专利名称：高分辨x射线椭圆弯晶谱仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及弯晶谱仪，特别是一种高分辨X射线椭圆弯晶谱仪。
背景技术：
在惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,简称ICF)领域等实验研究中还存在许多争论尚待解决，有些正是由于谱仪的分辨率达不到所致。另外，谱仪的分辨率也是谱仪研制追求的重要指标。 激光转换X射线的物理过程包括激光吸收、电子传热、非平衡辐射流体力学和原子动力学等过程问题，现象非常复杂。等离子体辐射的X射线线谱及辐射连续谱中包含有大量等离子体状态信息，因为这些辐射X射线强度及谱线轮廓完全由等离子体的电子温度、电子密度、离子温度、离子密度和各种离子的丰度决定。因此诊断激光等离子体发射的X射线能谱，在激光与物质相互作用、X射线激光、ICF和激光等离子体X射线光源等实验研究中起着非常重要的作用。因此，X射线晶体谱仪正是在这样的背景下发展起来的，并已在X射线激光和ICF领域等实验研究中，为获得更高精度的数据、观察到理论所预言的现象，以及发现新现象新规律的过程中发挥了非常重要的作用。晶体谱仪按结构类型可分为平面晶体谱仪、凸面晶体谱仪和凹面弯曲晶体谱仪等类型。凹面弯曲晶体谱仪包含Johann型晶体谱仪、Johansso型晶体谱仪、VonHamos型晶体谱仪、球面晶体谱仪、超球面晶体谱仪、对数螺线晶体谱仪，还有椭圆弯晶谱仪等。比较各种X射线晶体谱仪的测谱方法可以发现，利用椭圆弯晶分光进行光谱测量是其中综合指标最好的技术，且椭圆弯晶制作工艺和价格目前非常适宜，因而被公认为最具前景又可行的方法之一。椭圆弯晶也是当今唯一可以实现大谱窗、高分辨能力、有好的集光效率、长的工作距离以及使用方便等集于一身的能谱仪，利用椭圆几何光学原理的特殊性抑制或屏蔽实验中大量杂散光对有用信息的影响，使获取高对比度高能谱分辨能力的X射线谱图成为可能。为此，国内外高校、科研院所对椭圆弯曲晶体谱仪及其应用研究特别感兴趣，并开展了大量的研究工作。在国内，这方面最具代表性的工作是重庆大学光电工程学院肖沙里小组在国家863高技术项目的资助下，利用椭圆几何光学从一个焦点发出的光线经椭圆凹面反射必汇聚于另一焦点的性质，结合布拉格(Bragg)衍射定律2dsin θ =ηλ ,其中d是晶体的晶面间隔；Θ是Bragg衍射角；n是衍射级次；λ为入射光波长。重庆大学光电工程学院研制的X射线椭圆弯晶谱仪，椭圆的离心率和焦距分别为O. 9586和1350mm，其结构简易图如图I所示。图中0Α、0Β为X射线椭圆弯晶谱仪的椭圆弯晶02的两个焦点，带调整平台的椭圆弯晶02，探测器04。工作原理光源放在OA点位置，光源发出的光辐照在椭圆弯晶02上，经椭圆弯晶02的衍射或反射后的光色散在探测器04诊断面上，实现光谱分辨测量。利用X射线椭圆弯晶谱仪，采用X射线胶片或X射线CCD或X射线条纹相机相继作为探测器，在“星光II”和“神光II”激光装置上对激光等离子体辐射X射线能谱进行了测量考核，并证实其是否达到预期效果。但从有关用X射线椭圆型弯曲晶体谱仪测量光谱的实验数据来看，实验结果并不十分理想，谱分辨能力(λ/Λ λ)仅有486(参见参考文献肖沙里，唐跃林，熊先才，钟先信，高洁，杨国洪.X射线椭圆弯晶谱仪实验研究[J].光学精密工程，2004，12(4) :415-419)，与平面晶体谱仪比较，实测谱分辨率和信噪比并没有真正的提高，且与理论值相差甚远。究其原因，除工艺外，可能有在高温等离子体中，由于异常的高温、高压和极其复杂的电磁场产生各种复杂的磁流体运动过程，并产生各种形式的辐射，既有自由-自由过程和自由-束缚过程的辐射的连续谱，又有束缚-束缚跃迁过程辐射的特征线谱，能谱丰富，能谱范围一般是从几十eV到几keV，甚至十几keV的大范围，仅采用滤片很难以取得非常令人满意的结果，主要是高能X辐射可能会模糊甚至掩盖所需的真实图像，对诊断系统产生不利的背景辐射。另外，影响能谱分辨本领的主要因素还有布拉格角和色散角。对应于一定的色散角，布拉格角越大，分辨本领越高；对于一定的布拉格角，色散角越小分辨本领就越高。由于实验条件的限制，布拉格角的提高是有限的，所以为了提高分辨本领，就要尽可能地降低色散角。但色散角与很多因素有关。除有谱仪外在的因素所引起的谱线展宽(例如自然展宽、多普勒展宽、场致展宽、碰撞展宽等)，还有晶体谱仪内在的因素所引起的谱线展宽(如由于晶体的衍射特性和分光晶体结构本身，以及晶体加工制作造成的缺陷引起的展宽、晶体的晶格常数随着温度的变化引起的展宽、探测器的空间分辨本领引起的展宽、还有晶体和光源空间尺寸引起的几何像差所引起的展宽等)对实测能谱分辨能力的影响。基于X射线椭圆弯晶在实际应用中还不能够充分突显出自身的优势和 潜能，存在能谱分辨能力不高和信噪比不理想等现实问题。解决上述问题是十分必要的。
发明内容本实用新型的目的在于克服上述现有的X射线椭圆弯晶谱仪的技术不足，提出一种高分辨X射线椭圆弯晶谱仪，该弯晶谱仪应具有更高实测光谱分辨率，信噪比更好的谱图。本实用新型的技术解决方案如下一种高分辨X射线椭圆弯晶谱仪，包括椭圆弯晶和探测器，其特征是所述的椭圆弯晶的两个焦点按光束前进方向称为前焦点和后焦点，在所述的前焦点设置辐射光源，在所述的后焦点设置滤片狭缝组件，且后焦点位于该滤片狭缝组件的狭缝中，在辐射光源发出的光路上设置掠入射镜装置。所述的滤片狭缝组件的构成是将滤片框和长条狭缝重叠并固定在组合框上。所述的掠入射镜装置由平面镜和挡光板构成，该挡光板的一边与所述的掠入射镜平面垂直并构成通光窄缝，确保光源发出的光仅限于经所述的平面镜反射的光才能入射到所述的椭圆弯晶上，并形成衍射分光。所述的诊断系统为X射线胶片、成像板(Imaging plate,简称IP)或X射线(XD相机。本实用新型的技术效果如下本实用新型利用光线追迹法对在X射线椭圆弯晶谱仪中，增加掠入射镜、滤片和狭缝组件光学元件进行了建模仿真，对原有的X射线椭圆弯晶谱仪不作任何变更，即可达到有效地提高谱图的信噪比3倍和实测能谱分辨能力达到1000。同时，这些仿真特性在“神光II”激光装置上对高分辨X射线椭圆弯晶谱仪的综合考核中也得到了进一步的体现或证实。
图I是现有X射线椭圆弯晶结构和工作原理简易图图中0Α、0Β分别为椭圆两个焦点；发光源位于OA ；02椭圆弯晶；04探测器。图2是本实用新型高分辨X射线椭圆弯晶谱仪的结构简图。图中A、B分别为椭圆弯晶的前焦点和后焦点；发光源位于A ;1_掠入射镜系统；2-椭圆弯晶；3_滤片和狭缝组件；4_探测器。图3狭缝和滤片组件结构示意图图中31组合框；32可调狭缝，范围0. I IOmm ;33滤片框。图4为本实用新型装置光路上有关节点的光谱示意图图。·图5是IP记录的钛离子谱线原始谱图图6为图5空间积分后的钛离子谱线平均光强度分布图图7是CXD记录的铝离子谱线原始图图8为图7空间积分后的铝离子谱线平均光强度分布图
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的不会范围。先请参阅图2，图2是本实用新型高分辨X射线椭圆弯晶谱仪的结构简图。由图可见，本实用新型高分辨X射线椭圆弯晶谱仪，包括椭圆弯晶2和探测器4，所述的椭圆弯晶2的两个焦点按光束前进方向称为前焦点A和后焦点B，在所述的前焦点A设置辐射光源，在所述的后焦点B设置滤片狭缝组件3，且后焦点B位于该滤片狭缝组件3的狭缝中，在辐射光源发出的光路上设置掠入射镜装置I。本实用新型高分辨X射线椭圆弯晶谱仪的特点其一，是在光源和椭圆弯晶之间增加一个掠入射镜装置，利用掠入射镜的全反射特性截断实验中的高能X射线，所述的掠入射镜装置I由平面镜11和挡光板12构成，该挡光板12的一边与所述的掠入射镜11平面垂直并构成通光窄缝，确保光源发出的光仅限于经所述的平面镜11反射的光才能入射到所述的椭圆弯晶2上并形成衍射分光。其二，是在椭圆弯晶和探测器之间增加一个滤片和狭缝组件，所述的滤片狭缝组件3的构成是将滤片框33和长条狭缝32重叠并固定在组合框31上。详见图图3。利用滤片材料对光的吸收特性，通过合理地选择材料、厚度可以衰减，甚至完全吸收低能段的X射线；利用狭缝限制椭圆弯晶缺陷和光源尺寸对波长判读误差的影响程度，通过合理地选择狭缝宽度，可以使X射线椭圆弯晶实测谱图有足够好的光谱分辨率和信噪比，形成高分辨X射线椭圆弯晶谱仪。工作原理前焦点A的点光源发出的光辐照到平面镜11上经掠入射反射，通过挡光板12有效挡光，只有让已经过平面镜反射过来的光才能够到达椭圆弯晶上进行衍射或反射，再经过滤片和狭缝组件3色散到探测器4上，实现光谱分辨诊断测量。图4为本实用新型装置光路上有关节点的光谱示意图图。用文字表述为如光源发出的光强度分布图(a)所示，经过掠入射镜反射后，光强度分布变为图(b)，从图中发现高能段的X射线被截断；又经过椭圆弯晶，光强度分布变为图(C)，连续光谱或准连续谱变成了线光谱；再经过滤片和狭缝组件后，光强度分布变为图(d)，低能段的X射线被吸收、杂散光被截断，因而使探测器上有很好的清晰谱图像成为可能。下面是本实用新型装置的实施例实验结果实验案例I :激光条件倍频(λ = O. 532 μ m);能量为1200J ;脉宽约2. 24ns,点焦，晶体材料α-石英(2d=4. 52A)，钛靶，滤片为45μπι钛膜，狭缝宽度为5mm，用IP记录。图5IP记录的钛离子谱线原始谱图。图6为钛离子谱线谱图。从图6中可以推出实测能谱分辨能力(E/ΔΕ)为 1105。实验案例2 激光条件倍频(λ = O. 532 μ m)，能量为1000J，脉宽约2. 1ns，焦斑Φ ^ 230 μ m，晶体材料α -石英(1010，2d=8. 52A)，铝靶，滤片为5μπι铝膜，狭缝宽度为5mm，用C⑶接收图像。图7CCD记录的铝离子谱线原始谱图。图8为铝离子谱线谱图。从图8中可以推出实测光谱分辨能力(λ / Λ λ )为982. 6。
权利要求1.一种高分辨X射线椭圆弯晶谱仪，包括椭圆弯晶(2)和探测器(4)，其特征是所述的椭圆弯晶(2)的两个焦点按光束前进方向称为前焦点(A)和后焦点(B)，在所述的前焦点(A)设置辐射光源，在所述的后焦点(B)设置滤片狭缝组件(3)，且后焦点(B)位于该滤片狭缝组件(3 )的狭缝中，在辐射光源发出的光路上设置掠入射镜装置(I)。
2.根据权利要求I所述的高分辨X射线椭圆弯晶谱仪，其特征在于所述的滤片狭缝组件(3)的构成是将滤片框(33)和长条狭缝(32)重叠并固定在组合框(31)上。
3.根据权利要求I所述的高分辨X射线椭圆弯晶谱仪，，其特征在于所述的掠入射镜装置(I)由平面镜(11)和挡光板(12)构成，该挡光板(12)的一边与所述的掠入射镜(11)平面垂直并构成通光窄缝，确保光源发出的光仅限于经所述的平面镜(11)反射的光才能入射到所述的椭圆弯晶(2)上并形成衍射分光。
4.根据权利要求I至3任一项所述的高分辨X射线椭圆弯晶谱仪，其特征在于所述的探测器(4)为X射线胶片、成像板或X射线CXD相机。
专利摘要一种高分辨X射线椭圆弯晶谱仪，包括椭圆弯晶和探测器，其特点是所述的椭圆弯晶的两个焦点按光束前进方向称为前焦点和后焦点，在所述的前焦点设置辐射光源，在所述的后焦点设置滤片狭缝组件，且后焦点位于该滤片狭缝组件的狭缝中，在辐射光源发出的光路上设置掠入射镜装置。本实用新型具有大谱窗、较好的集光效率、长工作距离、易于调试且使用方便外，还具有较高的实测光谱分辨率和信噪比。与现有同类仪器相比，提高谱图的信噪比3倍，光谱分辨率(λ/Δλ)能达到1000。
文档编号G01N23/207GK202522529SQ201120541550
公开日2012年11月7日 申请日期2011年12月21日 优先权日2011年12月21日
发明者熊俊, 王伟, 王瑞荣, 肖沙里, 董佳钦 申请人:上海激光等离子体研究所