专利名称：共靶x射线时空分辨摄谱方法及其谱仪的制作方法
技术领域：
本发明属于共靶X射线时空分辨摄谱方法及其谱仪。
背景技术：
在激光惯性约束聚变实验研究中，高功率短脉冲激光打靶产生大量的高温等离子体，从激光等离子体中辐射出大量的X射线，这种X射线能够用于光谱测量和等离子体诊断。高温等离子体X射线携带着大量的有用信息，它可以用来确定电子温度、电子密度、电子能量分布、等离子体的膨胀速度和电离态等。另外，在进行辐射不透明度的实验研究中，由于辐射不透明度强烈依赖于物质状态，而通过辐射加热物质达到的高温状态又随时间变化很快，同时高温物质状态本身又要通过自发辐射发出X射线，因此要进行辐射不透明度的准确定量研究，就必须采用同时具有X射线空间和时间分辨的摄谱方法及其谱仪。
为了摄取激光等离子体X射线的光谱，以前通常采用光栅作为色散元件，利用X射线胶片来记录光谱。等离子体X射线经光栅衍射后，在X射线胶片上成像。胶片经过冲洗得到X射线光谱，然后用黑密度计进行扫描，转变成位置与黑度关系的数据文件，最后经过数据处理才能得到谱线。这种摄谱方法由于胶片的装卸、冲洗、数据处理需要很长的时间，所以不能实时获取X射线的光谱。此外，光栅由于受到刻槽间距的限制，很难对短波段X射线进行分光，而且这种摄谱方法在一次打靶的情况下，通常只能记录空间分辨光谱。为了研究激光等离子体X射线的时空变化过程，就必需发明摄取X射线时空分辨光谱的方法及其谱仪。
发明内容
为了诊断短波段的激光等离子体X射线，并实现同时摄取X射线的空间和时间分辨光谱，本发明针对现有技术存在的不足，目的是提供一种共靶X射线时空分辨摄谱方法及其谱仪，实现在一次打靶的情况下，同时获得X射线的空间和时间分辨光谱。
为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是根据椭圆聚焦几何光学的原理，从一个焦点发出的X射线经椭圆晶体衍射后，必将在第二个焦点处聚焦。根据这个原理，本发明提出了共靶X射线时空分辨摄谱方法，该方法是采用两个完全相同的椭圆晶体分析器位于上下两个通道中作分光元件，利用椭圆几何光学具有自聚焦的原理，将靶放在两个椭圆晶体分析器相重合的椭圆第一个焦点上，两个狭缝分别位于两个椭圆晶体分析器的椭圆第二个焦点上，在狭缝后面分别布置X射线CCD相机和条纹相机，激光打靶产生的等离子体X射线同时被第一个焦点相重合的两个椭圆晶体分析器分光，分别采用X射线CCD相机和条纹相机在上下两个通道狭缝的后面摄取空间和时间分辨光谱。激光打靶产生的等离子体X射线经上通道的椭圆晶体分析器分光后，穿过上通道的狭缝在X射线CCD相机的阴极面上成像，这样用X射线CCD相机摄取空间分辨光谱。与此同时，激光等离子体X射线经下通道的椭圆晶体分析器分光后，穿过下通道的狭缝在X射线条纹相机的阴极面上成像，这样用X射线条纹相机摄取时间分辨光谱。在X射线CCD相机和条纹相机后面连接计算机，这样可以实时采集光谱信号。因此，在一次打靶的情况下，可以同时获得激光等离子体X射线的空间和时间分辨光谱。
同时，本发明设计了实现上述方法的共靶X射线时空分辨摄谱的谱仪该谱仪包括光学系统、图像采集系统、支撑调节系统、真空系统、瞄准仪和不锈钢箱体。所述的光学系统包括上通道椭圆晶体分析器、上通道狭缝、下通道椭圆晶体分析器、下通道狭缝，它们的位置关系符合椭圆聚焦几何光学的原理，上下通道的椭圆晶体分析器的椭圆第一个焦点重合，光源位于第一个焦点上，上下通道的两个狭缝分别位于两个椭圆晶体分析器的各自的椭圆第二个焦点上，两个椭圆晶体分析器安装在同一块立板上。图像采集系统分别由X射线CCD相机、X射线条纹相机和各自连接的计算机构成，X射线CCD相机和X射线条纹相机分别布置在上通道狭缝和下通道狭缝的后面。光学系统安装在密闭的箱体里面，图像采集系统安装在箱体的上下两个接口上，接口需密封。支撑调节系统安装在箱体的下面，支撑箱体，并可对箱体的位置进行上下左右前后调节，以调节瞄准仪和靶之间的位置关系。真空系统通过箱体侧面的真空管接口与箱体连接；瞄准仪安装在箱体的后面，通过安装椭圆晶体分析器的立板上的小孔对准靶室中的靶。
本谱仪中的椭圆晶体分析器选用晶面间距与所测X射线波长相接近的晶体。
本发明的有益效果是1、采用晶面间距与所测X射线波长相接近的晶体进行分光，并将晶体弯曲成椭圆形制作成椭圆晶体分析器，与平面晶体分光法相比，可以提高X射线的接收效率和光谱分辨率。
2、椭圆晶体分析器布置在两个通道上，在一个通道上用X射线CCD相机摄取空间分辨光谱，在另一个通道上用X射线条纹相机摄取时间分辨光谱，从而在一次打靶的情况下，可以实现同时摄取激光等离子体X射线的空间和时间分辨光谱，节约了打靶费用。
3、与X射线胶片记录光谱相比，采用X射线CCD相机和条纹相机记录光谱具有实时、快速获取光谱的优点。
附图1是共靶X射线时空分辨摄谱方法的原理。在图1中，各数字的含义如下1.靶；2.上通道椭圆晶体分析器；3.上通道狭缝；4.X射线CCD相机；5.计算机；6.下通道椭圆晶体分析器；7.下通道狭缝；8.X射线条纹相机附图2是共靶X射线时空分辨摄谱的谱仪结构示意图。在图2中，各数字的含义如下1.靶；2.上通道椭圆晶体分析器；3.上通道狭缝；4.X射线CCD相机；6.下通道椭圆晶体分析器；7.下通道狭缝；8.X射线条纹相机；9.谱仪与靶室之间的转接法兰；10.闸板阀；11.波纹管；12.支撑调节系统；13.箱体；14.立板；15.真空系统；16.瞄准仪；17.靶室
具体实施例方式参见图1，本发明方法可由此图体现该方法是采用两个完全相同的椭圆晶体分析器2、6位于上下两个通道中作分光元件，利用椭圆几何光学具有自聚焦的原理，将靶1放在两个椭圆晶体分析器相重合的椭圆第一个焦点A上，两个狭缝3、7分别位于两个椭圆晶体分析器2、6的椭圆第二个焦点B1、B2上，在狭缝3、7后面分别布置X射线CCD相机4和条纹相机8，在X射线CCD相机4和条纹相机8后面分别连接计算机5。激光打靶产生的等离子体X射线同时被椭圆第一个焦点相重合的两个椭圆晶体分析器分光，分别采用X射线CCD相机和条纹相机在上下两个通道狭缝的后面摄取空间和时间分辨光谱，激光打靶产生的等离子体X射线经上通道的椭圆晶体分析器分光后，穿过上通道的狭缝在X射线CCD相机的阴极面上成像，这样用X射线CCD相机摄取空间分辨光谱。与此同时，激光等离子体X射线经下通道的椭圆晶体分析器分光后，穿过下通道的狭缝在X射线条纹相机的阴极面上成像，这样用X射线条纹相机摄取时间分辨光谱，并实时采集光谱信号。
以下结合附图2，说明实现本发明方法的一个具体谱仪结构该谱仪包括光学系统、图像采集系统、支撑调节系统、真空系统、瞄准仪和不锈钢箱体。光学系统包括上通道椭圆晶体分析器2、上通道狭缝3、下通道椭圆晶体分析器6、下通道狭缝7。椭圆晶体分析器选用晶面间距与X射线波长相接近的晶体。上通道椭圆晶体分析器2和下通道椭圆晶体分析器6安装在同一块立板14上。上通道椭圆晶体分析器2、上通道狭缝3、下通道椭圆晶体分析器6和下通道狭缝7的位置关系符合椭圆聚焦几何光学的原理，即椭圆晶体分析器2、6的椭圆第一个焦点重合，靶1位于第一个焦点上，上下通道的两个狭缝3、7分别位于两个椭圆晶体分析器的椭圆第二个焦点上。支撑调节系统12位于箱体13的下面，瞄准仪16位于箱体的后面，通过支撑调节系统12、波纹管11和瞄准仪16实现谱仪的瞄准对中，也就是使两个椭圆晶体分析器2、6都对准靶1。瞄准仪16采用激光测距仪，可通过发出激光进行对中，又通过激光测椭圆晶体分析器距离是否符合要求。支撑调节系统12还起到对箱体13的辅助支撑作用，可采用现有同类谱仪的支撑调节结构来实现。图像采集系统由X射线CCD相机4、X射线条纹相机8和各自连接的计算机5构成，X射线CCD相机4和X射线条纹相机8分别布置在上通道狭缝3和下通道狭缝7的后面。真空系统18安装在箱体13的侧面，通过箱体侧面的真空管接口15与箱体连接，用于对谱仪内部进行抽真空，真空系统18可采用常规谱仪使用的真空系统。谱仪前端有转接法兰9，用于将谱仪安装在靶室17上，转接法兰9与波纹管11之间设有闸板阀10，用于将谱仪与靶室17之间的大气隔开。
使用本谱仪进行摄谱的过程是1、谱仪安装通过转接法兰9将谱仪安装在靶室17外面。
2、瞄准对中利用箱体13后面的瞄准仪16、支撑调节系统12和波纹管11进行瞄准对中。
3、抽真空由于X射线在大气中容易被吸收，因此必须对谱仪内部进行抽真空。关闭闸板阀10，将谱仪与靶室17隔开，利用谱仪的真空系统18进行抽真空。
4、激光打靶将高功率短脉冲激光聚焦在靶1上，使靶高度离化，产生高温等离子体X射线源。
5、摄谱利用X射线CCD相机4和条纹相机8在上下两个通道上同时摄取X射线的空间和时间分辨光谱，得到的光谱图像显示在计算机5上。
权利要求
1.一种共靶X射线时空分辨摄谱方法，其特征在于采用两个完全相同的椭圆晶体分析器位于上下两个通道中作分光元件，利用椭圆几何光学具有自聚焦的原理，将靶放在两个椭圆晶体分析器相重合的椭圆第一个焦点上，两个狭缝分别位于两个椭圆晶体分析器的椭圆第二个焦点上，在狭缝后面分别布置X射线CCD相机和条纹相机，激光打靶产生的等离子体X射线同时被两个椭圆晶体分析器分光，分别采用X射线CCD相机和条纹相机在上下两个通道狭缝的后面摄取空间和时间分辨光谱，因此在一次打靶的情况下，可以同时获得激光等离子体X射线的空间和时间分辨光谱。
2.实现根据权利要求1所述的共靶X射线时空分辨摄谱方法的谱仪，其特征在于该谱仪包括光学系统、图像采集系统、支撑调节系统、真空系统、瞄准仪和不锈钢箱体；所述的光学系统包括上通道椭圆晶体分析器、上通道狭缝、下通道椭圆晶体分析器、下通道狭缝，它们的位置关系符合椭圆聚焦几何光学的原理，两椭圆晶体分析器的椭圆第一个焦点重合，光源位于第一个焦点上，上下通道的两个狭缝分别位于两个椭圆晶体分析器的椭圆第二个焦点上，两个椭圆晶体分析器安装在同一块立板上；图像采集系统分别由X射线CCD相机、X射线条纹相机和各自连接的计算机构成，X射线CCD相机和X射线条纹相机分别布置在上通道狭缝和下通道狭缝的后面；光学系统安装在密闭的不锈钢箱体里面，图像采集系统安装在不锈钢箱体的上下两个接口上；支撑调节系统安装在箱体的下面，支撑调节箱体的位置；真空系统通过箱体侧面的真空管接口与箱体连接；瞄准仪安装在箱体的后面，通过安装椭圆晶体分析器的立板上的小孔对准靶室中的靶。
3.根据权利要求2所述的共靶X射线时空分辨摄谱谱仪，其特征在于以激光测距仪作为瞄准仪。
4.根据权利要求2所述的共靶X射线时空分辨摄谱谱仪，其特征在于椭圆晶体分析器的晶面间距与所测X射线的波长接近。
全文摘要
一种用于共靶X射线时空分辨摄谱方法及其谱仪。谱仪的光学系统包括两个椭圆晶体分析器和上、下通道狭缝，它们的位置关系符合椭圆聚焦几何光学的原理。其方法是将靶位于椭圆的第一个焦点上，狭缝位于椭圆的第二个焦点上，谱线探测器位于狭缝的后面，利用第一个焦点重合的两个椭圆晶体分析器进行分光，激光打靶产生的等离子体X射线经上下通道的椭圆晶体分析器分光后，穿过狭缝分别在X射线CCD相机和条纹相机的阴极面上成像，X射线CCD相机摄取空间分辨光谱，X射线条纹相机摄取时间分辨光谱。本发明在一次打靶的情况下，可以同时获得X射线的空间和时间分辨光谱，节约了打靶费用，并可提高X射线的接收效率和光谱分辨率，实时、快速获取光谱。
文档编号G01J3/28GK1598503SQ200410040789
公开日2005年3月23日 申请日期2004年9月27日 优先权日2004年9月27日
发明者钟先信, 肖沙里, 熊先才, 钱家渝 申请人:重庆大学