基于闪光X光机的超快X射线衍射成像方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于闪光X光机的超快X射线衍射成像方法及系统，包括闪光X光机，闪光X光机包括闪光X射线二极管，还包括衍射调节子系统、探测器子系统及辅助调节子系统；本发明专利技术方法采用新的衍射光路调节方法，即将直流X光机、衍射调节系统及计数型探测器组装，确定闪光X射线二极管管阳极特征线能量的精确衍射角后再使用面阵探测器。该方法可解决闪光X射线衍射光路调节困难的问题，同时确定的精确衍射角可提高衍射图像的信噪比，大大降低了系统的复杂度。

【技术实现步骤摘要】

该专利技术涉及一种基于小型化闪光X光机的超快X射线衍射成像方法及系统，实现了纳秒量级的X射线衍射成像。该方法及系统涉及冲击动力学领域，可测量纳秒时间尺度的材料微观结构变化。
技术介绍
在材料冲击波压缩性质研究中，传统的冲击波测量方法无法给出原子层面的结构变化信息，对于材料弹塑形形变、屈服及破坏等行为仍停留在宏观经验描述层面上。目前广泛使用的测试方法均基于宏观量，缺少冲击波传播过程的实时微观数据，因此只能通过宏观测试方法结合相应理论对动态过程进行重建。然而理论模型具有一定的近似性，通过宏观实验结果来反演微观物理过程无法得到唯一真实的结果。因此，实时观测冲击压缩过程中材料的微观结构变化是长期存在的科学需求。硕士论文“激光加载下的瞬态X射线衍射技术研究[D].重庆大学,2014”公开了一种利用激光驱动Cu靶产生X射线进行瞬态衍射实验的方法，实验在神光II装置的球靶上进行。脉宽2ns、能量240J、波长350nm的北四路激光驱动10μm金属铜靶产生类He线作为X射线背光源进行衍射实验，诊断激光冲击加载下的晶格形变。系统整体技术复杂度高，体积庞大，成本昂贵，一般的科研工作者无法具备相关条件。同时，激光等离子体X射线源无法应用于轻气炮加载条件，而激光直接加载方式产生冲击波具有时空不均匀性，妨碍了X射线衍射结果的定量分析；采用激光间接驱动加载方式要实现较高压力的冲击波加载，对激光器提出了很高的要求，一般台式激光器很难满足要求。闪光X光机与激光等离子体X射线源相比，具有体积小、成本低、易使用、易移动等突出优点，同时闪光X光机可与轻气炮加载平台配合，进行平面冲击加载条件下材料微观结构的诊断。但闪光X光机直接应用在X射线衍射成像技术上需解决连续谱造成本底密度大、衍射光路调节困难等问题。
技术实现思路
为了解决闪光X光机应用在X射线衍射成像技术上连续谱造成本底密度大、衍射光路调节困难等问题，本专利技术提出了一种闪光X射线衍射光路调节方法，建立了基于闪光X光机的超快X射线衍射成像系统，可应用于纳秒时间尺度的材料微观结构变化测量。本专利技术的技术解决方案为：本专利技术所提供的基于闪光X光机的超快X射线衍射成像系统，包括闪光X光机，所述闪光X光机包括闪光X射线二极管，其特殊之处在于：还包括衍射调节子系统、探测器子系统及辅助调节子系统；所述衍射调节子系统包括前准直器及衍射角度调节器，所述前准直器用于调节X射线的发散度，所述衍射角度调节器用于支撑及调节待测晶体与入射X射线间的角度；所述探测器子系统采用面阵探测器，实时记录衍射图像，用于冲击压缩过程中晶体晶格间距变化的分析；所述辅助调节子系统包括直流X光机及计数型探测器，所述直流X光机用于发射X射线，所述计数型探测器用于实时记录经晶体衍射后的X射线光子数，直流X光机及计数型探测器配合衍射角度调节器确定特征X射线所对应待测晶体精确衍射角。以上为本专利技术的基本结构，基于该基本结构，本专利技术还做出以下优化限定：为了进一步提高入射到晶体表面的特征X射线的功率密度，缩小射线源焦斑，衍射调节子系统还包括X射线聚焦透镜，所述X射线聚焦透镜作为可选组件，与闪光X射线二极管直接连接。用于为了减小散射本底对于成像结果的影响，所述衍射调节子系统还包括设置在待测晶体衍射光线上的后准直器。为了固定及调节探测器与待测晶体间的距离，衍射调节子系统还包括探测器调节结构。为了最大限度提高闪光X光机输出X射线的强度，上述闪光X射线二极管包括阳极、阴极及窗口，所述阳极的头部为圆锥状，锥角为30度；所述阴极与窗口平行设置，所述阴极的中心设置有中心孔，所述窗口的中心设置有铍窗；所述阳极的头部垂直透过中心孔正对出射窗口；所述阳极的顶端与阴极之间的间距为0.75mm，所述阴极与铍靶之间的距离为28mm，所述窗口的厚度为2mm，所述铍窗的直径为10mm，所述铍窗的厚度为100um。为了精细调节晶体表面与入射X射线之间的夹角，上述晶体支架包括骨架、玻璃碳板及压板，所述骨架上设置有晶体安装窗口，所述安装窗口的外侧设置有玻璃碳板安装槽，所述碳板安装槽的外侧设置有压板，通过压板与骨架的固定使得晶体与玻璃碳相对于骨架的位置固定；所述骨架安装在旋转台上方，旋转台中心处在骨架轴线上。基于上述的X射线衍射成像系统，本专利技术还提供了一种X射线衍射的成像方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：1)根据待测晶体的晶格参数选取合适的闪光X射线二极管阳极材料及电压参数；2)确定入射X射线的发散度及成像系统几何参数，成像系统几何参数包括前准直器参数、前准直器到晶体中心距离及晶体中心到面阵探测器的距离；3)利用直流X光机和计数型探测器，通过衍射调节子系统旋转待测晶体，确定选定阳极材料的特征X射线所对应待测晶体精确衍射角；4)在确定待测晶体的精确衍射角之后，将衍射调节子系统与闪光X光机组装，探测器调节机构与面阵探测器子系统连接，建立闪光X射线衍射成像系统；根据闪光X光机及探测器的测量延时及抖动，确定系统同步参数；5)触发闪光源获取超快X射线衍射图像；6)对得到的衍射图像进行衍射峰提取分析，扣除散射本底等因素的影响，获得衍射峰的峰位及半宽等特征信息；利用衍射峰信号及系统的几何参数即可获得纳秒时间尺度的材料结构测量。进一步，上述步骤3)具体如下：3.1)根据步骤2)的成像系统几何参数确定前准直器、衍射角度调节器及探测器调节机构的相对位置，并使得前准直器的轴线与衍射角度调节器的中心处于同一直线上；3.2)调节衍射角度调节器的旋转台，使得前准直器的光轴与待测晶体表面法线重合；在此基础上，继续旋转衍射角度调节器使晶体表面与光轴的夹角处于计算衍射角附近，确定该角度为初始衍射角；3.3)确定待测晶体的精确衍射角：探测器调节机构与计数型探测器连接；设置直流X光机输出能量为选定阳极材料的特征X射线能量，设置衍射角度调节器的初始扫描步长；调节衍射角度在初始衍射角附近一定范围内，按确定的初始扫描步长扫描，实时观察计数型探测器读数，寻找读数最大值；寻找到的读数最大值即特征线能量衍射强度最强，对应的晶体位置为最终确定的衍射位置。上述在初次寻找到的读数最大的角度附近，缩小扫描步长为初始步长的一半，继续扫描，经数次扫描直到扫描步长小于0.05°为止。上述步骤2)成像系统几何参数的确定方法如下：根据待测晶体尺寸及入射X射线的发散度确定前准直器中心到晶体中心的距离，使得晶体处于衍射位置时入射X射线全部照射在晶体表面；根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于闪光X光机的超快X射线衍射成像系统，包括闪光X光机，所述闪光X光机包括闪光X射线二极管，其特征在于：还包括衍射调节子系统、探测器子系统及辅助调节子系统；所述衍射调节子系统包括前准直器及衍射角度调节器，所述前准直器用于调节X射线的发散度，所述衍射角度调节器用于支撑及调节待测晶体与入射X射线间的角度；所述探测器子系统采用面阵探测器，实时记录衍射图像，用于冲击压缩过程中晶体晶格间距变化的分析；所述辅助调节子系统包括直流X光机及计数型探测器，所述直流X光机用于发射X射线，所述计数型探测器用于实时记录经晶体衍射后的X射线光子数，直流X光机及计数型探测器配合衍射角度调节器确定特征X射线所对应待测晶体精确衍射角。

【技术特征摘要】
1.基于闪光X光机的超快X射线衍射成像系统，包括闪光X光机，所述闪光X光机包括闪
光X射线二极管，其特征在于：
还包括衍射调节子系统、探测器子系统及辅助调节子系统；
所述衍射调节子系统包括前准直器及衍射角度调节器，所述前准直器用于调节X射线
的发散度，所述衍射角度调节器用于支撑及调节待测晶体与入射X射线间的角度；
所述探测器子系统采用面阵探测器，实时记录衍射图像，用于冲击压缩过程中晶体晶
格间距变化的分析；
所述辅助调节子系统包括直流X光机及计数型探测器，所述直流X光机用于发射X射线，
所述计数型探测器用于实时记录经晶体衍射后的X射线光子数，直流X光机及计数型探测器
配合衍射角度调节器确定特征X射线所对应待测晶体精确衍射角。
2.根据权利要求1所述的基于闪光X光机的超快X射线衍射成像系统，其特征在于：
所述衍射调节子系统还包括X射线聚焦透镜，所述X射线聚焦透镜作为可选组件，与闪
光X射线二极管直接连接。
3.根据权利要求2所述的基于闪光X光机的超快X射线衍射成像系统，其特征在于：所述
衍射调节子系统还包括设置在待测晶体衍射光线上的后准直器，所述后准直器用于减小散
射本底对于成像结果的影响。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于闪光X光机的超快X射线衍射成像系统，其特征在
于：
所述闪光X射线二极管包括阳极、阴极及窗口，所述阳极的头部为圆锥状，锥角为30度；
所述阴极与窗口平行设置，所述阴极的中心设置有中心孔，所述窗口的中心设置有铍窗；所
述阳极的头部垂直中心孔正对出射窗口；
所述阳极的顶端与阴极之间的间距为0.75mm，所述阴极与铍靶之间的距离为28mm，所
述窗口的厚度为2mm，所述铍窗的直径为10mm，所述铍窗的厚度为100um。
5.根据权利要求4所述的基于闪光X光机的超快X射线衍射成像系统，其特征在于：所述
衍射角度调节器包括旋转台及晶体支架；
所述晶体支架包括骨架、玻璃碳板及压板，所述骨架上设置有晶体安装窗口，所述安装
窗口的外侧设置有玻璃碳板安装槽，所述碳板安装槽的外侧设置有压板，通过压板与骨架
的固定使得晶体与玻璃碳相对于骨架的位置固定；
所述骨架安装在旋转台上方，旋转台中心处在骨架轴线上。
6.基于权利要求1或2或3或4或5所述的X射线衍射成像系统的成像方法，其特征在于：
包括以下步骤：
1)根据待测晶体的晶格参数选取合适的闪光X射线二极管阳极材料及电压参数；
2)确定入射X射线的发散度及成像系统几何参数，成像系统几何参数包括前准直器参
数、前准直...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐波，黑东炜，马戈，盛亮，欧阳晓平，魏福利，罗剑辉，夏惊涛，周海生，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61