一种小型化时间分辨的激光泵浦X射线探测仪的制作方法

文档序号:11249402
一种小型化时间分辨的激光泵浦X射线探测仪的制造方法与工艺

本发明属于时间分辨过程的泵浦探测仪技术领域,尤其是涉及一种小型化时间分辨的激光泵浦X射线探测仪。



背景技术:

在生物、化学、新材料等领域需要探测物质微观结构变化的瞬态或超快过程,对科学的认识物质本质具有十分重要的意义。例如在单分子、液体或晶体中的原子运动、化学键的断裂与形成、电荷的转移、分子的异构化等。利用基于超短脉宽的飞秒脉冲激光建立的泵浦-探针方法研究上述超快过程,是将一束超短脉冲激光作用在物质上,激发一个瞬态变化过程,经过一定的时间延时后,利用另一束超短脉冲激光作为探针,探测上述动态变化过程,即为时间分辨光谱法。进一步的,要获取物质在原子尺度上的结构瞬态变化过程信息,例如蛋白质、生物大分子的晶体结构变化,先进信息存储材料的超快电子驰豫过程等,就要采用波长与原子间距相当的超短X射线作为探测光源,进行衍射的成像方法,这是观察物质深层微观结构及其瞬态变化的有力工具。因此,将飞秒脉冲激光与超短X射线相结合形成的超快时间分辨X射线探测,成为近年来前沿科学领域,尤其是生物、化学、生命科学的研究热点。

目前,具有超快时间特征的X射线应用光源主要是同步辐射X射线和自由电子激光器。其中,同步辐射产生的X射线脉宽相对较宽(>50ps),无法用于研究时间尺度在fs或亚ps量级的瞬态变化过程,而且以上X光源设备的设施非常庞大(数百米长,数个标准足球场占地面积),成本高昂,全球范围内数量有限,难以满足飞速发展的科研需求。基于同步辐射X光源或自由电子激光X光源建设的超快时间分辨的泵浦探测方法,其使用的飞秒泵浦激光源与上述X光源是分别独立的系统,需要采用非常复杂的时间同步技术手段实现(同步辐射或自由电子激光产生)X射线脉冲与泵浦激光脉冲的高精度时间同步。因此研究一种小型化具有天然的时间同步特性的时间分辨激光泵浦-X射线探测仪在科学研究领域具有十分重要的意义



技术实现要素:

有鉴于此,本发明旨在提出一种小型化时间分辨的激光泵浦X射线探测仪,以解决现有技术中,能够产生超快时间特征的X射线的设备体积较大,导致现有的超快时间分辨X射线探测仪器体积较大造价高昂的问题。

为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:

一种小型化时间分辨的激光泵浦X射线探测仪,包括超快泵浦激光器,用于生成超快飞秒激光;分束器,其置于超快泵浦激光器输出端的后方,用于将超快飞秒激光分束为透射光束和反射光束;光线延迟线,其置于分束器透射光方向,其输出端的后方还设置有全反镜,透射光经全反镜后照射到置于三维样品台上的样品上,激发样品;小型化X射线仪,其置于分束器的反射光方向,用于接收分束器射出的反射光束,并引导反射光束与其内部的高能电子束团碰撞,产生高平均束流和单脉冲束流的高亮度飞秒或亚皮秒量级的超短脉冲X射线;X射线整形系统,其置于小型化X射线仪的输出端的后方,用于将小型化X射线仪产生的超短脉冲X射线调整为探测用超短脉冲X射线;二维像素阵列X射线探测器,其置于三维样品台的后方,用于接收探测用超短脉冲X射线经过激发态的样品后产生的衍射图样信息,并通过电连接的计算机进行分析和显示。

进一步,所述超快泵浦激光器为大能量飞秒激光器。

进一步,所述光线延迟线用于调节控制飞秒激光和探测用高亮度飞秒或亚皮秒量级的超短脉冲X射线脉冲之间的时间延时。

进一步,所述全反镜对于飞秒激光的反射率大于99.9%。

进一步,所述小型化X射线仪,包括电子束团产生系统,用于产生、加速并输出高品质的高能电子束团;电子束团与激光碰撞系统,用于接收电子束团和超快泵浦激光,并使两者在其内部碰撞以输出高亮度飞秒或亚皮秒量级的超短脉冲X射线束流;同时回收碰撞后残余的电子以及激光。

进一步,所述X射线整形系统包括单色器和金属毛细管,用于提高所述小型化X射线仪输出的X射线束流的单色性和准直性。

相对于现有技术,本发明所述的小型化时间分辨的激光泵浦X射线探测仪具有以下优势:

本发明所述的小型化时间分辨的激光泵浦X射线探测仪,结构紧凑,造价低。通过小型化X射线仪,能够产生高亮度、高品质、准单色和高光子通量的X射线;同时,相比于现有的高亮度X射线产生方式,小型化X射线仪能够使自身结构更加紧凑,造价更加低廉。采用二维像素阵列X射线探测器对样品的衍射图样信息进行收集,替代了现有技术中采用多种设备配合实现的方式,使信息收集结构更加紧凑。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:

图1为本发明实施例所述的小型化时间分辨的激光泵浦X射线探测仪的结构框图;

图2为本发明实施例所述的小型化时间分辨的激光泵浦X射线探测仪的小型化X射线仪的结构框图。

附图标记说明:

1-超快泵浦激光器;2-分束器;3-光线延迟线;4-全反镜;5-小型化X射线仪;501-电子束团产生系统;502-电子束团与激光碰撞系统;6-X射线整形系统;7-三维样品台;8-样品;9-二维像素阵列X射线探测器;10-计算机。

具体实施方式

需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1,本发明提出一种小型化时间分辨的激光泵浦X射线探测仪,包括超快泵浦激光器1,用于生成超快飞秒激光;分束器2,其置于超快泵浦激光器1输出端的后方,用于将超快飞秒激光分束为透射光束和反射光束;光线延迟线3,其置于分束器2透射光方向,其输出端的后方还设置有全反镜4,透射光经全反镜4后照射到置于三维样品台7上的样品8上,激发样品8;小型化X射线仪5,其置于分束器2的反射光方向,用于接收分束器2射出的反射光,并引导反射光与其内部的高能电子束团碰撞,产生高平均束流和单脉冲束流的高亮度飞秒或亚皮秒量级的超短脉冲X射线;X射线整形系统6,其置于小型化X射线仪5的输出端的后方,用于将小型化X射线仪5产生的超短脉冲X射线调整为探测用超短脉冲X射线;二维像素阵列X射线探测器9,其置于三维样品台7的后方,用于接收探测用超短脉冲X射线经过激发态的样品8后产生的衍射图样信息,并通过电连接的计算机10进行分析和显示。

分束器2为一种介质膜板,其将飞秒激光按照所需比例进行反射和透射,该介质膜板的材料可选用石英。

上述超快泵浦激光器1为大能量飞秒(fs)激光器,其能够输出大能量高重复频率的超快飞秒(fs)激光。

上述光线延迟线3用于调节控制飞秒激光和探测用高亮度飞秒或亚皮秒量级的超短脉冲X射线脉冲之间的时间延时,以便于探测样品8的结构的任意瞬态变化过程。光线延迟线3包括若干全反镜或同类设备。

上述全反镜4对于飞秒激光的反射率大于99.9%。全反镜4可选用镀金的金属膜板。

上述小型化X射线仪5,包括电子束团产生系统501,用于产生、加速并输出高品质的高能电子束团;电子束团与激光碰撞系统502,用于接收电子束团和超快飞秒激光,并使两者在其内部同步碰撞以输出高亮度飞秒或亚皮秒量级的超短脉冲X射线束流;同时回收碰撞后残余的电子以及激光。

超快泵浦激光器1向小型化X射线仪5发出可分束超快飞秒激光,其中一束用于进入到电子束团产生系统501,照射光阴极电子枪产生电子束团。电子束团再经过电子直线加速器加速后,电子束团产生系统501输出高品质的高能电子束团。

另一束大能量超快飞秒激光经分束器2后,其反射光与产生的高能电子束团在电子束团与激光碰撞系统502的真空腔内进行碰撞,以产生高亮度飞秒或亚皮秒量级的超短脉冲X射线束流。碰撞结束后,残余的电子和激光分别被相应的回收装置进行回收。

上述X射线整形系统6包括单色器和金属毛细管,用于对上述小型化X射线仪5输出的X射线束流进行聚焦、单色和限光,提高X射线束的单色性和准直性。单色器可设置于金属毛细管的出口方向,X射线通过金属毛细管后,改变了原来的传输方向,从提高了X射线的准直性。X射线穿过金属毛细管后,通过单色器提高其单色性。

如图1,超快泵浦激光1产生的飞秒激光通过分束器2时被分束。分束器2产生的透射激光经过光线延迟线3后到达全反镜4,在全反镜4的作用下,该透射光被反射到样品8上,对样品8进行激发。分束器2产生的反射激光进入到小型化X射线仪5的电子束团与激光碰撞系统502内,并与同步到达的高能电子束团进行碰撞,产生高平均束流和单脉冲束流的高亮度飞秒或亚皮秒量级的超短脉冲X射线(如图2所示),输出到X射线整形系统6内。X射线整形系统6对输入的超短脉冲X射线进行调整,提高其准直性和单色性,而后作为探测用飞秒或亚皮秒量级超短脉冲X光源照射三维样品台7上样品8。探测用X射线通过被激发的样品8时会产生衍射,二维像素阵列X射线探测器9接收采集衍射图样信息,并在计算机10上进行分析并最终显示出来。通过采集到的X射线衍射图样信息,科研人员即可研究样品8在飞秒泵浦激光的激发下,其微观结构的瞬态变化。

本发明所述的小型化时间分辨的激光泵浦X射线探测仪,结构紧凑,造价低。通过小型化X射线仪5,能够产生高亮度、高品质、准单色和高光子通量的X射线;同时,相比于现有的X射线产生方式,小型化X射线仪5能够使自身结构更加紧凑,造价更加低廉。采用二维像素阵列X射线探测器9对样品8的衍射图样信息进行收集,替代了现有技术中采用多种设备配合实现的方式,使信息收集结构更加紧凑。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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