专利名称：大面积透射光栅软x射线光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种透射光栅光谱仪，特别是一种高分辨率大面积透射光栅软X射线光谱仪，该谱仪主要适用于软X射线波段内激光等离子体的发射特性的测量。
软X射线透射光栅光谱仪使用灵活，调整简便，在基础物理研究和诊断中具有一定的优势，被广泛用于各类X光源的测量，这从德国马普量子光学所和日本大阪大学等单位的实验中可以看到(参阅已有技术[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)。在激光等离子体辐射温度的诊断和X射线辐射输运特性的研究方面，软X射线透射光栅作为色散元件，与空间成像和时间分辨的探测接收器连接，构成十分重要的测量仪器，可以非常方便地从发射光谱中获得关于等离子体的诸多信息，如电子温度和密度、膨胀速度、电离态等等。
要完成上述谱线分析，要求透射光栅光谱仪应当不但能以较高的光谱分辨，而且同时能以较高的接收效率进行准确的测量(已有技术[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)。尤其是对太瓦级、飞秒脉冲的超强超短钛宝石(Ti:sappire)激光器(已有技术[3]徐至展，Lus.Vigroux,Fredocric，周建平，张正泉，《输出2TW/45fs的掺钛蓝宝石超短脉冲强激光系统.》中国科学，1997,A272:640-645)这一高功率低能量激光系统与物质相互作用的实验研究中，现有的1000g/mm针孔透射光栅软X射线光谱仪不能完全满足上述要求。实验和理论分析都表明，有两个主要因素限制了上述已有技术参与细致的X-射线发射谱的测量。其一，用作色散元件为1000g/mm针孔透射光栅结构，它的栅线密度较低，致使谱仪的光谱分辨较低(通常为0.2-0.4nm)。其二，用作光栅前的成象元件不适合、光谱仪的收集效率和衍射效率较低，接收面上的X射线强度也较低；所以往往需要很多次的打靶曝光，才能在接收面上积累足够的X射线能量。其三，置于作为外壳的外套筒内壁上的导轨，容易滑动，调整不方便。
本发明的目的是提供一种高分辨率、结构紧凑的大面积透射光栅软X射线光谱仪，以克服上述已有技术的光谱分辨较低、收集效率及衍射效率较低等不足，增大光谱仪对激光等离子体软X射线的收集立体角，提高光谱仪的接收效率，并实现对X射线点源成无象散的点象；提高光谱仪的光谱分辨率；提高测量数据的准确性；总之将大大提高光谱仪的工作效率。
本发明光谱仪的结构包括机械构件和光学元件两大部分其中机械构件包括头部1，支撑板2、加强筋3、导轨4、外套筒5以及置于导轨4上的调整架9、10，如图1、2所示。光学元件包括沿着由软X射线源11发射的软X射线束S前进的方向上，依次置有光阑13，置于调整架9上的反射镜6，置于调整架10上的光栅7，接收器件8以及与接收器件8的输出相联的显示器件12，如图3所示。
头部1由前端是接口法兰101、后端是衔接法兰103的衔接管102构成；头部1后端的外套筒5由前端有前衔接法兰501、中间是筒体502及后端有后衔接法兰503三部分构成。头部1的接口法兰101与真空靶室窗口14相联；头部1的衔接法兰103与外套筒5的前衔接法兰501压合以保持真空密封是真空密接；为了入射的光束与反射镜6的掠反射成象相匹配，机械构件中头部1的中心轴线O1O1与外套筒5的中心轴线O2O2之间有一夹角α，并且夹角∠α≤10°，如图2所示。在外套筒5内固定于头部1的衔接法兰103上的支撑板2上，装有斜拉加强筋3，导轨4即安装在加强筋3上为悬挂式的。导轨4上置有反射镜6的调整架9和置有光栅7的调整架10，接收器件8则固定在外套筒5的后衔接法兰503上。
反射镜6是本发明光谱仪的核心元件，它收集入射光谱仪内的X射线并将其成象到接收器件8上。本发明选用轮胎镜(又称为超环面镜)用作成象系统的反射镜6，它能以较大的空间收集立体角，实现对软X射线源11的无象散成象，提高摄谱数据的信噪比和准确性，所以又称其为X光反射镜。本发明适合的轮胎镜的子午面的曲率半径范围为4000～7000mm，宽度为40～75mm，弧矢面曲率半径为15～35mm，宽度为25～35mm。置反射镜6的调整架9是五维调整架，有三个方向的平动、两个方向的转动共计五个自由度的调节方向。
本发明中作为色散元件的光栅7采用无支撑大面积透射光栅，光栅的线对数范围是1000～5000g/mm。由于透射光栅的光谱分辨率与光栅的线对数成正比，所以在拍摄短波长光谱区时，较之已有技术的1000g/mm透射光栅，可获得更大的线色散和更高的光谱分辨率。为与轮胎镜的反射镜6的大收集立体角相匹配，光栅外形尺寸应大于象面的尺寸(本发明实施例中大于3×5mm)为佳，光栅尽量靠近轮胎镜以在象面上获得较高的光谱分辨和较好的线色散。置光栅7的调整架10有三个方向的平动、两个方向的转动共计五个自由度的调节方向的五维空间调整架。
本发明的接收器件8是软X光胶片或干板、或是远紫外(XUV)光电二极管或电子倍增器、或是软X光CCD相机、或是微通道板(MCP)或是软X光条纹相机。
本发明的导轨4是固定于加强筋3上的悬挂式结构，如图1所示。光阑14是矩形光阑。
本发明的优点为1．本发明各机械构件和光学元件均采用全固定连接和定位。悬挂式导轨4使导轨与光谱仪外套筒5不接触，较之已有技术中导轨直接放置在外套筒的内壁上，本发明悬挂式结构不但方便了光谱仪的调节，还可保证在工作过程中，已调节完毕的各光学元件不会因导轨在外套筒内壁的滑动而改变原有位置。光谱仪调节完成后，再将外套筒固定在头部衔接法兰上。上述全固定连接和悬挂式导轨结构等特点，不但能方便光谱仪的调节，提高工作效率，而且能增加光谱仪摄谱性能的稳定性，减小测量数据的误差。
2．本发明采用轮胎镜作前置集光/成象系统的反射镜6，较之已有技术中针孔透射光栅结构，本发明光谱仪的收集立体角提高了四个量级，因而大大提高了光谱仪的收集效率。轮胎镜与矩形光阑13相配合，可实现对软X射线源的点对点无象散成象，提高摄谱数据的准确性。轮胎镜的使用也较充分地利用了光栅的面积大这一优点。实施证明，即使对于20mJ的低能量飞秒激光脉冲的单枪打靶，本发明也能摄得到谱线。同样条件下，已有技术的1000g/mm针孔透射光栅光谱仪没有测到结果。可见，本发明尤其适合于参与超短飞秒强激光脉冲产生的等离子体的测量。
3．本发明采用5000g/mm的无支撑大面积透射光栅作色散元件，较之已有技术1000g/mm针孔透射光栅谱仪，在拍摄短波长光谱区时，可获得更大的线色散和更高的光谱分辨率。理论和实验都证明，该谱仪的光谱分辨率可达0.05nm。
4．轮胎镜和大面积透射光栅的综合使用，使得本发明光谱仪有平的成象面，这尤其有利于与分辨率较高的电子型探测器件，如软X射线CCD相机或软X射线条纹相机相耦合。
5．本发明光谱仪能够采用减薄型背向照明软X光CCD相机作为接收器件8，它有性能稳定，使用方便，响应灵敏度高等优点，最大可探测波长可以延伸到50nm，为使用带来了极大的灵活性，避免了已有技术中使用软X光胶片的显影、定影等烦琐步骤，以及由显影、定影的不同时间造成的测量数据误差，还可进行软X射线源发射特性的绝对标定。
图1．本发明光谱仪机械构件的立体分解示意图。
图2．本发明光谱仪机械构件的俯视分解示意图。
图3．本发明光谱仪光学元件的光路示意图。
图4．实施例中采用KODARK T-PAN干板作接收器件8，拍摄到的铝平面靶作为软X射线源11在0.6～15nm内的发射光谱。
图5．实施例中采用减薄型背向照明软X光CCD相机作为本发明的接收器件8，拍摄到的铝平面靶作为软X射线源11在0.6～12nm内的发射光谱。
实施例如图3所示，软X射线源11由激光束G辐照固体平面铝靶面获得。软X射线束S经反射镜6反射成象，并经光栅7衍射后，衍射光谱由接收器件8接收。图3中接收器件8采用的是软X光CCD相机，由微型计算机作为显示器件12进行数据处理。
本实施例采用的轮胎镜作为反射镜6，在子午面和弧矢面内的宽度分别为55mm和30mm，曲率半径分别为5565mm和24.43mm。子午面和弧矢面分别对软X射线源11成象，选择轮胎镜对X射线的掠入射角为86.2°以使子午面和弧矢面成象重合。在轮胎镜近软X射线源11一端垂直于光轴加一个3×5mm的矩形光阑13以挡掉轮胎镜像点尾部的杂光，改善像质，并挡掉未经轮胎镜反射成象的杂散光，因此收集立体角为7.45×10-5球面度。该值是同样布局下的已有技术针孔透射光栅(直径50μm)收集立体角的104倍。由于光谱仪的收集效率与收集立体角成正比，可见与已有技术针孔透射光栅光谱仪相比，本发明极大地提高了收集效率。
本实施例中轮胎镜反射面镀金，金对波长为1.456nm的X射线的折射率为0.99759，对应的全反射角为86.0214°，因此该谱仪的截止波长为1.4nm。测量中x光对轮胎镜表面的入射角往往大于该值，所以保证了波长大于1.4nm的x光都可被全反射而成象。但在测量中发现，更短波长谱线(0.5nm)在经轮胎镜有衰减地反射后，仍可被观测到，这从另一个侧面表明了本发明光谱仪的高效率。
本实施例中采用5000g/mm的无支撑大面积透射光栅作色散元件光栅7。光栅7外形尺寸为4×10.1mm，光栅7尽量靠近轮胎镜以在象面上获得较大的线色散和光谱分辨率。光栅7置在软X光CCD相机敏感面前250mm处。接收面上线色散为0.8nm/mm；光栅被X光照亮的面积为3×5mm。因此轮胎镜的使用也较充分地利用了光栅7的接收面积大的一优点。本实施例中，头部1的中心轴线O1O1与外套筒5的中心轴线O2O2之间的夹角∠α≌10°。
当采用柯达KODARK T-PAN干板作接收器件8时，在能量20mJ的掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器的二倍频激光束G(波长0.532μm，脉宽6ns)辐照下铝平面靶，光谱仪拍摄到的铝平面靶面的软X射线源11在0.6～15nm内的光谱发射如图4所示。图中显示光谱有很好的对称性和很高的信噪比。仔细分析数据发现本发明光谱仪的光谱分辨率达到0.05nm。
当采用减薄型背向照明软X光CCD相机作接收元件8，探测软X光发射的时间积分行为，由于该CCD相机性能稳定，使用方便，响应灵敏度高，可为使用带来极大的灵活性。该CCD相机是1024×1024二维接收器件，每个象素大小为20×20μm，使用中光谱的零级总是调节到2×2cm的CCD相机敏感面的中央部位以得到左右对称的光谱记录，因此最大可探测波长约为10nm。进而将敏感面沿色散方向平移，最大可探测波长可以延伸到50nm。软X光CCD相机获得的数据由作为显示器件12的微型计算机进行处理并得出结果。在能量25mJ的超强超短掺钛蓝宝石激光束G(波长0.785μm，脉宽45fs)辐照的铝靶面下，光谱仪拍摄到的铝靶面在0.6～12nm内的光谱发射如图5所示。数据分析证明，软X光CCD相机较之已有技术使用软X射线干板有更高的灵敏度，能记录到更多的光谱线；同时也发现本发明光谱仪的光谱分辨率≤0.05nm。从而证明了本发明能够使用软X射线CCD相机作为接收器件8，使光谱仪的分辨率和工作效率大有提高。
权利要求
1．一种大面积透射光栅软X射线光谱仪，包括机械构件和光学元件两大部分，机械构件包括头部(1)、导轨(4)、作为外壳的外套筒(5)和调整架(9)、(10)，光学元件包括反射镜(6)、光阑(13)、光栅(7)、接收器件(8)和显示器件(12)，其特征在于具体结构是<1>机械构件的头部(1)是由一衔接管(102)，前端带有与真空靶室窗口(14)真空密接的接口法兰(101)和后端带有衔接法兰(103)所构成；<2>上述头部(1)的衔接法兰(103)上固定有带斜拉加强筋(3)的支撑板(2)，加强筋(3)上装有悬挂式的导轨(4)，导轨(4)上置有五维调整的调整架(9)、(10)；<3>头部(1)后端是外套筒(5)，外套筒(5)是由筒体(502)，前端带有与头部(1)衔接法兰(103)密接的前衔接法兰(501)和后端是装有接收器件(8)的后衔接法兰(503)所构成；<4>光学元件包括沿着由软X射线源(11)发射的软X射线束S前进方向上，依次置有矩形光阑(13)，置于调整架(9)上作为反射镜(6)的轮胎镜，置于调整架(10)上的无支撑大面积透射光栅(7)，接收器件(8)和与其输出相联的显示器件(12)。
2．根据权利要求1的软X射线光谱仪，其特征在于光栅(7)的线对数的范围是1000～5000g/mm。
3．根据权利要求1的软X射线光谱仪，其特征在于作为反射镜(6)的轮胎镜在子午面的曲率半径范围为4000～7000mm，宽度为40～75mm，弧矢面曲率半径为15～35mm，宽度为25～35mm。
4．根据权利要求1的软X射线光谱仪，其特征在于头部(1)的中心轴线O1O1与外套筒(5)的中心轴线O2O2之间有一夹角∠α。
5．根据权利要求1或4的软X射线光谱仪，其特征在于头部(1)的中心轴线O1O1与外套筒(5)的中心轴线O2O2之间的夹角∠α≤10°。
全文摘要
一种大面积透射光栅软X射线光谱仪,包括机械构件和光学元件两大部分。机械构件包括头部衔接管的接口法兰与真空靶室窗口密接,衔接管的衔接法兰与外套筒的前衔接法兰衔接,外套筒内固定于头部衔接法兰上有装有悬挂式导轨的斜拉加强筋的支撑板。光学元件包括沿着软X射线束S前进方向上,依次有矩形光阑,分别置于导轨上五维调整架上作为反射镜的轮胎镜和无支撑大面积透射光栅。它具有结构简单、调节方便、分辨率高、光谱分辨率可达0.05nm的优点。
文档编号G01J3/12GK1214451SQ9812201
公开日1999年4月21日 申请日期1998年11月19日 优先权日1998年11月19日
发明者邓建, 张正泉, 徐至展, 钟方川, 覃岭 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所