一種小型化時間分辨的激光泵浦X射線探測儀的制作方法

本發明屬于時間分辨過程的泵浦探測儀技術領域，尤其是涉及一種小型化時間分辨的激光泵浦x射線探測儀。

背景技術：

在生物、化學、新材料等領域需要探測物質微觀結構變化的瞬態或超快過程，對科學的認識物質本質具有十分重要的意義。例如在單分子、液體或晶體中的原子運動、化學鍵的斷裂與形成、電荷的轉移、分子的異構化等。利用基于超短脈寬的飛秒脈沖激光建立的泵浦-探針方法研究上述超快過程，是將一束超短脈沖激光作用在物質上，激發一個瞬態變化過程，經過一定的時間延時后，利用另一束超短脈沖激光作為探針，探測上述動態變化過程，即為時間分辨光譜法。進一步的，要獲取物質在原子尺度上的結構瞬態變化過程信息，例如蛋白質、生物大分子的晶體結構變化，先進信息存儲材料的超快電子馳豫過程等，就要采用波長與原子間距相當的超短x射線作為探測光源，進行衍射的成像方法，這是觀察物質深層微觀結構及其瞬態變化的有力工具。因此，將飛秒脈沖激光與超短x射線相結合形成的超快時間分辨x射線探測，成為近年來前沿科學領域，尤其是生物、化學、生命科學的研究熱點。

目前，具有超快時間特征的x射線應用光源主要是同步輻射x射線和自由電子激光器。其中，同步輻射產生的x射線脈寬相對較寬(>50ps)，無法用于研究時間尺度在fs或亞ps量級的瞬態變化過程，而且以上x光源設備的設施非常龐大(數百米長，數個標準足球場占地面積)，成本高昂，全球范圍內數量有限，難以滿足飛速發展的科研需求。基于同步輻射x光源或自由電子激光x光源建設的超快時間分辨的泵浦探測方法，其使用的飛秒泵浦激光源與上述x光源是分別獨立的系統，需要采用非常復雜的時間同步技術手段實現(同步輻射或自由電子激光產生)x射線脈沖與泵浦激光脈沖的高精度時間同步。因此研究一種小型化具有天然的時間同步特性的時間分辨激光泵浦-x射線探測儀在科學研究領域具有十分重要的意義

技術實現要素：

有鑒于此，本發明旨在提出一種小型化時間分辨的激光泵浦x射線探測儀，以解決現有技術中，能夠產生超快時間特征的x射線的設備體積較大，導致現有的超快時間分辨x射線探測儀器體積較大造價高昂的問題。

為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

一種小型化時間分辨的激光泵浦x射線探測儀，包括超快泵浦激光器，用于生成超快飛秒激光；分束器，其置于超快泵浦激光器輸出端的后方，用于將超快飛秒激光分束為透射光束和反射光束；光線延遲線，其置于分束器透射光方向，其輸出端的后方還設置有全反鏡，透射光經全反鏡后照射到置于三維樣品臺上的樣品上，激發樣品；小型化x射線儀，其置于分束器的反射光方向，用于接收分束器射出的反射光束，并引導反射光束與其內部的高能電子束團碰撞，產生高平均束流和單脈沖束流的高亮度飛秒或亞皮秒量級的超短脈沖x射線；x射線整形系統，其置于小型化x射線儀的輸出端的后方，用于將小型化x射線儀產生的超短脈沖x射線調整為探測用超短脈沖x射線；二維像素陣列x射線探測器，其置于三維樣品臺的后方，用于接收探測用超短脈沖x射線經過激發態的樣品后產生的衍射圖樣信息，并通過電連接的計算機進行分析和顯示。

進一步，所述超快泵浦激光器為大能量飛秒激光器。

進一步，所述光線延遲線用于調節控制飛秒激光和探測用高亮度飛秒或亞皮秒量級的超短脈沖x射線脈沖之間的時間延時。

進一步，所述全反鏡對于飛秒激光的反射率大于99.9％。

進一步，所述小型化x射線儀，包括電子束團產生系統，用于產生、加速并輸出高品質的高能電子束團；電子束團與激光碰撞系統，用于接收電子束團和超快泵浦激光，并使兩者在其內部碰撞以輸出高亮度飛秒或亞皮秒量級的超短脈沖x射線束流；同時回收碰撞后殘余的電子以及激光。

進一步，所述x射線整形系統包括單色器和金屬毛細管，用于提高所述小型化x射線儀輸出的x射線束流的單色性和準直性。

相對于現有技術，本發明所述的小型化時間分辨的激光泵浦x射線探測儀具有以下優勢：

本發明所述的小型化時間分辨的激光泵浦x射線探測儀，結構緊湊，造價低。通過小型化x射線儀，能夠產生高亮度、高品質、準單色和高光子通量的x射線；同時，相比于現有的高亮度x射線產生方式，小型化x射線儀能夠使自身結構更加緊湊，造價更加低廉。采用二維像素陣列x射線探測器對樣品的衍射圖樣信息進行收集，替代了現有技術中采用多種設備配合實現的方式，使信息收集結構更加緊湊。

附圖說明

構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1為本發明實施例所述的小型化時間分辨的激光泵浦x射線探測儀的結構框圖；

圖2為本發明實施例所述的小型化時間分辨的激光泵浦x射線探測儀的小型化x射線儀的結構框圖。

附圖標記說明：

1-超快泵浦激光器；2-分束器；3-光線延遲線；4-全反鏡；5-小型化x射線儀；501-電子束團產生系統；502-電子束團與激光碰撞系統；6-x射線整形系統；7-三維樣品臺；8-樣品；9-二維像素陣列x射線探測器；10-計算機。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以通過具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。

如圖1，本發明提出一種小型化時間分辨的激光泵浦x射線探測儀，包括超快泵浦激光器1，用于生成超快飛秒激光；分束器2，其置于超快泵浦激光器1輸出端的后方，用于將超快飛秒激光分束為透射光束和反射光束；光線延遲線3，其置于分束器2透射光方向，其輸出端的后方還設置有全反鏡4，透射光經全反鏡4后照射到置于三維樣品臺7上的樣品8上，激發樣品8；小型化x射線儀5，其置于分束器2的反射光方向，用于接收分束器2射出的反射光，并引導反射光與其內部的高能電子束團碰撞，產生高平均束流和單脈沖束流的高亮度飛秒或亞皮秒量級的超短脈沖x射線；x射線整形系統6，其置于小型化x射線儀5的輸出端的后方，用于將小型化x射線儀5產生的超短脈沖x射線調整為探測用超短脈沖x射線；二維像素陣列x射線探測器9，其置于三維樣品臺7的后方，用于接收探測用超短脈沖x射線經過激發態的樣品8后產生的衍射圖樣信息，并通過電連接的計算機10進行分析和顯示。

分束器2為一種介質膜板，其將飛秒激光按照所需比例進行反射和透射，該介質膜板的材料可選用石英。

上述超快泵浦激光器1為大能量飛秒(fs)激光器，其能夠輸出大能量高重復頻率的超快飛秒(fs)激光。

上述光線延遲線3用于調節控制飛秒激光和探測用高亮度飛秒或亞皮秒量級的超短脈沖x射線脈沖之間的時間延時，以便于探測樣品8的結構的任意瞬態變化過程。光線延遲線3包括若干全反鏡或同類設備。

上述全反鏡4對于飛秒激光的反射率大于99.9％。全反鏡4可選用鍍金的金屬膜板。

上述小型化x射線儀5，包括電子束團產生系統501，用于產生、加速并輸出高品質的高能電子束團；電子束團與激光碰撞系統502，用于接收電子束團和超快飛秒激光，并使兩者在其內部同步碰撞以輸出高亮度飛秒或亞皮秒量級的超短脈沖x射線束流；同時回收碰撞后殘余的電子以及激光。

超快泵浦激光器1向小型化x射線儀5發出可分束超快飛秒激光，其中一束用于進入到電子束團產生系統501，照射光陰極電子槍產生電子束團。電子束團再經過電子直線加速器加速后，電子束團產生系統501輸出高品質的高能電子束團。

另一束大能量超快飛秒激光經分束器2后，其反射光與產生的高能電子束團在電子束團與激光碰撞系統502的真空腔內進行碰撞，以產生高亮度飛秒或亞皮秒量級的超短脈沖x射線束流。碰撞結束后，殘余的電子和激光分別被相應的回收裝置進行回收。

上述x射線整形系統6包括單色器和金屬毛細管，用于對上述小型化x射線儀5輸出的x射線束流進行聚焦、單色和限光，提高x射線束的單色性和準直性。單色器可設置于金屬毛細管的出口方向，x射線通過金屬毛細管后，改變了原來的傳輸方向，從提高了x射線的準直性。x射線穿過金屬毛細管后，通過單色器提高其單色性。

如圖1，超快泵浦激光1產生的飛秒激光通過分束器2時被分束。分束器2產生的透射激光經過光線延遲線3后到達全反鏡4，在全反鏡4的作用下，該透射光被反射到樣品8上，對樣品8進行激發。分束器2產生的反射激光進入到小型化x射線儀5的電子束團與激光碰撞系統502內，并與同步到達的高能電子束團進行碰撞，產生高平均束流和單脈沖束流的高亮度飛秒或亞皮秒量級的超短脈沖x射線(如圖2所示)，輸出到x射線整形系統6內。x射線整形系統6對輸入的超短脈沖x射線進行調整，提高其準直性和單色性，而后作為探測用飛秒或亞皮秒量級超短脈沖x光源照射三維樣品臺7上樣品8。探測用x射線通過被激發的樣品8時會產生衍射，二維像素陣列x射線探測器9接收采集衍射圖樣信息，并在計算機10上進行分析并最終顯示出來。通過采集到的x射線衍射圖樣信息，科研人員即可研究樣品8在飛秒泵浦激光的激發下，其微觀結構的瞬態變化。

本發明所述的小型化時間分辨的激光泵浦x射線探測儀，結構緊湊，造價低。通過小型化x射線儀5，能夠產生高亮度、高品質、準單色和高光子通量的x射線；同時，相比于現有的x射線產生方式，小型化x射線儀5能夠使自身結構更加緊湊，造價更加低廉。采用二維像素陣列x射線探測器9對樣品8的衍射圖樣信息進行收集，替代了現有技術中采用多種設備配合實現的方式，使信息收集結構更加緊湊。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。