一种利用单色器获得不同能量带宽X射线的方法

摘要

本发明公开了一种利用单色器获得不同能量宽度X射线的方法，该方法利用双晶体单色器步进扫描方式获得不同能量宽度X射线，该方法解决了传统光束线能量带宽由光学元件固有属性限制而不能任意改变的问题，为同步辐射粉光实验的前期验证提供一种可行的实验技术方案，该方法具有简单易行，实施成本低，能量带宽和能谱分布可以通过双晶体单色器运动方式进行控制的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及同步辐射X射线光学及其应用领域。本发明尤其涉及同步辐射粉光实验方法的验证性研究领域。

技术背景

上世纪末开始，世界上开始了大型仪器-同步辐射光源的建设研究。同步辐射光源由于其优良的光学特性，在人们科学研究和日常生活领域内做出了重大贡献。随着实验用户需求的快速增长，光源的性能不断改进，尤其是以插入件为主的三代同步辐射光源，在光源的亮度、准直性和能量范围上都有质的提升。但目前的多数实验方法都是首先通过单色器对同步辐射光源进行单色化，得到单一能量。晶体几十微弧度的带宽特性导致获得的单色光能量宽度极小(～10^-4量级)，这使得同步辐射光源利用效率极低。能否利用更高通量的粉光光束(如波荡器直接产生的粉光)开展实验一直是人们关注的热点问题，为了验证能量带宽对实验方法的影响，实验中需要通过控制变量法来调节能量带宽的变化，对比不同能量带宽情况下的实验情况。

目前一些同步辐射光源的光束线已开始尝试通过使用谐波抑制、双多层膜单色器(DMM)或者Laue弯晶单色器等方式获得粉光光束来开展实验。例如，APS光源的1-ID小角散射实验系统可以提供Si(111)双劳厄型弯晶单色器，获得能量带宽为1.3×10^-3的光束线；APS光源8-ID-I光束线可以提供能量带宽为2×10^-2的粉光束线；LNLS的D01B实验站使用多层膜，获得能量带宽为0.1的粉光束线；台湾光源的BL23A1小角散射实验站，可以利用双多层膜获得1.2×10^-2能量带宽的粉光。但这些实验站光束线的能量带宽并不能够根据需要任意调节，因而不能够满足验证能量带宽对实验影响的分析需求。

发明内容

本发明解决了传统光束线能量带宽由光源及光学元件固有属性限制而不能任意改变的问题，为同步辐射粉光实验的前期验证提供一种可行的实验技术方案。

本发明所述获取粉光的方法具有简单易行，实施成本低，能量带宽和能谱分布可以通过双晶体单色器的运动进行控制的优点。本发明的技术方案的特点在于能保证实验中其他条件不发生变化的前提下，根据实验需求调节光束的能量带宽。

本发明的技术方案可用于针对粉光小角X射线散射和粉光X射线衍射等实验方法的验证，同时该技术方案可推广到同步辐射X射线应用的其他领域。

本发明通过双晶体单色器获得不同能量宽度X射线的方法，该方法采用的实验系统包含同步辐射白光光源、双晶体单色器及控制系统，该方法包括如下步骤：

步骤S1，设定实验所需中心能量Ec，能量带宽ΔE以及双晶体单色器往复运动步长的能量Es；

步骤S2，计算获得中心能量点对应双晶体单色器的Bragg角度θ_c，最大能量点和最小能量点对应双晶体单色器的Bragg角度θ_min和最θ_max以及双晶体单色器行走过程中各个能量点对应双晶体单色器的Bragg角度θ_i；

步骤S3，实时读取双晶体单色器转角编码器的角度值，将双晶体单色器移动到输出X光能量为中心能量E_c对应的角度θ_c位置；

步骤4，双晶体单色器开始往复运动的正向步进运动，运动中对每一步进行双重角度判断：确认到达目标能量点和确认是否需要改变运动方向；首先判断角度是否到达下一目标能量点对应的角度θ_i+1，如果未到该角度则继续驱动双晶体单色器并保证到达该角度；如果到达目标能量点对应的角度θ_i+1，此时角度更新为θ_i，判断该角度是否达到最大角度θ_max：若未达到最大角度，继续驱动双晶体单色器转动到下一个相应的能量点θ_i+1，否则改变双晶体单色器的转动方向，进入步骤5；

步骤5，双晶体单色器开始往复运动的负向步进运动，运动中对每一步进行双重角度判断：确认到达目标能量点和确认是否需要改变运动方向；首先判断角度是否到达下一能量点对应的角度θ_i-1，如果未到该角度则继续驱动双晶体单色器并保证到达该角度；如果到达目标能量点对应的角度θ_i-1，此时角度更新为θ_i，判断该角度是否达到最小角度θ_min：若未达到最小角度，继续驱动双晶体单色器转动到下一个相应的能量点θ_i-1，否则改变双晶体单色器的转动方向，进入步骤S4；

步骤6，循环重复步骤4和步骤5，在每个循环周期内即可获得设定能量带宽的X射线输出。

其中，双晶单色器可以使用任意晶体的任意晶面；

在晶体运动到每一个能量点时，停留相同的时间。

该方法还包括如下步骤：

步骤7，通过外部条件结束程序，包括设定中心能量、能量宽度及往复运动能量步长(Ec，ΔE，Es)后，双晶体单色器便从能量中心位置开始往复的步进运动；实时获取双晶单色器的当前状态，若未到达目标能量点则继续调整至目标能量点；如果到达目标能量点，接着判断是否到达能量边界，如果没有到达边界则继续下一个目标能量点，否则改变运动方向。

其中，该方法中进行实验测试时的曝光时间为双晶体单色器往复运动周期的整数倍。

其中，中心能量Ec可以根据实验需要选择，但要匹配合适的晶体；

相对能量带宽可以通过调节双晶单色器角度的运动范围进行调节；

往复运动步长取决于晶体驱动电机转动的精度；

往复运动的周期取决于晶体驱动电机的运动速度、每个能量点停留的时间长度和能量带宽的大小。

本发明的通过双晶体单色器获得不同能量宽度X射线的方法具有如下有益效果：

1，提供了一种利用同步辐射光源获得能量带宽可任意调节的实验系统及其方法，其中采用步进运动方式为获得不同能量宽度的X射线提供了更优异的技术效果；

2，提供了一种实验验证能量带宽对X射线光学实验影响的光束设计方案；

3，简单易行，实施成本低，操作方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明利用双晶体单色器法获得粉光的理论图解；

图2为本发明利用双晶体单色器获得粉光的控制图；

图3为本发明的实施例一中利用分析晶体测量系统的输出光谱；

图4为本发明的实施例一中利用双晶体单色器法获得的不同能量带宽对SAXS实验影响的散射曲线。

具体实施方式

为了详细分析和验证能量带宽对实验的影响以及为同步辐射粉光实验提供理论和实验上的依据，本发明针对以上问题和需求提出了一种利用双晶单色器循环步进的方法获取宽带光源中任意所需能量宽度的光束，通过步进过程中每一步的能量点光强的累计，最终获得特定能量带宽的粉光，如图1所示，而能谱分布的具体情况可以通过控制双晶单色器步进过程中的时间停留长度进行控制。

样品处的X射线能量通常不是一个单一值，而是有一个能量分布，即存在一定的能量带宽。本发明所说的不同能量带宽的X射线指通过获得可以对X射线的能量带宽进行调节。通过获得可以调节能量带宽的X射线束线，可以进行能量带宽对实验方法影响的验证工作。本发明所说的粉光是指相对能量带宽在1％量级的X射线。

为实现本发明的发明目的，本发明优选采用的技术方案如下：

本发明的通过双晶体单色器获得不同能量宽度X射线的方法，可以通过摇摆单色器晶体获得指定能量宽度的粉光，实验系统包含同步辐射宽带光源(弯铁或者扭摆器光源)、双晶体单色器及控制系统。其中双晶体单色器优选为双晶单色器，其中含转角编码器。

本发明的通过双晶体单色器获得不同能量宽度X射线的方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤S1，设定实验所需中心能量Ec，能量带宽ΔE以及双晶单色器往复运动步长的能量Es。

步骤S2，计算获得中心能量点对应双晶单色器的Bragg角度θ_c，最大能量点和最小能量点对应双晶单色器的Bragg角度θ_min和最θ_max以及双晶单色器行走过程中各个能量点对应双晶单色器的Bragg角度θ_i。

步骤S3，实时读取双晶单色器转角编码器的角度值，将双晶单色器移动到输出X光能量为中心能量E_c对应的角度θ_c位置。

步骤4，双晶单色器开始往复运动的正向步进运动(Bragg角度增加的方向)，运动中对每一步进行双重角度判断：确认到达目标能量点和确认是否需要改变运动方向。首先判断角度是否到达下一目标能量点对应的角度θ_i+1，如果未到该角度则继续驱动双晶单色器并保证到达该角度；如果到达目标能量点对应的角度θ_i+1，此时角度更新为θ_i，判断该角度是否达到最大角度θ_max：若未达到最大角度，继续驱动双晶单色器转动到下一个相应的能量点θ_i+1，否则改变双晶单色器的转动方向，进入步骤5。

步骤5，双晶单色器开始往复运动的负向步进运动(Bragg角度减小的方向)，类似于正向运动，运动中对每一步进行双重角度判断：确认到达目标能量点和确认是否需要改变运动方向。首先判断角度是否到达下一能量点对应的角度θ_i-1，如果未到该角度则继续驱动双晶单色器并保证到达该角度；如果到达目标能量点对应的角度θ_i-1，此时角度更新为θ_i，判断该角度是否达到最小角度θ_min：若未达到最小角度，继续驱动双晶单色器转动到下一个相应的能量点θ_i-1，否则改变双晶单色器的转动方向，进入步骤S4。

步骤6，循环重复步骤4和步骤5，在每个循环周期内即可获得现设定能量带宽的粉光输出，双晶体单色器在每个能量点停留相同的时间长度。

步骤7，通过外部条件结束程序。设定中心能量、能量宽度及往复运动能量步长(Ec，ΔE，Es)后，双晶单色器便从能量中心位置开始往复的步进运动。实时获取双晶单色器的当前状态，若未到达目标能量点则继续调整至目标能量点；如果到达目标能量点，接着判断是否到达能量边界，如果没有到达边界则继续下一个目标能量点，否则改变运动方向。因此，为了获得整个粉光能量谱的实验信息，实验测试时的曝光时间需设定为双晶单色器往复运动周期的整数倍。本发明中的电机控制程序通过Labview编程实现。

其中，中心能量Ec可以根据实验需要选择，但要匹配合适的晶体；

相对能量带宽可以通过调节双晶单色器角度的运动范围进行调节；

往复运动步长取决于晶体驱动电机转动的精度；

往复运动的周期取决于晶体驱动电机的运动速度、每个能量点停留的时间长度和能量带宽的大小。

下面结合附图和实施例对本发明的实施例进行详细的说明。

实施例一，获取中心能量为8keV，能量带宽为2％的均匀分布粉光：

步骤1，本实施例在北京同步辐射装置1W2B实验站进行测试，光源插入件为扭摆器，光源能量范围为5-16keV，双晶单色器采用Si(111)面，如图2所示。测试中目标能量设定为8keV，目标能量相对带宽为2％，即能量带宽为160eV。

步骤2，对目标能量和带宽情况下，设定双晶单色器的往复运动步长为1eV，此时往复运动单个周期一共320步，往复运动时间周期为124s。中心能量对应的Bragg角度θ_c＝14.31°、最低能量对应的Bragg角度θ_max＝14.34°和最高能量对应的Bragg角度θ_min＝14.28°。

步骤3，实时读取双晶单色器转角编码器的角度值，将双晶单色器移动到出光能量为中心能量E_c对应的角度θ_c位置。

步骤4，双晶单色器开始往复运动的正向步进运动(Bragg角度增加的方向)，运动中对每一步进行双重角度判断：确认到达目标能量点和确认是否需要改变运动方向。首先判断出光能量角度是否到达下一能量点对应的角度θ_i+1，如果未到该角度则继续驱动双晶单色器并保证到达该角度；如果到达目标能量点对应的角度θ_i+1，此时角度更新为θ_i，判断该角度是否达到最大角度θ_max：若未达到最大角度则继续驱动双晶单色器转动到下一个相应的能量点θ_i+1，否则改变双晶单色器的转动方向，进入步骤5。

步骤5，负向步进运动(Bragg角度减小的方向)与同正向运动相似，运动中对每一步进行双重角度判断：确认到达目标能量点和确认是否需要改变运动方向。首先判断出光能量角度是否到达下一能量点对应的角度θ_i-1，如果未到该角度则继续驱动双晶单色器并保证到达该角度；如果到达目标能量点对应的角度θ_i-1，此时角度更新为θ_i，判断该角度是否达到最小角度θ_min：若未达到最小角度则继续驱动双晶单色器转动到下一个相应的能量点θ_i-1，否则改变双晶单色器的转动方向，进入步骤S4。

步骤6，循环重复步骤4和步骤5。

步骤7，在设定的能量带宽(2％)情况下，利用分析晶体测量系统的输出光谱，结果如图3所示，双晶体单色器在每个能量点停留时间长度为20-30ms。

步骤8，利用设定的不同能量带宽进行小角X射线散射实验，验证能量带宽对小角X射线散射实验的影响，散射曲线如图4所示。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。