[0001] 本发明涉及一种光谱表征技术领域，尤其涉及的是一种X射线光谱联用系统。

[0002] X射线成像技术利用X射线的穿透性质和被物质吸收的能量差异，对材料的内部结构进行成像。它的背景可以追溯到20世纪初，当时医学界开始使用X射线进行影像诊断。随着技术的发展，X射线成像技术不断提高了空间分辨率和成像质量，并在医学影像学中得到了广泛应用。X射线成像技术的原理是通过探测和记录X射线在材料中的吸收情况，获得材料的内部形貌和密度分布等信息。它可以观察到材料的微小结构和缺陷，并具有较高的空间分辨率。X射线成像技术也可以应用于非破坏性检测、材料分析和地质勘探等领域。

[0003] 进一步，基于X射线成像技术发展而来的计算机断层扫描(CT)更是一种广泛应用于研究物质三维结构的无损方法。临床CT仪器和主要实验室规模的设置是基于传统x射线管产生的多色宽光束。虽然这为成像目的产生了超高的光子融合，但光束的多色度有其自身的缺点，如光束硬化伪影和对成像物体的化学成分不敏感。一定数量的化学对比可以通过双能成像来实现，但这些信息可以用来根据元素的原子序数将元素最多分成两组或三组。从材料研究的角度来看，缺乏元素敏感性是一个明显的缺点，因为材料的性质不仅依赖于其元素组成和分布，还依赖于元素的化学形成。这些限制可以用高度单色和可调谐的X射线光束来克服，比如用同步加速器和X射线自由电子激光光源产生的光束。其中一种方法就是X射线吸收谱，它是利用不同元素对X射线的特定吸收能量的不同反馈而实现的具有元素分辨能力的一种探测方式。通过调整1eV分辨率的X射线束的光子能量，甚至可以分离不同化学物质的x射线信号，进而可以用来绘制物种在样品中的分布。这种方法，同样也是一种分析给定元素的化学性质的无损工具，最重要的是它能够给出待测元素的氧化态和局部原子配位。X射线吸收谱学也已经成功的被用在各个研究领域，如电池材料，催化剂材料的降解和失活，和异质性的缺陷工程金属有机框架晶体等等方向。

[0004] 传统的X射线吸收和成像技术各自具有一定的局限性，只能提供部分的信息。为了更好地了解材料样品的特性，人们开始将这两种技术简单的结合起来应用。针对某一个具体的应用案例来说，先通过X射线吸收技术对目标产物进行元素价态和几何局域结构的鉴定，然后将目标产物转移至X射线成像谱仪中进行成像，以获取产物的形貌和内部缺陷结构。通过这种简单的X射线吸收和成像技术组合，虽然可以在一定程度上利用它们的互补性，获得更全面、准确的材料特性信息，但不可忽视的一点就是在转移样品的过程中，很难确保两种技术采集的信号点是在同一个位置。因为，在不同设备之间进行移动样品的过程中，不同设备出射的X光很难确保都是打在样品的某一个固定点上。大大增加了实验误差和数据分析中的不确定性，这不仅降低了实验效率，对各类严苛的实验条件甚至还会起到误导研究人员的潜在危害。

[0005] 公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息已构成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

[0034] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。

[0035] 实施例一：

[0036] 如图1、图2所示，X射线光谱联用系统，整个光路按照水平方向排布，包括样品台1、X光机2、柱面弯晶3、第一探测器4、第二探测器5，所述X光机2位于所述样品台1的一侧，所述柱面弯晶3位于样品台1的另一侧，所述第一探测器4、所述第二探测器5依次能够轴向移动的位于柱面弯晶3的另一侧；所述X光机2、所述样品台1上的样品、所述第一探测器4形成成像光路，所述X光机2、所述样品台1、所述柱面弯晶3、所述第二探测器5形成吸收光路。

[0037] 具体的，所述样品台1包括能够实现三维运动、转动、平移的第一调节机构11和样品架12，所述样品架12的底部连接所述第一调节机构11，所述第一调节机构11由多个位移台组合形成。第一调节机构11为一个五维运动平台采用现有位移台组合的方式，可以实现样品9的x/y/z三维位移运动及转动和平动功能，用于在实际采样前样品9的位置校准和调节功能。同时，通过第一调节机构11中的旋转轴，对样品9进行360度旋转，获取到样品9不同角度的投影像，进行组合重构获取到样品9的三维立体结构形貌图。样品架12则为一个架体，底部可以通过螺栓连接或焊接的方式固定连接所述第一调节机构11，顶部设有样品放置位置。通过第一调节机构11的调整，使得X光机2发出的直通光能够穿过样品9。

[0038] X光机2是X射线源的产生设备，X射线源是X射线吸收和成像技术的重要组成部分，其性能直接影响到实验结果。作为该联用系统最重要的组成部分，需要选择适合的X射线源，以提供足够的信号强度和能量分辨率。在X射线光源方面，需要兼具高亮度、高能量分辨率、聚焦光束等特点，以提供足够的信号强度和分辨能力。因此，在X光源选择方面，需要满足如下关键指标：微小焦斑、聚焦光束、高亮度、高功率，可以选择市场化的微焦斑、大功率X射线源，由此来满足吸收和成像探测的条件。

[0039] 与此同时，本实施例还包括第一水平位移机构6，为了进一步提高成像分辨率的要求，在本实施例中将X光机2固定在一个可以沿着光路方向前后移动的第一水平位移机构6上，以实现X射线源与样品9的距离调节功能，从而适配不同尺寸、空间分辨要求的样品9测试。第一水平位移机构6可采用现有技术中的直线导轨机构。X光机2通过支架与直线导轨机构的滑块固定连接，通过气缸动作实现直线导轨机构上的滑块沿滑轨直线运动。

[0040] 柱面弯晶3是整个吸收谱仪中最为关键的一个部件，其材质可选择不同指数面的Si或者Ge单晶作为材料，其半径根据不同的元素可以进行调节，范围从50mm到1000mm不等。柱面弯晶3在X射线吸收谱仪中起到两个作用，一个是对经过样品9后的X光进行单色化的作用，另一个是对打到柱面弯晶3上的X光起到一个聚焦的作用，让经过样品9后的X光能够最大化重新聚焦于第二探测器5上，以实现对不同能量点的X光的收集和扫描。柱面弯晶3可以通过固定件固定在设备平台上，其圆心与X光路重合。

[0041] X射线吸收和成像联用技术要求设计和制造能够同时进行吸收和成像测量的仪器。需要考虑仪器的结构、探测器的选择和位置、光学系统的设计等因素。本实施例采用了两种不同功能探测器有机结合的方式，第一探测器4为成像探测器，第二探测器5为吸收探测器。其中，成像探测器被安置在光路正中心位置，一方面是用于样品9的直接成像信息采集，另一方面是作为X射线吸收谱中的beamstop部件使用，用于阻挡光路正中心的强束流达到吸收探测器上，影响整个的光子计数。成像探测器的选择为面板探测器或光学耦合探测器，需要满足像素尺寸点小，像素尺寸应小于等于25um；同时，考虑到不干扰吸收信号的采集，成像探测器的面积需要控制在一定尺寸上，因此，整体尺寸应大于10*10mm，并小于柱面弯晶3的直径。吸收探测器则主要考虑能量分辨和光子计数过程中的信噪比，因此可以选择硅漂移探测器或单光子计数探测器。

[0042] 为了进一步采集样品9的吸收信号，包括其角度范围和能量分辨率，本实施例中，还包括第二水平位移机构7，所述第一探测器4的底部连接所述第二水平位移机构7。还包括第三水平位移机构8，所述第二探测器5的底部连接所述第三水平位移机构8。将第一探测器4与第二探测器5分别固定在光路方向上的两个独立一维运动平台上，使得第一探测器4与第二探测器5能够同时独立的在光路方向上进行前后运动，以实现不同空间分辨、角分辨以及吸收角范围采集的功能。

[0043] 本发明中采用同一X光机2，实现两种不同的探测方式；同时无损的获取到物质的电子结构、几何结构以及形貌结构等多种结构信息，使得这一技术相比于现有技术有了巨大的突破。相比于现在商业CT和吸收谱仪的各自为战，本发明使用同一套X光机2和光路，最终实现X射线吸收和成像技术的同步联用。在这个过程中，因为X光路都是共用的，因此，能够轻松的实现X光打在样品9的同一个位置上，在不需要对样品9进行任何移动操作的前提下仅仅通过光路上设置不同的探测器就可以实现该位置上样品9成像和吸收数据的同时同步同位置的采集功能。通过这一联用技术，可以同时获得材料的晶体结构信息和内部形貌密度分布等图像信息，从而全面了解材料的特性。通过这一联用技术，可以在同一实验中同时进行吸收和成像测量，同时同步获取到样品9的晶体结构信息和形貌信息，并将两种技术的结果进行对比和验证，提高了数据的可靠性和准确性，也为材料科学、固态物理、化学等领域的研究提供重要手段。

[0044] 本发明能够获取到的信息为综合信息：X射线吸收技术主要用于获取材料的结构信息，能够确定元素电子结构和几何结构等；而X射线成像技术则能够提供材料的内部形貌和密度分布等图像信息，联合使用这两种技术可以综合获得材料的结构与形貌信息，从多个方面全面了解样品9。

[0045] 本发明能够实现结构信息的互补性；X射线吸收技术对于晶体结构分析非常强大，而X射线成像技术对于这些样品9的形貌有更好的适应性，可以提供更全面的内部结构信息；通过联合使用，可以充分利用两种技术的互补性，获得更准确和完整的样品9特征。

[0046] 本发明实现高时间分辨率的观察和记录；X射线吸收和成像技术都可以实现原位观察，即在样品9在实际操作过程中进行实时监测；联合使用这两种技术可以实现高时间分辨率的观察和记录，对于研究材料的动态行为、相变过程和反应动力学等具有重要意义。

[0047] 本发明实现高空间分辨率；X射线吸收技术可以提供较高的空间分辨率，能够观察到微小晶体的结构信息；而X射线成像技术在某些情况下可以提供更高的空间分辨率，能够显示出更细微的结构特征；联合使用这两种技术可以进一步增强观测的空间分辨率，帮助研究者更好地理解样品9的微观细节。

[0048] 通过联合使用X射线吸收和成像技术，可以在同一实验平台上进行成像和吸收的多种测量。这不仅提高了实验效率，还能够方便地对实验条件进行优化和调整，以满足不同实验需求。同时，也减少了实验误差和数据分析中的不确定性，提升了实验结果的可靠性和可重复性。

[0049] 实施例二：

[0050] 参照图3所示，X射线光谱联用系统的方法，采用上述X射线光谱联用系统，X光机2发射X射线，经过样品9的直通光到达第一探测器4，形成成像信息，同时，经过样品9其他方向的散射光经过柱面弯晶3重新汇聚到第二探测器5，获得X射线吸收谱线。

[0051] 具体的，参照图4所示，X射线成像主要涉及到X光机2、样品9、样品台1、第一探测器4和第二水平位移机构7。通过X光机2发射X射线，X射线经过样品9后几何放大，呈现在后方的第一探测器4上面，形成成像信息；同时，通过样品台1中的旋转对样品9进行360度旋转，获取到样品9不同角度的成像信息，进行组合重构获取到样品9的三维立体结构形貌图。

[0052] 具体的，参照图5所示，X射线吸收谱主要涉及到X光机2、样品9、柱面弯晶3、第二探测器5和第三水平位移机构8。其具体工作原理：通过X光机2发射X射线，X射线经过样品9后被样品9吸收相应的X射线能量，透过部分被散射到柱面弯晶3上面，柱面弯晶3是有一系列具有特定晶格尺寸的晶体组成，当X射线打到柱面弯晶3上后，根据布拉格定律，具有特定能量的X射线将会得到反射，反射的X光将进入到第二探测器5上面，由第二探测器5收集当前的光子数。然后通过X光机2和第二探测器5下面的第三水平位移机构8，对X光机2和第二探测器5进行X光路方向的同步前移或后移来获取到不同能量点下面的X光子数，最终实现同一样品9中不同组成元素的X射线吸收谱线的获取。其中X光机2和第二探测器5的同步移动是指在水平光路方向上，可以使用统一的脉冲数对位移台发布指令，实现其两者的完全同步性。同时，考虑到整个移动都是在X光的光路上，因此，不会对原有光路产生任何影响。最后，通过分析X射线吸收谱线就能够实现样品9中不同元素的电子结构和几何局域结构等信息。

[0053] 如图6所示，本实施例选择了一种商用锂离子电池的电极片材料(LiNi0.6Mn0.4O2)作为样品，对该系统进行验证实验。当一束X射线入射后，在成像探测器上将出现电极材料的成像信息，通过对样品的360°旋转可以实现完整的三维成像信息，结构如左侧图所示(LiNi0.6Mn0.4O2电极片的成像信息)；当经过样品的吸收信号经过弯晶达到吸收探测器后，通过逐点扫描就可以得到如右图所示的电极材料的吸收谱信息，其中纵轴为吸收强度，横轴为扫描能量，红线是我们实验数据，黑线则是在同步辐射光源上采集到的数据，两者比对，可以看出该系统的优点。

[0054] 本实施例所提的一种X射线光谱联用系统及方法具有互补性、综合信息、时间和空间分辨率的优势，对于材料研究、结构分析和反应动力学的研究具有重要作用。整个测试过程中，不需要对样品9进行任何的位置的移动，就可以同步获取到样品9同一位置的成像信息和吸收信息，从而对样品9的晶体结构信息和三维形貌信息能够实现同时同步同位置点的获取。

[0055] 本实施例可应用于化学、材料、环境、地质等科学领域的结构表征类仪器设备，主要适用于不同材料体系在不同环境条件下的电子结构、几何结构、形貌等的原位表征测试。得益于X射线极强的穿透能力，该系统能够实现各类物质的体相结构探测和内部形貌结构变化信息。

[0056] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。