一种软X射线功率取样诊断器的制作方法

一种软x射线功率取样诊断器
技术领域
1.本发明涉及软x射线检测技术领域，具体是一种软x射线功率取样诊断器。


背景技术：

2.软x射线可以开展高分辨三维结构、元素吸收边和谱学成像，其光谱学与技术研究应用在物理学、化学、材料科学、医药学、能源科学、生物学、环境科学等广泛的领域，为重大科学技术问题做出必要的基础研究和应用研究。在“水窗”波段(284-530ev)可以直接实现含水生物样品(比如细胞)的高衬度无损三维成像，能够给出亚细胞三维结构及药物/材料与细胞相互作用信息，是研究物质与生命交叉科学问题的重要工具；软x射线也可以实现轻元素和过渡金属元素的吸收边成像，得到材料的三维结构、元素分布及含量信息，指导材料、能源、催化等领域及产业中关键轻材料设计合成。
3.在利用软x射线系统实验过程中，需要对光源和单色光的功率进行检测，以判断整个光源和单色光束线的相对效率，并作为后续样品测量的基准光；目前常见的x射线功率探测器为截断式探测器，如x射线相机和x射线光电二极管，x射线打在探测器上后就被探测器吸收，不能向后传播了，不能继续进行实验了。为了实现既能使用软x射线进行实验，又能对软x射线进行功率测量的功能，需要使用适合的软x射线功率检测方式，现在主要利用两种功率检测方式，一种是分时检测方式，一种是分光检测方式。
4.分时检测方式是通过切换探测器或反射镜，使光在不同的时间段分别打在探测器上或样品上，例如：每隔50秒时间，把探测器切换到软x射线光路中10秒时间，即在一分钟内，软x射线有50秒时间打在样品上，用来做实验，另外10秒时间软x射线打在探测器上，用来测量软x射线的功率。但是由于光打在探测器和样品上的时间是不同的，光源的不稳定性对样品测量结果的影响无法消除，比如一个极端的情况，软x射线每次打在探测器上时，光源功率都会变大，而软x射线打在样品上时，光源功率又变小，那么这样的测量结果没有任何意义。
5.分光检测方式是通过在探测器或反射镜开孔，或者使探测器或反射镜只覆盖光斑的一部分的方式，截取其中一部分光作为基准光，实现样品实验光和基准光同时工作，消除光源的不稳定性对样品测量结果的影响；例如：软x射线的光斑直径为10mm，探测器的中间有直径6mm的通孔，那么此时6mm之外，10mm之内的光会打在探测器上，作为基准光，而6mm的通孔内的光会打在样品上进行实验，通过测量基准光的功率，可以计算出打在样品上的实验光的功率，即使光源不稳定，有时功率高，有时功率低，但是由于基准光和实验光都是同时工作的，仍然可以根据基准光的功率变化情况推算出实验光的功率变化情况。此方式同样存在缺点，就是光源的光强分布变化时，样品实验光和基准光的比例可能会发生变化，但系统只能按照之前标定的比例计算，导致产生较大的测量误差。同样比如一个极端的情况，在某一时间段，软x射线的光斑直径从10mm变为5mm，那么从探测器的测量结果看，光消失了，但是实际上打在样品上的实验光还是正常工作的。
6.因此现有相关技术中的功率检测方式，要么不能消除光源的不稳定性对样品测量
结果的影响，要么不能消除光源的光强分布变化对样品测量结果的影响。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种软x射线功率取样诊断器，既能消除光源的不稳定性对样品测量结果的影响，又能消除光源的光强分布变化对样品测量结果的影响，结构成本低。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
9.一种软x射线功率取样诊断器，包括真空腔体、镀膜反射镜、第一连接件和微电流计，所述真空腔体上连接有软x射线入射通道和软x射线反射通道，所述镀膜反射镜连接在真空腔体内，且位于软x射线入射通道和软x射线反射通道之间，所述镀膜反射镜的光路入射方向与软x射线入射通道相对应，所述镀膜反射镜的光路射出方向与软x射线反射通道相对应，所述微电流计的测量端通过第一连接件与镀膜反射镜的镀膜导电连接。
10.进一步的方案中，还包括光电倍增管探测器、第二连接件和数据采集卡，所述光电倍增管探测器连接在真空腔体内，且位于镀膜反射镜下方，所述数据采集卡通过第二连接件与光电倍增管探测器的输出接线端导电连接。
11.进一步的方案中，所述光电倍增管探测器通过真空直线位移装置连接在真空腔体内。
12.进一步的方案中，所述真空直线位移装置包括导杆、导套、波纹管和直线位移组件，所述导套连接在真空腔体上，所述直线位移组件的直线滑动端通过波纹管与导套的外侧面密封连接，所述导杆的一端穿过导套后与光电倍增管探测器的壳体连接，另一端穿过波纹管与直线位移组件的直线滑动端连接。
13.进一步的方案中，所述第一连接件包括第一导线、第一真空电极法兰、第二导线和镀膜连接端，所述镀膜连接端连接在镀膜反射镜上，所述第一真空电极法兰连接在真空腔体上，所述第一导线连接在第一真空电极法兰与镀膜连接端之间，所述第二导线一端与微电流计导电连接，另一端依次通过第一真空电极法兰上的电极、第一导线、镀膜连接端与镀膜反射镜的镀膜导电连接。
14.进一步的方案中，所述第一导线为用于真空的导线，所述第二导线为用于非真空的导线。
15.进一步的方案中，所述第二连接件包括第三导线、第二真空电极法兰和第四导线，所述第二真空电极法兰连接在真空腔体的壳体上，所述第三导线连接在第二真空电极法兰与光电倍增管探测器之间，第四导线的一端与数据采集卡的输入接线端导电连接，另一端依次通过第二真空电极法兰上的电极、第三导线与光电倍增管探测器的输出接线端导电连接。
16.进一步的方案中，所述第三导线为用于真空的导线，所述第四导线为用于非真空的导线。
17.进一步的方案中，所述光电倍增管探测器设置在镀膜反射镜的法线方向上。
18.进一步的方案中，所述镀膜反射镜的镀膜为金膜。
19.本发明的有益效果：
20.1.相对于目前常见的分时检测方式及分光检测方式来说，本发明的软x射线功率
取样诊断器通过镀膜反射镜、第一连接件和微电流计在不影响实验光的测量同时，可以对整个软x射线光斑的功率进行实时测量，既能消除光源的不稳定性对样品测量结果的影响，也能消除光源的光强分布变化对样品测量结果的影响。
21.2.本发明通过电倍增管探测器、第二连接件和数据采集卡可以对低功率的软x射线进行测量。
22.3.本发明采用反射镜或光栅作为软x射线功率的信号采集端，为方便收集光，一般可做得很大，可以收集更多的光信号，便于收集更多的光进行后续实验。
23.4.常规探测器都有量程，超出量程就需要更换探测器，本发明采用两种软x射线功率测量方法，分别适用于高、低功率的软x射线，适应性强。
24.5.本发明整体机构合理，在现有软x射线系统中，不需要增加过多的设备，占用空间少。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本发明实施例一种软x射线功率取样诊断器示意图。
27.图中：1、真空腔体；11、软x射线入射通道；12、软x射线反射通道；2、镀膜反射镜；3、第一连接件；31、第一导线；32、第一真空电极法兰；33、第二导线；34、镀膜连接端；4、微电流计；5、光电倍增管探测器；6、第二连接件；61、第三导线；62、第二真空电极法兰；63、第四导线；7、数据采集卡；8、真空直线位移装置；81、导杆；82、导套；83、波纹管；84、直线位移组件。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
29.如图1所示，软x射线功率取样诊断器，包括真空腔体1、镀膜反射镜2、第一连接件3和微电流计4，真空腔体1上连接有软x射线入射通道11和软x射线反射通道12，镀膜反射镜2连接在真空腔体1内，且位于软x射线入射通道11和软x射线反射通道12之间，镀膜反射镜2的光路入射方向与软x射线入射通道11相对应，镀膜反射镜2的光路射出方向与软x射线反射通道12相对应，微电流计4的测量端通过第一连接件3与镀膜反射镜2的镀膜导电连接。
30.其工作原理和使用方法是：真空腔体1确保整个信号采集系统工作在超高真空环境，软x射线从软x射线入射通道11射到镀膜反射镜2上，软x射线射入方向即沿着软x射线入射通道11方向，经镀膜反射镜2反射后，软x射线射出方向即沿着软x射线反射通道12方向，射入到样品腔，实现对样品的测量，同时当软x射线入射到镀膜反射镜2上时，会在镀膜反射镜2的镀膜上，利用镀膜的光电效应原理产生光电流，光电流经过第一连接件3导电至微电流计4，经过微电流计4测量出光电流的大小。
31.这样在不影响实验光的测量同时，可以对整个软x射线光斑或者说光束的功率进行实时测量，不用分时测量，因此消除光斑光源的不稳定性对样品测量结果的影响，不用分光，因此能消除光源的光强分布变化对样品测量结果的影响。
32.根据上述工作原理，优选的一些实施结构，如图1所示，第一连接件3包括第一导线31、第一真空电极法兰32、第二导线33和镀膜连接端34，镀膜连接端34连接在镀膜反射镜2上，第一真空电极法兰32连接在真空腔体1上，第一导线31连接在第一真空电极法兰32与镀膜连接端34之间，第二导线33一端与微电流计4导电连接，另一端依次通过第一真空电极法兰32上的电极、第一导线31、镀膜连接端34与镀膜反射镜2的镀膜导电连接。
33.这里第一导线31可为用于真空的导线，是一组能在真空环境中使用的导线，可由一根或数根导线组成，也可由金属电极形成；
34.第二导线33可为用于非真空的导线。是一组普通的导线，由一根或数根导线组成，当然也可以是上述用于真空的导线。
35.第一真空电极法兰32是一种用于真空内外电性连接的法兰，其结构可以是在法兰上面焊接一组数个相互绝缘的电极，并且这组电极与法兰之间也是绝缘的，采用的焊接方式满足超高真空密封要求，用它连接真空腔体1的第一导线31和真空腔体1外的第二导线33，把电信号从真空腔体1的真空内导出到真空外，并确保系统的真空度维持在超高真空。
36.镀膜连接端34放在镀膜反射镜2的一个角的边缘上，不挡光线，但会和镀膜接触。这样可以保证法反射的实验光能够很好的投射到样品上，完成测量。
37.镀膜反射镜2的基体可以为玻璃、单晶硅等绝缘体，表面镀金膜；金膜可以较好被激发出光电流，且反射率好，这个地方不限于使用金膜，也可为银膜或铝膜等。
38.微电流计4可以是常用的皮安计。
39.软x射线入射到镀膜反射镜2上时，会在镀膜反射镜2的镀膜上产生光电流，光电流会依次经过镀膜连接端34、第一导线31、第一真空电极法兰32、第二导线33，进入微电流计4，并用微电流计4测量光电流的大小，由于镀膜反射镜2的镀膜上产生光电流大小与入射的软x射线的功率成正比，可通过功率标定，确定光电流与软x射线的功率的比值，进而通过光电流大小，计算软x射线的功率。功率标定就是将已知功率的软x射线打在探测系统上，并测量此时的光电流大小，得到光电流与软x射线的功率的比值；为了提高系统的准确性，一般会采用多个功率测量，等到多个比值，并进行数据优化，功率标定的方法为行业内通用的常规技术手段，因此就可便于得到光电流与软x射线的功率的理论比值。整体结构简单，便于计算软x射线的功率。
40.但当入射光的功率小于10nw时，这个电流在pa量级，皮安计测量电流就不再准确。
41.如图1所示，可在上述软x射线功率取样诊断器结构的基础上，进一步优选的一些实施结构，还包括光电倍增管探测器5、第二连接件6和数据采集卡7，光电倍增管探测器5连接在真空腔体1内，且位于镀膜反射镜2下方，数据采集卡7通过第二连接件6与光电倍增管探测器5的输出接线端导电连接。
42.第二连接件6包括第三导线61、第二真空电极法兰62和第四导线63，第二真空电极法兰62连接在真空腔体1的壳体上，第三导线61连接在第二真空电极法兰62与光电倍增管探测器5之间，第四导线63的一端与数据采集卡7的输入接线端导电连接，另一端依次通过第二真空电极法兰62上的电极、第三导线61与光电倍增管探测器5的输出接线端导电连接。
43.第三导线61为用于真空的导线，第四导线63为用于非真空的导线。第三导线61可以是与第一导线31的类型相同的一组导线。第四导线63可以是与第二导线33类型相同的一组导线。其实施结构可以为多样，可以参照第一导线31和第二导线33的实施结构。
44.光电倍增管探测器5设置在镀膜反射镜2的法线方向上。这样便于光电倍增管探测器5接受光子，接受的范围大。
45.光电倍增管探测器5可以是利用channeltron单光子光电倍增管制作的探测器。它可以阻挡电子和离子进入channeltron，确保只有光子进入channeltron。
46.光子进入光电倍增管探测器5后，经过转换和放大，输出为电子信号；软x射线入射到镀膜反射镜2上时，除了在镀膜反射镜2的金镀层上产生光电流外，还会产生荧光光子，光子进入光电倍增管探测器5并输出为电子信号，电子信号依次通过第三导线61、第二真空电极法兰62和第四导线63，进入数据采集卡7，并测量得到电子信号的信息，通过功率标定，可以根据电子信号的信息计算软x射线的功率。
47.光电倍增管探测器5通过真空直线位移装置8连接在真空腔体1内。
48.由于光电倍增管探测器5孔径大小是固定的，其距离镀膜反射镜2太近或太远，都会导致接收的光子减少，另外由于软x射线打在气体分子上，会产生电子、离子和荧光光子，电子、离子会对电信号产生影响，荧光光子会进入光电倍增管探测器5，对最终信号产生影响，所以整个系统工作在超高真空环境中，尽可能减小气体分子对信号稳定性的影响。所以把光电倍增管探测器5安装在真空直线位移装置8的直线滑动端，通过真空直线位移装置8调节光电倍增管探测器5和镀膜反射镜2之间的距离，功率标定完成后，光电倍增管探测器5和镀膜反射镜2的相对位置要固定，确保光强测量的可重复性足够高。
49.真空直线位移装置8包括导杆81、导套82、波纹管83和直线位移组件84，导套82连接在真空腔体1上，直线位移组件84的直线滑动端通过波纹管83与导套82的外侧面密封连接，导杆81的一端穿过导套82后与光电倍增管探测器5的壳体连接，另一端穿过波纹管83与直线位移组件84的直线滑动端连接。
50.这里直线位移组件84可以电动直线模组或一些小型升降平台的机构。
51.光电倍增管探测器5安装在导杆81上，并通过直线位移组件84调节光电倍增管探测器5和镀膜反射镜2之间的距离；波纹管83确保调节过程中，真空腔体1真空度维持在超高真空。整个真空直线位移装置8原理简单，便于制作。
52.具体的使用时，可以通过增加的光电倍增管探测器5、第二连接件6和数据采集卡7来测量入射软x射线的功率。还可采用镀膜反射镜2、第一连接件3和微电流计4来测量入射软x射线的功率。当入射软x射线光强的标定功率大于10nw时，可以以微电流计4测量为准，当入射软x射线光强的标定功率小于10nw时，以数据采集卡7测量的数据为准。
53.另外由于镀膜反射镜2和光栅都可镀金膜，在光栅上可以采用与发射镜相同的测量方法，在某些系统中，有镀膜光栅时，此时可以利用光栅进行测量，提高测量系统的适用范围，这里就不一一赘述。
54.因为探测器尺寸做大，会使探测器制作成本大幅增加，也会让探测器使用不方便，所以常规探测器不会做的很大，而软x射线传输系统中的反射镜和光栅的尺寸一般可做得足够大，以便收集更多的光进行后续实验，因此本发明采用反射镜或光栅作为软x射线功率的信号采集端，可以收集更多的光信号。
55.综上，本发明采用软x射线系统中的反射镜作为软x射线功率的信号采集端，相对于现有探测器来说，不需要要增加额外的探测器，就能完成样品的测量、软x射线光强的测定，整体结构简单，不会增加过多的设备，占用空间少。
56.现有常规探测器测量时，都需要分一部分软x射线打到探测器上，不论采用哪种分光方式，都会在一定程度上减少打在样品上的软x射线，本发明采用软x射线系统中的反射镜作为软x射线功率的信号采集端，可以让尽可能多的软x射线进入样品腔，光源的强度较低时，设备也能够正常使用，提高光源的利用率，并降低系统对光源的要求。
57.常规探测器都有量程，超出量程就需要更换探测器，本发明软x射线功率取样诊断器采用两种软x射线功率测量方法，分别适用于高、低功率的软x射线，适应性强。还可适用于硬x射线和极紫外射线功率取样。
58.需要说明的是，本领域技术人员能够想到，本技术的真空腔体1是指设有真空腔的壳体。本技术中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。
59.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
60.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。