一种用于同步辐射光束线光子能量标定的系统及方法

1.本发明涉及同步辐射光束线技术领域，更具体地涉及一种用于同步辐射光束线光子能量标定的系统及方法。


背景技术：

2.同步辐射装置利用高品质电子束来产生从红外到x射线频谱范围的高准直、高亮度光子束。硬x波段的光束线利用晶体单色器作为光束调制设备，其分光晶体的衍射光束为满足科学实验的单色光。在同步辐射谱学、衍射实验方法中，以光束能量作为基准测试样品的结构及性能。因此，光子能量的标定至关重要，需要建立高效的光子能量标定方法。
3.目前，最常用的x射线光子能量标定方法为：测量特定元素的k吸收边。x射线的光子能量接近k壳层电子结合能，光子可将电子从低束缚态激发，该条件下元素吸收系数突然增大；x射线光子能量大于k吸收边，元素吸收系数突然降低。元素k边附近吸收系数突变特性与特定能量相对应，因此，测量特定元素k吸收边可进行光子能量标定。
4.但是元素吸收边存在自然宽度，例如常用的cu元素k边自然宽度约为1.55ev，因此利用元素吸收边标定光子能量存在一定的偏差，这种方法无法满足光子能量标定精度较高的实验。


技术实现要素：

5.为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种用于同步辐射光束线光子能量标定的系统及方法，利用分光晶体的衍射特性进行标定，结构简单且精度较高。
6.本发明提供的一种用于同步辐射光束线光子能量标定的系统，包括沿光路走向依次排布的双晶单色器和分光晶体，所述分光晶体设置于精密转台上，所述精密转台与垂直位移台、水平位移台依次连接，所述分光晶体的正前方设有第一探测器，且所述分光晶体的正上方设有第二探测器。
7.进一步地，所述分光晶体具有互相垂直的第一衍射面和第二衍射面，所述分光晶体的顶面与所述第二衍射面的连接处设有贯通的出光口。
8.进一步地，所述第一探测器设于所述出光口的上方，以接收从所述出光口出射的光束；所述第二探测器设于所述第二衍射面的前方，以接收从所述第二衍射面出射的光束。
9.进一步地，所述第一探测器和所述第二探测器均为光电二极管探测器。
10.进一步地，所述精密转台的精度为0.01arcsec，所述垂直位移台和所述水平位移台的精度为2μm。
11.本发明还提供一种用于同步辐射光束线光子能量标定的方法，包括：
12.步骤s1，提供上述的用于同步辐射光束线光子能量标定的系统，根据布拉格衍射定律，调整双晶单色器的布拉格角，以将所述双晶单色器的出射光束的能量接近于待标定的光子能量；
13.步骤s2，利用垂直位移台和水平位移台调整分光晶体的位置，使所述双晶单色器
的出射光束照射至所述分光晶体的第一衍射面，在所述第一衍射面产生一次衍射，一次衍射的光束从出光口入射至第一探测器；
14.步骤s3，所述第一探测器对一次衍射的光束进行扫描，获取一次衍射的摇摆曲线，同时旋转精密转台，以使所述分光晶体的布拉格角度调整至一次衍射的摇摆曲线峰值处；
15.步骤s4，利用所述水平位移台调整所述分光晶体水平方向的位置，使所述双晶单色器的出射光束照射至所述第一衍射面，并从第二衍射面出射，以产生两次衍射，两次衍射的光束入射至第二探测器；
16.步骤s5，所述第二探测器对两次衍射的光束进行扫描，获取两次衍射的摇摆曲线，同时旋转所述精密转台，记录两次衍射的摇摆曲线的峰值；
17.步骤s6，调整所述双晶单色器的布拉格角，并沿同方向旋转所述精密转台以使所述双晶单色器出射光束的能量变化0.1ev，同时获取两次衍射的摇摆曲线，记录两次衍射的摇摆曲线的峰值；
18.步骤s7，重复步骤s6，直至找到两次衍射的摇摆曲线峰值最大处所对应的双晶单色器的布拉格角，实现同步辐射光束线光子能量的高精度标定。
19.本发明利用色散情况下晶体的本征衍射，可以达到高精度(0.1ev)标定x束线光子能量的要求。根据布拉格晶体衍射公式，利用晶体衍射面族，本发明可以实现多种x光子能量的标定，实现了一晶多用。另外，本发明的机械结构易于实现，分光晶体结构设计巧妙，可以准确实现一次晶体衍射和两次晶体衍射的切换，实现x束线光子能量的快速高精度标定。
附图说明
20.图1是按照本发明的用于同步辐射光束线光子能量标定的系统的结构示意图。
21.图2是图1中分光晶体的结构示意图。
22.图3是图2的分光晶体的侧视图。
具体实施方式
23.下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
24.如图1所示，本发明提供的用于同步辐射光束线光子能量标定的系统，包括沿光路走向依次排布的双晶单色器1和分光晶体2，其中，分光晶体2设置于精密转台3上，精密转台3与垂直位移台4、水平位移台5依次连接，分光晶体2的正前方设有第一探测器61，且分光晶体2的正上方设有第二探测器62。
25.如图2和图3所示，分光晶体2由一块完整的单晶硅切割而成，其具有互相垂直的第一衍射面21和第二衍射面22，分光晶体2的顶面与第二衍射面22的连接处设有贯通的出光口23。并且，第一探测器61设于出光口23的上方，以接收从出光口23出射的光束；第二探测器62设于第二衍射面22的前方，以接收从第二衍射面22出射的光束。需要说明的是，第一探测器61和第二探测器62型号相同，且均不阻挡入射光束。在本实施例中，第一探测器61和第二探测器62均为光电二极管探测器。
26.由于分光晶体2的此种结构，利用垂直位移台4和水平位移台5改变分光晶体2的位置，可使同步辐射光束线在第一衍射面21发生一次衍射，一次衍射的光束经过出光口23入射至第一探测器61，第一探测器61实时探测一次衍射产生的光电流；也可使同步辐射光束
线经过第一衍射面21和第二衍射面22发生两次衍射，两次衍射的光束入射至第二探测器62，第二探测器62实时探测两次衍射产生的光电流，从而标定入射同步辐射光束线的光子能量。
27.考虑晶体结构与制作工艺以及光子能量范围，分光晶体2的表面晶向可为400、800、220、440、880，对应的待标定光子能量分别为6.457kev、12.914kev、4.566kev、9.132kev、18.263kev。在本实施例中，精密转台3的精度为0.01arcsec，垂直位移台4和水平位移台5的精度为2μm，以保证机械精度。需要说明的是，待标定的光子能量是同步辐射线站实验所需要的，为已知量，本发明的目的是达到精度优于0.1ev的光子能量标定。
28.本发明的分光晶体2利用相互垂直的第一衍射面21和第二衍射面22，构成色散配置，且高指数面的衍射保证标定的光子能量的精度。由于一次衍射对光子能量要求不高，通过晶体一次衍射能够初步标定光子能量的范围，提高光子能量标定的操作效率。
29.因此，本发明还提供一种用于同步辐射光束线光子能量标定的方法，该方法包括以下步骤：
30.步骤s1，提供上述用于同步辐射光束线光子能量标定的系统，根据布拉格衍射定律，调整双晶单色器1的布拉格角，以将双晶单色器1的出射光束的能量接近于待标定的光子能量。此时，双晶单色器1的出射光束的光子能量易满足晶体一次衍射。
31.步骤s2，利用垂直位移台4和水平位移台5调整分光晶体2的位置，使双晶单色器1的出射光束照射至分光晶体2的第一衍射面21，在第一衍射面21产生一次衍射，一次衍射的光束从出光口23入射至第一探测器61。
32.步骤s3，第一探测器61对一次衍射的光束进行扫描，获取分光晶体2一次衍射的摇摆曲线，然后旋转精密转台3，使分光晶体2的布拉格角度(即双晶单色器1的出射光束与第一衍射面21的夹角)调整至一次衍射的摇摆曲线峰值处，初步锁定待标定的光子能量的范围。
33.步骤s4，利用水平位移台5调整分光晶体2水平方向的位置，使双晶单色器1的出射光束照射至第一衍射面21，并从第二衍射面22出射，以产生两次衍射，两次衍射的光束入射至第二探测器62。
34.需要说明的是，一次衍射和两次衍射的衍射角均为45
°
，以保证光束水平入射和水平出射，并且存在一定的高差，避免遮挡入射光束，利于光子信号的探测。
35.步骤s5，第二探测器62对两次衍射的光束进行扫描，获取分光晶体2两次衍射的摇摆曲线，同时旋转精密转台3，记录两次衍射的摇摆曲线的峰值。
36.步骤s6，调整双晶单色器1的布拉格角，并沿同方向旋转双晶单色器1使其出射光束的能量变化0.1ev，同时获取分光晶体2两次衍射的摇摆曲线，记录两次衍射的摇摆曲线的峰值。如此，可消除机械回程差的影响。
37.步骤s7，重复步骤s6，直至找到两次衍射的摇摆曲线峰值最大处所对应的双晶单色器1的布拉格角，实现同步辐射光束线光子能量的高精度标定。具体地，重复5～10次步骤s6，找到分光晶体两次衍射的摇摆曲线峰值最大值处，此时双晶单色器1所处角度出射光束的光子能量即为待标定的光子能量，实现同步辐射光束线光子能量的高精度标定。
38.对x束线的衍射可分为消色散型和色散型排列，色散型排列表示衍射面不平行排列，入射束线中心轴上的光线在两晶体上的入射角相等，而偏离中轴线的入射光束在两衍
射面的入射角不相等。晶体色散型排列出射光束带宽与晶体本征达尔文带宽相当，保证出射光子能量的精度。本发明分光晶体衍射对入射光子能量要求极为苛刻(误差0.1ev以内)，摇摆曲线峰值最大意味着入射光子能量达到最佳衍射条件，从而实现高精度光子能量的标定。
39.本发明具有以下有益效果：
40.1)本发明利用自然相互垂直的晶面作为衍射面，利用晶体本征衍射和晶面色散配置原理，使得两次衍射后的出射光带宽趋近本征达尔文带宽，保证x束线光子能量标定的高精度；
41.2)本发明通过出光口的设计，可以经过一次晶体衍射预先锁定x束线光子能量范围，然后再进行更为精密的标定，便于实际操作；
42.3)本发明根据布拉格晶体衍射公式，利用晶体衍射面族，可以实现多种x束线光子能量的标定；
43.4)本发明的机械结构易于实现，包含一个旋转台和两个位移台，通过位移台的调整，可以准确实现一次晶体衍射和两次晶体衍射的切换，从而实现x束线光子能量的标定。
44.以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。