专利名称：一种变包含角单色器的光谱标定方法
技术领域：
本发明涉及变包含角单色器技术领域，尤其涉及一种变包含角单色器的光谱标定方法。
背景技术：
单色器是一种能够将光源发出的光分离为所需单色光的光学器件，其中，变包含角单色器能够在较宽的工作能量范围下较好的满足聚焦条件，因此在大型科学工程(如大型同步辐射光束线分光系统)中获得日益广泛的应用。
如图1所示，对变包含角单色器的原理和结构加以简要介绍该变包含角单色器由入光狭缝S1、球面镜SM、平面镜PM、变线距光栅VSPG和出光狭缝S2组成；其中，球面镜SM用于单色器内部的聚焦；平面镜PM置于光栅之前，通过转动平面镜PM来改变光栅的包含角，使光栅可以工作在较宽的能量范围；变线距光栅VSPG作为变包含角单色器的关键元件，具有色散特性、消相差和自聚焦功能。上述变包含角单色器的具体工作原理请参见文献“Design of a variable-included-angle Monk±Gillieson monochromator withvaried-line-spacing gratings，J.Synchrotron Rad.(2004).11，171-176”。
对于某一单色光，随着变包含角单色器中包含角的变化，相应存在很多组能够满足光分离条件的匹配关系；在多组匹配关系中，存在最佳的匹配关系，能够达到像差最小，聚焦最好，以及变包含角单色器的单色性最好。为了寻找这一最佳的匹配关系，需要进行变包含角单色器的光谱定标。
但是，作为建造上述变包含角单色器的关键技术，现有的变包含角单色器光谱标定方法(即现有的寻找最佳匹配关系的方法)却并不尽如人意，主要有以下两种方案 (1)高精度激光干涉仪标定方法；由于激光干涉仪具有使用条件苛刻、操作复杂等缺点，因此仅能进行离线标定，安装之后精度较差，存在实际定位能点漂移等缺陷； (2)自准直平台标定方法，请参见申请号为CN200610017219.8的中国发明专利申请“一种变包含角单色器光谱调谐角度标定的方法”，其能够实现现场对于单色器调谐角度的精确标定； 本领域技术人员可以了解，该自准直平台标定方案仅针对变包含角单色器光谱的局部标定，即工程技术人员仍需依据经验计算或者通过实验来测试所需的转角度数，再借助自准直平台标定该计算或测试获得的转角；显然，该自准直平台标定方案不但存在前后两次的累积误差，而且对于转角以外的参数，仍是通过离线标定获得，同样存在总体标定精度不高，安装后实际定位能点漂移的缺陷。
发明内容
本发明的实施例旨在克服上述现有技术中所存在的定位精度差的缺陷，提供一种变包含角单色器的光谱标定方法，通过反向测定变包含角单色器参数，实现变包含角单色器的在线光谱标定。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种变包含角单色器的光谱标定方法，适用于由入光狭缝、球面镜、平面镜、变线距光栅以及出光狭缝构成的变包含角单色器；在所述出光狭缝后设置一电离室以采集该电离室中工作气体的特征吸收谱； 在选择一种所述电离室的工作气体后执行以下步骤 步骤S11固定所述变包含角单色器的包含角，转动光栅直至所述电离室采集到该工作气体的指定吸收谱线，记录相应吸收谱线下所述变包含角单色器的光栅位置x以及所述变包含角单色器对应当前包含角的平面镜位置y； 步骤S12改变所述变包含角单色器的包含角，重复执行上述步骤S11； 对于上述步骤获得的数据，执行以下步骤 步骤S21根据光栅和光栅正弦推杆的关系式x＝X0-TX sin(γ+β)，线性拟合光栅打平位置X0和光栅正弦推杆长度TX，根据平面镜和平面镜正弦推杆的关系式y＝Y0+TYsin(Θ-γ)，线性拟合平面镜打平位置Y0和平面镜正弦推杆长度TY，完成变包含角单色器参数的反向测定；其中，β为衍射角，γ为光栅打平时法线方向和出射光线方向的夹角，2Θ为光栅包含角； 步骤S22对于波长为λ的单色光，根据变线聚光栅聚焦方程和反向测定结果，计算实际的光栅位置x和平面镜位置y，完成对所述变包含角单色器中波长为λ的单色光光谱的标定。
较佳的，所述电离室为流气式电离室，腔体内包括加偏压的偏压电极筒、收集极以及用于均匀收集极边缘电场的保护极；所述收集极通过电流表接地，用于测量正比于入射光子能量的电流。
较佳的，所述电离室的入射窗采用玻璃毛细管阵列或者氮化硅窗制成。
较佳的，所述指定吸收谱线包括+1级谱线、0级谱线及-1级谱线。
较佳的，所述步骤S12之后还包括选择另外一种或多种工作气体，重新执行步骤S11～S12进行数据采集。
较佳的，所述工作气体包括氩气Ar、氮气N2、氖气Ne和氪气Kr。
较佳的，所述步骤S21中线性拟合光栅打平位置X0和光栅正弦推杆长度TX的步骤包括处理获得的数据得到x与衍射角β的对应关系，绘制x与sin(γ+β)的线性关系图，得到的斜率为TX，得到的偏差值为X0。
较佳的，所述步骤S21中线性拟合光栅打平位置X0和光栅正弦推杆长度TX的步骤还包括以线性拟合获得的TX对衍射角β进行修正后重新进行拟合，直至TX和X0的均方差小于预设的阈值。
较佳的，所述步骤S21中线性拟合平面镜打平位置Y0和平面镜正弦推杆长度TY的步骤包括处理获得的数据得到y与包含角Θ的对应关系，绘制y与sin(Θ-γ)的线性关系图，得到的斜率为TY，得到的偏差值为Y0。
由上述技术方案可知，本发明的实施例利用电离室反向测定变包含角单色器的参数数值，具有以下有益效果 1、实现变包含角单色器光谱的在线整体标定； 2、标定准确，简单易行。
通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。
图1为现有技术中变包含角单色器的结构示意图； 图2为变包含角单色器中光栅及光栅正弦推杆的关系示意图； 图3为本发明提供的变包含角单色器的光谱标定方法一实施例的流程图； 图4为自制流气式电离室的结构示意图； 图5为电离室测定的Ar的吸收谱示意图； 图6为一光栅数据线性拟合示意图。
具体实施例方式 下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。
本发明的主要构思在于通过在出光狭缝后设置电离室，利用气体的特征吸收谱来实现变包含角单色器的整体在线标定；该技术方案适用于由入光狭缝S1、球面镜SM、平面镜PM、变线距光栅VSPG以及出光狭缝S2构成的变包含角单色器，步进电机分别控制平面镜正弦推杆和光栅正弦推杆带动平面镜PM和光栅VSPG转动，利用光栅尺对推杆位置进行读数； 其中，平面镜PM和平面镜正弦推杆、光栅VSPG和光栅正弦推杆都满足正弦关系；如图2所示，为变包含角单色器中光栅及光栅正弦推杆的关系示意图，其中，光栅打平位置为X0，光栅正弦推杆长度为TX，α为入射角，β为衍射角，γ为光栅打平时法线方向和出射光线方向的夹角，2Θ＝α-β为光栅包含角； 则光栅与光栅正弦推杆的关系式为x＝X0-TX sin(γ+β)； 类似的，平面镜与光栅正弦推杆的关系式为y＝Y0+TY sin(Θ-γ)，其中，平面镜打平位置为Y0，平面镜正弦推杆长度为TY； 本领域技术人员可以了解，机械加工和安装定位并不能够完全保证成品与设计完全吻合；比如，设计光栅正弦推杆长度TX和平面镜正弦推杆长度TY分别为500mm时，从机械角度而言，必须容忍其存在2mm的误差，即ΔTX≤2mm，ΔTY≤2mm； 现有技术中对于变包含角单色器的标定都是从设计参数出发，离线标定或者局部标定，必然导致标定不准确的问题，本发明正是从这一思路着手，首先反向测定变包含角单色器参数，在进行光谱标定。
如图3所示，示出了本发明提供的变包含角单色器的光谱标定方法一实施例的流程图。
首先，本发明在入光狭缝S1前设置X光源，在出光狭缝S2后设置一电离室，以利用电离室检测X光源通过变包含角单色器的光子能量；其中，电离室沿变包含角单色器出光方向设置在该出光狭缝S2的外侧，且电离室摆放方向与衍射方向(即光栅中心和出光狭缝缝连线方向)一致；理论上讲，电离室与出光狭缝S2的距离越近越好，但一般情况下，将电离室设置在能够全部吸收到变包含角单色器光线的位置即可满足要求(比如，将电离室设置在出光狭缝S2外侧1m之内，即可满足本发明技术方案的要求)； 具体的，该电离室可以采用自制流气式电离室，如图4所示 该电离室腔体内包括一个用于加偏压的偏压电极筒、两个收集极B和C、两个保护极A和D；其中，保护极直接接地以均匀收集极边缘电场，收集极经电流表后接地； 上述电流表一般才用弱电流计实现对于收集极的电流信号的测量，比如采用6517 Keithley型电流计最低可测量0.1pA的弱电流信号，且偏差小于3％，±1σ；这样，能够较为精确的检测到通过变包含角单色器的、正比于入射光子能量的电流； 进一步的，变包含角单色器的入射床可以采用氮化硅窗，即传统的薄膜窗；但由于变包含角单色器工作的光子能量范围较低(40eV-1540eV)，为避免电离室入射窗材料对该能区光子的强烈吸收，本发明中的自制流气式电离室可以采用无窗工作模式；比如，可以使用玻璃毛细管阵列替代氮化硅窗，在实现真空差分的同时增加光强的透过比，以及能够减少因薄膜窗材料的吸收对测量精度造成的影响；作为一个具体的实施例，使用的毛细玻璃管阵列的单管直径为140μm，光阑开口为Φ＝1.5mm，共有97根，长度取5mm，这种情况下，毛细玻璃管的理论透过比为60％，差分能力约为氮化硅窗的15000倍； 此外，流气式电离室必须填充工作气体，根据工作气体对于X光的吸收实现检测，这就要求进行工作气体的压强控制和流量控制；作为一具体的实施例，工作气体的压强控制可以选用工作范围为0.2Pa-200Pa、精度千分之五的薄膜真空计，工作气体的进气流量控制可以选择D08-2A/Z004D型质量流量控制器； 这样，根据薄膜真空计和质量流量控制器的检测结果，调节位于电离室前端的进气口，以及结合调节电离室后端连接分子泵机组的排气阀角阀，达到控制电离室内气体的压强，使其保持动态稳定的目的；较佳的，为了保证测量的高精确度和束线的真空度，气体压强优选在2Pa-150Pa范围内； 可以看出，当电离室中填充某工作气体后，就能够通过电流表采集到变包含角单色器出射的X光线通过电离室后产生的特征吸收谱，从而实现对于变包含角单色器参数的反向标定，具体如下 步骤S10选择一种电离室的工作气体，比如氩气Ar；当然，也可以选择其他的工作气体，比如氮气N2、氖气Ne或者氪气Kr，等等； 步骤S11选择所述变包含角单色器的一个包含角并固定(即先固定平面镜在一个位置y并保持不动)，转动光栅(即改变x)直至所述电离室采集到该工作气体的指定吸收谱线；记录相应吸收谱线下所述变包含角单色器的光栅位置x以及所述变包含角单色器对应当前包含角的平面镜位置y； 举例来说，固定y为-7mm，由于机械精度和光栅尺精度问题，实际测得y为-6.9995mm，以光栅尺的实际测得量为准； 转光栅扫Ar吸收谱，即改变x读相应的电离室电流信号，我们可以得到很多组相互对应的电流值与x； 以电流值I(A)为纵坐标，以x为横坐标，绘制Ar的吸收谱，如图5所示； 从图5中的谱形，我们可以判断为左侧为-1级谱线，右侧为+1级谱线，中间峰值为零级光； 这些峰值对应的光栅正弦推杆位置x分别为(单位mm)右侧+1级9.9875；左侧-1级-14.1996；0级-2.0933； 上述数据对应于氩气Ar的能点244.39ev，以及，对应于先前固定的平面镜正弦推杆位置y＝-6.9995，得到如下一组数据 Energy 平面镜y+1级x 0级x -1级x 244.39ev-6.99959.9875-2.0933 -14.1996 上面的操作完成了利用电离室进行的变包含角单色器数据的一次采集，接下来，执行步骤S12改变所述变包含角单色器的包含角，重复执行上述步骤S11，即转动平面镜到另一个包含角处重新采集吸收谱线；从而，能够得到多组能点、平面镜正弦推杆位置以及各级谱线的光栅正弦推杆位置的对应关系数据； 较佳的，在得到某一工作气体的多组对应关系数据后，为了提高精度，还可以优选包括步骤S13选择另外一种或多种工作气体，重新执行步骤S11～S12进行数据采集，比如氮气N2、氖气Ne或者氪气Kr，等等； 可以看出，步骤S12是对步骤S11在不同包含角下的重复执行，步骤S13是对步骤S11～S12在不同工作气体状态下的重复执行；虽然更多次的重复虽然能够提高最终的拟合精度，但却会耗费更多的时间和人力成本，因此具体选择多少种工作气体，以及选择多少个包含角进行重复执行，可以根据实际情况加以设置。
通过上述步骤S11～步骤S13，标定者能够根据电离室的扫光栅获得一系列的数据，接下来通过对这些数据的处理，完成变包含角单色器的反向测定，具体如下 步骤S21根据光栅和光栅正弦推杆的关系式x＝X0-TX sin(γ+β)，线性拟合光栅打平位置X0和光栅正弦推杆长度TX，根据平面镜和平面镜正弦推杆的关系式y＝Y0+TYsin(Θ-γ)，线性拟合平面镜打平位置Y0和平面镜正弦推杆长度TY，完成变包含角单色器参数的反向测定； 1、首先线性拟合光栅打平位置X0和光栅正弦推杆长度TX，包括以下步骤 ①处理获得的数据得到x与衍射角β的对应关系 具体来说，安装设计可以保证γ≈86°，|Δγ|≤0.02°，80°＜Θ＜89°，79°＜α＜90°，79°＜-β＜90°； 光栅的包含角为2Θ＝α-β，光栅方程d(sinα+sinβ)＝mλ，二者联立，得到2dcosΘsin(Θ+β)＝mλ；则该包含角下光栅的+1级，-1级谱线分别为 +1级谱线2dcosΘsin(Θ+β+1)＝λ； (1) 0级谱线-β0＝Θ； (2) -1级谱线2dcosΘsin(Θ+β-1)＝-λ；(3) 根据光栅与光栅正弦推杆的关系式x＝X0-TX sin(γ+β)，当转动光栅时，根据已知参数范围，0.9925＜cos(γ+β)＜1，数值稳定且变化较小，暂取 联立(1)、(2)和(4)，得到 联立(2)、(4)和(5)，得到其中波长λ是跟据能量换算出来的，其换算公式为
类似的，联立(2)、(3)和(4)，能够得到-1级谱线下的Θ值，进而得到β-1； 可以看出，经过上述处理后，得到了不同光栅位置下的β值； ②绘制x与sin(γ+β)的线性关系图，得到的斜率为TX，得到的偏差值为X0； 作为一个具体实施例，如图6所示，为一个光栅数据线性拟合示意图，在取值γ＝86°的情况下，得到斜率502.26即为TX，得到偏差值-9.4465即为X0； ③为了获得更加精确的数值，较佳的实施例还包括以线性拟合获得的TX对衍射角β进行修正后重新进行拟合，直至TX和X0的均方差小于预设的阈值；包括 联立和(5)，得到 进而，用β+1和拟合得到的TX对上面的Θ，β+1作修正，得到修正后的
重新进行拟合x＝X0-TX sin(γ+β)得到
循环上叙步骤，直至均方差值|ΔTX|，|ΔX0|最小；在本实施例中，最终拟合得到TX＝502.09，X0＝-9.43 04，均方差|ΔTX|≤0.014，|ΔX0|≤0.017； 2、其次，线性拟合平面镜打平位置Y0和平面镜正弦推杆长度TY，包括以下步骤 ①处理获得的数据得到y与包含角Θ的对应关系 在对x的拟合过程中，获得了Θ值；当改变包含角即改变平面镜位置，扫该气体的吸收谱线，或大范围内扫Kr(91.2eV)，Ar(244.4eV)，N2(400.8eV)，Ne(868eV)气体的特征吸收谱线，得到多组(Θ，y)； ②绘制y与sin(Θ-γ)的线性关系图，得到的斜率为TY，得到的偏差值为Y0； 作为一个具体实施例，最终拟合得到TY＝-501.257，Y0＝-14.3171，且误差|ΔTY|≤0.012，|ΔY0|≤0.015； 本领域技术人员可以理解，经过上述测量和计算所获得的是在线变包含角单色器的实际物理参数；基于上述物理参数，可以很容易的实现光谱标定，如步骤S22对于波长为λ的单色光，根据变线聚光栅聚焦方程和反向测定结果，计算实际的光栅位置x和平面镜位置y，完成对所述变包含角单色器中波长为λ的单色光光谱的标定； 具体的，当需要波长λ的单色光时，由变线聚光栅聚焦方程 sinα+sinβ＝n10mλ 解得α＝arc sin(ρ)，β＝arcsin(n10λ-ρ)， 其中 将TX，X0，Y0，TY，α，β代入光栅和光栅正弦推杆的关系式x＝X0-TX sin(γ+β)、平面镜和平面镜正弦推杆的关系式y＝Y0+TY sin(Θ-γ)，得到在该变包含角单色器实际物理参数条件下的x，y，将正弦杆走到相应位置，就能得到相应的单色光。
可以看出，本发明提供的变包含角单色器的光谱标定方法是从变包含角单色器的实际参数出发，直接进行光谱在线标定；即区别于现有技术中的离线标定，也区别于现有技术中仅针对调谐角度进行标定，其标定准确且简单易行，在实验中实际定位精度优于0.05ev。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种变包含角单色器的光谱标定方法，适用于由入光狭缝、球面镜、平面镜、变线距光栅以及出光狭缝构成的变包含角单色器；其特征在于，在所述出光狭缝后设置一电离室以采集该电离室中工作气体的特征吸收谱；
在选择一种所述电离室的工作气体后执行以下步骤
步骤S11固定所述变包含角单色器的包含角，转动光栅直至所述电离室采集到该工作气体的指定吸收谱线，记录相应吸收谱线下所述变包含角单色器的光栅位置x以及所述变包含角单色器对应当前包含角的平面镜位置y；
步骤S12改变所述变包含角单色器的包含角，重复执行上述步骤S11；
对于上述步骤获得的数据，执行以下步骤
步骤S21根据光栅和光栅正弦推杆的关系式x＝X0-TX sin(γ+β)，线性拟合光栅打平位置X0和光栅正弦推杆长度TX，根据平面镜和平面镜正弦推杆的关系式y＝Y0+TY sin(Θ-γ)，线性拟合平面镜打平位置Y0和平面镜正弦推杆长度TY，完成变包含角单色器参数的反向测定；其中，β为衍射角，γ为光栅打平时法线方向和出射光线方向的夹角，2Θ为光栅包含角；
步骤S22对于波长为λ的单色光，根据变线聚光栅聚焦方程和反向测定结果，计算实际的光栅位置x和平面镜位置y，完成对所述变包含角单色器中波长为λ的单色光光谱的标定。
2.根据权利要求1所述的变包含角单色器的光谱标定方法，其特征在于，所述电离室为流气式电离室，腔体内包括加偏压的偏压电极筒、收集极以及用于均匀收集极边缘电场的保护极；所述收集极通过电流表接地，用于测量正比于入射光子能量的电流。
3.根据权利要求2所述的变包含角单色器的光谱标定方法，其特征在于，所述电离室的入射窗采用玻璃毛细管阵列或者氮化硅窗制成。
4.根据权利要求1所述的变包含角单色器的光谱标定方法，其特征在于，所述指定吸收谱线包括+1级谱线、0级谱线及-1级谱线。
5.根据权利要求1所述的变包含角单色器的光谱标定方法，其特征在于，所述步骤S12之后还包括选择另外一种或多种工作气体，重新执行步骤S11～S12进行数据采集。
6.根据权利要求1或5所述的变包含角单色器的光谱标定方法，其特征在于，所述工作气体包括氩气Ar、氮气N2、氪气Kr和氖气Ne。
7.根据权利要求1所述的变包含角单色器的光谱标定方法，其特征在于，所述步骤S21中线性拟合光栅打平位置X0和光栅正弦推杆长度TX的步骤包括处理获得的数据得到x与衍射角β的对应关系，绘制x与sin(γ+β)的线性关系图，得到的斜率为TX，得到的偏差值为X0。
8.根据权利要求7所述的变包含角单色器的光谱标定方法，其特征在于，所述步骤S21中线性拟合光栅打平位置X0和光栅正弦推杆长度TX的步骤还包括以线性拟合获得的TX对衍射角β进行修正后重新进行拟合，直至TX和X0的均方差小于预设的阈值。
9.根据权利要求1所述的变包含角单色器的光谱标定方法，其特征在于，所述步骤S21中线性拟合平面镜打平位置X0和平面镜正弦推杆长度TY的步骤包括处理获得的数据得到y与包含角Θ的对应关系，绘制y与sin(Θ-γ)的线性关系图，得到的斜率为TY，得到的偏差值为Y0。
全文摘要
本发明公开了一种变包含角单色器的光谱标定方法，在所述出光狭缝后设置一电离室以采集该电离室中工作气体的特征吸收谱；固定所述变包含角单色器的包含角，转动光栅直至所述电离室采集到该工作气体的指定吸收谱线，记录相应吸收谱线下所述变包含角单色器的光栅位置x以及所述变包含角单色器对应当前包含角的平面镜位置y；改变所述变包含角单色器的包含角，重复执行上述步骤并线性拟合获得数据，完成变包含角单色器参数的反向测定；对于波长为λ的单色光，根据变线聚光栅聚焦方程和反向测定结果，计算实际的光栅位置x和平面镜位置y。本发明能够实现变包含角单色器光谱的在线整体标定，且标定准确，简单易行。
文档编号G01J3/28GK101750145SQ20091024121
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月2日 优先权日2009年12月2日
发明者唐坤, 赵屹东, 郑雷, 马陈燕, 韩勇, 郭志英, 鞠在强 申请人:中国科学院高能物理研究所