一种小型能量连续可调无谐波软x射线无谐波光束线系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于软X射线光学领域，尤其涉及一种小型能量连续可调无谐波软X射线 无谐波光束线系统。
【背景技术】
[0002] 激光间接驱动惯性约束聚变（ICF)研究中，黑腔辐射的软X射线是驱动DT燃料靶 丸内爆的直接能源。软X射线能谱和辐射温度时间演化过程是黑腔辐射源最重要的特征物 理量，是了解激光腔靶耦合物理过程、激光器驱动能力，优化黑腔结构、尺寸设计的基本数 据。在ICF实验前，必须对软X射线光学元件及探测器谱响应曲线进行绝对标定，例如衍射 光栅、XRD、反射镜、多层膜、晶体、成像板、滤片、CCD等。这些光学元件和探测器的标定精度， 将直接决定着ICF研究数据的置信水平和精密化程度。
[0003] 软X射线单色化束线在激光等离子体软X射线光谱诊断工作中意义重大，是软X 射线光学元件和探测器光谱响应灵敏度标定工作的重要仪器。它对宽谱软X射线源进行分 光，并在束线出缝后输出单色光，应当具有使用灵活方便，单色光输出稳定等特点。现有技 术中，软X射线光学元件和探测器光谱响应灵敏度标定工作主要是在以同步辐射为初始光 源，使用反射式光栅作为分光元件的单色化束线上进行的。由于同步辐射装置庞大，运行费 用昂贵，该种单色仪仅适用于有同步辐射装置的几个国家的个别实验室，不能广泛应用。同 时由于同步辐射装置受机时的限制，每年只有固定的时间进行集中标定工作，对于在研的 各种设备的实时调试十分不便；另外，软X射线单色化束线使用的均为普通反射式光栅，使 得输出的单色光中不同程度的包含有高次谐波成分，使标定结果因谐波干扰而带来误差， 最终降低ICF实验数据的置信水平。束线上一般采用谐波抑制镜、滤片组、气室等额外的装 置来抑制高次谐波，然而这些额外的装置会加大束线整体的复杂性，同时也只能针对某些 特定的波段进行参数设计，无法从根本上解决问题。
[0004] 以激光器辐照固体靶作为软X射线源替代同步辐射光源，具有体积小、亮度高、脉 冲短等特点，更适合在实验室内使用，目前已经应用到了软X射线光刻技术、医学成像以及 材料探测等领域，成为了国内外研究的热点。由于激光固体靶光源的重复精度差，因此基于 激光驱动固体靶产生的X射线源在重复性、亮度稳定性以及空间稳定性较差，远不能达到 工业应用的需求。
[0005] 所以，已有技术的单色化束线在光源结构、空间体积、谐波控制方面有较大的改进 余地。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种小型能量连续可调无谐波软X射线无谐波光束线系 统，旨在解决基于激光驱动固体靶产生的X射线源在重复性、亮度稳定性以及空间稳定性 较差的问题。
[0007] 本发明是这样实现的，一种小型能量连续可调无谐波软X射线无谐波光束线系统 包括机械构件、光学组件和控制系统三大部分；
[0008] 机械构件包括：靶竖直运动组件、靶旋转运动组件、靶架、四维调整组件、靶室、水 平聚焦镜室、水平聚焦镜架、竖直聚焦镜室、竖直聚焦镜架、单色器室、单色器；
[0009] 光学组件沿着光路依次为激光器，括束镜、聚焦镜、转盘靶、滤片、入缝、水平聚焦 镜、竖直聚焦镜、平面镜、光栅、出缝；
[0010] 控制系统包括转盘靶运动控制系统以及单色仪波长扫描控制系统；
[0011] 束线的光源系统为激光转盘靶等离子体光源；激光器输出的光束G，在前进方向 上，依次设置有括束镜、聚焦镜，激光经括束后聚焦在转盘靶上；转盘靶安装在靶室内；
[0012] 靶旋转运动组件，其转轴方向是竖直方向，经靶架转换后转盘靶的转轴转变为水 平方向；靶旋转运动组件固定在靶竖直运动组件上；靶架固定在四维调整组件，经过隔振 后与靶室连接，通过调节四维调整组件，整体调节靶架的二维水平方向以及俯仰角度；通过 控制靶旋转运动组件和靶竖直运动组件的组合运动，控制转盘靶做螺旋运动；
[0013] 束线的分光系统包括入缝、水平聚焦镜、竖直聚焦镜、平面镜、光栅、出缝；
[0014] 水平聚焦镜安装在水平聚焦镜架上，镜架是一个6维调整组件，固定在水平聚焦 镜室内，能够调整水平聚焦镜的3维空间位置和3维旋转姿态；
[0015] 竖直聚焦镜安装在竖直聚焦镜架上，镜架是一个6维调整组件，固定在竖直聚焦 镜室内，能够调整竖直聚焦镜的3维空间位置和3维旋转姿态；
[0016] 单色器的光学元件包括平面镜和四块光栅，光栅绕自身中轴线转动，平面镜绕平 行于光栅转动轴线的另一轴线离轴转动。
[0017] 进一步，所述的转盘靶，对于软质地的靶材，通过一个不锈钢底座进行转接到靶架 上；对硬质地的靶材，直接加工为转盘靶安装与靶架上；转盘靶的平行度小于20μm，平整 度小于10μm。
[0018] 进一步，水平聚焦镜的作用是将入缝处的入射光在水平方向聚焦到出缝处；其成 像过程满足聚焦方程和平面光栅刻线方向消离焦条件：
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[0021] 其中&为水平聚焦镜的曲率半径；ph为入缝到水平聚焦镜的中心光程；qh为水平 聚焦镜的像距；rlh表示水平聚焦镜对入缝的水平聚焦像到光栅的光程，即光栅的水平成像 物距，r2h表示光栅的水平成像像距。
[0022] 进一步，竖直聚焦镜的作用是对入射光进行竖直方向聚焦，竖直方向也是该束线 的色散方向，平面光栅对竖直聚焦镜的像再次成像于出射狭缝处；其成像过程满足聚焦方 程、平面光栅色散方向消离焦条件和光栅方程：
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[0026] 其中R2为竖直聚焦镜的曲率半径；pvS入缝到竖直聚焦镜的光程；qvS球面镜2 的像距；rlv表示球面镜2对入射狭缝的竖直聚焦像到光栅的光程，即光栅的竖直成像物距， r2v表示光栅的竖直成像像距，r2v=r2h;α，β为光栅的入射角和衍射角；λ为入射光波长， d。为光栅的周期。
[0027] 进一步，光栅平移切换机构的作用是在不同的谱段间进行光栅切换，该机构最大 可安装4块光栅在光栅调节座上，光栅调节座对每一块光栅都有独立的3维旋转和1维平 移机构，通过真空外的伺服电机驱动丝杠推动真空内的一根直杆运动，丝杠与直杆采用柔 性波纹管密封，直杆推动光栅调节座整体做平移运动。
[0028] 进一步，平面镜旋转机构采取sin-bar的结构，它通过真空外的伺服电机驱动丝 杠推动一根真空内的直杆运动，丝杠与直杆之间采用柔性波纹管密封，直杆与正弦杆之间 通过滚珠进行点接触，使用弹簧消隙；直杆推动正弦杆绕其转轴旋转但平面镜安装的位置 不在旋转轴上，其旋转半径为冊。
[0029] 进一步，使用的激光等离子体光源为激光转盘靶光源，靶盘运动轨迹为阿基米德 螺线。
[0030] 进一步，革E材为铜、锡、铁。
[0031] 进一步，使用的反射式光栅为量子点阵光栅、"之"字型光栅、谱学光子筛、修正棋 盘格光栅、梯形基元光栅。
[0032] 本发明的优点为：
[0033] 1.本发明采用小型实验室规模重频的ns或fs激光器作为等离子体光源的栗浦 源，具有条件灵活、结构紧凑、费用低廉等优点，相比体积庞大、运行费用昂贵的同步辐射装 置有较大的优越性，具有优越的易操作和实用化的特点。
[0034] 2.本发明采用激光转盘靶作为等离子体光源，输出光源稳定，满足标定实验的光 源需求。
[0035] 3.本发明使用量子点阵光栅、"之"字型光栅、谱学光子筛、修正棋盘格光栅、梯形 基元光栅做为分光元件，能够有效抑制高级衍射，高次谐波抑制比好于1 %。
【附图说明】
[0036] 图1为本发明实施例提供的小型能量连续可调软X射线无谐波光束线总体结构示 意图；
[0037]图2为本发明实施例提供的小型能量连续可调软X射线无谐波光束线的光路结构 示意图；
[0038] 图3为本发明实施例提供的转盘靶结构示意图；
[0039] 图4为本发明实施例提供的打靶激光焦点在靶上的运动轨迹；
[0040] 图5为本发明实施例提供的水平聚焦镜的聚焦示意图；
[0041] 图6为本发明实施例提供的竖直聚焦镜的聚焦示意图；
[0042] 图7为本发明实施例提供的单色器光路结构示意图；
[0043]图8为本发明实施例提供的单色器机械结构示意图；
[0044]图9为本发明实施例提供的束线分别使用谱学光子筛和普通反射式光栅作为分 光元件输出单色光的纯度对比图；
[0045]图中：1、靶竖直运动组件；2、靶旋转运动组件；3、靶架；4、四维调整组件；5、靶室； 6、水平聚焦镜室；7、水平聚焦镜架；8、竖直聚焦镜室；9、竖直聚焦镜架；10、单色器室；11、 单色器；12、激光器；13、括束镜；14、聚焦镜