粒子束激发真空紫外‑可见光波段磁光谱测试方法及系统与流程

本发明涉及一种粒子束激发真空紫外-可见光波段磁光谱测试方法及系统，属于磁光谱精密检测技术领域。

背景技术：

深紫外即真空紫外(vacuumultraviolet，简称vuv)。真空紫外波长在200～100nm，更低可到100～10nm，是探测一些较深的原子能级跃迁或固体能带跃迁的重要光频段，但尚未得到有效的开发利用。原因在于难以产生真空紫外光谱。普通光源如氙灯、汞灯虽然有深紫外谱线，但强度极弱。更好的办法是采用深紫外激光器，但深紫外激光的波长目前都在200～100nm，很难得到100～10nm的波长。或用激光倍频方式产生，但倍频时功率损失很大，而且频段往往不足于满足测试要求。

其次是采用同步辐射激发，不足之处是需要使用大型加速器，设备昂贵，机时资源十分有限。

另一种激发方式是粒子束激发，目前主要采用电子束和离子束。电子束激发称为阴极荧光，原则上可以产生很大范围的深紫外跃迁。但电子束激发不能用于测量磁光谱，因为电子带有电荷，在磁场中会发生偏转，很难打到置于磁场中的样品上。

由于相同的原因，离子激发也不能用于测量磁光谱。为了揭示物质结构，急需一种稳定激发形成真空紫外的装置和测试方法。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种粒子束激发真空紫外-可见光波段磁光谱测试方法及系统，让带电的离子束通过与电子束中和而形成中性粒子束(原子束)，这种粒子束可以不受磁场影响而对样品进行激发，利用原子核能跃迁能引起的电磁辐射反映物质内部的超精细结构，利用磁光谱信息为新材料的研发、生产和应用提供电子结构依据。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种粒子束激发真空紫外-可见光波段的磁光谱测试方法，包括以下步骤：

(1)在真空环境下，利用激发源产生质子束喷出，质子束经过离子束中和器发生中和，形成中性的载能原子束，载能原子束传输至样品台内放置的样品的表面，激发样品的表面层中的原子，激发态的原子的电子跃迁产生紫外光谱；

(2)控制样品台内的电磁铁使其产生的磁场平行或垂直紫外光谱的传播方向；在磁场作用下的紫外光谱依次经过静电聚焦透镜、光弹性调节器和线偏振器进入单色仪；

(3)紫外光谱经单色仪处理后，经过光电倍增管将光信号转换为电信号，再经由稳流器反馈至锁相放大器；同时经过光弹性调制器的振荡信号作为基准信号进入锁相放大器；

(4)锁相放大器将信号输入至计算机进行控制。

步骤(1)所述质子束经过离子束光阑达到离子束中和器发生中和，形成中性的载能原子束后经过粒子束光阑达到样品的表面。

步骤(2)所述磁场为稳恒磁场。

步骤(2)的样品处于10-300k的低温环境中。

本发明同时提供了一种基于上述方法的粒子束激发真空紫外-可见光波段的磁光谱测试系统，包括真空环境内的激发源和用于放置样品的样品台，激发源和样品台之间放置有离子束中和器；所述样品台配置有由直流变压器控制磁场强度的电磁铁，所述电磁铁用于产生平行或垂直于样品表面被激发时产生的紫外光的磁场；所述样品台的一侧设有静电聚焦透镜，所述静电聚焦透镜用于将紫外光聚焦后依次通过光弹性调制器和线偏振器后进入单色仪，所述单色仪的出口垂直安装有光电倍增管，光电倍增管的出口通过稳流器接入锁相放大器；所述光弹性调制器的一端与单色仪的管路相连，一端与压电陶瓷垂直固定连接，并通过压电陶瓷与光弹性调制器电源振荡器连接，光弹性调制器电源振荡器接入锁相放大器，锁相放大器通过线缆与计算机连接。

所述激发源出口设有用于让激发源产生的质子束对准离子束中和器入口的离子束光阑，所述样品台前方设有用于让从离子束中和器产生的原子束对准样品的粒子束光阑。

所述电磁铁活动安装于样品台，在样品台中旋转，旋转至状态一时电磁铁的磁场方向垂直于样品表面，旋转至状态二时电磁铁的磁场方向平行于样品表面；电磁铁设有用于安装低温恒温器的可扩展间隙。

所述光弹性调制器电源振荡器安装有光电耦合器。

所述激发源采用离子源，其内部的静电吸极电压为0～35kv连续可调。

所述光弹性调制器的光轴和线偏振器的透射平面的相对角度为45°。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明粒子束激发真空紫外-可见光波段的磁光谱测试方法和系统利用激发源产生带电的质子束，通过与电子束中和而形成中性粒子束(原子束)，这种粒子束可以不受磁场影响而对样品进行激发，当粒子束轰击固体表面作用时，会发生碰撞产生电离、光激发、x射线激发等多种物理过程，控制离子能量在10～20kev，可以使这种激发主要发生在真空紫外-可见光频段，从而实现探测真空紫外光谱的新型测试分析，真空紫外磁光谱可以从内层电子层次揭示物质的精细电子结构；真空紫外属于一种磁光谱，是探测粒子-固体相互作用过程产生的不同频段的一种电磁辐射，能够揭示不同层次的物质结构，特别是不同材料在低温、磁场中的光吸收、光致发光(荧光)、偏振二向色性、偏振荧光等精细结构，而原子核能级跃迁引起的电磁辐射则可反映物质内部的超精细结构，这些磁光谱信息可为新材料的研发、生产和应用提供电子结构依据，可为磁性半导体、稀土材料、铁基超导、新能源材料、地质、环境、生物、制药等众多领域的企业和研究机构提供磁光谱精密测试服务；

(2)本发明通过测量真空紫外光谱线在低温磁场中的行为，特别是磁圆二向色性、磁圆偏振荧光谱，揭示真空紫外谱线的偏振特性，为过渡金属、稀土离子真空紫外偏振光的产生和技术应用提供科学依据；磁圆二向色性即磁场引起的原子能级分裂而产生的圆偏振光，被选择新地吸收，因此磁圆二向色性出现在吸收谱上，磁圆偏振荧光即磁场中原子能级分裂而产生的圆偏振光，以荧光发射形式出现，因此形成磁圆偏振荧光谱。

附图说明

图1是本发明粒子束激发真空紫外-可见光波段的磁光谱测试系统的结构示意图。

图2为图1所示粒子束激发真空紫外-可见光波段的磁光谱测试装置中电磁铁的主视结构示意图。

图3为图1所示粒子束激发真空紫外-可见光波段的磁光谱测试装置中电磁铁的侧视结构示意图。

图4本发明装置测量得到的典型真空紫外磁光谱，横坐标为波长，波长范围120～450nm，纵坐标为光子计数，为任意单位。光谱的上的几个峰值反映出稀土元素4f-4f、4f-5d电子能级的跃迁。

图中：1-激发源，2-离子束光阑，3-离子束中和器，4-粒子束光阑，5-样品台，5.1-电磁铁，5.2-粒子束传输孔，6-静电聚焦透镜，7-光弹性调制器，8-线偏振器，9-单色仪的入口，10-单色仪，11-单色仪的出口，12-光电倍增管，13-稳流器，14-压电陶瓷，15-光弹调制器电源振荡器，16-光电耦合器，17-锁相放大器，18-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种粒子束激发真空紫外-可见光波段的磁光谱测试方法，参照图1，包括以下步骤：

(1)在真空环境下，利用激发源1产生质子束喷出，质子束经过离子束中和器3发生中和，形成中性的载能原子束，载能原子束传输至样品台5内放置的样品的表面，激发样品的表面层中的原子，激发态的原子的电子跃迁产生紫外光谱；

(2)控制样品台5内的电磁铁19使其产生的磁场平行或垂直紫外光谱的传播方向；在磁场作用下的紫外光谱依次经过静电聚焦透镜6、光弹性调节器7和线偏振器8进入单色仪10；

(3)紫外光谱经单色仪10处理后，经过光电倍增管12将光信号转换为电信号，再经由稳流器13反馈至锁相放大器17；同时经过光弹性调制器7的振荡信号作为基准信号进入锁相放大器17；

(4)锁相放大器17将信号输入至计算机18进行控制，以进行进一步分析。

步骤(1)所述质子束经过离子束光阑2达到离子束中和器3发生中和，形成中性的载能原子束后经过粒子束光阑4达到样品的表面。

步骤(2)所述磁场为稳恒磁场。

步骤(2)的样品处于10-300k的低温环境中。

本发明同时提供了一种基于上述方法的粒子束激发真空紫外-可见光波段的磁光谱测试系统，参照图1，包括真空环境内的激发源1和用于放置样品的样品台5，激发源1和样品台5之间放置有离子束中和器3；所述样品台5配置有由直流变压器控制磁场强度的电磁铁19，所述电磁铁19用于产生平行或垂直于样品表面被激发时产生的紫外光的磁场；所述样品台5的一侧设有静电聚焦透镜6，所述静电聚焦透镜6用于将紫外光聚焦后依次通过光弹性调制器7和线偏振器8后进入单色仪的入口9，所述单色仪的出口11垂直安装有光电倍增管12，光电倍增管12的出口通过稳流器13接入锁相放大器17；所述光弹性调制器7的一端与单色仪10的管路相连，一端与压电陶瓷14垂直固定连接，并通过压电陶瓷与光弹性调制器电源振荡器15连接，光弹性调制器电源振荡器15接入锁相放大器17，锁相放大器17通过线缆与计算机18连接。

所述激发源出口设有用于让激发源产生的质子束对准离子束中和器入口的离子束光阑2，所述样品台前方设有用于让从离子束中和器产生的原子束对准样品的粒子束光阑4。

参照图2和图3，电磁铁5.1设有用于中性粒子束穿过的粒子束传输孔5.2。所述电磁铁活动安装于样品台，在样品台中旋转，旋转至状态一时电磁铁的磁场方向垂直于样品表面，旋转至状态二时电磁铁的磁场方向平行于样品表面；电磁铁设有用于安装低温恒温器的可扩展间隙。

所述光弹性调制器电源振荡器安装有光电耦合器16。

所述激发源采用离子源，其内部的静电吸极电压为0～35kv连续可调。

所述光弹性调制器的光轴和线偏振器的透射平面的相对角度为45°。

当用本发明粒子束激发真空紫外-可见光波段的磁光谱测试系统进行真空紫外光谱测试时，激发源1的离子束从光阑2射出，被离子束中和器3发射的电子中和，形成中性粒子束(载能原子束)。载能原子束经粒子束光阑4控制束斑大小，以细小粒子束照射在样品上，使样品中的原子激发，最后样品原子的电子跃迁产生发光。在磁场中，样品发出的荧光为部分偏振光。通过粒子束光阑4后，部分偏振光通过光弹性调制器7(分析器)和线偏振器8，光弹性调制器7的光轴和线偏振器8的透射平面相对角度是45°，光线能够聚焦在单色仪的入口9。连接到单色仪出口11的光电倍增管12以恒定电流模式工作，并由稳流器13进行反馈。来自光弹调制器7、稳流器13和光弹性调制器电源振荡器15的信号进入锁相放大器17，最终由计算机18控制。光弹性调制器电源振荡器15的信号用作锁相放大器17的基准信号。

光弹调制器7的有源元件是石英晶体，与矩形压电陶瓷14连接。光弹调制器的两个部分以相同共振频率工作。对于光弹调制器7的电压供应，用光弹性调制器的电源振荡器15。该电源的输出端与压电陶瓷14连接。作为实现正反馈的基础，采用安装在光弹调制器7上的光电耦合器16。为了控制振荡相位，来自光电耦合器的正弦信号被馈送到光弹调制器电源振荡器15的输入。这种电隔离的光学正反馈的应用，提高了光弹调制器7的启动和运行可靠性。

参照图4，为利用本发明的方法和装置测量得到的典型真空紫外磁光谱，横坐标为波长，波长范围120～450nm，纵坐标为光子计数，为任意单位。光谱的上的几个峰值反映出稀土元素4f-4f、4f-5d电子能级的跃迁。

由于电磁铁设有用于安装低温恒温器的可扩展间隙，本发明还能够在安装低温恒温器后进行低温磁场环境实验，以低温磁场下粒子-固体相互作用的物理规律为基础，探测粒子轰击过程产生的不同频段的电磁辐射，包括红外-可见光-紫外-真空紫外，从而揭示不同层次的物质结构。