专利名称：用于软x射线波段的透射光栅光谱仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于软X射线波段的透射光栅光谱仪，主要适用于软X射线波段内激光与脉冲气体靶相互作用的发射谱线参数的测量。
近年来，超短强激光脉冲与气体靶点作为软X射线源(以下简称靶点)相互作用的研究引起了人们的广泛注意和极大兴趣。随着辐照激光光强的增加，在不同工作条件下气体原子将呈现出新颖的强场激光物理行为。在相对较低的激光功率密度(～1015W/cm2)下，观测到的气体原子的高次谐波已进入水窗波段，波长已推进到2.7nm。在较高一些的功率密度(＞1015W/cm2)下，气体原子将被光场电离引发快电离过程，这为X-射线激光的实现提供了新的更具潜力的方案。团簇也是这一光强量级内的新现象。在1018W/cm2的激光功率密度下，电子的运动已进入相对论区，粒子加速器—作为该激光光强量级内强场物理的代表性应用前景，人们已进行了较为深入的探讨。
与研究激光-固体靶相互作用时不同，在上述激光-脉冲气体靶相互作用的研究中，所使用的光谱仪往往带前置差分泵浦部件的结构。简而言之，差分泵浦部件是一前端带有狭缝或小孔的筒状结构，后端与光谱仪密封为一体，前端近抵脉冲气体靶和靶点，气体靶点产生的高次谐波或X射线信号光经由差分泵浦部件前端的狭缝或小孔进入光谱仪并被接收器件探测。光谱仪另装有真空泵，实时地将脉冲气体靶喷出并进入光谱仪的气体抽出。由此，既可防止激光打靶产生的信号光被靶室内的剩余气体吸收，又可保证光谱仪的接收器件，如软X射线CCD相机、微通道板(MCP)等等能在较高真空度下正常运转(参阅已有技术[1].G.Pretzler，E.E.Fill，Phys.Rev.E56,2112(1997)和G.Pretzler，E.E.Fill，Opt.Lett.22,733(1997))。
已有技术中，国外实验室一般采用宽度20～200μm的金属材料的狭缝与差分筒体构成成为一体的差分泵浦部件(参阅已有技术[2].A.B.Borisov，X.Shi，V.B.Karpov etal.，J.Opt.Soc.Am.B11,1941(1994))，差分泵浦部件的狭缝既作为光谱仪的入射狭缝，起着降低源加宽的作用，又起着隔离靶室和光谱仪，以利于光谱仪自带的真空泵完成对光谱仪的差分泵浦的作用。上述狭缝集两种功能为一体的结构在使用上有两个缺点第一，差分狭缝宽度和位置都不可调。在某些气体靶点需要在光谱仪的接收光轴径向上较大范围内可调的情况下，如果气体靶点在径向偏离光谱仪光轴较远，则经由差分狭缝一般距气体靶点较近(1～5cm)，金属材料构成的差分狭缝极易被会聚激光束打坏，造成狭缝扩大，过多的激光能量会通过已被打坏的狭缝进入仪器内部，将导致数据的信噪比大大降低，并引起测量数据的失真和低重复性，甚至会损坏仪器内部的光学元件等。
本实用新型的目的是提供一种用于软X射线的透射光栅光谱仪。尤其针对已有技术差分泵浦部件的不足，提高差分狭缝的抗激光破坏性能；提高差分泵浦部件对气体靶点空间位置变化的适应性和可调性。上述改进将能提高测量参数的准确性和重复性，将大大提高光谱仪的工作效率。
本实用新型的结构含有机械构件和光学元件两大部分其中机械构件包括置于头部3前端的位于真空靶室2内的差分泵浦部件1，置于头部3后边的外套筒7，置于外套筒7内的悬挂式导轨4，以及置于悬挂式导轨4上的调整架5、6，如图1所示；光学元件包括沿着由靶点的软X射线源9发射的软X射线束S前进的方向上，依次置有矩形光阑12，置于调整架5上的反射镜13，置于调整架6上的光栅14，接收器件15以及与接收器件15输出端相联的显示器件16，如图2所示。头部3由前端接口法兰301、衔接管302和后端的衔接法兰303三部分构成；头部3后边有外套筒7，外套筒7由前衔接法兰701、筒体702、后衔接法兰703及真空泵衔接法兰704四部分构成。头部3的接口法兰301与真空靶室2窗口法兰相联；头部3的衔接法兰303与外套筒7的前衔接法兰701压合密接以保持真空密封；置于外套筒内，固定于头部衔接法兰303上有支撑板401，支撑板401上有斜拉加强筋402，斜拉加强筋402上有悬挂式导轨4，导轨主体403上置有调整架5、6。接收器件15则固定在外套筒7的后衔接法兰703上。该实用新型的真空泵固定在外套筒7的真空泵衔接法兰704上。为了入射的X光与反射镜13的掠反射成象相匹配，机械构件中头部3的中心轴线O1O1与外套筒7的中心轴线O2O2之间有一夹角α，并且夹角∠α≤10°，如图1所示。
差分泵浦部件1位于头部3前端的真空靶室2内，置于差分泵浦部件1前，靠近靶点的软X射线源9处置有狭缝8。如图2所示。狭缝8是由陶瓷片、或者玻璃片、或者石英片等抗激光破坏性较强的片状材料构成，以提高狭缝8的耐用性，可保证在较长时间内狭缝8不会被激光打坏。狭缝材料要求狭缝面平整，通常缝宽20～200μm，厚度3～10mm。狭缝8的中心恰好落在差分泵浦部件1与头部3同一中心轴线O1O1上。
差分泵浦部件1置于头部3前端，位于真空靶室2内，由前差分头102、置于前差分头102靠近真空靶室2内靶点的软X射线源9的前端面上止口Z内的差分孔片101、联接在前差分头102后端的后差分头103、与后差分头103后端相联的后端面带有端面压板105的差分筒104四部分构成。后差分头103上的端面压板105被压合密接在头部3的接口法兰301和真空靶室2窗口法兰之间。
差分泵浦部件1采用偏心调整机构，如图3所示。后差分头103的后端带有外螺纹M1，啮合固定在差分筒104带有内螺纹M1′的前端。后差分头103靠近前差分头102的前端有偏心内螺孔M2′，前差分头102的后端带外螺纹M2啮合在后差分头103的偏心内螺孔M2′内。在前差分头102靠近靶点的软射线源9的前端面上有止口Z。差分孔片101置于上述止口Z内，同时差分孔片101上有偏心通孔φ。上述各零件之间的螺纹连接可方便地调节整个差分泵浦部件1的长度；而且，双偏心孔(差分孔片101上的偏心通孔φ和后差分头103前端上的偏心内螺孔M2′)的联合调节可实现差分孔片101上的偏心通孔φ在差分泵浦部件轴线周围较大的范围内自由地搜索并对准靶点的软X射线源9的实际位置。换而言之，该差分泵浦部件1对靶点的软X射线源9偏离该差分泵浦部件1的轴线的宽容度较大。
本实用新型采用轮胎镜(又称为超环面镜)作X射线束S的反射镜13，它能以较大的空间收集立体角，收集入射光谱仪的X射线束S并将其成象到接收器件15上；并与矩形光阑12配合，实现对靶点的软X射线源9的无象散成象。本实用新型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。调整架4使轮胎镜有三个方向的平动、两个方向的转动共计五个自由度的调节。
本实用新型中作色散元件的光栅14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，本实用新型的5000g/mm透射光栅可获得更大的线色散和更高的光谱分辨率。为与轮胎镜反射镜13的大收集立体角相匹配，光栅外形尺寸应大于3×5mm为佳，光栅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。置光栅14的调整架5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。
本实用新型的接收器件15是软X光胶片或干板、或远紫外波段(XUV)光电二极管或电子倍增器、或软X射线CCD相机、或微通道板(MCP)或软X射线条纹相机。
本实用新型的优点为1.差分泵浦部件1采用四组件构成偏心调整机构，针对气体靶点需要在光谱仪的接收光轴径向上较大范围内变化的情况，可在使用光路轴线周围较大(5～15mm)范围内自由搜寻实际气体喷嘴处靶点的软X射线源9的位置，拓宽了本实用新型的应用范围，提高了测试的灵活性。
2.狭缝8置于差分泵浦部件1的前端，与后者是相对独立的。狭缝8的宽度可根据不同的测量要求方便地调节，有很高的灵活性和可操作性。
3.本实用新型的狭缝8是由陶瓷片、或者玻璃片、或者石英片等抗激光破坏性较强的片状材料构成的，所以本实用新型的狭缝8比已有技术的金属狭缝抗破坏性强、耐用性强。
4.由上述结构的特征，带来了本实用新型的光谱仪适用气体靶点的软X射线源9，提高了测量参数的准确性和重复性，提高了光谱仪的工作效率和使用寿命。
图1本实用新型的机械构件结构分解的俯视图。
图2本实用新型的光学元件的光路示意图。
图3本实用新型的差分泵浦部件1的结构分解示意图。
图4实施例中，采用减薄型背向照明软X射线CCD相机作为本实用新型的接收器件15，在气阀背景气压为0.3Mpa、激光能量为80mJ时，拍摄到的氩气体靶在0.6～10nm内光谱的发射强度在不同靶室真空度条件下的变化情况。图中横坐标为波长(单位nm)，纵坐标为相对强度。图4-1中靶室真空度为0.1Pa，图中测出Ar6+(3s2-3s4p)谱线。图4-2中靶室真空度为0.6Pa，图中测出Ar5+(3s23p-3s24s)等十条谱线。图4-3中靶室真空度为0.8Pa，图中测出Ar7+(2p63d-2p64f)等五条谱线。
实施例如图2所示，在实施中通常取后差分头103前端的偏心内螺孔M2′，偏心距为5～10mm，螺孔大径为M14～M26，前差分头102前端面上的止口Z直径为φ12～φ24，深为1mm，差分孔片101上的偏心通孔φ0.5～φ2，偏心距为5～10mm。激光束G由5TW/45fs的掺钛蓝宝石激光器(中心波长785nm，最大能量250mJ)输出，经焦距500mm的f/10的聚焦透镜11，聚焦到电磁驱动气体阀10喷口以下2mm处。焦斑直径约100μm，气体阀10喷口直径为1mm。气体阀10喷出的氩气与激光相互作用，产生X射线源9。电磁驱动气体阀10的喷气时间与激光脉冲G以外触发方式完成同步操作。聚焦透镜11和气体阀10都位于真空靶室2内。
实施例中，头部3对接于真空靶室2窗口法兰上，在打靶激光束G的侧向90°方向观测X射线源9的软X射线发射。狭缝8采用厚度为10mm的陶瓷片构成，缝宽为100μm。差分泵浦部件1采用偏心调整机构，与光谱仪密封为一体，如图3所示。直径φ12的差分孔片101(偏心通孔φ直径φ2mm、偏心距为6mm)，置于前差分头102前端面上的直径为φ12、深1mm的止口Z内。前差分头102后端的外螺纹M2大径为M16，与后差分头103前端的偏心内螺孔M2′(大径M16，偏心距8mm)相啮合。后差分头103后端带有外螺纹M1，固定在差分筒104带有内螺纹M1′的前端。外套筒7的分子泵衔接法兰704上置有真空泵，使内部真空度维持在8×10-3Pa以下。
本实施例用减薄型背向照明软X射线CCD相机作为本实用新型的接收器件15，探测软X射线发射的时间积分行为。它性能稳定，使用方便，响应灵敏度高，为测试带来了极大的灵活性。该软X射线CCD相机是1024×1024二维接收器件，敏感面尺度为2×2cm，对1000g/mm或5000g/mm无支撑大面积透射光栅，摄谱范围分别为1.4～15nm和1.4～75nm，光谱分辨率分别为0.25nm和0.05nm，由软X射线CCD相机的敏感面和象素尺度以及光栅的线色散决定。软X射线CCD相机获得的测量数据由作为显示器件16的微型计算机进行处理并得出测量结果。
本实施例中，整个测量过程中气体阀10喷氩气，气体阀10的背景气压维持在0.3Mpa，激光脉冲能量为80mJ(在靶点的软X射线源9处的光强为2.3X1016W/cm2)。为研究不同的测量条件下，特别是不同的气体密度时氩气的X射线发射强度的变化趋势，改变了气体阀10的喷气大小，使喷气时靶室的真空度在0.05～0.8Pa之间变化，得到不同密度下的氩气的.X射线谱线如图4所示，摄谱积分时间为20分钟。
图4中4-1，4-2，4-3各谱对应的靶室2的真空度分别为0.1Pa、0.6Pa、0.8Pa。可以看出，氩气在0.1Pa下的软X射线发射很小，0.6Pa时的软X射线发射明显增强，到0.8Pa时X射线强度进一步提高。由此得出结论随着气体密度的增加，氩的X射线发射增强。并且由谱可以发现，X射线的波长范围很窄，主要是集中在17-25nm的一段，表明光场电离造成A氩原子被电离后，仅有氩V、氩VI，氩VII几个离子态，这与单原子气体的光场电离理论得出的结论是相一致的。
本实用新型光谱仪的上述满意的测量结果表明，本实用新型光谱仪有足够的灵敏度参与超短强激光脉冲辐照气体靶的测量工作，已具有诊断超短强激光脉冲辐照下气体靶软X-射线发射特性的能力；可以作为成熟的探测手段，参与进行惰性气体离子的高次谐波测量，在打靶光路的侧向观察，有潜力完成气体原子的电离对谐波转换效率、相位匹配、谐波强度的影响等方面的测试。
权利要求1.一种用于软X射线波段的透射光栅光谱仪，含有机械构件和光学元件，机械构件包括前端与真空靶室(2)窗口法兰相联的接口法兰(301)、后端带衔接法兰(303)的衔接管(302)构成的头部(3)，头部(3)后边有由前衔接法兰(701)、筒体(702)、后衔接法兰(703)及真空泵衔接法兰(704)构成的外套筒(7)，外套筒(7)的前衔接法兰(701)与头部(3)的衔接法兰(303)相联，置于外套筒(7)内，固定于头部(3)的衔接法兰(303)上支撑板(401)上的斜拉加强筋(402)上有悬挂式导轨(4)，导轨主体(403)上置有调整架(5)、(6)；光学元件包括沿着由真空靶室(2)内靶点的软X射线源(9)发射的软X射线束S前进的方向上，依次有矩形光阑12，置于调整架(5)上的轮胎镜的反射镜(13)，置于调整架(6)上的无支撑大面积透射光栅(14)；其特征在于置于头部(3)前端，位于真空靶室(2)内，有由前差分头(102)，置于前差分头(102)靠近真空靶室(2)内靶点的软X射线源(9)的前端面上止口Z内的差分孔片(101)，前差分头(102)的后端联有后差分头(103)，与后差分头(103)后端相联的后端面带有端面压板(105)的差分筒(104)所构成的差分泵浦部件(1)，差分泵浦部件(1)上的后差分头(103)上的端面压板(105)被压合密接在头部(3)的接口法兰(301)和真空靶室(2)窗口法兰之间，差分泵浦部件(1)的前面，靠近靶点的软X射线源(9)处置有狭缝(8)，狭缝(8)的中心恰好落在差分泵浦部件(1)与头部(3)同一中心轴线O1O1上。
2.根据权利要求1的透射光栅光谱仪，其特征在于差分泵浦部件(1)中，置于前差分头(102)靠近靶点的软X射线源(9)的前端面上止口Z内的差分孔片(101)上有偏心通孔φ，前差分头(102)的后端有外螺纹M2与后差分头(103)前端的偏心内螺孔M2′啮合联接，后差分头(103)的后端有外螺纹M1与差分筒(104)前端的内螺孔M1′啮合联接。
3.根据权利要求1的透射光栅光谱仪，其特征在于狭缝(8)是由陶瓷片，或玻璃片，或石英片所构成。
专利摘要一种用于软X射线波段的透射光栅光谱仪,含有机械构件和光学元件。机械构件包括置于头部前端位于真空靶室内的差分泵浦部件、置于头部后边的外套筒,外套筒内有放置调整架的悬挂式导轨。光学元件含有置于差分泵浦部件前靠近真空靶室内软X射线源的抗激光破坏性强的片状材料构成的狭缝。沿软X射线束S前进的方向上,有轮胎镜的反射镜、无支撑大面积透射光栅。适用于软X射线波段内激光与脉冲气体靶相互作用光谱特性的测试。
文档编号G01N23/02GK2399725SQ9822567
公开日2000年10月4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