專利名稱：大面積透射光柵軟x射線光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種透射光柵光譜儀，特別是一種高分辨率大面積透射光柵軟X射線光譜儀，該譜儀主要適用于軟X射線波段內(nèi)激光等離子體的發(fā)射特性的測(cè)量。
軟X射線透射光柵光譜儀使用靈活，調(diào)整簡(jiǎn)便，在基礎(chǔ)物理研究和診斷中具有一定的優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于各類X光源的測(cè)量，這從德國馬普量子光學(xué)所和日本大阪大學(xué)等單位的實(shí)驗(yàn)中可以看到(參閱已有技術(shù)[1]R.Sigel,P.Pakula,S.Sakabe et al.,X-ray generation in a cavity heated by 1.3-or 0.44-μm laser light Ⅲ comparison of theexperimental results with theoretical predications for X-ray confinement.Phys.Rev.A38(11),1988:5779-5785，以及H.Nishimura,Y.Kato,H.Takabe et al.,X-rayconfinement in a gold cavity heated by 351-nm laser light.Phys.Rev.A44,1991:8328-8333)。在激光等離子體輻射溫度的診斷和X射線輻射輸運(yùn)特性的研究方面，軟X射線透射光柵作為色散元件，與空間成像和時(shí)間分辨的探測(cè)接收器連接，構(gòu)成十分重要的測(cè)量儀器，可以非常方便地從發(fā)射光譜中獲得關(guān)于等離子體的諸多信息，如電子溫度和密度、膨脹速度、電離態(tài)等等。
要完成上述譜線分析，要求透射光柵光譜儀應(yīng)當(dāng)不但能以較高的光譜分辨，而且同時(shí)能以較高的接收效率進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量(已有技術(shù)[2]M.M.Murnane,H.C.Kapteyn,and R.R.Falcone,High-density plasmas produced by ultrafast pulses.Phys.Rev.Lett.1989,62(2):155-158)。尤其是對(duì)太瓦級(jí)、飛秒脈沖的超強(qiáng)超短鈦寶石(Ti:sappire)激光器(已有技術(shù)[3]徐至展，Lus.Vigroux,Fredocric，周建平，張正泉，《輸出2TW/45fs的摻鈦藍(lán)寶石超短脈沖強(qiáng)激光系統(tǒng).》中國科學(xué)，1997,A272:640-645)這一高功率低能量激光系統(tǒng)與物質(zhì)相互作用的實(shí)驗(yàn)研究中，現(xiàn)有的1000g/mm針孔透射光柵軟X射線光譜儀不能完全滿足上述要求。實(shí)驗(yàn)和理論分析都表明，有兩個(gè)主要因素限制了上述已有技術(shù)參與細(xì)致的X-射線發(fā)射譜的測(cè)量。其一，用作色散元件為1000g/mm針孔透射光柵結(jié)構(gòu)，它的柵線密度較低，致使譜儀的光譜分辨較低(通常為0.2-0.4nm)。其二，用作光柵前的成象元件不適合、光譜儀的收集效率和衍射效率較低，接收面上的X射線強(qiáng)度也較低；所以往往需要很多次的打靶曝光，才能在接收面上積累足夠的X射線能量。其三，置于作為外殼的外套筒內(nèi)壁上的導(dǎo)軌，容易滑動(dòng)，調(diào)整不方便。
本發(fā)明的目的是提供一種高分辨率、結(jié)構(gòu)緊湊的大面積透射光柵軟X射線光譜儀，以克服上述已有技術(shù)的光譜分辨較低、收集效率及衍射效率較低等不足，增大光譜儀對(duì)激光等離子體軟X射線的收集立體角，提高光譜儀的接收效率，并實(shí)現(xiàn)對(duì)X射線點(diǎn)源成無象散的點(diǎn)象；提高光譜儀的光譜分辨率；提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；總之將大大提高光譜儀的工作效率。
本發(fā)明光譜儀的結(jié)構(gòu)包括機(jī)械構(gòu)件和光學(xué)元件兩大部分其中機(jī)械構(gòu)件包括頭部1，支撐板2、加強(qiáng)筋3、導(dǎo)軌4、外套筒5以及置于導(dǎo)軌4上的調(diào)整架9、10，如圖1、2所示。光學(xué)元件包括沿著由軟X射線源11發(fā)射的軟X射線束S前進(jìn)的方向上，依次置有光闌13，置于調(diào)整架9上的反射鏡6，置于調(diào)整架10上的光柵7，接收器件8以及與接收器件8的輸出相聯(lián)的顯示器件12，如圖3所示。
頭部1由前端是接口法蘭101、后端是銜接法蘭103的銜接管102構(gòu)成；頭部1后端的外套筒5由前端有前銜接法蘭501、中間是筒體502及后端有后銜接法蘭503三部分構(gòu)成。頭部1的接口法蘭101與真空靶室窗口14相聯(lián)；頭部1的銜接法蘭103與外套筒5的前銜接法蘭501壓合以保持真空密封是真空密接；為了入射的光束與反射鏡6的掠反射成象相匹配，機(jī)械構(gòu)件中頭部1的中心軸線O1O1與外套筒5的中心軸線O2O2之間有一夾角α，并且夾角∠α≤10°，如圖2所示。在外套筒5內(nèi)固定于頭部1的銜接法蘭103上的支撐板2上，裝有斜拉加強(qiáng)筋3，導(dǎo)軌4即安裝在加強(qiáng)筋3上為懸掛式的。導(dǎo)軌4上置有反射鏡6的調(diào)整架9和置有光柵7的調(diào)整架10，接收器件8則固定在外套筒5的后銜接法蘭503上。
反射鏡6是本發(fā)明光譜儀的核心元件，它收集入射光譜儀內(nèi)的X射線并將其成象到接收器件8上。本發(fā)明選用輪胎鏡(又稱為超環(huán)面鏡)用作成象系統(tǒng)的反射鏡6，它能以較大的空間收集立體角，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟X射線源11的無象散成象，提高攝譜數(shù)據(jù)的信噪比和準(zhǔn)確性，所以又稱其為X光反射鏡。本發(fā)明適合的輪胎鏡的子午面的曲率半徑范圍為4000～7000mm，寬度為40～75mm，弧矢面曲率半徑為15～35mm，寬度為25～35mm。置反射鏡6的調(diào)整架9是五維調(diào)整架，有三個(gè)方向的平動(dòng)、兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)共計(jì)五個(gè)自由度的調(diào)節(jié)方向。
本發(fā)明中作為色散元件的光柵7采用無支撐大面積透射光柵，光柵的線對(duì)數(shù)范圍是1000～5000g/mm。由于透射光柵的光譜分辨率與光柵的線對(duì)數(shù)成正比，所以在拍攝短波長光譜區(qū)時(shí)，較之已有技術(shù)的1000g/mm透射光柵，可獲得更大的線色散和更高的光譜分辨率。為與輪胎鏡的反射鏡6的大收集立體角相匹配，光柵外形尺寸應(yīng)大于象面的尺寸(本發(fā)明實(shí)施例中大于3×5mm)為佳，光柵盡量靠近輪胎鏡以在象面上獲得較高的光譜分辨和較好的線色散。置光柵7的調(diào)整架10有三個(gè)方向的平動(dòng)、兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)共計(jì)五個(gè)自由度的調(diào)節(jié)方向的五維空間調(diào)整架。
本發(fā)明的接收器件8是軟X光膠片或干板、或是遠(yuǎn)紫外(XUV)光電二極管或電子倍增器、或是軟X光CCD相機(jī)、或是微通道板(MCP)或是軟X光條紋相機(jī)。
本發(fā)明的導(dǎo)軌4是固定于加強(qiáng)筋3上的懸掛式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。光闌14是矩形光闌。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為1．本發(fā)明各機(jī)械構(gòu)件和光學(xué)元件均采用全固定連接和定位。懸掛式導(dǎo)軌4使導(dǎo)軌與光譜儀外套筒5不接觸，較之已有技術(shù)中導(dǎo)軌直接放置在外套筒的內(nèi)壁上，本發(fā)明懸掛式結(jié)構(gòu)不但方便了光譜儀的調(diào)節(jié)，還可保證在工作過程中，已調(diào)節(jié)完畢的各光學(xué)元件不會(huì)因?qū)к壴谕馓淄矁?nèi)壁的滑動(dòng)而改變?cè)形恢?。光譜儀調(diào)節(jié)完成后，再將外套筒固定在頭部銜接法蘭上。上述全固定連接和懸掛式導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，不但能方便光譜儀的調(diào)節(jié)，提高工作效率，而且能增加光譜儀攝譜性能的穩(wěn)定性，減小測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差。
2．本發(fā)明采用輪胎鏡作前置集光/成象系統(tǒng)的反射鏡6，較之已有技術(shù)中針孔透射光柵結(jié)構(gòu)，本發(fā)明光譜儀的收集立體角提高了四個(gè)量級(jí)，因而大大提高了光譜儀的收集效率。輪胎鏡與矩形光闌13相配合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)軟X射線源的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無象散成象，提高攝譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。輪胎鏡的使用也較充分地利用了光柵的面積大這一優(yōu)點(diǎn)。實(shí)施證明，即使對(duì)于20mJ的低能量飛秒激光脈沖的單槍打靶，本發(fā)明也能攝得到譜線。同樣條件下，已有技術(shù)的1000g/mm針孔透射光柵光譜儀沒有測(cè)到結(jié)果?？梢?，本發(fā)明尤其適合于參與超短飛秒強(qiáng)激光脈沖產(chǎn)生的等離子體的測(cè)量。
3．本發(fā)明采用5000g/mm的無支撐大面積透射光柵作色散元件，較之已有技術(shù)1000g/mm針孔透射光柵譜儀，在拍攝短波長光譜區(qū)時(shí)，可獲得更大的線色散和更高的光譜分辨率。理論和實(shí)驗(yàn)都證明，該譜儀的光譜分辨率可達(dá)0.05nm。
4．輪胎鏡和大面積透射光柵的綜合使用，使得本發(fā)明光譜儀有平的成象面，這尤其有利于與分辨率較高的電子型探測(cè)器件，如軟X射線CCD相機(jī)或軟X射線條紋相機(jī)相耦合。
5．本發(fā)明光譜儀能夠采用減薄型背向照明軟X光CCD相機(jī)作為接收器件8，它有性能穩(wěn)定，使用方便，響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，最大可探測(cè)波長可以延伸到50nm，為使用帶來了極大的靈活性，避免了已有技術(shù)中使用軟X光膠片的顯影、定影等煩瑣步驟，以及由顯影、定影的不同時(shí)間造成的測(cè)量數(shù)據(jù)誤差，還可進(jìn)行軟X射線源發(fā)射特性的絕對(duì)標(biāo)定。


圖1．本發(fā)明光譜儀機(jī)械構(gòu)件的立體分解示意圖。
圖2．本發(fā)明光譜儀機(jī)械構(gòu)件的俯視分解示意圖。
圖3．本發(fā)明光譜儀光學(xué)元件的光路示意圖。
圖4．實(shí)施例中采用KODARK T-PAN干板作接收器件8，拍攝到的鋁平面靶作為軟X射線源11在0.6～15nm內(nèi)的發(fā)射光譜。
圖5．實(shí)施例中采用減薄型背向照明軟X光CCD相機(jī)作為本發(fā)明的接收器件8，拍攝到的鋁平面靶作為軟X射線源11在0.6～12nm內(nèi)的發(fā)射光譜。
實(shí)施例如圖3所示，軟X射線源11由激光束G輻照固體平面鋁靶面獲得。軟X射線束S經(jīng)反射鏡6反射成象，并經(jīng)光柵7衍射后，衍射光譜由接收器件8接收。圖3中接收器件8采用的是軟X光CCD相機(jī)，由微型計(jì)算機(jī)作為顯示器件12進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
本實(shí)施例采用的輪胎鏡作為反射鏡6，在子午面和弧矢面內(nèi)的寬度分別為55mm和30mm，曲率半徑分別為5565mm和24.43mm。子午面和弧矢面分別對(duì)軟X射線源11成象，選擇輪胎鏡對(duì)X射線的掠入射角為86.2°以使子午面和弧矢面成象重合。在輪胎鏡近軟X射線源11一端垂直于光軸加一個(gè)3×5mm的矩形光闌13以擋掉輪胎鏡像點(diǎn)尾部的雜光，改善像質(zhì)，并擋掉未經(jīng)輪胎鏡反射成象的雜散光，因此收集立體角為7.45×10-5球面度。該值是同樣布局下的已有技術(shù)針孔透射光柵(直徑50μm)收集立體角的104倍。由于光譜儀的收集效率與收集立體角成正比，可見與已有技術(shù)針孔透射光柵光譜儀相比，本發(fā)明極大地提高了收集效率。
本實(shí)施例中輪胎鏡反射面鍍金，金對(duì)波長為1.456nm的X射線的折射率為0.99759，對(duì)應(yīng)的全反射角為86.0214°，因此該譜儀的截止波長為1.4nm。測(cè)量中x光對(duì)輪胎鏡表面的入射角往往大于該值，所以保證了波長大于1.4nm的x光都可被全反射而成象。但在測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，更短波長譜線(0.5nm)在經(jīng)輪胎鏡有衰減地反射后，仍可被觀測(cè)到，這從另一個(gè)側(cè)面表明了本發(fā)明光譜儀的高效率。
本實(shí)施例中采用5000g/mm的無支撐大面積透射光柵作色散元件光柵7。光柵7外形尺寸為4×10.1mm，光柵7盡量靠近輪胎鏡以在象面上獲得較大的線色散和光譜分辨率。光柵7置在軟X光CCD相機(jī)敏感面前250mm處。接收面上線色散為0.8nm/mm；光柵被X光照亮的面積為3×5mm。因此輪胎鏡的使用也較充分地利用了光柵7的接收面積大的一優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)施例中，頭部1的中心軸線O1O1與外套筒5的中心軸線O2O2之間的夾角∠α≌10°。
當(dāng)采用柯達(dá)KODARK T-PAN干板作接收器件8時(shí)，在能量20mJ的摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器的二倍頻激光束G(波長0.532μm，脈寬6ns)輻照下鋁平面靶，光譜儀拍攝到的鋁平面靶面的軟X射線源11在0.6～15nm內(nèi)的光譜發(fā)射如圖4所示。圖中顯示光譜有很好的對(duì)稱性和很高的信噪比。仔細(xì)分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明光譜儀的光譜分辨率達(dá)到0.05nm。
當(dāng)采用減薄型背向照明軟X光CCD相機(jī)作接收元件8，探測(cè)軟X光發(fā)射的時(shí)間積分行為，由于該CCD相機(jī)性能穩(wěn)定，使用方便，響應(yīng)靈敏度高，可為使用帶來極大的靈活性。該CCD相機(jī)是1024×1024二維接收器件，每個(gè)象素大小為20×20μm，使用中光譜的零級(jí)總是調(diào)節(jié)到2×2cm的CCD相機(jī)敏感面的中央部位以得到左右對(duì)稱的光譜記錄，因此最大可探測(cè)波長約為10nm。進(jìn)而將敏感面沿色散方向平移，最大可探測(cè)波長可以延伸到50nm。軟X光CCD相機(jī)獲得的數(shù)據(jù)由作為顯示器件12的微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理并得出結(jié)果。在能量25mJ的超強(qiáng)超短摻鈦藍(lán)寶石激光束G(波長0.785μm，脈寬45fs)輻照的鋁靶面下，光譜儀拍攝到的鋁靶面在0.6～12nm內(nèi)的光譜發(fā)射如圖5所示。數(shù)據(jù)分析證明，軟X光CCD相機(jī)較之已有技術(shù)使用軟X射線干板有更高的靈敏度，能記錄到更多的光譜線；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)本發(fā)明光譜儀的光譜分辨率≤0.05nm。從而證明了本發(fā)明能夠使用軟X射線CCD相機(jī)作為接收器件8，使光譜儀的分辨率和工作效率大有提高。
權(quán)利要求
1．一種大面積透射光柵軟X射線光譜儀，包括機(jī)械構(gòu)件和光學(xué)元件兩大部分，機(jī)械構(gòu)件包括頭部(1)、導(dǎo)軌(4)、作為外殼的外套筒(5)和調(diào)整架(9)、(10)，光學(xué)元件包括反射鏡(6)、光闌(13)、光柵(7)、接收器件(8)和顯示器件(12)，其特征在于具體結(jié)構(gòu)是<1>機(jī)械構(gòu)件的頭部(1)是由一銜接管(102)，前端帶有與真空靶室窗口(14)真空密接的接口法蘭(101)和后端帶有銜接法蘭(103)所構(gòu)成；<2>上述頭部(1)的銜接法蘭(103)上固定有帶斜拉加強(qiáng)筋(3)的支撐板(2)，加強(qiáng)筋(3)上裝有懸掛式的導(dǎo)軌(4)，導(dǎo)軌(4)上置有五維調(diào)整的調(diào)整架(9)、(10)；<3>頭部(1)后端是外套筒(5)，外套筒(5)是由筒體(502)，前端帶有與頭部(1)銜接法蘭(103)密接的前銜接法蘭(501)和后端是裝有接收器件(8)的后銜接法蘭(503)所構(gòu)成；<4>光學(xué)元件包括沿著由軟X射線源(11)發(fā)射的軟X射線束S前進(jìn)方向上，依次置有矩形光闌(13)，置于調(diào)整架(9)上作為反射鏡(6)的輪胎鏡，置于調(diào)整架(10)上的無支撐大面積透射光柵(7)，接收器件(8)和與其輸出相聯(lián)的顯示器件(12)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的軟X射線光譜儀，其特征在于光柵(7)的線對(duì)數(shù)的范圍是1000～5000g/mm。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的軟X射線光譜儀，其特征在于作為反射鏡(6)的輪胎鏡在子午面的曲率半徑范圍為4000～7000mm，寬度為40～75mm，弧矢面曲率半徑為15～35mm，寬度為25～35mm。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的軟X射線光譜儀，其特征在于頭部(1)的中心軸線O1O1與外套筒(5)的中心軸線O2O2之間有一夾角∠α。
5．根據(jù)權(quán)利要求1或4的軟X射線光譜儀，其特征在于頭部(1)的中心軸線O1O1與外套筒(5)的中心軸線O2O2之間的夾角∠α≤10°。
全文摘要
一種大面積透射光柵軟X射線光譜儀,包括機(jī)械構(gòu)件和光學(xué)元件兩大部分。機(jī)械構(gòu)件包括頭部銜接管的接口法蘭與真空靶室窗口密接,銜接管的銜接法蘭與外套筒的前銜接法蘭銜接,外套筒內(nèi)固定于頭部銜接法蘭上有裝有懸掛式導(dǎo)軌的斜拉加強(qiáng)筋的支撐板。光學(xué)元件包括沿著軟X射線束S前進(jìn)方向上,依次有矩形光闌,分別置于導(dǎo)軌上五維調(diào)整架上作為反射鏡的輪胎鏡和無支撐大面積透射光柵。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便、分辨率高、光譜分辨率可達(dá)0.05nm的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01J3/12GK1214451SQ9812201
公開日1999年4月21日 申請(qǐng)日期1998年11月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月19日
發(fā)明者鄧建, 張正泉, 徐至展, 鐘方川, 覃嶺 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所