控制單元內的樣品臺、光收集系統、以及光柵光譜儀，所述溫度控制單元包括保溫殼體、以及設置于保溫殼體內的溫度傳感器和加熱制冷器，其中，

所述X射線源設置為發射通過溫度控制單元的保溫殼體上的孔洞、入射至樣品臺的樣品上的X射線；

所述溫度傳感器設置為檢測樣品臺上樣品的溫度，所述加熱制冷器設置為響應溫度傳感器測量的樣品溫度、并調節樣品溫度至設定溫度，所述保溫殼體上設置有用于使樣品發出的熱釋光信號傳輸至保溫殼體外部的孔洞；

所述光采集系統設置為采集樣品發出的熱釋光信號、并將熱釋光信號輸送至光柵光譜儀；

所述光柵光譜儀設置為接受光采集系統輸送的熱釋光信號、并將熱釋光信號輸送至其內部的圖像傳感器。

本發明中測試系統包括X-Ray源、溫度控制單元、設置于溫度控制單元內的樣品臺、光收集系統、光柵光譜儀。發光材料(樣品)裝入溫度控制單元內的樣品臺并經溫控系統降至指定溫度，之后用X-Ray源按一定劑量進行輻照，輻照停止后樣品按照設定升溫速率進行升溫，在升溫的過程中可以采集到材料由于溫度變化產生的熱釋光信號。

較佳地，所述X射線源為能夠定向發射X射線的X射線管；

X射線管通過定向發射X射線，X射線的輻照劑量要達到樣品材料所需的閾值。

較佳地，所述溫度控制單元設置為能夠調節樣品溫度至77K。

溫度控制單元能夠將樣品溫度降至液氮溫度(77K)，從而可以測量缺陷出現在100-200K之間的閃爍材料。

較佳地，所述光采集系統包括準直透鏡、聚焦透鏡、傳導光纖，其中，

準直透鏡設置為將采集的熱釋光信號準直；

聚焦透鏡設置為將經準直的熱釋光信號聚焦至傳導光纖；

所述傳導光纖設置為輸送熱釋光信號至光柵光譜儀。

具備上述組成的光采集系統能夠很好地實現熱釋光信號采集、傳輸。

所述光柵光譜儀包括狹縫器件、信號光反射鏡、反射式閃耀平場光柵、反射聚光鏡、圖像傳感器，其中，

所述狹縫器件設置為用于通過熱釋光信號；

所述信號光反射鏡設置為接受通過狹縫器件的熱釋光信號、并將熱釋光信號反射至反射式閃耀平場光柵；

所述反射式閃耀平場光柵設置為接受熱釋光信號、并將熱釋光信號反射至反射聚光鏡；

所述反射聚光鏡設置為接受熱釋光信號、并將熱釋光信號反射至圖像傳感器。

較佳地，所述溫度傳感器內嵌于所述樣品臺。

本發明的有益效果：

本發明提供的X-Ray誘導熱釋光光譜測量裝置，引入了光柵光譜儀，該光柵光譜儀采用反射式閃耀平場光柵實現對光信號的色散，采用圖像傳感器來一次性捕獲全光譜波長信號光光譜，獲取光譜的時間周期很短(能達到1ms)，能實現光譜的實時采集，光譜重復性好，并能利用光信號的一些瞬態特征，還能減少裝置整體體積、降低裝置整體功耗；相對于傳統X-Ray熒光光譜測量裝置，該裝置增加了樣品溫度控制系統，不僅能檢測X-Ray熒光光譜，還能檢測更寬范圍的X-Ray誘導熱釋光光譜，對樣品分析更全面，準確，數據信息更豐富。

附圖說明

圖1是本發明一個實施方式中X-Ray誘導熱釋光光譜測量裝置的結構示意圖；

圖2是現有的單色儀的結構示意圖；

圖3是本發明一個實施方式中X-Ray誘導熱釋光光譜測量裝置中的溫度控制盒的結構示意圖；

圖4是本發明一個實施方式中X-Ray誘導熱釋光光譜測量裝置中的光收集系統的結構示意圖；

圖5是本發明一個實施方式中X-Ray誘導熱釋光光譜測量裝置中的光柵光譜儀的結構示意圖；

圖6是實施例1的X-Ray誘導熱釋光光譜儀測試系統構架圖；

圖7是Pr：LuAG閃爍陶瓷(添加Sc₂O₃,La₂O₃燒結助劑)的熱釋光曲線(左：米蘭比克卡大學測試結果，右：實施例1測試系統獲得的結果)；

圖8是采用用實施例1測試系統獲得的不同工藝制備的Ce,Pr:Gd₂O₂S陶瓷熱釋光曲線；

圖9是文獻報道的Ce,Pr:Gd₂O₂S典型的熱釋光曲線(Optical Materials 33(2011)1514–1518)。

具體實施方式

以下結合附圖和下述實施方式進一步說明本發明，應理解，附圖及下述實施方式僅用于說明本發明，而非限制本發明。

針對上述現有技術中存在的缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種X-Ray誘 導低溫熱釋光光譜檢測裝置，實現對X-Ray熒光光譜和X-Ray誘導熱釋光光譜的實時采集、減少裝置整體體積、降低裝置整體功耗。該發明解決了低溫X-Ray誘導熱釋光光譜的檢測問題，對研究發光材料內部缺陷尤其是淺能級缺陷具有重要意義，同時儀器可用于熱釋光定年法判斷古陶瓷年代和輻照計量評估。

本發明提供了一種低溫X射線誘導熱釋光光譜測量裝置，所述測量裝置包括X射線源、溫度控制單元、設置于溫度控制單元內的樣品臺、光收集系統、以及光柵光譜儀，所述溫度控制單元包括保溫殼體、以及設置于保溫殼體內的溫度傳感器和加熱制冷器，其中，

所述X射線源設置為發射通過溫度控制單元的保溫殼體上的孔洞、入射至樣品臺的樣品上的X射線；

所述溫度傳感器設置為檢測樣品臺上樣品的溫度，所述加熱制冷器設置為響應溫度傳感器測量的樣品溫度、并調節樣品溫度至設定溫度，所述保溫殼體上設置有用于使樣品發出的熱釋光信號傳輸至保溫殼體外部的孔洞；

所述光采集系統設置為采集樣品發出的熱釋光信號、并將熱釋光信號輸送至光柵光譜儀；

所述光柵光譜儀設置為接受光采集系統輸送的熱釋光信號、并將熱釋光信號輸送至其內部的圖像傳感器。

測試系統包括X-Ray源、溫度控制盒、樣品臺、光收集系統、光柵光譜儀。發光材料裝入溫度控制盒并經溫控系統降至指定溫度，之后用X-Ray源按一定劑量進行輻照，輻照停止后樣品按照設定升溫速率進行升溫，在升溫的過程中可以采集到材料由于溫度變化產生的熱釋光信號。

如圖1及圖3至圖5所示，本發明實施例所提供的一種X-Ray誘導熱釋光光譜測量裝置，包括X-Ray源1、溫度控制盒2、樣品臺31、光收集系統3、光柵光譜儀4。

所述X-Ray源1是一種X-Ray管，能持續發射定向的X-Ray束。其X-ray的輻照劑量要達到材料發光所需的閾值。

所述溫度控制盒2(見圖3)包括保溫殼體34、溫度傳感器33、加熱制冷器32。

所述溫度傳感器33能將溫度轉換成電信號，從而感知被測樣品溫度信息，該溫度傳感器33被內嵌在樣品臺31中，用來測試樣品的溫度信息。

所述加熱制冷器32能將樣品臺31加熱升溫和制冷降溫，根據溫度傳感器33反饋的溫度信息與設定值的差異來進行加熱或者降溫，使樣品臺31溫度達到設定溫度。且為了保證整個樣品受熱均勻，樣品和加熱樣品臺需要貼合在一起。

所能達到的低溫范圍由保溫殼體所確定，如到液氦(絕對零度)或液氮溫度 (77K)。

所述樣品臺31、溫度傳感器33、加熱制冷器32均被放置于保溫殼體34中，以減少溫度控制器32的工作功率。

所述X-Ray源1和溫度控制盒2構成激發光路，X-Ray源1發射的X-Ray進入溫度控制盒2，打到樣品臺31上的被測樣品，之后樣品被加熱制冷器32加熱到設定溫度，樣品發射X-Ray誘導熱釋光信號。

所述光收集系統3(見圖4)包括準直透鏡41、聚焦透鏡42、傳導光纖43；

所述準直透鏡41將樣品發射的X-Ray誘導熱釋光信號進行準直，經所述聚焦透鏡42聚焦到所述傳導光纖43，經傳導光纖43進入光柵光譜儀4。

進一步的，所述光柵光譜儀4(見圖5)包括狹縫器件51、信號光反射鏡52、反射式閃耀平場光柵53、反射聚光鏡54、圖像傳感器55；

所述經傳導光纖43進入光柵光譜儀4的X-Ray誘導熱釋光信號，先穿過狹縫器件51，再依次由信號光反射鏡52反射至反射式閃耀平場光柵53，由反射式閃耀平場光柵53反射至反射聚光鏡54，由反射聚光鏡54反射至圖像傳感器55。

所述光收集系統3、光柵光譜儀4構成光信號接收回路。

本發明實施例中，所述圖像傳感器45采用的是型號為ILX511B的線陣CCD圖像傳感器，本發明其它實施例中，所述圖像傳感器也可以采用能實現捕獲全光譜波長熒光光譜的其它圖像傳感器。

本發明實施例的工作原理如下：

X-Ray源1發射的X-Ray經過保溫殼體34，照射在固定于樣品臺31上的樣品，之后加熱制冷器32根據溫度傳感器33的信號將樣品加熱到設定溫度，此時，樣品即發射X-Ray誘導熱釋光信號；

部分X-Ray誘導熱釋光信號通過保溫殼體34的出射口，進入光收集系統3的準直透鏡41，準直透鏡41將樣品發射的X-Ray誘導熱釋光信號進行準直，經所述聚焦透鏡42聚焦到傳導光纖43，經傳導光纖43的信號光進入光柵光譜儀4的狹縫器件51，經過狹縫器件51，再依次由信號光反射鏡52反射至反射式閃耀平場光柵53，產生色散，色散光由反射式閃耀平場光柵53反射至反射聚光鏡54，由反射聚光鏡54將色散光信號壓縮反射至圖像傳感器55，由圖像傳感器55捕獲后通過模電轉換，形成一個全光譜波長的X-Ray誘導熱釋光光譜。本發明實施例特別適用于陶瓷等物質的X-Ray誘導熱釋光光譜測量。

本發明提供的X-Ray誘導熱釋光光譜測量裝置，引入了光柵光譜儀，該光柵光譜儀 采用反射式閃耀平場光柵實現對光信號的色散，采用圖像傳感器來一次性捕獲全光譜波長信號光譜，獲取光譜的時間周期很短(能達到1ms)，能實現光譜的實時采集，光譜重復性好，并能利用光信號的一些瞬態特征，還能減少裝置整體體積、降低裝置整體功耗；相對于傳統X-Ray熒光光譜測量裝置，該裝置增加了樣品溫度控制系統，不僅能檢測X-Ray熒光光譜，還能檢測更寬范圍的X-Ray誘導熱釋光光譜，對樣品分析更全面，準確，數據信息更豐富。

下面進一步例舉實施例以詳細說明本發明。同樣應理解，以下實施例只用于對本發明進行進一步說明，不能理解為對本發明保護范圍的限制，本領域的技術人員根據本發明的上述內容作出的一些非本質的改進和調整均屬于本發明的保護范圍。下述示例具體的工藝參數等也僅是合適范圍中的一個示例，即本領域技術人員可以通過本文的說明做合適的范圍內選擇，而并非要限定于下文示例的具體數值。

實施例1

圖6為X-Ray誘導低溫熱釋光測試系統的原理圖，其中X-Ray光源的最高電壓為90Kv，電流為2-2.5mA；樣品室的溫度范圍為77K(液氮溫度)-500K，升溫速率<6K/min(可調)；光譜儀探測靈敏度為26個光子(@250nm)。最終測試系統的主要指標如下表所示：

測試結果1：

測試材料：Pr：LuAG閃爍陶瓷(添加Sc₂O₃,La₂O₃燒結助劑)；

材料來源：上海硅酸鹽研究所制備。

圖7中的紅色曲線是以Sc₂O₃和La₂O₃為燒結助劑制備的Pr:LuAG閃爍陶瓷的熱釋光曲線。輻照時間為5min；輻照劑量為70kv，2.5mA；77K至設定溫度的升溫速率為0.1k/min.左圖為意大利米蘭可比卡大學的測試結果，可以看出此樣品在200K附近有一個明顯的熱釋光峰，相關結果已在國際知名期刊上獲得發表(J.Am.Ceram.Soc.2012,95(7):2130-2132.)右圖是對同一塊樣品，用實施例1測試系統獲得的熱釋光曲線，可以看出，結果與意大利可比卡大學的結果一致，說明此臺儀器可以獲得準確的熱釋光信號。

測試結果2：

測試材料：Ce,Pr:Gd₂O₂S陶瓷；

材料來源：上海硅酸鹽研究所。

圖8是采用實施例1搭建的測試系統，對Ce,Pr:Gd₂O₂S陶瓷測試獲得的熱釋光曲線。輻照時間為10min；輻照劑量為60kv，2.2mA；77K至480K設定溫度的升溫速率為0.15k/min。從圖中可以看出不同工藝獲得材料的熱釋光強度有明顯差異，強度高意味著缺陷濃度高，從而會造成光產額的降低和慢分量的增加。據此可以對制備工藝進行優選以獲得高性能的閃爍材料。測試數據得到國際同行認可，此結果與文獻報到的結果一致(見圖9，Optical Materials 33(2011)1514–1518)，說明按照實施例1研制的低溫熱釋光儀器可以獲得較為準確的測試信號。