一种X射线光束挡光器及其使用方法与流程

本发明属于同步辐射领域，涉及一种x射线光束挡光器及其使用方法。

背景技术：

生物大分子(主要是蛋白质)的结构与功能的关系，是当今分子生物学的核心问题之一。利用同步辐射小角x射线散射技术，人们可以对溶液状态下分子量从几kda到几mda范围内的样品进行研究，并得到其结构信息。这就为研究蛋白分子在生理状态下的性质、构象变化以及蛋白分子与其他底物的结合提供了有力工具。因此，同步辐射小角x射线散射技术以其独特的优点在近年来受到了越来越多的关注。

生物样品小角x射线散射具有散射信号弱，且极易受到样品环境的影响。这些影响会引起样品对x射线的吸收，进入引起散射光强的变化。因此在实验过程中需要对透射光强进行精确测量，并利用该强度实现数据归一化。同时，由于直通光的强度远远大于散射强度，需要利用挡光器阻挡直通光。

目前国际上同步辐射装置主要采用在光束挡光器中内置光电二极管来进行实验过程中光强的测量。利用闪烁体将x射线转换为可见光，然后通过光电二极管进行测量。这样不需要额外的测量装置，比如电离室，避免了杂散射的产生。但是这种方法制造出来的光束挡光器的尺寸受限于光电二极管的大小，难以做到4mm以下。同时由于第三代同步辐射装置产生的高强度的x光束，直接照射很容易打坏光电二极管，使得使用寿命变短。通过在闪烁体前加金属片衰减部分光强可以改善这一问题，但会引入新的测量误差。xu等人利用光电效应来监测直通光的强度，这样不需要利用光电二极管来进行强度测量，有效降低了挡光器的尺寸。不过测量过程中需要添加额外的驱动电压。blanchet等人通过侧面放置光电二极管，接受挡光器的光电子实现了光强的测量，既降低了挡光器的尺寸，又不需要施加额外的电压。

由于同步辐射光束线站的特殊性，光束挡光器并没有通用结构。需要与线站的具体布局以及控制系统结合，重新设计。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种x射线光束挡光器及其使用方法，用于解决现有技术中的x射线光束挡光器尺寸较大、寄生散射较高的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种x射线光束挡光器，包括：

本体；

散射腔，包括直通段与散射段，所述直通段自所述本体一侧面开口，并往第一方向延伸至所述本体内部，所述散射段接续所述直通段，并在所述本体内部往第二方向延伸，所述第二方向与所述第一方向交叉，所述直通段与所述散射段的过渡处设有一相对于所述直通段的延伸方向倾斜的散射面，所述散射面用以阻挡来自所述直通段的入射光束，并产生次级荧光信号进入所述散射段；

光电转换装置收容腔，位于所述本体内部，并与所述散射段连通；

光电转换装置，装设于所述光电转换装置收容腔内，用以接收来自所述散射面的所述次级荧光信号并转换为电流信号；

支架，连接于所述本体并遮盖所述光电转换装置收容腔；

电流接收装置，通过信号线与所述光电转换装置连接，用于将所述光电转换装置输出的模拟信号转换为数字信号。

可选地，所述支架中设有一信号线收容腔及一与所述信号线收容腔连通的信号线穿孔，所述信号线收容腔的宽度大于所述信号线穿孔的宽度，所述信号线由所述光电转换装置起始，经过所述信号线收容腔，并穿过所述信号线穿孔到达所述支架外部。

可选地，所述支架与所述本体之间通过紧固件连接。

可选地，所述x射线光束挡光器还包括二维移动平台，所述二维移动平台连接于所述支架或所述主体，用以调整所述x射线光束挡光器的位置，使所述散射腔的入口对准入射光束。

可选地，所述x射线光束挡光器还包括一控制装置，所述控制装置用于读取所述电流接收装置输出的数字信号，并控制所述二维移动平台的运动。

可选地，所述二维移动平台包括支撑杆、垂直电机、垂直电机丝杆、垂直电机滑块、垂直电机基座、水平电机、水平电机丝杆、水平电机滑块及水平电机基座，其中，所述支撑杆的第一端连接于所述支架或所述本体，所述支撑杆的第二端连接于所述水平电机滑块，所述水平电机滑块装设于所述水平电机丝杆上，所述水平电机丝杆的两端分别连接于所述水平电机基座与所述垂直电机滑块，所述水平电机通过所述水平电机基座连接于所述水平电机丝杆，用以根据调节信号驱动所述水平电机丝杆，进而驱动所述水平电机滑块，所述水平电机基座还连接于所述垂直电机滑块，所述垂直电机滑块装设于所述垂直电机丝杆上，所述垂直电机丝杆的两端分别连接于所述垂直电机基座的相对两侧，所述垂直电机通过所述垂直电机基座连接于所述垂直电机丝杆，用以根据调节信号驱动所述垂直电机丝杆，进而驱动所述垂直电机滑块。

可选地，所述直通段的管径小于1mm。

可选地，所述本体的材质包括钨、铅、镉及铜中的至少一种。

可选地，所述光电转换装置包括光电二极管。

可选地，所述电流接收装置包括皮安表。

可选地，所述散射面相对于所述直通段的延伸方向的倾斜角度范围是30°-60°。

可选地，所述散射腔的入口处具有倾斜侧壁，所述倾斜侧壁相对于所述直通段的延伸方向的倾斜角度范围是30°-60°。

可选地，所述x射线光束挡光器的挡光面直径小于7mm。

本发明还提供一种x射线光束挡光器的使用方法，包括以下步骤：

标定光束线站的坐标及所述x射线光束挡光器的坐标，确定相对零点及所述x射线光束挡光器的移动方向；

通过所述x射线光束挡光器检测入射光束的光强，并移动所述x射线光束挡光器以得到入射光束的光强分布；

记录光强最大值处作为入射光束中心，并使所述x射线光束挡光器对准入射光束中心；

调节光束线站狭缝开口位置及开口大小以调节入射光束的光强。

可选地，所述x射线光束挡光器的移动方向包括相对于入射光束垂直的x方向及相对于入射光束垂直的y方向，且所述x方向与所述y方向相互垂直。

如上所述，本发明的x射线光束挡光器可用于光束线站进行入射光束的光强监测，该挡光器针对生物小角散射线站的光路布局，采用重金属作为挡光材料，可以有效遮挡直通光，并利用重金属的背散射原理实现x射线光强的快速准确测量，光电二极管安装在直通光的侧面，可以有效降低挡光器的尺寸，挡光面的直径可从现有装置的7mm降低到3mm，并可进一步减少到2mm。由于光电二极管不直接面对x射线，可以极大提高光电二极管的使用寿命。本发明还可以利用二维移动平台自动寻找光斑(光束)中心位置，结合控制系统，可以实现光束线站自动狭缝调节，从而实现入射光束光强的自动调节，以得到理想的实验状态。此外，本发明的x射线光束挡光器的光束入口采用斜角，可有效降低寄生散射。

附图说明

图1显示为本发明的x射线光束挡光器的结构示意图。

图2-图3显示为本发明的x射线光束挡光器中所述本体的示意图。

图4显示为本发明的x射线光束挡光器中所述支架的示意图。

图5显示为本发明的x射线光束挡光器中所述二维移动平台的示意图。

图6显示为本发明的x射线光束挡光器挡光时的示意图。

图7显示为一种较大尺寸x射线光束挡光器挡光时的示意图。

图8显示为本发明的x射线光束挡光器沿x方向扫描得到的光强分布。

图9显示为本发明的x射线光束挡光器沿y方向扫描得到的光强分布。

图10显示为本发明的x射线光束挡光器的使用方法的流程图。

元件标号说明

1本体

2散射腔

2a直通段

2b散射段

3散射面

4入射光束

5次级荧光信号

6光电转换装置收容腔

7光电转换装置

8支架

9紧固件

10信号线收容腔

11信号线穿孔

12电流接收装置

13二维移动平台

13a支撑杆

13b垂直电机

13c垂直电机丝杆

13d垂直电机滑块

13e垂直电机基座

13f水平电机

13g水平电机丝杆

13h水平电机滑块

13i水平电机基座

14控制装置

15凹槽

16、17安装孔

18信号线

m直通段的延伸方向

n散射段的延伸方向

a散射面的倾斜角度

b散射腔入口的侧壁倾斜角度

s信号线收容腔的宽度

t信号线穿孔的宽度

d管径

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

本发明提供一种x射线光束挡光器，请参阅图1，显示为该x射线光束挡光器的结构示意图，包括本体1、散射腔2、光电转换装置收容腔6、光电转换装置7、支架8及电流接收装置12，其中，所述散射腔2包括直通段与散射段，所述直通段自所述本体一侧面开口，并往第一方向延伸至所述本体内部，所述散射段接续所述直通段，并在所述本体内部往第二方向延伸，所述第二方向与所述第一方向交叉，所述直通段与所述散射段的过渡处设有一相对于所述直通段的延伸方向倾斜的散射面3，所述散射面3用以阻挡来自所述直通段的入射光束4，并产生次级荧光信号5进入所述散射段；所述光电转换装置收容腔6位于所述本体内部，并与所述散射段连通；所述光电转换装置7装设于所述光电转换装置收容腔6内，用以接收来自所述散射面3的所述次级荧光信号5并转换为电流信号；所述支架8连接于所述本体1并遮盖所述光电转换装置收容腔6，所述电流接收装置12通过信号线18与所述光电转换装置7连接，用于将所述光电转换装置7输出的模拟信号转换为数字信号。

作为示例，所述本体1采用重金属作为挡光材料，可以有效遮挡直通光，其材质包括但不限于钨、铅、镉及铜中的至少一种。当x射线入射光束辐照在所述本体1的金属内壁(主要是所述散射面3)，可以使金属的低能级电子跃迁到高能级，电子回落过程中会产生与入射光强成正比的次级荧光信号(背散射)，所述光电转换装置7可接收该次级荧光信号并转换成电流信号，电流信号的大小可反映x射线入射光强的大小。由于所述光电转换装置7只有一个接收面，多余的背散射会在所述散射腔2内散射，最终被所述散射腔2的金属内壁吸收。

作为示例，所述光电转换装置7包括但不限于光电二极管。所述电流接收装置包括但不限于皮安表，其可以测量纳安量级的电流信号。

请参阅图2，显示为所述本体1的结构示意图，其中示出了所述直通段2a的延伸方向m及所述散射段2b的延伸方向n。本实施例中，所述直通段的延伸方向m与所述散射段的延伸方向n垂直，在其它实施例中，所述直通段的延伸方向m与所述散射段的延伸方向n也可以呈其它交叉角度，此处不应过分限制本发明的保护范围。

请参阅图3，显示为所述本体1的结构示意图，其中示出了所述散射面3的倾斜角度a。作为示例，所述散射面的倾斜角度a的范围是30°-60°，本实施例中优选为30°，有利于光电子被光电二极管吸收。

图3中还示出了所述直通段2a的管径d，作为示例，所述直通段2a的管径d小于1mm。本实施例中，所述直通段2a的横截面呈圆形，此处所述管径指的是直径。在其它实施例中，所述直通段2a的横截面也可以呈其它形状，此处不应过分限制本发明的保护范围。

请继续参阅图3，所述散射腔2的入口处具有倾斜侧壁，其相对于所述直通段的延伸方向倾斜，可以避免多余的杂散射。图3中示出了所述散射腔入口的侧壁倾斜角度b。作为示例，所述散射腔入口的侧壁倾斜角度b的范围是30°-60°，本实施例中优选为45°，可以有效降低寄生散射。

请参阅图4，显示为所述支架8的结构示意图，所述支架8中设有一信号线收容腔10及一与所述信号线收容腔10连通的信号线穿孔11，所述信号线收容腔10的宽度s大于所述信号线穿孔11的宽度t。如图1所示，所述信号线18由所述光电转换装置7起始，经过所述信号线收容腔10，并穿过所述信号线穿孔11到达所述支架8外部。所述信号线18至少包括正电极引线及负电极引线。由于所述支架8也会阻挡一部分散射信号，因此为了避免泄漏，所述信号线穿孔11的尺寸越小越好，本实施例中，其直径以2mm为例。

作为示例，所述支架8与所述本体1之间通过紧固件9(例如螺丝)连接，所述支架8与所述本体1相互配合，形成一个封闭的腔体，以固定所述光电转换装置7及所述本体。所述支架8的材质包括但不限于不锈钢。本实施例中，所述本体1中设有凹槽15(如图2及图3所示)，所述支架8至少有一部分嵌入所述凹槽15中(如图1所示)，所述凹槽的侧壁设有与所述紧固件9相配合的安装孔16，所述支架8的侧壁设有与所述紧固件9相配合的安装孔17。

当然，在其它实施例中，所述支架8与所述本体1也采用采用其它固定方式，此处不应过分限制本发明的保护范围。

请回头参阅图1，所述x射线光束挡光器还包括二维移动平台13，所述二维移动平台13连接于所述支架8或所述主体1，用以调整所述x射线光束挡光器的位置，使所述散射腔2的入口对准入射光束4。

请参阅图5，显示为所述二维移动平台13的结构示意图，所述二维移动平台13包括支撑杆13a、垂直电机13b、垂直电机丝杆13c、垂直电机滑块13d、垂直电机基座13e、水平电机13f、水平电机丝杆13g、水平电机滑块13h及水平电机基座13i，其中，所述支撑杆13a的第一端连接于所述支架8或所述本体1，所述支撑杆13a的第二端连接于所述水平电机滑块13h，所述水平电机滑块13h装设于所述水平电机丝杆13g上，所述水平电机丝杆13g的两端分别连接于所述水平电机基座13i与所述垂直电机滑块13d，所述水平电机13f通过所述水平电机基座13i连接于所述水平电机丝杆13g，用以根据调节信号驱动所述水平电机丝杆13g，进而驱动所述水平电机滑块13h，所述水平电机基座13i还连接于所述垂直电机滑块13d，所述垂直电机滑块13d装设于所述垂直电机丝杆13c上，所述垂直电机丝杆13c的两端分别连接于所述垂直电机基座13e的相对两侧，所述垂直电机13b通过所述垂直电机基座13e连接于所述垂直电机丝杆13c，用以根据调节信号驱动所述垂直电机丝杆13c，进而驱动所述垂直电机滑块13d。

作为示例，所述支撑杆13a的第一端通过焊接方式连接于所述支架8。在其它实施例中，所述支撑杆13a与所述支架8或所述本体1之间也可以采用其它连接方式，此处不应过分限制本发明的保护范围。

作为示例，所述水平电机13f与所述垂直电机13b均采用步进运动方式，以方便所述x射线光束挡光器沿水平方向或垂直方向扫描入射光束的光强分布。

请回头参阅图1，所述x射线光束挡光器还包括一控制装置14，例如计算机，所述控制装置14用于读取所述电流接收装置12输出的数字信号，并发出相应的调节信号以控制所述二维移动平台13的运动。本实施例中，所述二维移动平台13的水平电机13f与垂直电机13b均连接于所述控制装置14，所述电流接收装置12(以皮安表为例)通过rs232串口连接于所述控制装置14。

本发明中，所述光电转换装置7安装在直通光的侧面，其不会影响受光面的尺寸。由于没有所述光电转换装置7的干扰，挡光器的尺寸可以大幅减小，至3mm，并可进一步减少到2mm，使得探测的最低角度明显降低。根据倒易关系，可以使得小角散射探测的颗粒尺寸增加一倍。

请参阅图6及图7，分别显示本发明的x射线光束挡光器挡光时的示意图及常规的较大尺寸x射线光束挡光器挡光时的示意图，其中，本发明的x射线光束挡光器的挡光面直径为3mm，相对于常规的挡光器的挡光面直径(7mm)显著降低。此外，由于所述光电转换装置7不直接面对x射线，可以极大提高所述光电转换装置7的使用寿命。

本实施例的x射线光束挡光器可用于光束线站进行入射光束的光强监测，该挡光器针对生物小角散射线站的光路布局，采用重金属作为挡光材料，可以有效遮挡直通光，并利用重金属的背散射原理实现x射线光强的快速准确测量，光电二极管安装在直通光的侧面，可以有效降低挡光器的尺寸，挡光面的直径可从现有装置的7mm降低到3mm，并可进一步减少到2mm。由于光电二极管不直接面对x射线，可以极大提高光电二极管的使用寿命。本发明还可以利用二维移动平台自动寻找光斑(光束)中心位置，结合控制系统，可以实现光束线站自动狭缝调节，从而实现入射光束光强的自动调节，以得到理想的实验状态。此外，本发明的x射线光束挡光器的光束入口采用斜角，可有效降低寄生散射。

实施例二

本实施例中提供一种x射线光束挡光器的使用方法，利用实施例一中的x射线光束挡光器进行光强监测，请参阅图8，显示为该方法的流程图，包括以下步骤：

s1：标定光束线站的坐标及所述x射线光束挡光器的坐标，确定相对零点及所述x射线光束挡光器的移动方向；

s2：通过所述x射线光束挡光器检测入射光束的光强，并移动所述x射线光束挡光器以得到入射光束的光强分布；

s3：记录光强最大值处作为入射光束中心，并使所述x射线光束挡光器对准入射光束中心；

s4：调节光束线站狭缝开口位置及开口大小以调节入射光束的光强。

具体的，将所述x射线光束挡光器安装在光束线站，其中，试验站需要利用狭缝对光斑尺寸进行限制，从而得到理想的实验状态。可以在控制系统中，确定狭缝和挡光器的相对零点以及移动方向，然后通过扫描挡光器得到光束(光斑)中心位置(光强最大值处)，再根据预设程序调节狭缝开口位置和大小就可以实现光强的自动调节。

作为示例，入射光与水平面平行，x、y为垂直于入射光的两个方向，其中x代表水平方向，y代表垂直方向。利用所述控制装置控制二维移动平台中水平电机与垂直电机的运动，可以控制所述水平电机丝杆与所述垂直电机丝杆的运动，从而让所述水平电机滑块与所述垂直电机滑块运动，带动所述支撑杆运动，进而移动所述x射线光束挡光器，使所述x射线光束挡光器去接收直通光。光束挡光器主要用于光束线站进行光强监测，因此当其中心对准入射光束中心时，就可以持续进行光强监测，输出电流。其电流值可以通过与x射线电离室的输出进行标定，反应光强信息。

作为示例，寻找光斑中心位置时的实验条件包括：入射光能量为12kev，光斑尺寸为0.3mm*0.1mm，挡光器中心开孔为1mm以下。请参阅图9及图10，其中，图9显示为挡光器沿水平方向(x方向)扫描出来的光强分布(点状图)及通过高斯拟合得到的钟型分布曲线(线图)，图10显示为挡光器沿垂直方向(y方向)扫描出来的光强分布(点状图)及通过高斯拟合得到的钟型分布曲线(线图)。可见，通过二维移动平台可以找到光强的最大值。

综上所述，本发明的x射线光束挡光器可用于光束线站进行入射光束的光强监测，该挡光器针对生物小角散射线站的光路布局，采用重金属作为挡光材料，可以有效遮挡直通光，并利用重金属的背散射原理实现x射线光强的快速准确测量，光电二极管安装在直通光的侧面，可以有效降低挡光器的尺寸，挡光面的直径可从现有装置的7mm降低到3mm，并可进一步减少到2mm。由于光电二极管不直接面对x射线，可以极大提高光电二极管的使用寿命。本发明还可以利用二维移动平台自动寻找光斑(光束)中心位置，结合控制系统，可以实现光束线站自动狭缝调节，从而实现入射光束光强的自动调节，以得到理想的实验状态。此外，本发明的x射线光束挡光器的光束入口采用斜角，可有效降低寄生散射。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。