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專(zhuān)利名稱(chēng)：時(shí)間分辨x射線(xiàn)衍射儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及X射線(xiàn)衍射儀，特別是一種時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀，這種時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀的時(shí)間分辨可以達(dá)到亞皮秒量級(jí)，晶格移動(dòng)空間分辨率可以達(dá)到m量級(jí)，在材料科學(xué)和生物化學(xué)領(lǐng)域有廣泛的用途。
背景技術(shù)：
目前市場(chǎng)上出售的X射線(xiàn)衍射儀，都是利用X射線(xiàn)管做的靜態(tài)衍射儀，而在材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域從事瞬態(tài)結(jié)構(gòu)的研究人員，幾乎是翹首盼望能夠擁有一臺(tái)時(shí)間分辨的X射線(xiàn)衍射儀，從事研究工作。
顯然，研制一臺(tái)時(shí)間分辨的X射線(xiàn)衍射儀刻不容緩，在科技上，能夠?yàn)槲覈?guó)的科研人員在前沿領(lǐng)域占領(lǐng)制高點(diǎn)助一臂之力，也能使我國(guó)在這一領(lǐng)域擁有有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、有高科技含量的科學(xué)儀器；在經(jīng)濟(jì)上，目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)尚屬空白，一旦占領(lǐng)廣闊的國(guó)際市場(chǎng)與國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，可獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀，以便觀(guān)測(cè)生化反應(yīng)和物理變化過(guò)程中原子瞬間運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，描述非穩(wěn)態(tài)和短壽命的中間態(tài)，從而能了解更多物質(zhì)世界的奧秘！本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是一種泵浦與探針相結(jié)合的技術(shù)，即利用飛秒激光脈沖的一部分，在樣品中激活一個(gè)超快過(guò)程(此即泵浦)，然后再用飛秒脈沖的另一部分去產(chǎn)生超快X射線(xiàn)，去測(cè)量這個(gè)激活的超快過(guò)程，通過(guò)一系列延時(shí)感知整個(gè)過(guò)程(此即探針)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀，其特征在于它由飛秒鈦寶石激光系統(tǒng)、分束器、第一全反射鏡、第二全反射鏡、第三全反射鏡、第四全反射鏡、第五全反射鏡、第六全反射鏡、第七全反射鏡、靶、凹面反射鏡、靶室、沃爾特鏡、樣品和探測(cè)器組成，所述靶室內(nèi)有一個(gè)載有所述靶的轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)，靶和凹面反射鏡，在該靶室外還有沃爾特鏡、樣品，探測(cè)器組成；在飛秒鈦寶石激光系統(tǒng)的激光輸出光路上安置所述的分束器，鈦寶石激光經(jīng)該分束器后輸出A光束和B光束，A光束經(jīng)由第一全反射鏡、第二全反射鏡和第三全反射鏡組成的光學(xué)延遲線(xiàn)后，又經(jīng)第五全反射鏡、第六全反射鏡和第七全反射鏡折轉(zhuǎn)后形成作用光束照射到樣品，B光束經(jīng)第四全反射鏡進(jìn)入靶室，被凹面反射鏡反射并匯聚射到靶上，產(chǎn)生一特征X射線(xiàn)，再經(jīng)沃爾特鏡構(gòu)成探測(cè)光束入射樣品，探測(cè)作用光束在樣品上產(chǎn)生應(yīng)變的過(guò)程。
所述的飛秒鈦寶石激光系統(tǒng)是一臺(tái)輻射波長(zhǎng)為780～820nm、脈寬為5～100fs、輸出能量為10～1000nJ的激光裝置。
所述的分束器是一半反射半透過(guò)介質(zhì)膜板，是一塊反射50％、透過(guò)50％的介質(zhì)膜板。
所述的全反射鏡是100％全反射的介質(zhì)膜板。
所述的靶是一塊可移動(dòng)的固體靶、或液體靶、或氣體靶，當(dāng)飛秒鈦寶石激光脈沖和其相互作用以后，將產(chǎn)生特征X射線(xiàn)Kα1和Kα2線(xiàn)，相應(yīng)輻射波長(zhǎng)為0.5～1.8。
所述的凹面反射鏡是一塊非球面凹面鏡。
所述的靶室是一個(gè)真空室，真空度為10-5τ。
所述的沃爾特鏡是由拋物面鏡和雙曲面鏡組成的。
所述的樣品是晶體材料或生物樣品。
所述的所說(shuō)的X射線(xiàn)探測(cè)器是一臺(tái)X射線(xiàn)波段的CCD相機(jī)。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下當(dāng)飛秒激光器運(yùn)轉(zhuǎn)之后，入射到與光束成45°放置的分束器上，分成強(qiáng)度相等的A光束和B光束。A光束經(jīng)光學(xué)延遲線(xiàn)，然后經(jīng)多塊全反射鏡后形成入射到待測(cè)樣品上。B光束經(jīng)全反射鏡入射到靶上，產(chǎn)生特征X射線(xiàn)，被沃爾特鏡聚焦后作為探測(cè)光束，當(dāng)作用光束與樣品作用之后產(chǎn)生應(yīng)變，并且這種應(yīng)變逐步向樣品內(nèi)部不斷拓展，因此采用不同的延遲時(shí)間，對(duì)每一層進(jìn)行常規(guī)的層析記錄，就可以獲得三維的應(yīng)變動(dòng)態(tài)過(guò)程。
本發(fā)明的時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀，能夠研究原子尺度的物體的瞬態(tài)過(guò)程，時(shí)間分辨率可以達(dá)到亞皮秒量級(jí)，晶格移動(dòng)間分辨率可以達(dá)到m量級(jí)，特別適合于晶體材料和生物化學(xué)過(guò)程的研究，例如用此可以研究瞬態(tài)衍射，以探索生物的結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系。


圖1為本發(fā)明的時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀實(shí)施例結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明的時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀實(shí)施例結(jié)構(gòu)原理圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明的時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀，其特征在于它由飛秒鈦寶石激光系統(tǒng)1、分束器2、第一全反射鏡3、第二全反射鏡4、第三全反射鏡5、第四全反射鏡6、第五全反射鏡8、第六全反射鏡9、第七全反射鏡11、靶7、凹面反射鏡10、靶室12、沃爾特鏡13、樣品14和探測(cè)器15組成，所述靶室12內(nèi)有一個(gè)載有靶7的轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)，靶7和凹面反射鏡10，在該靶室12外還有沃爾特鏡13、樣品14、探測(cè)器15組成；在飛秒鈦寶石激光系統(tǒng)1的激光輸出光路上安置所述的分束器2，鈦寶石激光經(jīng)該分束器2后輸出A光束和B光束，A光束經(jīng)由第一全反射鏡3、第二全反射鏡4和第三全反射鏡5組成的光學(xué)延遲線(xiàn)后又經(jīng)第五全反射鏡8、第六全反射鏡9、第七全反射鏡11折轉(zhuǎn)后形成作用光束照射到樣品14上，B光束經(jīng)第四全反射鏡6進(jìn)入靶室12，被凹面反射鏡10反射并匯聚射到靶7上，產(chǎn)生一特征X射線(xiàn)，再經(jīng)沃爾特鏡13構(gòu)成探測(cè)光束入射樣品14，探測(cè)作用光束在樣品14上產(chǎn)生的應(yīng)變過(guò)程。
所述的飛秒鈦寶石激光系統(tǒng)1是一臺(tái)輻射波長(zhǎng)為780～820nm、脈寬為5～10fs、輸出能量為10～1000nJ的激光裝置。
所述的分束器2是一半反射半透過(guò)介質(zhì)膜板，是一塊反射50％、透過(guò)50％的介質(zhì)膜板。
所述的全反射鏡是一塊塊對(duì)800nml00％全反射的介質(zhì)膜板，其中第一全反射介質(zhì)膜板3、第二全反射介質(zhì)膜板4、第三全反射介質(zhì)膜板5組成一個(gè)光學(xué)延遲線(xiàn)，用以調(diào)整A束和B束間的相對(duì)光學(xué)延遲。
所述的靶7是一塊可移動(dòng)的銅靶，當(dāng)飛秒鈦寶石激光脈沖和其相互作用以后，將產(chǎn)生特征X射線(xiàn)Kα1和Kα2線(xiàn)，相應(yīng)輻射波長(zhǎng)為1.540562和1.544398。
所述的凹面反射鏡10是一塊非球面凹面鏡。它被用來(lái)聚焦作為打靶透鏡。
所說(shuō)的真空室12，采用3臺(tái)機(jī)械泵和3臺(tái)擴(kuò)散泵，可使靶室內(nèi)真空度達(dá)到5×10-7τ的真空室，市場(chǎng)內(nèi)可訂購(gòu)。
所說(shuō)的沃爾特鏡13，是由兩塊拋物面鏡和雙曲面鏡組成，市場(chǎng)有售。
所說(shuō)的樣品14，可以是晶體材料，也可以是生物樣品。
所說(shuō)的X射線(xiàn)探測(cè)器15，是一臺(tái)X射線(xiàn)波段的CCD相機(jī)。
本發(fā)明的時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀的工作原理和基本過(guò)程是當(dāng)飛秒鈦寶石激光脈沖入射到半反射半透過(guò)介質(zhì)膜板2以后，分成A光束和B光束。A光束飛秒脈沖經(jīng)延遲線(xiàn)和折轉(zhuǎn)反射鏡以后，照射樣品14。B光束飛秒脈沖經(jīng)第四全反射鏡6反射進(jìn)入真空室12，被凹面反射鏡10聚焦入射到固體銅靶7上，產(chǎn)生銅的Kα1線(xiàn)和Kα2線(xiàn)，這個(gè)X射線(xiàn)作為X射線(xiàn)源，經(jīng)沃爾特鏡聚焦，探測(cè)樣品14被A光束照明以后所產(chǎn)生的應(yīng)變過(guò)程，在不同延遲時(shí)間內(nèi)，拍攝不同X射線(xiàn)衍射圖，再調(diào)整延遲線(xiàn)，就可以獲得晶體動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，時(shí)間分辨率可以達(dá)到2皮秒，晶格移動(dòng)空間分辨率可以達(dá)到毫埃間距。
權(quán)利要求
1.一種時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀，其特征在于它由飛秒鈦寶石激光系統(tǒng)(1)、分束器(2)、第一全反射鏡(3)、第二全反射鏡(4)、第三全反射鏡(5)、第四全反射鏡(6)、第五全反射鏡(8)、第六全反射鏡(9)、第七全反射鏡(11)、固體靶(7)、凹面反射鏡(10)、靶室(12)、沃爾特鏡(13)、樣品(14)和探測(cè)器(15)組成，所述靶室(12)內(nèi)有一個(gè)載有靶(7)的轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)，靶(7)和凹面反射鏡(10)，在該靶室(12)外還有沃爾特鏡(13)、樣品(14)，探測(cè)器(15)組成；在飛秒鈦寶石激光系統(tǒng)(1)的激光輸出光路上安置所述的分束器(2)，鈦寶石激光經(jīng)該分束器(2)后輸出A光束和B光束，A光束經(jīng)由第一全反射鏡(3)、第二全反射鏡(4)和第三全反射鏡(5)組成的光學(xué)延遲線(xiàn)后又經(jīng)多塊全反射鏡折轉(zhuǎn)后形成作用光束照射到樣品(14)，B光束經(jīng)第四全反射鏡(6)進(jìn)入靶室(12)，被凹面反射鏡(10)反射并匯聚射到靶(10)上，產(chǎn)生一特征X射線(xiàn)，再經(jīng)沃爾特鏡(13)構(gòu)成探測(cè)光束入射樣品(14)，探測(cè)作用光束在樣品(14)上產(chǎn)生應(yīng)變的過(guò)程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀，其特征在于所述的飛秒鈦寶石激光系統(tǒng)(1)是一臺(tái)輻射波長(zhǎng)為780～820nm、脈寬為5～100fs、輸出能量為10～1000nJ的激光裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀，其特征在于所述的分束器(2)是一半反射半透過(guò)介質(zhì)膜板，是一塊反射50％、透過(guò)50％的介質(zhì)膜板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀，其特征在于所述的全反射鏡是100％全反射的介質(zhì)膜板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀，其特征在于所述的靶(7)是一塊移動(dòng)的固體靶、或液體靶、或氣體靶，當(dāng)飛秒鈦寶石激光脈沖和其相互作用以后，將產(chǎn)生特征X射線(xiàn)Kα1和Kα2線(xiàn)，相應(yīng)輻射波長(zhǎng)為0.5～1.8。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀，其特征在于所述的凹面反射鏡(10)是一塊非球面凹面鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀，其特征在于所述的靶室(12)是一個(gè)真空室，真空度為10-5τ。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀，其特征在于所述的沃爾特鏡(13)是由拋物面鏡和雙曲面鏡組成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀，其特征在于所述的樣品(14)是晶體材料或生物樣品。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀，其特征在于所述的所說(shuō)的X射線(xiàn)探測(cè)器(15)是一臺(tái)X射線(xiàn)波段的CCD相機(jī)。
全文摘要
一種時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀，它由飛秒鈦寶石激光系統(tǒng)、分束器、第一全反射鏡、第二全反射鏡、第三全反射鏡、第四全反射鏡、第五全反射鏡、第六全反射鏡、第七全反射鏡、靶、凹面反射鏡、靶室、沃爾特鏡、樣品和探測(cè)器組成，所述靶室內(nèi)有一個(gè)裝載所述靶的轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)，靶和凹面反射鏡，在該靶室外還有沃爾特鏡、樣品，探測(cè)器組成。利用本發(fā)明的時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射儀，能夠研究原子尺度的物體的瞬態(tài)過(guò)程，時(shí)間分辨率可以達(dá)到亞皮秒量級(jí)，晶格移動(dòng)間分辨率可以達(dá)到毫量級(jí)，特別適合于晶體材料和生物化學(xué)過(guò)程的研究，例如用此可以研究瞬態(tài)衍射，以探索生物的結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系。
文檔編號(hào)G01N23/205GK1657922SQ200510024299
公開(kāi)日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2005年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月10日
發(fā)明者陳建文, 高鴻奕, 李儒新, 徐至展 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所