[发明专利]多功能高分辨透射光栅X射线谱仪

说明书

一种多功能高分辨透射光栅X射线谱仪，在真空室的前法兰至后法兰之间依次设置前光阑组件、滤膜组件、X射线晶体准直管组件、多功能透射光栅组件和后光阑组件，在所述的后光阑组件后是X射线CCD。该谱仪测量的波长范围为1nm‑1μm(1.2eV‑1.2keV)，测量波长精度最高为0.1nm。本发明通过晶体准直管对X射线的准直和聚焦，解决了目前其他透射光栅谱仪分辨率低和对X射线强度要求较高的缺点，通过多功能透射光栅组件的平动控制实现了多功能测量，既可利用透射光栅测量X射线光谱，又可以直接测量X射线的空间分布，还可以在多功能透射光栅组件中的样品台上放置样品实现X射线对样品的测量。

技术领域

本发明涉及X射线光谱仪，特别是一种多功能高分辨透射光栅X射线光谱仪。

背景技术

利用X射线晶体准直管组件以限制X射线进入谱仪后到达探测器组件的位置和角度分布，可以收集来自射线源较大发散角范围内的X射线聚焦进入透射光栅、样品和X射线CCD，其他部分的射线则被屏蔽而不被收集，减少杂散信号的干扰，并使得出射射线具有极小的空间分布。被收集的射线可以与透射光栅组件组成透射光栅光谱仪，可以与样品台组件组成样品分析仪，同时晶体管和其他组件移开后可以直接测量X射线源的空间特性。

X射线是具有极短波长和高能量的电磁波。X射线的波长短于可见光的波长(大约在0.001至100nm之间，而医学中使用的X射线的波长在0.001至0.1nm之间)，其光子能量为数万至数十万倍于可见光。由于其短波长和大能量，X射线在撞击物质时仅被该物质部分吸收，并且大部分通过原子之间的间隙透射，显示出强大的穿透能力。它的穿透能力与X射线的波长以及所穿透物质的密度和厚度有关。X射线波长越短，穿透率越大；密度越低，厚度越薄，X射线越容易穿透。

当物质受到X射线、高能粒子束、紫外光等照射时，由于高能粒子或光子与试样原子碰撞，将原子内层电子逐出形成空穴，使原子处于激发态，这种激发态离子寿命很短，当外层电子向内层空穴跃迁时，多余的能量即以X射线的形式放出，并在外层产生新的空穴和产生新的X射线发射，这样便产生一系列的特征X射线。不同的元素具有不同的特征X射线，根据特征谱线的波长，可以判断元素的存在，即定性分析。而根据谱线的强度，则可以进行定量分析。

公知的光栅光谱仪的构造是由入射针孔(狭缝)、准直镜、衍射光栅、聚焦镜、光电转换装置组成。光经过入射针孔(狭缝)后，成为以针孔(狭缝)为中心的发散光，经过以狭缝为焦平面的准直镜后，变成平行光，平行光经过衍射光栅衍射，在不同衍射角上形成不同衍射级次，不同波长的光，衍射光通过聚焦镜聚焦到光电转换装置，实现光谱的记录和/或输出。

目前普遍使用的光栅光谱仪是反射式结构，即以两面凹面反射镜作为准直镜和聚焦镜。凹面反射镜的入射光和反射光在凹面反射镜的同一侧，因此入射光和反射光必须不在同一轴才能使入射光路和反射光路不互相影响，组成的非共轴光学系统会产生较严重的像差，导致光谱仪的分辨率下降，灵敏度降低。其优点是，任意波长相同入射角的光，其反射角相同，适合波长范围较广的使用范围。但反射式结构没有办法测量X射线辐射光斑的空间分布或者直接用于测量样品。

透射式光栅光谱仪采用透镜作为光栅光谱仪中的准直镜和聚焦镜，入射光和出射光分布在透镜的两侧，适合搭建共光轴光学系统，避免产生较严重的像差。其优点是，透射式光栅方便可调，同时若将光栅移开可以实现对X射线空间分布的测量。但现有的透射光栅谱仪没有聚焦系统，且透射式结构衍射效率较低，如果X射线信号本来较弱，经过透射光栅时可能会无法测量到光谱。而如果加大光栅的间隙来提高透过率，又会导致分辨率较低。目前现有的谱仪无法解决这一矛盾。

发明内容

本发明提供一种多功能高分辨透射光栅X射线光谱仪，该X射线光谱仪通过晶体准直管对X射线的准直和聚焦，解决了目前其他透射光栅谱仪分辨率低和对X射线强度要求较高的缺点，通过多功能透射光栅组件的平动控制实现了多功能测量：既可利用透射光栅测量X射线光谱，又可以直接测量X射线的空间分布，还可以在多功能透射光栅组件中的样品台上放置样品实现X射线对样品的测量。