专利名称：高效高分辨软x射线透射光栅谱仪的制作方法
技术领域：
本发明为一种具有高集光效率和高光谱分辨的软X射线透射光栅谱仪。
随着短波长光刻技术的发展，近年来出现了刻槽间距为微米或亚微米量级的无支撑透射光栅(如刻槽间距d＝1、0.5、0.2μm的透射光栅)和各种透射光栅谱仪，如针孔透射光栅谱仪，狭缝透射光栅谱仪和带前置反射镜透射光栅谱仪。这些透射光栅谱仪被广泛用于软X射线光谱研究，高温等离子体诊断和软X射线激光研究。[见N.M.Ceglioet a1.，＂Time-resolved x-ray tsanemission grating spectrometer for studying laser-producedplasmas＂，Appl.Opt.22(2)，318-27(1983)；K.Eidmann et a1.，＂Absolute soft x-raymeasurements with a transmission grating spectrometer，＂Laser and Particle Beams，4(3～4)，521-36(1986)；J.L.Bourgade et al.，”SPARTUVIXA time-resolved XUV transmissiongrating spectrograph for x-ray laser research，＂Rev.Sci.Instrum.59(8)，1840-2(1988)]。针孔或狭缝透射光栅谱仪仅仅在光栅前方加一针孔(针孔透射光栅谱仪)，或一狭缝(狭缝透射光栅谱仪)，结构简单，因此对准方便，但谱仪的集光效率受到几十微米量级的针孔或狭缝线度的严重限制。同时这种线度的针孔或狭缝也严重限制了参于衍射的光栅刻线总数N(谱仪的光谱分辨率λ/Δλ～N)，加上源加宽的影响，使谱仪的光谱分辨Δλ很低。对d＝1μm的透射光栅谱仪的光谱分辨Δλ一般在3～5之间。带前置反射镜的透射光栅谱仪，虽然改善了谱仪的集光效率，增加了参于衍射的光栅刻线总数，但由于受到源加宽的影响，谱仪的光谱分辨仍然很低。
本发明的目的是针对现有透射光栅谱仪集光效率低和光谱分辨低的缺陷发明一种增大谱仪的集光立体角和参于衍射的光栅刻线总数，克服源加宽对光谱分辨的影响，具有高集光效率和高光谱分辨的软X射线透射光栅谱仪。
图1为本发明的高效高分辨软X射线透射光栅谱仪结构示意图。高效高分辨软X射线透射光栅谱仪含有由室壁803和两端装有前法兰801和后法兰802所构成的真空室8，在真空室8内置有光具座9，真空室8的前法兰801是空心的，而且与待测光源1相连，待测光源1的光束通过空心的前法兰801进入真空室8内。沿着光路前进的方向，由真空室8的前法兰801至后法兰802依次安置在真空室8内的光具座9上有前置反射镜组件2，置于前置反射镜201焦面上的狭缝组件3，光阑组件4，聚焦反射镜组件5，透射光栅组件6和置于聚焦反射镜(501)与透射光栅(601)共同形成的光谱焦面上的暗盒组件7。
所说的前置反射镜组件2由置于前置反射镜座202上的前置反射镜201，装在真空室8内光具座9上的前置反射镜支架203，及装于前置反射镜支架203上的前置反射镜座202所构成。前置反射镜201为一柱面反射镜，其母线与狭缝301的缝长方向平行，也可用加工精度高费用低的球面反射镜替代；反射表面涂有反射膜，如金膜，或为扩展短波范围，也可涂镍膜。前置反射镜座202能作二维转动调节，前置反射镜支架203能作高低调节和左右平移。
狭缝组件3由缝长方向为水平方向的置于狭缝座302上的狭缝301，固定于光具座9上的狭缝支架303和置于狭缝支架303上的狭缝座302所构成。水平放置的狭缝301为一般谱仪通用狭缝，其宽度可调(0～3mm)，也可用一组宽度不同的固定狭缝替代。狭缝座302能作高低调节，狭缝支架303能作高低调节和左右平移。
光阑组件4包含固定于光具座9上的光阑支架402上的光阑401。光阑401上有一水平矩形开口并能在光阑支架402上作上下移动。光阑支架402能作左右平移。
聚焦反射镜组件5含有固定于光具座9上的聚焦反射镜支架503，固定聚焦反射镜支架503上的聚焦反射镜座502，在聚焦反射镜座502上有聚焦反射镜501。聚焦反射镜501为一柱面反射镜，其母线与狭缝301的缝长方向平行，也可用加工精度高费用低的球面反射镜替代，反射表面涂有反射膜如金膜，或为扩展短波范围，也可涂镍膜。聚焦反射镜座502能作二维转动调节和高低微调，聚焦反射镜支架503能作高低调节和左右平移。
透射光栅组件6由置于透射光栅座602上的透射光栅601，固定于光具座9上的透射光栅支架603和装于透射光栅支架603上的透射光栅座602所构成。起衍射作用的透射光栅601放在聚焦反射镜501的出射端。透射光栅601的刻线与狭缝301缝长方向平行。透射光栅601为大面积的透射光栅，由金制成，无基底，通常刻线周期d为1μm，占孔比为1∶1，也可用其他刻线周期的透射光栅。透射光栅座602能作三维转动微调。透射光栅支架603能作高低调节和左右平移。
暗盒组件7含有置于在光具座9上的暗盒支架704上的带有电动中心快门705的暗盒座703，在暗盒座703上置有暗盒702，在暗盒702内有软X射线探测器701，安放在暗盒702内的软X射线探测器701的表面与由聚焦反射镜501和透射光栅601共同形成的谱仪焦面相互重合。软X射线探测器701是软X射线底片，或者是软X射线光电探测器，如CCD(电荷耦合器件)相机，或带有荧光转换屏的光电二极管列阵(OMA)，或软X射线条纹相机。暗盒702为一般谱仪常用暗盒。暗盒座703能作二维转动微调，暗盒支架704能作高低调节和左右平移。
安放在真空室8内的光具座9上有均匀分布的通孔和螺孔，用来固定上述各组件的支架。真空室8如上所述是由室壁803和两端的前后法兰801和802所构成。前法兰801用来将谱仪连接到待测光源1上，待测光源1的光束通过空心的前法兰801进入真空室8内。移去后法兰，可以取出暗盒702，以便在暗室内装取底片。真空室8可以通过光源室的真空机组排气。
图2为本发明的高效高分辨软X射线透射光栅谱仪的光路示意图。沿待测光源1发射的软X射线前进方向，依次是前置反射镜201，狭缝301，光阑401，聚焦反射镜501，大面积透射光栅601和软X射线探测器701。待测光源1发射的软X射线被前置反射镜201成像(垂直焦线)在水平放置的狭缝301上；透过狭缝301的软X射线经光阑401落在聚焦反射镜501上；聚焦反射镜501将透过狭缝301的软X射线，经大面积透射光栅601衍射，按不同波长聚焦在软X射线探测器701上，至此获得待测光源1发射的软X射线谱。
本发明的高效高分辨软X射线透射光栅谱仪的特点有①具有高集光效率本发明与已有技术中位于前置反射镜位置上的50μm针孔透射光栅谱仪和50μm狭缝透射光栅谱仪相比，对于50mm长的反射镜，当入射角为86°时，本谱仪的接收角增大近70倍，因此谱仪的集光效率得到了很大的提高。
②具有高光谱分辨已有的透射光栅谱仪，由于受到光栅有限线度的限制，获得的光谱都有严重的源加宽；由于受到针孔和狭缝线度的限制，只几十条光栅刻线参于衍射，因此光谱分辨低，一般为3～5。本发明采用受狭缝限制的次级光源和聚焦反射镜形成的垂直焦线，以及大面积透射光栅，使这种带前置光学系统的透射谱仪的光谱分辨Δλ可达到1以下，即Δλ＜1。若用每毫米5000条刻线的高密度光栅取代每毫米1000条刻线的低密度光栅，光谱分辨可进一步提高到0.1以下。
③具有平直光谱焦面本发明谱仪仍有平直的光谱焦面，有利于与平直接收面的光电探测器耦合。
④费用低透射光栅的价格与光栅的刻线密度有关。由于本发明结构合理，对光栅元件的要求不苛刻，可采用刻线密度较低的光栅(每毫米1000条刻线)，因此造价低。用球面反射镜作前置和聚焦反射镜，也会使加工费用下降。
⑤用途广本发明采用由两块柱面(或球面)反射镜201，501组成的带狭缝前置光学系统和大面积透射光栅601构成高效高分辨软X射线透射光栅谱仪，不仅使谱仪的集光效率有很大的提高，而且克服了源加宽对光谱分辨的影响，增加参于衍射的光栅刻线总数，使谱线的光谱分辨有很大的提高。因此本谱仪可以用来探测弱X射线源如功率很高但能量很低的超短脉冲激光产生的等离子体或发射面积很大的X射线广光源的软X射线光谱。
图1为本发明的高效高分辨软X射线透射光栅谱仪的结构示意图。
图2为本发明的高效高分辨软X射线透射光栅谱仪的光路示意图。
实施例①谱仪参数如图1和图2所示的结构，选取各元件的参数是前置反射镜201为曲率半径为3315mm，长55mm的柱面反射镜，前置反射镜201距待测光源1为408mm，距狭缝01为128mm。当入射角为86.63°时，前置反射镜201的柱面反射镜把光源成像在狭缝301上，放大倍数为0.31(缩小像)。狭缝301的宽度为20μm。从聚焦反射镜501向狭缝301方向看，形成了子午面中宽度为20μm的次级光源。聚焦反射镜501为曲率半径为5000mm，长70mm的球面反射镜，聚焦反射镜501距狭缝301为234mm，它将透过狭缝301的次级光源光束，经过1000条/毫米刻线的大面积的透射光栅601，成像在暗盒702内置于光谱焦面上的软X射线探测器701上。大面积透射光栅601和软X射线探测器701表面距球面的聚焦反射镜501分别为44mm和294mm。光束在球面的聚焦反射镜501上的入射角为87.01°大面积透射光栅601宽1.2mm，刻线周期为1μm，其刻线与狭缝301缝长方向平行。软X射线探测器701选用软X射线底片②摄谱实验具有上述结构参数的谱仪在中国科学院上海光学精密机械研究所115高功率钕玻璃激光装置(1.06μm，～5J，200ps)上进行了硅靶激光等离子体光谱实验。用本发明谱仪和SIOFM-5FW软X射线底片，一发打靶就能获得很好曝光且获十分清晰的硅软X射线光谱。在获得的光谱中Si XII 5f-3d(88.84)和5d-3p(87.28)，SiXII6f-3d(75.83)和6d-3p(74.64)两组双线已被清晰地分开。这两组双线的波长差Δλ分别为1.56和1.19，表明本发明谱仪的光谱分辨已达到1左右。实验所用的大面积的透射光栅601宽度为1.2mm，参于衍射的光栅刻线约1200条。用宽度更大的光栅，或刻线密度更高的光栅，预计光谱分辨将要好于0.5或更小。
权利要求
1.一种高效高分辨软X射线透射光栅谱仪，包含由室壁(803)和两端装有前法兰(801)和后法兰(802)所构成的真空室(8)，真空室(8)内置有光具座(9)，真空室(8)的前法兰(801)与待测光源(1)连接，在真空室(8)内光具座(9)上置有狭缝组件(3)，光阑组件(4)和透射光栅组件(6)，其特征在于具体结构是置于真空室(8)外前法兰(801)之前的待测光源(1)的光束通过空心的前法兰(801)进入真空室(8)内，在真空室(8)内由前法兰(801)至后法兰(802)之间，沿着光路前进的方向，依次安置在光具座(9)上有前置反射镜组件(2)，置于前置反射镜(201)焦面上的狭缝组件(3)，光阑组件(4)，聚焦反射镜组件(5)，透射光栅组件(6)和置于聚焦反射镜(501)与透射光栅(601)共同形成的光谱焦面上的暗盒组件(7)。
2.根据权利要求1的一种软X射线透射光栅谱仪，其特征在于前置反射镜组件(2)由固定在真空室(8)内光具座(9)上的前置反射镜支架(203)，置于前置反射镜支架(203)上的前置反射镜座(202)和置于前置反射镜座(202)上的前置反射镜(201)所构成。
3.根据权利要求1的一种软X射线透射光栅谱仪，其特征在于狭缝组件(3)由固定于真空室(8)内光具座(9)上的狭缝支架(303)，在狭缝支架(303)上的狭缝座(302)和在狭缝座(302)上置有缝长方向为水平方向置放的狭缝(301)所构成。
4.根据权利要求1的一种软X射线透射光栅谱仪，其特征在于光阑组件(4)包含固定于光具座(9)上的光阑支架(402)和在光阑支架(402)上置有带有一水平矩形开口的光阑(401)。
5.根据权利要求1的一种软X射线透射光栅谱仪，其特征在于聚焦反射镜组件(5)含有固定于光具座(9)上的聚焦反射镜支架(503)，在聚焦反射镜支架(503)上有聚焦反射镜座(502)和在聚焦反射镜座(502)上置有聚焦反射镜(501)。
6.根据权利要求1或3的一种软X射线透射光栅谱仪，其特征在于透射光栅组件(6)是由固定于光具座(9)上的透射光栅支架(603)，置于透射光栅支架(603)上的透射光栅座(602)和置于透射光栅座(602)上的大面积的光栅刻线与狭缝(301)缝长方向平行的透射光栅(601)所构成。
7.根据权利要求1的一种软X射线透射光栅谱仪，其特征在于置于光具座(9)上的暗盒组件(7)是由固定于光具座(9)上的暗盒支架(704)，装于暗盒支架(704)上有带有电动中心快门(705)的暗盒座(703)，置于暗盒座(703)上有暗盒(702)，在暗盒(702)内装有软X射线探测器(701)所构成。
8.根据权利要求1或2的一种软X射线透射光栅谱仪，其特征在于前置反射镜(201)是反射表面涂有反射膜的柱面反射镜，或者是球面反射镜。
9.根据权利要求1或5的一种软X射线透射光栅谱仪，其特征在于聚焦反射镜(501)是反射表面涂有反射膜的柱面反射镜，或者是球面反射镜。
10.根据权利要求1或7的一种软X射线透射光栅谱仪，其特征在于置于暗盒(702)内的软X射线探测器(701)是软X射线底片，或者是软X射线CCD相机，或者是带有荧光转换屏的光电二极管列阵(OMA)，或者是软X射线条纹相机。
全文摘要
本发明是一种高效高分辨软X射线透射光栅谱仪。含有在真空室内光具座上沿着光路前进的方向，由真空室的前法兰至后法兰依次置放前置反射镜组件，狭缝组件，光阑组件，聚焦反射镜组件，透射光栅组件和暗盒组件。谱仪具有高集光效率即其接收角比已有技术提高了几十倍，高光谱分辨即光谱分辨Δλ＜1，还具有平直的光谱焦面，而且由于结构合理，对光栅元件要求不苛刻，因此造价低，用途广。
文档编号G01J3/18GK1166595SQ9611663
公开日1997年12月3日 申请日期1996年12月26日 优先权日1996年12月26日
发明者范品忠, 刘亚青, 李儒新 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所