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CN113848224A - 一种样品所含元素的鉴定系统 - Google Patents

一种样品所含元素的鉴定系统 Download PDF

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CN113848224A CN202111191279.2A CN202111191279A CN113848224A CN 113848224 A CN113848224 A CN 113848224A CN 202111191279 A CN202111191279 A CN 202111191279A CN 113848224 A CN113848224 A CN 113848224A
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林晨
李东彧
方言律
程浩
颜学庆
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Peking University
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Peking University
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Abstract

本发明涉及一种样品所含元素的鉴定系统，包括：设置在同一光路的激光器、聚焦模块、固体靶、样品和X射线探测器；所述聚焦模块设置在所述激光器和所述固体靶之间；所述聚焦模块用于将所述激光器发出的激光进行聚焦；所述固体靶用于与经过所述聚焦模块聚焦后的激光发生相互作用，产生质子束；所述样品设置在所述固体靶和所述X射线探测器之间；所述样品用于在所述质子束轰击下，激发出X射线；所述X射线探测器用于根据所述X射线确定能量谱线以确定所述样品的元素种类。本发明能够实现对样品所含元素的无损和高质量检测。

Description

一种样品所含元素的鉴定系统
技术领域
本发明涉及离子束分析领域，特别是涉及一种样品所含元素的鉴定系统。
背景技术
离子束分析技术是用于材料科学领域的强大工具之一，虽然它们在越来越多的领域中有着重要的地位，但大多数离子束分析设备仍依赖传统加速器技术，在便携性、灵活性和探测性能等方面存在严重限制。尤其是在文化遗产领域中目前因缺乏适用于保护和保存艺术品和纪念碑等文物的技术和诊断方法而受到阻碍，所以迫切需要开发可以保护或恢复文化遗产的新技术和方法。这些技术需要满足价格便宜且能够被博物馆或修复中心广泛应用，又能够解决常规诊断技术无法解决的特殊问题。
由于传统加速器产生的质子束都是单一能量的，在样品的深度方向上剂量主要沉积在某一特定的深度，利用这种单能质子束激发X射线进行元素分析的方法只能分析样品在这一位置的所含元素。对于具有多层结构的文物样品(例如古代字画等)传统加速器进行分析可能会缺失一部分信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种样品所含元素的鉴定系统，以实现对样品所含元素的无损和高质量检测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种样品所含元素的鉴定系统，包括：设置在同一光路的激光器、聚焦模块、固体靶、样品和X射线探测器；
所述聚焦模块设置在所述激光器和所述固体靶之间；所述聚焦模块用于将所述激光器发出的激光进行聚焦；所述固体靶用于与经过所述聚焦模块聚焦后的激光发生相互作用，产生质子束；所述样品设置在所述固体靶和所述X射线探测器之间；所述样品用于在所述质子束轰击下，激发出X射线；所述X射线探测器用于根据所述X射线确定能量谱线以确定所述样品的元素种类。
可选的，所述X射线探测器为反射式椭圆弯晶谱仪。
可选的，所述反射式椭圆弯晶谱仪包括晶体和成像板；所述晶体用于将不同能量的所述X射线反射到空间的不同位置；所述成像板用于根据所述空间的不同位置确定能量谱线。
可选的，所述聚焦模块为离轴抛面镜。
可选的，所述离轴抛面镜用于将所述激光的光斑聚焦到5微米。
可选的，所述激光器为高功率飞秒激光器。
可选的，所述样品设置所述固体靶的质子束的输出光路上；所述固体靶和所述样品之间的距离为4厘米。
可选的，所述聚焦后的激光以30度角轰击所述固体靶。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种样品所含元素的鉴定系统，聚焦模块设置在激光器和固体靶之间；聚焦模块用于将激光器发出的激光进行聚焦；固体靶用于与经过聚焦模块聚焦后的激光发生相互作用，产生质子束；样品设置在固体靶和X射线探测器之间；样品用于在质子束轰击下，激发出X射线；X射线探测器用于根据X射线确定能量谱线以确定样品的元素种类。利用激光加速的质子束具体宽能谱的特征，可以一次获取样品不同深度的元素信息，实现样品的层析扫描。激光加速的质子束是脉冲式的束流，通过一发或者几发激光脉冲就可以产生足够多的X射线，从而确定样品的元素组成，并且在短时间内就可以完成元素分析，避免损害样品。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的样品所含元素的鉴定系统示意图；
图2为成像板获得的原始数据和解谱得到的X射线能谱；
图3为本发明提供的样品所含元素的鉴定系统的工作流程图。
符号说明：
1-激光器，2-激光，3-离轴抛面镜，4-固体靶，5-质子束，6-样品，7-X射线，8-反射式椭圆弯晶谱仪，9-晶体，10-成像板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种样品所含元素的鉴定系统，以实现对样品所含元素的无损和高质量检测。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的一种样品所含元素的鉴定系统，包括：设置在同一光路的激光器1、聚焦模块、固体靶4、样品6和X射线探测器。
所述聚焦模块设置在所述激光器1和所述固体靶4之间；所述聚焦模块用于将所述激光器1发出的激光2进行聚焦；所述固体靶4用于与经过所述聚焦模块聚焦后的激光发生相互作用，产生质子束5；所述样品6设置在所述固体靶4和所述X射线探测器之间；所述样品6用于在所述质子束5轰击下，激发出X射线7；所述X射线探测器用于根据所述X射线7确定能量谱线以确定所述样品6的元素种类。其中，固体靶4的厚度在微米量级。
在实际应用中所述X射线探测器为反射式椭圆弯晶谱仪8；用于探测质子束5激发的X射线7。其中，所述反射式椭圆弯晶谱仪8包括晶体9和成像板10；所述晶体9用于将不同能量的所述X射线7反射到空间的不同位置；反射式椭圆弯晶谱仪8中的晶体9，将不同能量的X射线7反射到空间的不同位置，记录X射线7在不同位置的强度可以得到X射线7能谱信息。所述成像板10用于根据所述空间的不同位置确定能量谱线。成像板10是X射线探测介质，用于记录X射线7在不同空间位置的信号。
在实际应用中，所述聚焦模块为离轴抛面镜3。其中，所述离轴抛面镜3用于将所述激光的光斑聚焦到5微米。
在实际应用中，所述激光器1为高功率飞秒激光器。激光器1作为整个装置质子束5的驱动源。
在实际应用中，所述样品6设置所述固体靶4的质子束5的输出光路上；所述固体靶4和所述样品6之间的距离为4厘米。
在实际应用中，所述聚焦后的激光以30度角轰击所述固体靶4。
如图3所示，利用本发明提供的样品所含元素的鉴定系统进行样品元素分析的步骤如下：
步骤1：激光加速质子束
高功率飞秒激光器产生的激光经过离轴抛面镜将光斑聚焦到5微米，以30度轰击到图1中的固体靶上，激光与固体相互作用，产生了能量在MeV量级的质子束。这种质子束具有大散角，宽能谱的特点。
步骤2：质子束激发X射线
将需要鉴定元素成分的样品放置于固体靶正后方4cm的位置，通常是文物考古中的金属制品、陶瓷制品等。前面激光加速出的MeV量级的质子束入射到样品上，与样品中原子发生碰撞，在碰撞中，质子会激发样品原子的K壳层电子，在其电子轨道上产生空穴，原子的L壳层电子在填补空穴时放出特征X射线。
步骤3：X射线探测
在本发明中使用反射式椭圆弯晶谱仪作为X射线探测器。反射式椭圆弯晶谱仪由晶体和成像板构成。探测时质子束斑的位置(即产生X射线的位置)位于椭圆的一个焦点，X射线通过晶体反射后汇聚在椭圆的另一个焦点。根据布拉格公式2dsinθ＝nλ(n＝1,2,3，…)，其中，d为晶面间距，θ为入射X射线与相应晶面的夹角，λ为X射线的波长，n为衍射级数。不同波长的X射线会从不同的角度被晶体反射，因此在焦点后方X射线会发散开，选用成像板作为X射线探测介质，这些X射线就会在成像板不同的位置处被接收到。
步骤4：根据X射线能谱分析元素成分
如图2(a)所示，成像板上会形成条状的特征谱线，这些谱线在成像板上的位置对应了特征X射线的能量，成像板从上到下对应着能量从低到高，可探测的能量范围为1keV-10keV。通过扫描成像板得到其像素矩阵，根据这些像素值可以绘制出如图2(b)所示的X射线能谱图，峰值处对应着特征X射线，然后通过分析特征X射线的能量确定样品中含有什么元素。由图2可见两处特征X射线对应的能量值为4.5keV和4.9keV，与钛元素的特征X射线的经验值相符，说明此次检测的样品中包含钛元素。通过比对X射线能谱上特征X射线的能量值和各元素的经验值来识别所含元素种类，并且，结合激光加速的质子束具有宽能谱的特点，可以一次获得样品不同深度的的元素信息，实现待测样品的层析扫描。
利用传统加速器的分析技术通常是μm或mm量级的束流进行扫描，而激光加速的质子束散角较大，照射在待测样品上产生了cm量级的质子束斑。在实际考古应用中，这种大面积的束斑可以实现样品的大规模扫描。比如在一堆待检测文物中筛选某一朝代的文物，这种文物含有某些特定的元素，利用这种大面积的束斑可以快速找到目标文物，排除其他无关文物。
激光等离子体加速是一门新兴的加速器学科，在近五十年中蓬勃发展。传统粒子加速是用射频电磁场对带电粒子进行加速和聚焦，因材料存在电离击穿阈值的限制，近年来发展比较缓慢。与传统加速器相比，激光等离子体加速的方法产生MeV量级的质子束，激光等离子体加速的加速梯度提高了3个数量级以上，可以减小加速器的体积，实现小型化、台面化，大大降低建造成本。
传统加速器通常需要长时间照射文物样品，这样容易损害样品。而激光加速出的质子束是脉冲式的束流，一发就可以产生1013个质子，通过一发或者几发激光脉冲就可以产生足够多的X射线，通过测量特征X射线能量判断样品的元素组成，这样短时间内就实现了对文物的元素分析，并且不会损害文物。
由于传统加速器产生的质子束都是单一能量的，在样品的深度方向上剂量主要沉积在某一特定的深度，利用这种单能质子束激发X射线进行元素分析的方法只能分析样品在这一位置的所含元素。对于具有多层结构的文物样品(例如古代字画等)传统加速器进行分析可能会缺失一部分信息。激光加速的质子束具有宽能谱的特点，可以一次获得样品不同深度的的元素信息，实现待测样品的层析扫描。
在X射线的探测方面，传统加速器连续轰击样品，使用半导体探测器探测质子束激发的X射线能谱。激光加速的质子束具有超快的时间特性，因此常规的半导体探测器由于电子学元件的时间响应限制，在这样的设置下并不适用。本发明中的X射线探测器采用的是反射式椭圆弯晶谱仪，专门针对于激光加速的质子束激发X射线能谱探测。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种样品所含元素的鉴定系统，其特征在于，包括：设置在同一光路的激光器、聚焦模块、固体靶、样品和X射线探测器；
所述聚焦模块设置在所述激光器和所述固体靶之间；所述聚焦模块用于将所述激光器发出的激光进行聚焦；所述固体靶用于与经过所述聚焦模块聚焦后的激光发生相互作用，产生质子束；所述样品设置在所述固体靶和所述X射线探测器之间；所述样品用于在所述质子束轰击下，激发出X射线；所述X射线探测器用于根据所述X射线确定能量谱线以确定所述样品的元素种类。
2.根据权利要求1所述的样品所含元素的鉴定系统，其特征在于，所述X射线探测器为反射式椭圆弯晶谱仪。
3.根据权利要求2所述的样品所含元素的鉴定系统，其特征在于，所述反射式椭圆弯晶谱仪包括晶体和成像板；所述晶体用于将不同能量的所述X射线反射到空间的不同位置；所述成像板用于根据所述空间的不同位置确定能量谱线。
4.根据权利要求1所述的样品所含元素的鉴定系统，其特征在于，所述聚焦模块为离轴抛面镜。
5.根据权利要求4所述的样品所含元素的鉴定系统，其特征在于，所述离轴抛面镜用于将所述激光的光斑聚焦到5微米。
6.根据权利要求1所述的样品所含元素的鉴定系统，其特征在于，所述激光器为高功率飞秒激光器。
7.根据权利要求1所述的样品所含元素的鉴定系统，其特征在于，所述样品设置所述固体靶的质子束的输出光路上；所述固体靶和所述样品之间的距离为4厘米。
8.根据权利要求1所述的样品所含元素的鉴定系统，其特征在于，所述聚焦后的激光以30度角轰击所述固体靶。
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