用于标定X射线滤片和反射镜工作效率的测量系统及方法

用于标定x射线滤片和反射镜工作效率的测量系统及方法
技术领域
1.本发明涉及x射线光学元件工作效率标定领域，尤其是涉及一种用于标定x射线滤片和反射镜工作效率的测量系统及方法。


背景技术：

2.软x射线能谱的绝对测量是icf(inertial confinement fusion，惯性约束聚变)研究中的一个核心内容，其中软x射线滤片与软x射线反射镜是软x射线能谱诊断中的重要调节及色散元件。这些元件在icf能谱及辐射流诊断领域常用的重要仪器如美国nif激光装置中采用的dante谱仪，我国神光iii激光装置中的sxs(soft x-ray spectrometer)能谱仪以及fxrd(flat x-ray diode)都是核心测量元件。为了保证测量结果的精度，必须对这些光学元件的工作效率进行准确的标定测量。
3.在同步辐射上现有的x射线元件标定装置主要分为透射式的滤片标定装置以及反射式的反射率计装置。现有的标定装置由于光学结构的限制，难以兼顾透射式与反射式光学元件的标定测量，并且在样品更换过程中需要占用大量时间，这大大降低了标定效率，尤其在同步辐射装置工时紧张的情况下这对x射线光学元件的标定工作造成了巨大困难。同时，现有的反射率计由于采用单探测器，无法同时探测输入信号与输出信号，在同步辐射光束强度随时间变化的情况下，造成了大量的测量误差。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于标定x射线滤片和反射镜工作效率的测量系统及方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种用于标定x射线滤片和反射镜工作效率的测量系统，包括真空单元、瞄准准直单元、样品置放单元、调节单元、测角单元和信号采集控制单元；所述调节单元用于调节瞄准准直单元、样品置放单元以及测角单元的工作状态，调节单元与信号采集控制单元连接；所述真空单元与第一真空腔相连接；所述样品置放单元包括滤片样品架和反射镜样品架；所述瞄准准直单元置于第一真空腔内，样品置放单元、调节单元和测角单元置于第二真空腔内，两个真空腔通过密封真空法兰相连接。
7.进一步地，所述的真空单元配备有真空泵和高精度真空计，装置真空度≤10-3
pa。
8.进一步地，所述的瞄准准直单元包括可垂直调节的第一狭缝和第二狭缝以及可垂直调节的用于监控狭缝光斑的第一ccd相机和第二ccd相机，第一狭缝为横狭缝，第二狭缝为竖狭缝，狭缝宽度调节范围为1～3mm，狭缝间距为200mm，狭缝边缘涂抹有x射线荧光粉。
9.进一步地，所述的测角单元包括闪烁体和可垂直调节的用于监控闪烁体光斑的第三ccd相机，闪烁体设置在第二真空腔内壁上，第三ccd相机与调节单元相连接，所述闪烁体为gagg塑料闪烁体，闪烁体置于光路末端，直径为300mm。
10.进一步地，所述的信号采集控制单元包括第二真空腔内部的两个硅光二极管探测
器、弱电流计、上位机以及设置在第二真空腔体上的用于引出信号的电缆和真空航插法兰，所述硅光二极管为axuv-100标准探测器，前后探测器灵敏度差异≤2％，信噪比≥100。
11.进一步地，所述的弱电流计灵敏度在pa量级，并可实时将数据传入上位机。
12.进一步地，所述的上位机接收弱电流计的实时信号，并对前后硅光二级管探测器输出的电信号进行处理，计算滤片样品的透射率及反射镜样品的反射率。
13.进一步地，所述的调节单元包括搭载于狭缝、硅光二极管、滤片样品架和反射镜样品架中的真空电控调节架，所述真空电控调节架对狭缝、硅光二极管和滤片样品进行30mm的垂直调节；所述调节单元中的真空电控调节架对多层镜反射镜样品进行30mm的垂直调节、30mm的水平调节以及0度至20度的角度调节；对观察狭缝的第一ccd相机和第二ccd相机进行15mm的垂直调节；对观察闪烁体光斑的第三ccd相机进行200mm的垂直调节。
14.进一步地，所述的信号采集控制单元中的上位机控制所有电控调节架，并通过labview程序自动切换x射线光束能量以及滤片样品和反射镜样品。
15.进一步地，所述的上位机接收弱电流计的实时信号，并对来自同一时段同一样品的信号进行平均值与方差计算。
16.一种用于标定x射线滤片和反射镜工作效率的测量系统的测量方法，包括以下步骤：
17.s1、将多块滤片样品及反射镜样品分别置于样品置放单元中的滤片样品架和反射镜样品架，通过真空单元将装置内真空度调节至≤10-3
pa；
18.s2、将同步辐射x射线光束切换至0级衍射光，通过瞄准准直单元对光路进行瞄准和准直，测角单元测量反射镜样品的掠入射角度，将调节单元调节至反射镜样品所需的测量角度；
19.s3、将同步辐射x射线光束切换至750ev能量，通过调节单元(4)将第一个硅光二级管探测器置于光路中，测得没经过反射镜样品的数据，再将第二个硅光二级管探测器置于光路中，测得经过反射镜样品的数据；
20.s4、将同步辐射x射线光束在100—1500ev能段内进行扫描，通过调节单元(4)先将两个硅光二级管探测器垂直调节移出光路，更换滤片样品以及反射镜样品，接着通过调节单元(4)将第一个硅光二级管探测器置于光路中，测得没经过反射镜样品的数据，再将第二个硅光二级管探测器置于光路中，测得经过反射镜样品的数据，信号采集控制单元(6)对前后硅光二级管探测器输出的电信号进行处理，并计算滤片样品的透射率及反射镜样品的反射率。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22.1.本发明在光学结构设计上同时考虑了对x射线透射式与反射式光学元件的工作效率的标定，通过在第二真空腔里内设置有滤片样品架和反射镜样品架，能够同时标定x射线滤片与反射镜，样品架中能容纳多个样品；节省了大量换样的时间，显著提高了标定x射线光学元件的测量效率。
23.2.本发明采用了两个灵敏度差异≤2％的硅光二极管作为信号探测器，能够实时测量输入信号与经过光学元件透射或反射后的输出信号，避免了由于同步辐射光束强度随时间变化带来的大量误差，显著提高了标定x射线光学元件的测量精度。
24.3.本发明通过使用第三ccd相机监控观察光路末端x射线闪烁体上的x射线光斑来
实时测量反射镜掠入射角，而传统反射率计直接将转角作为掠入射角，本发明采用的测角方法有效避免了传统反射率计由于样品安装以及设备老化带来的角度测量误差，显著提高了标定x射线反射镜的测量精度。
25.4.本发明通过设置有用于调节瞄准准直单元、样品置放单元以及测角单元的工作状态的调节单元，调节单元中的真空电控调节架对狭缝、硅光二极管和滤片样品进行垂直调节；对多层镜反射镜样品进行垂直、水平以及角度调节；对观察狭缝的第一ccd相机和第二ccd相机进行垂直调节；对观察闪烁体光斑的第三ccd相机进行精密垂直调节，实现了对不同测量要求的满足，具有实用性。
附图说明
26.图1为本发明的结构示意图；
27.图2为本发明的滤片样品架示意图；
28.图3为本发明的反射镜样品架示意图；
29.图4为本发明的反射镜掠入射角度测量方法示意图。
30.图中标号：真空单元1、瞄准准直单元2、样品置放单元3、调节单元4、测角单元5、信号采集控制单元6、反射镜样品架外框31、反射镜样品架转台32、反射镜镜框33、反射镜样品34、滤片架样品架外框35、滤片架样品架固定片36、滤片样品37、gagg塑料闪烁体51。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
32.一种用于标定x射线滤片和反射镜工作效率的测量系统，包括真空单元1、瞄准准直单元2、样品置放单元3、调节单元4、测角单元5和信号采集控制单元6；调节单元4用于调节瞄准准直单元2、样品置放单元3以及测角单元5的工作状态，调节单元4与信号采集控制单元6连接；真空单元1与第一真空腔相连接；样品置放单元3包括滤片样品架和反射镜样品架；瞄准准直单元2置于第一真空腔内，样品置放单元3、调节单元4和测角单元5置于第二真空腔内，两个真空腔通过密封真空法兰相连接。
33.真空单元1配备有真空泵和高精度真空计，装置真空度≤10-3
pa；瞄准准直单元2包括可垂直调节的第一狭缝和第二狭缝以及可垂直调节的用于监控狭缝光斑的第一ccd相机和第二ccd相机，第一狭缝为横狭缝，第二狭缝为竖狭缝，狭缝宽度调节范围为1～3mm，狭缝间距为200mm，狭缝边缘涂抹有x射线荧光粉。
34.测角单元5包括闪烁体和可垂直调节的用于监控闪烁体光斑的第三ccd相机，闪烁体设置在第二真空腔内壁上，第三ccd相机与调节单元4相连接，所述闪烁体为gagg塑料闪烁体，闪烁体置于光路末端，直径为300mm。
35.信号采集控制单元6包括第二真空腔内部的两个硅光二极管探测器、弱电流计、上位机以及设置在第二真空腔体上的用于引出信号的电缆和真空航插法兰，所述硅光二极管为axuv-100标准探测器，前后探测器灵敏度差异≤2％，信噪比≥100；弱电流计灵敏度在pa量级，并可实时将数据传入上位机。
36.上位机接收弱电流计的实时信号，并对前后硅光二级管探测器输出的电信号进行处理，计算滤片样品的透射率及反射镜样品的反射率。
37.调节单元4包括搭载于狭缝、硅光二极管、滤片样品架和反射镜样品架中的真空电控调节架，所述真空电控调节架对狭缝、硅光二极管和滤片样品进行30mm的垂直调节；所述调节单元中的真空电控调节架对多层镜反射镜样品进行30mm的垂直调节、30mm的水平调节以及0度至20度的角度调节；对观察狭缝的第一ccd相机和第二ccd相机进行15mm的垂直调节；对观察闪烁体光斑的第三ccd相机进行200mm的垂直调节。
38.信号采集控制单元6中的上位机控制所有电控调节架，并通过labview程序自动切换x射线光束能量及样品。
39.一种用于标定x射线滤片和反射镜工作效率的测量系统的测量方法，包括以下步骤：
40.s1、将多块滤片样品及反射镜样品分别置于样品置放单元3中的滤片样品架和反射镜样品架，通过真空单元1将装置内真空度调节至≤10-3
pa；
41.s2、将同步辐射x射线光束切换至0级衍射光，通过瞄准准直单元2对光路进行瞄准和准直，测角单元5测量反射镜样品的掠入射角度，将调节单元4调节至反射镜样品所需的测量角度；
42.s3、将同步辐射x射线光束切换至750ev能量，通过调节单元4将硅光二级管探测器置于光路中；
43.s4、将同步辐射x射线光束在100—1500ev能段内进行扫描，通过调节单元4切换硅光二级管探测器和样品，通过信号采集控制单元6对前后硅光二级管探测器输出的电信号进行处理，并计算滤片样品的透射率及反射镜样品的反射率。
44.本实施例以标定用于icf软x射线能谱测量的x射线滤片以及紧凑型x射线多层膜阵列反射镜的测量装置和测量方法为例对本发明内容进行进一步说明。
45.如图1-3所示为一种用于标定x射线滤片和反射镜工作效率的测量系统的结构示意图，包括真空单元1、瞄准准直单元2、样品置放单元3、调节单元4，测角单元5，信号采集控制单元6、反射镜样品架外框31、反射镜样品架转台32、反射镜镜框33、反射镜样品34、滤片架样品架35、滤片架样品架固定片36、滤片样品37以及gagg塑料闪烁体51。
46.多个x射线滤片样品37放置在与滤片架样品架35定制的滤片架槽中，滤片样品框表面与滤片架槽表面相平，采用滤片架样品架固定片36对滤片样品37进行固定，调节单元4能对滤片样品37进行30mm的垂直调节。
47.紧凑型x射线多层膜阵列反射镜样品34通过反射镜镜框33从侧面进行固定，该反射镜镜框33表面与反射镜样品架转台32的选择中心处于同一平面，确保掠入射角的测量精度，调节单元4能对反射镜样品34进行30mm的垂直调节范围，30mm的水平调节，0度至20度的角度调节。
48.基于上述装置，本实施例中标定用于icf软x射线能谱测量的x射线滤片以及紧凑型x射线多层膜阵列反射镜的测量方法包括以下步骤：
49.步骤1、将x射线滤片及多层膜阵列反射镜样品置于样品架中，通过真空单元1中的前级机械泵与后置分子泵将装置内真空度调节至≤10-3
pa，通过真空计观察真空度是否达到要求，若满足要求则进行步骤2。
50.步骤2、将同步辐射束线切换至0级衍射光。瞄准准直单元2中采用两个距离150mm的涂抹有x射线荧光粉的狭缝，通过监控第一和第二ccd相机，确认束线光路经过两个狭缝；如图4所示，测角单元5通过监控第三ccd相机，配合gagg塑料闪烁体51分别测量束线直射光斑位置、束线与反射镜样品37平行位置以及束线经过反射镜样品37反射光斑位置，通过3个光斑之间的位置关系，计算出准确的反射镜样品37掠入射角。
51.步骤3、将同步辐射x射线光束切换至750ev能量，通过调节单元4分别调节前后两个硅光二级管探测器的位置，监测信号采集控制单元6中的信号变化，当信号基本稳定时，探测器位于束线光路中，记录此时探测器位置。
52.步骤4、针对任一样品，将同步辐射x射线光束在100—1500ev能段进行扫描，通过调节装置4自动切换探测器，通过信号控制单元6对前后探测器的信号进行处理，并计算滤片样品37的透射率及反射镜样品34的反射率以及其他相关参数。
53.步骤5、将同步辐射x射线光束复位，通过调节装置4自动切换样品，对于反射镜样品34，重复步骤1与步骤4。对于滤片样品37，重复步骤4。
54.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。