专利名称：自标定谱线波长的光谱仪的制作方法
技术领域：
本实用新型是关于一种能自标定谱线波长的光谱仪。主要适用于在没有任何参考谱线情况下精确标定发射谱的场合，尤其适用激光等离子体的X射线发射谱的测定。
背景技术：
光谱仪在使用前必须经过波长标定，即确定谱线波长(或谱线在晶面的衍射角)与谱线在谱片上的位置之间的函数关系。谱线波长的精确标定有助于谱线的正确辨认和归类，它是X射线光谱学分析的前提。
平面晶体光谱仪的工作原理是基于晶体对所接收射线衍射的布喇格公式2dsinθ＝nλ (1)其中d为晶体的晶面间距，θ为晶面衍射角，n为衍射级次。对于激光等离子体的波长λ为X射线，从光源发出后，经晶体表面以唯一确定的角度θ衍射后被接收器接收，在接收器的谱片上形成一条谱线，如图3所示。
由于激光等离子体的体积线度很小，其直径一般为几十微米，因此可看作是点光源O，在图3中用S表示点光源。CX为晶体平面，FY为谱片平面。以CX为X轴，以FY为Y轴，两轴的夹角为α，交点为O。S’为S点在晶体平面的虚像点，SS’与X轴交点为N，设SN＝S′N＝h。过S’点作Y轴的垂线，垂足为K，S′K＝f。过S’点作X轴的平行线，与Y轴交点为T。x为X射线与晶体表面的交点在X轴的坐标，y为所形成的谱线在Y轴的坐标。由图3中的几何解析关系可以得到平面晶体谱仪的基本方程y+hsinα-fctgα=yk=fctg[π-(α+θ)]---(2)]]>与(1)式联立得(一般取一级衍射谱，即n＝1)λ=2d×sin[ctg-1(hcosα-fcos2α-12ysin2αysin2α+hsinα)]---(3)]]>式(3)为标定谱线波长的基本方程。从式中可以看出，对于已确定了晶体(d已知)的情况，只要知道光源与谱仪的相对位置关系(h，f)以及接收面和晶体表面的夹角α，就可以通过未知波长谱线在接收器谱片上的位置y来直接标定谱线波长。
在先技术中，平面晶体光谱仪在使用中标定谱线波长有两种，一种是直接测量出信号光源(参见在先技术[1]“Observation of new lines of Xe XLIV，XLV，XLVI，and X1VII in the range 2.5-3.0 from laser-imploded targets”J.Opt.Soc.Am，71，1309-1314，1981)，接收面与谱仪的相对位置，来确定h，f和α，然后根据(3)式来标定出谱线的波长；但是在实施中，由于作为信号光源的激光等离子体的位置难以精确地确定，因此，在实际应用中造成误差很大，根本无法使用。
另外一种是采用参考谱线(参见在先技术[2]“Explosive-pusher-type lasercompression experiments with neon-filled microballoons”Phys.Rev.A，19，1247-1262，1979)，这也在实验中最通常使用的谱线标定。它从原理上要求光谱中至少含有三条波长已知且可以明确辨析的谱线，以此作为参考来确定谱片中其它位置谱线的波长。如图4所示，将三条已知波长谱线的坐标值y1，y2，y3和衍射角θ1，θ2，θ3代入方程3中，求出α，f，就可以得到谱线标定的基本方程。采用参考谱线在实际应用中存在着一些局限和不足。首先，为了能在发射的光谱中出现参考谱线，通常的做法是在待测光源中掺入一些能发射特征谱线的杂质，如铝(Al)，镁(Mg)和硅(Si)等，这些低原子序数元素的类氢和类氦谱线结构简单，容易分辨而且其波长已经作过精确的测定，非常适合作参考谱线。但是，在光源中掺入的杂质可能会影响光源的辐射性质，使实际测量得到的结果出现偏差。其次，对于激光等离子体光源来说，斯塔克效应，多普勒频移和等离子体极化，会造成光源所发射的参考谱线的移动或非对称加宽，从而使得在用参考谱线标定其它位置谱线的波长时产生误差，影响波长的测量精度。另外，在实验中往往会遇到在待分析的光谱中无法包含已知波长的谱线的情况，在这种情况下，参考谱线已无能为力。
发明内容
针对上述在先技术平面晶体光谱仪标定发射谱中存在的问题，本实用新型提供一种光谱仪，可在不知光源位置和没有任何参考谱线的情况下独立地进行发射谱谱线波长的精确标定。
本实用新型的光谱仪包括带有长梯形内腔5的基体2，有平行平板反射体4置于长梯形内腔5的斜平面上，长梯形内腔5的一端是入射窗口1，另一端是出射口6，出射窗口6上装有探测器7。探测器7的接收面与置有平行平板反射体4的长梯形内腔5斜平面的夹角α＜90°。平行平板反射体4的中心点O恰好在入射窗口1的中心轴线OO上。在平行平板反射体4的表面上置有含有金属线构成的n≥3条等间距302的平行线301的辅助光阑3。如图1，图2所示。
所说的平行平板反射体4是硅单晶(Si(111))平板，或者是锗(Ge(111))平板，或者是氟化锂(LiF)晶体平板，或者是磷苯二甲酸氢铊晶体平板(TAP)。
所说的构成辅助光阑(3)平行线(301)的金属线是高原子序数物质线，是铅线，或者是铂线，或者是金线。为了减小被测发射源S发射的散射的影响，同时保证足够的谱线收集面，使基体2的内腔5为长梯形。入射窗口1通常为矩形通孔结构，用于使被测发射源S发射的发射线通过入射窗口1直射到发射体4的表面上。
辅助光阑4是由n≥3条等间距302的平行线301构成的薄片状结构如图2所示，平行线301的间距302均为Δx，为了分辨准确和测量精确，平行线301的线宽尽量小，最好控制在2mm以内。平行线301的材料为铅等高原子序数物质，这些材料的特点是能不被被测发射源S发射的射线如X射线所穿透的。辅助光阑3可用直接置于发射体4表面上，如图2所示。
为了叙述方便，下面被测发射源S以激光等离子体X射线谱为例。激光等离子体X射线发射谱中或多或少都存在着连续谱，利用这一特点来确定谱线波长。辅助光阑3置于平行平板发射体4表面上，覆盖住部分反射体4表面。于是在反射体4表面上形成了两个区域，一个是覆盖了辅助光阑3的参考区和一个未覆盖辅助光阑3的测量区。这样，被测发射源S发射的谱线，一部分通过参考区的辅助光阑3，辅助光阑3上有平行线条的地方作为反射体4的晶体表面被覆盖，将没有晶体衍射，这样在接收器7接收面上将会产生这些平行线条的阴影像。另一部分的谱线(即实际要测量的谱线)则仍然通过反射体4表面的测量区在接收器7接收面上形成谱线。通过测量参考区内形成的阴影像之间的距离，经过计算，可以确定被测发射源S与谱仪间的相对距离，进而可以确定出接收面上谱片中任意谱线的绝对波长。如图5所示。
图中x1，x2，x3表示辅助光阑3中n＝3时的三条平行线301在反射体4表面的坐标，y1，y2，y3分别表示三条平行线在谱片中所形成的阴影像的坐标，其中x3-x2＝x2-x1＝Δx，y3-y2＝Δy2，y2-y1＝Δy1。过S’点作X轴的平行线交Y轴于T点。令OY1＝b，TY1＝w，OX1＝a，S’T＝m，则根据图中的几何关系可得am=bw---(4)]]>a+Δxm=b+Δy1Δy1+w---(5)]]>a+2Δxm=b+Δy2Δy2+w---(6)]]>解以上的联立方程组，可得b=aΔy1Δy2a(Δy2-2Δy1)+2Δx(Δy2-Δy1)---(7)]]>w=Δy1Δy2(Δy2-2Δy1)---(8)]]>m=a+Δx+ΔxΔy2Δy2-2Δy1---(9)]]>从而可以求出被测发射源S与反射体4之间的相对距离h=(w-b)sinα=Δy1Δy2[sinα(Δy2-2Δy1)-asinαa(Δy2-2Δy1)+2Δx(Δy2-Δy1)]---(10)]]>f=msinα=(a+Δx+ΔxΔy2Δy2-2Δy1)sinα---(11)]]>确定被测发射源S到发射体4的距离后，就可以对谱片中任意位置谱线的波长进行标定。在图5中，x表示与X轴的交点，y表示未知波长X射线经X轴反射后与Y轴的交点。令Δy＝y-y1，则有yf＝(y-y1)+w-fctgα (12)将(8)，(11)，(12)与(3)联立，可得谱线波长表达式为λ=2d×ctg-1[a(Δy2-2Δy1)+2Δx(Δy2-Δy1)ΔyΔy2-2ΔyΔy1+Δy1Δy2×1sinα-ctgα]---(13)]]>式(13)中共包含有六个未知量。Δx为辅助光阑3上平行线301的间距302，a为辅助光阑3中平行线301x1到谱片上O点的长度，α为反射体4表面与接收器7接收面之间的夹角。这三个量是已知量，可在谱仪使用前精确定出，而且一经确定后就不会随测量中谱仪位置的变化而改变。以后就可以从测量中所拍摄到的谱片中直接测量出Δy，Δy1，Δy2，就可以通过(13)式来直接标定出谱片上任意谱线的波长。
与在先技术相比，本实用新型具有的优点是(1)本实用新型的光谱仪中谱线波长的标定操作上简单易行，可独立地对谱线波长进行精确的自标定；(2)本实用新型的谱线标定与在先技术中采用参考谱线相比，应用范围更为广泛，能在在先技术采用参考谱线无能为力的情况下发挥作用，同时也保证了较高的测量精度。
图1为本实用新型光谱仪的剖面示意图。
图2为图1中辅助光阑3的示意图。
图3为光谱仪的工作过程示意图。
图4为在先技术中平面晶体谱仪采用参考谱线标定谱线波长的原理示意图。
图5为本实用新型光谱仪的直接自标定谱线波长的原理示意图。
具体实施方式
如图1所示结构的光谱仪，使用的平行平板反射体4为磷苯二甲酸氢铊晶体(TAP)的平行平板，反射体4表面与探测器7的接收面的夹角为a＝68°。在反射体4表面加上辅助光阑3，构成辅助光阑3中的金属线是铅线，线宽为1.5mm.。辅助光阑3中两相邻平行线301之间的间距302均为Δx＝5mm。辅助光阑3中第一条平行线301离反射体4表面末端的距离为a＝68mm。被测发射光源S用5TW/45fs的钛宝石激光器打到铝靶上形成等离子体光源。使用本实用新型的光谱仪对铝靶的等离子体发射谱的两条特征谱线进行了标定。
λ1＝7.1721，标准值为λ＝7.1709，标定误差为1.67×10-4；λ2＝7.7585，标准值为λ＝7.7573，标定误差为1.54×10-4。
权利要求1.一种自标定谱线波长的光谱仪，包括带有长梯形内腔(5)的基体(2)，有平行平板反射体(4)置于长梯形内腔(5)的斜平面上，长梯形内腔(5)的一端是入射窗口(1)，另一端是出射窗口(6)，出射窗口(6)上装有探测器(7)，探测器(7)的接收面与置有平行平板反射体的长梯形内腔(5)斜平面的夹角α＜90°，平行平板反射体(4)的中心点(O)恰好在入射窗口(1)的中心轴线(O’O)上，其特征在于在平行平板反射体(4)的表面上置有包含由金属线构成的n≥3条等间距(302)的平行线(301)的辅助光阑(3)。
2.根据权利要求1所述的自标定谱线波长的光谱仪，其特征在于所说的平行平板反射体(4)是硅单晶平板，或者是锗单晶平板，或者是氟化锂晶体平板，或者是磷苯二甲酸氢铊晶体平板。
3.根据权利要求1所述的自标定谱线波长的光谱仪，其特征在于所说的构成辅助光阑(3)平行线(301)的金属线是高原子序数物质线，是铅线，或者是铂线，或者是金线。
专利摘要一种自标定谱线波长的光谱仪，包括在基体内长梯形内腔的斜平面上置有以平板晶体作为平行平板的反射体，在平行平板反射体的表面上置有包含有金属线构成的n≥3条等间距平行线的辅助光阑。当被测光源发射的光束射到平行平板反射体上形成了一个是覆盖了辅助光阑的参考区和一个未覆盖辅助光阑的测量区。参考区内辅助光阑上的平行线在接收器接收面上形成阴影像，通过测量形成的阴影像之间的距离，能够确定接收面上谱片中任意谱线的绝对波长。与在先技术相比，具有直接自定标谱线波长，定标精度较高，应用范围更广泛的特点。
文档编号G01J3/443GK2522843SQ0127445
公开日2002年11月27日 申请日期2001年12月26日 优先权日2001年12月26日
发明者刘智, 李儒新, 范品忠, 曾志男, 徐至展 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所