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專利名稱：一種寬波段譜晶體譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及X射線譜測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種測(cè)量寬波段X射線譜的晶體譜儀。
晶體譜儀是測(cè)量短波長(zhǎng)輻射(X射線、γ射線)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去深入了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而建立起一門有廣泛應(yīng)用領(lǐng)域和重要理論意義的X射線譜學(xué)。
晶體譜儀依晶體反射面所取形狀可分為兩類平晶譜儀和彎晶譜儀。后者的分光晶片被彎曲成柱面狀或球面狀，能將譜聚焦，因而比前者(反射面為平面)有高得多的集光度(光強(qiáng)／單位面積)，有著更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。
Von Hamos譜儀是將分光晶片彎曲成柱面狀以實(shí)現(xiàn)垂直于色散方向聚焦的一種彎晶譜儀[文獻(xiàn)1，L．Von Hamos，Naturwissenschaften，20(38)，705(1932)]。如

圖1所示，晶體C的曲率半徑為R，曲率軸線為SS′，由位于SS′輻射源S發(fā)射的X射線落到晶面上，其中入射到弧線aa′上各點(diǎn)的光線與晶面的傾角均為θB(Bragg角)，被晶體衍射后按Bragg定律將會(huì)聚于曲率軸線上S′點(diǎn)，相應(yīng)于一個(gè)波長(zhǎng)λ。令距離SS′=L，則L=2RCOSθB，當(dāng)波長(zhǎng)增加時(shí)，θB也增加，點(diǎn)A和S′將移近S，反之，則離開S；若晶片寬度越大，獲得的X射線譜的波長(zhǎng)范圍就越寬。
Von Hamos譜儀特別適用于微小輻射源的分析，早期用于金屬、合金材料的X射線微區(qū)分析。近年來它廣泛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，用于診斷等離子體參數(shù)，研究等離子體基本過程[文獻(xiàn)2，B．Yaakabi，et al，Rev．Sci．Instrum，50，1609(1979)]；文獻(xiàn)3，Λ．Π．eBeΛbko，KBAHTOBAэΛEKTPOHUKA．4，2013(1997)]。這些研究通常期望能夠從一次激光打靶或者說一次曝光得到的X射線譜中獲得盡可能多的時(shí)空信息。由于Hamos譜儀集光度高(比平晶譜儀高10-100倍)，易于在一次激光打靶中獲得X射線譜，避免等離子體自身不穩(wěn)定性和不重復(fù)性帶來的困難，它也適用于測(cè)量一些弱譜線(例如被壓縮的靶芯發(fā)射的譜，高能級(jí)躍遷和高離化態(tài)離子的譜線等)。此外，用它還可以獲得較高空間分辨率測(cè)量，這對(duì)于研究等離子體中的非均勻性有重要意義。然而，以往的Hamos譜儀只采用一塊分光晶體，而且為了獲得高集光度和高分辨率必須保證晶片的彎曲質(zhì)量，晶片通常不可能做得太寬。因此，一次激光打靶獲得的波長(zhǎng)范圍很窄。例如，以下列三種常用晶體為例，若曲率半徑為63mm，晶片寬度為20mm，可得到的最大波長(zhǎng)范圍△λ分別為MICA～2．388，ADP～1．280，QTZ～0．243。若要擴(kuò)展波段，或者獲得另一波段的譜，則需改變?chǔ)菳角(譜儀沿色散方向尺寸勢(shì)必加大)，或者更換合適的晶體。這些都必須重新調(diào)節(jié)譜儀，并進(jìn)行另一次激光打靶。這不僅增加調(diào)節(jié)的麻煩，更重要的將影響測(cè)量精度(精確地調(diào)節(jié)譜儀才能獲得高集光度和高分辨率)，而且許多情況下激光打靶實(shí)驗(yàn)只容許在一次打靶中獲得所需的數(shù)據(jù)。此外，依靠一塊有限寬度的晶體不可能同時(shí)獲得波長(zhǎng)相差很大的多個(gè)分立波段的譜。
本實(shí)用新型的目的是針對(duì)以往Von Hamos譜儀的缺點(diǎn)和不足，通過采用多塊有限寬度的分光晶體來實(shí)現(xiàn)在一次激光打靶中獲得多個(gè)分立波段的譜，或擴(kuò)展所需波段，從而獲得有用的時(shí)、空信息，提高測(cè)量精度。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型根據(jù)所需的波段，相應(yīng)地選用兩塊或兩塊以上不同種類或相同種類的分光晶體2，將它們彎曲成相同的所需的曲率半徑R，然后按波長(zhǎng)依序緊密排列或分離排列，并使它們的反射面處于同一圓柱面上。分光晶體2和探測(cè)器4分別處于基座上兩個(gè)嚴(yán)格平行的導(dǎo)軌上，可分別沿導(dǎo)軌移動(dòng)以改變?chǔ)菳角探測(cè)不同的波長(zhǎng)范圍；亦可垂直于導(dǎo)軌方向移動(dòng)，以調(diào)節(jié)X射線輻射源1和探測(cè)器4入射平面的位置，使它們落在分光晶體的曲率軸線上。這樣，如圖2所示，從X射線輻射源1發(fā)射的X輻射被分光晶體2衍射后按Bragg定律將產(chǎn)生多個(gè)分立波段的譜依序排列在晶體曲率軸線上，由探測(cè)器4記錄，從而實(shí)現(xiàn)在一次激光打靶中同時(shí)獲得多個(gè)分立波段的譜或擴(kuò)展所需的波段。
在使用中為便于測(cè)量和比較不同波長(zhǎng)范圍的譜，所選用的多塊分光晶體既可以緊密排列，也可以分離排列。
當(dāng)所選用的某種分光晶體2在技術(shù)上不能得到足夠?qū)挾葧r(shí)，或者為保證晶體彎曲質(zhì)量而寬度受到限制時(shí)，可選用多塊該種晶體緊密排列或分離排列來獲得寬波段的譜。
當(dāng)Bragg角θB較大時(shí)，X射線輻射源1與探測(cè)器4相距太近，可把基座做成平行四邊形，使X射線輻射源1周圍有更大的自由空間，便于實(shí)驗(yàn)安排。
在使用中，根據(jù)所測(cè)量的波長(zhǎng)范圍可選用不同厚度Be、Al等金屬做濾片3，以防止不需要的輻射進(jìn)入探測(cè)器。
探測(cè)器4可采用X光底片，或適用于X輻射區(qū)的CCD(電荷耦合器件)或PDA(光電二極管列陣)等固體成象器件，也可用條紋相機(jī)。在弱X射線源的情況下，可采用MCP(微通道板)象增強(qiáng)器與上述固體成象器件耦合，或與可見光底片耦合，以提高探測(cè)效率。
本實(shí)用新型選用多塊不同種類的晶體可實(shí)現(xiàn)一次激光打靶得到多個(gè)分立波段的譜，提高了測(cè)量精度并免去了麻煩的“對(duì)光”調(diào)節(jié)手續(xù)，提高了測(cè)量效率。若不同實(shí)驗(yàn)待測(cè)的波長(zhǎng)不同，利用本實(shí)用新型可相應(yīng)地同時(shí)選用不同晶體，實(shí)驗(yàn)時(shí)只需更換靶，而無須進(jìn)行更換晶體、重新對(duì)光等繁瑣手續(xù)。利用本實(shí)用新型選用多塊不同種類分光晶體便可獲得所需寬波段而無須增加譜儀的尺寸。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明圖1是Von Hamos譜儀原理示意圖，圖2是本實(shí)用新型的寬波段譜晶體譜儀結(jié)構(gòu)圖，圖3是實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)圖，圖4是實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)圖，其中1 X射線輻射源，2 曲率半徑為R的分光晶片，3 濾片， 4 探測(cè)器實(shí)施例1采用寬度為1cm，高度為5cm，曲率半徑為R=6．3cm的三塊不同種類的分光晶體2-1 MICA(002)，2-2 ADP(101)，2-3 QTZ(224-3)緊密連接排列以獲得寬波段譜而減少譜儀尺寸的應(yīng)用實(shí)例。如圖2所示，由X射線輻射源1發(fā)射的X射線以不同的Bragg角θB(63°-45°)入射到三塊晶體上，經(jīng)晶體衍射后通過一個(gè)寬7cm，高0．6cm，厚25μm的Be濾片3后在晶體曲率軸線上產(chǎn)生三個(gè)分立波段的譜，由位于該處的探測(cè)器4記錄，探測(cè)器4由無窗象增強(qiáng)器與可見光底片組成。無窗象增強(qiáng)器由MCP與熒光屏組成，并通過光纖面板與底片耦合。MCP入射面長(zhǎng)8cm，高1cm；通道直徑～22μm。三種晶體產(chǎn)生的波段分別為MICA17．728-16．544ADP 8．869-8．220QTZ 1．560-1．442
這三個(gè)波長(zhǎng)相差很大的波段緊密連接排列在一起可以減少譜儀在色散方向上的尺寸，對(duì)一些小裝置的實(shí)驗(yàn)十分方便。
實(shí)施例2為便于測(cè)量和比較某些譜線，或者預(yù)定要先后測(cè)量這些譜線，而這些譜線的波長(zhǎng)相差較大，為避免更換晶體“對(duì)光”調(diào)節(jié)的麻煩可采用本應(yīng)用實(shí)例。
為測(cè)量Al kα線(8．339)和Cu kα線(1．542)，相應(yīng)地選用兩種晶體2-1 PET(002)，2-2 QTZ(224-3)分離排列。晶體寬1cm，高5cm，R=10cm。濾片3-1，3-2用寬25mm，高4mm，厚25μm的Be膜。探測(cè)器4-1，4-2用Φ25的MCP象增強(qiáng)器與CCD耦合。MCP的通道直徑～11μm，CCD光敏面積7mm×25mm，象元中心距～8μm。由源1發(fā)射的X輻射，當(dāng)θB分別為76°-70．7°，51．34°-48°時(shí)，經(jīng)兩塊晶體衍射后得到的波長(zhǎng)范圍分別為8．465-8．236，1．580-1．504，它們分別包含了Al kα和Cu kα兩根譜線。改變?chǔ)菳或者調(diào)節(jié)探測(cè)器4在晶體曲率軸線上的位置，可獲得另兩個(gè)波長(zhǎng)范圍。
實(shí)施例3當(dāng)使用中選用的某種晶體因技術(shù)原因或?yàn)楸ＷC彎曲質(zhì)量而寬度受到限制時(shí)可采用多塊該種晶體連接排列以獲得寬波段譜。如圖4所示，選用高50cm，寬1．5cm的兩塊PET(002)晶體2-1、2-2連接成寬度為3cm，R=6．3cm的彎晶。探測(cè)器4采用寬10cm、高1cm的X光底片裝在暗盒內(nèi)，用相應(yīng)尺寸的Be濾片3(厚～25μm)做窗口。由輻射源1發(fā)射的X射線經(jīng)加寬的分光晶片衍射后，探測(cè)器4得到的是擴(kuò)展了波長(zhǎng)范圍的譜。
權(quán)利要求1.一種寬波段譜晶體譜儀，其特征在于在Von Hamos譜儀中，選用兩塊或兩塊以上不同種類或相同種類的分光晶體(2)，將它們彎曲成相同的所需的曲率半徑R，然后按波長(zhǎng)依序緊密排列，并使它們的反射面處于同一圓柱面上，分光晶體(2)和探測(cè)器(4)分別處于長(zhǎng)方形基座上兩個(gè)嚴(yán)格平行的導(dǎo)軌上，并可分別沿導(dǎo)軌移動(dòng)；或垂直于導(dǎo)軌方向移動(dòng)，濾片(3)選用金屬制成。
2.按權(quán)利要求1所述的寬波段譜晶體譜儀，其特征在于所選用的兩塊或兩塊以上不同種類或相同種類的分光晶體(2)還可以按波長(zhǎng)依序分離排列。
3.按權(quán)利要求1所述的寬波段譜晶體譜儀，其特征在于還可以把長(zhǎng)方形基座做成平行四邊形。
4.按權(quán)利要求1所述的寬波段譜晶體譜儀，其特征在于濾片(3)可選用不同厚度的Be或Al。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種測(cè)量寬波段X射線譜的晶體譜儀。通過采用多塊有限寬度的曲率半徑相同的分光晶體依波長(zhǎng)順序緊密排列或分離排列來實(shí)現(xiàn)在一次激光打靶中獲得多個(gè)分立波段的譜或擴(kuò)展所需波段,從而獲得有用的時(shí)空信息,提高測(cè)量精度。本實(shí)用新型簡(jiǎn)化了手續(xù),提高了測(cè)量效率。
文檔編號(hào)G01N23/207GK2426981SQ0020576
公開日2001年4月18日 申請(qǐng)日期2000年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月22日
發(fā)明者張 杰, 李贊良 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院物理研究所