专利名称：基于整体会聚x光透镜的exafs谱仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种使用整体会聚X光透镜和位置灵敏探测器的EXAFS(ExtendedX-ray Absorption Fine Structure)谱仪。它是国际上尚无商品推出的使用整体会聚X光透镜的新型科学仪器。用它可以研究晶态物质和非晶态物质的结构。
背景技术：
现有的空间分辨EXAFS谱仪，大多数是通过利用小孔来限制X射线束，众所周知，为了实现空间分辨，小孔的直径尺寸势必很小，这就大大降低了打在样品上的X射线强度，从而导致了测量EXAFS谱需要较长的时间，以致影响EXAFS谱的质量，所以在用小孔实现空间分辨EXAFS分析时，必须用高强度X射线光源；现有的时间分辨EXAFS谱仪，同样需要高强度的X射线光源；对样品同时进行时间分辨和空间分辨的EXAFS谱仪，对X射线光源强度的要求就更高，所以，现有的时间分辨EXAFS谱仪、空间分辨EXAFS谱仪以及同时进行时间分辨和空间分辨的EXAFS谱仪都受到光源强度的限制，影响了它们的普及和推广。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种能够对材料进行时间分辨和空间分辨EXAFS分析的新型科学仪器。
本实用新型的目的通过如下措施实现该谱仪包括X光源、整体会聚X光透镜、单色器和位置灵敏探测系统。其特点在于在光源和单色器之间加有整体会聚X光透镜，由于整体会聚X光透镜可以在大角度大能量范围内将发散的X光会聚成直径为数十微米的微焦斑，将样品放在焦斑位置处时，可探测到数十微米范围内的信息，所以本实用新型可以实现空间分辨的EXAFS分析。由于整体会聚X光透镜的具有很高的放大倍数，同时，由于经整体会聚X光透镜会聚的X射线束，经过焦斑位置后就发散开了，所以在焦斑后面放上合适的单色器，根据布拉格衍射定律可知，发散的X射线连续谱经单色器作用后，不同能量的X射线的空间位置不同，此时，在单色器后面放上位置灵敏探测器，可同时测量一定能量范围内各能量点的X射线强度，从而大大缩短了记谱时间，所以本实用新型可以实现时间分辨的EXAFS分析。
整体会聚X光透镜为单一的、没有支撑部件的多孔玻璃固体，它内部是由多根内径为5～10微米的毛细管构成。该透镜沿长度的外形母线和X光导管外形的母线及X光导管的轴线近似为空间二次曲线段、二次曲线段的组合或二次曲线段与直线段的组合，透镜的母线和X光导管的外形母线的径向变化对于透镜的中心轴线是对称的。X光在毛细导管中可借助于全发射从导管的一端传输到另一端，传输过程中改变了X光的传输方向。由于透镜具有上述结构特点，所以可以改变X光的传播方向，从而可以在大能量范围内会聚X光。整体会聚X光透镜具有103数量级的放大倍数整体会聚X光透镜的进口截面和出口截面尺寸小于透镜最大尺寸。进口端截面和X光导管在垂直于透镜中心轴线方向的截面分别为正六边形和圆形。进口端截面和出口端截面形状相同，X光导管沿垂直于透镜中心线方向的截面尺寸是空间的函数，越靠近两端，截面尺寸越小。
描述整体会聚X光透镜性能的参量中，其中，出口焦距、入口焦距、焦斑大小、放大倍数、传输效率和等效距离都与能量有关，整体会聚X光透镜的长度、入口直径、出口直径和最大截面的尺寸都是因EXAFS分析研究的特殊要求而特别设计，构成透镜毛细管的内径和数目以及拉制透镜采用的材料也因研究项目要求的不同而不同。
本实用新型与现有技术比较具有如下优点1.由于整体会聚X光透镜可以会聚发散的X光，所以，本实用新型采用整体会聚X光透镜可以将打在样品上的X光的功率密度提高数千倍，从而缩短了记谱时间，提高了EXAFS谱的质量。
2.由于整体会聚X光透镜可以将发散的X光会聚成直径在数十微米的微焦斑，所以，该谱仪可对样品实现空间分辨的EXAFS分析，同时能对微小样品进行EXAFS分析。
3.由于会聚透镜有很高的放大倍数，同时，整体会聚X光透镜将发散的X光会聚成微焦斑后，X光束又分散开，这便于采用位置灵敏探测系统同时测量一定能量范围内各个能量点的X射线强度，从而缩短了记谱时间，所以，本实用新型可以在低功率光源下进行时间分辨的EXAFS分析。
4.由于本实用新型采用了整体会聚X光透镜，使得该EXAFS谱仪的能量分辨率不再受到光源尺寸的影响，便于提高谱仪的能量分辨率。
5.由于整体会聚X光透镜和位置灵敏探测器的结合，使得该谱仪能够对样品同时进行时间分辨和空间分辨的EXAFS分析。
6.由于整体会聚X光透镜没有支架，结构紧凑，所以本实用新型结构简单、造价低廉，便于普及和推广使用。
以下结合附图对本实用新型作进一步的详述。
图1为基于整体会聚X光透镜的EXAFS谱仪的结构示意图；图2为本实用新型中整体会聚X光透镜的示意图；图3为图2中整体会聚X光透镜的沿垂直于透镜中心线的剖面图。
具体实施方式
参见附图1和图2，本实用新型由X光源1、整体会聚X光透镜2、样品3、单色器4和位置灵敏探测系统5组成。
自X光源发射的X光6被整体X光透镜收集和会聚，从透镜出射的X光7会聚成数十微米的微焦斑8后又分散开形成发散的光束9。某能量范围内的连续X光束9打在单色器上后，按照布拉格定律被单色器分开，形成了不同能量(如图1中的λ1、λ2和λ3等)X光的空间分布，按空间分布的不同能量的X光被位置灵敏探测系统探测后，形成高能量分辨的X光能谱，基于这些能谱就可对样品进行EXAFS分析。
参见图2，整体会聚X光透镜的入口端直径Din和出口端直径Dout与其最大截面的直径Dmax相比，前者较小；整体会聚X光透镜入口焦距f2和出口焦距f1可以相等也可以不等；透镜的长度l根据实验条件而定；透镜的对光源的捕获角ωcapture随着透镜结构和光源尺寸的不同而不同；经整体会聚X光透镜会聚的X光束离开焦斑后的发散角ωdivergence随透镜结构的变化而变化。进入透镜入口端的X射线光强和从透镜出来的X射线的强度比值定义为透镜的传输效率，透镜的传输效率与能量、透镜的结构和光源的大小等因素有关。透镜放大倍数的定义为有透镜和没透镜时，某处X光的功率密度的比值，它与透镜的结构和能量有关，同时它还与空间位置有关。透镜的焦斑大小、入口焦距、出口焦距、捕获角和发散角都与透镜的结构和能量有关。
参见图3，透镜沿垂直于透镜中心线方向的横截面的外形是正六边形，每根毛细管横截面的轮廓为圆形。毛细管紧密排列在一起，如果把中间一根毛细管所在的层数定义为1，则从内向外各层上的毛细管的数目为6(n-1)，其中n＞1为层数，毛细管的内径大小可以相同也可以不相同。
下面给出整体X光会聚透镜的实例透镜04-3-27-3共有205060根X光导管构成，在沿垂直于透镜中心线的方向截面上，每根毛细管的内径大小相同，在最大横截面上，每根毛细管的内径约为6微米；透镜的长度为70mm，透镜的入口端和出口端的直径分别为5mm和3mm，在17.4keV能量点，透镜入口焦距、出口焦距、传输效率、焦斑直径、放大倍数和发散角，分别为78mm、13mm、1％、27μm、3000和2°。
权利要求1.一种基于整体会聚X光透镜的EXAFS谱仪，包括X光源、样品、平面单色器、位置灵敏探测系统，其特征在于该谱仪还包括在X光源和样品之间加有一整体会聚X光透镜。
2.根据权利要求1所述的EXAFS谱仪，其特征在于整体会聚X光透镜是单一的、没有支撑的多孔玻璃固体，内有多根毛细管；该透镜沿长度的外形母线和X光导管的外形母线及X光导管的轴线近似为空间二次曲线段、二次曲线段的组合或二次曲线段与直线段的组合，透镜的母线和X光导管的外形母线的径向变化对于透镜的中心轴线是对称的。
3.根据权利要求1所述的EXAFS谱仪，其特征在于整体会聚X光透镜具有直径为数十微米的微焦斑。
4.根据权利要求1所述的EXAFS谱仪，其特征在于整体会聚X光透镜具有103数量级的放大倍数。
5.根据权利要求1所述的EXAFS谱仪，其特征在于整体会聚X光透镜的进口端截面和X光导管在垂直于透镜中心轴线方向的截面分别为正六边形和圆形；沿垂直于透镜中心线方向，越靠近两端，X光导管的截面尺寸越小。
专利摘要基于整体会聚X光透镜和位置灵敏探测器的EXAFS谱仪是由X光源、样品、平面单色器、位置灵敏探测系统以及在X光源和样品之间的整体会聚X光透镜组成，它可用来对样品进行结构分析。本实用新型的核心部件是安放在光源和样品之间整体会聚X光透镜。本实用新型的核心是通过整体会聚X光透镜与位置灵敏探测系统的合理结合，实现对样品进行空间分辨和时间分辨的EXAFS分析。同时，由于整体会聚X光透镜具有很高的放大倍数，所以，本实用新型可以利用功率较低的光源进行EXAFS分析。本实用新型结构简单，造价低廉，便于推广和普及。
文档编号G01N13/00GK2809635SQ20052000874
公开日2006年8月23日 申请日期2005年3月22日 优先权日2005年3月22日
发明者丁训良, 孙天希, 刘志国 申请人:北京师范大学