全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪及成像光谱方法

本发明涉及光谱仪，特别涉及一种全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪及成像光谱方法。

背景技术：

1、日冕物质抛射(cme)和耀斑等剧烈太阳活动是太阳高层大气中最重要的瞬时爆发现象，也是灾害性空间天气事件的源头。太阳爆发机理、太阳爆发事件的源头特性及行星际传播过程等不仅是太阳物理和空间物理重大科学难题，也是空间天气预报精度提升的基础。

2、上述科学和应用难题的解决离不开先进探测设备。日冕层温度从几万度上升到两千万度，其中等离子体发射线覆盖极紫外波段（λ= 10-120 nm）。以cme为例，爆发持续时间数十分钟，cme起源与初始传播规律的探测研究需要快速获得日冕光谱信息随空间和时间的演化，对应成像光谱探测的时间分辨率需要达到分钟量级，才能比较完整、精确地对其演变过程进行探究。从空间天气监测角度，需要全日面视场进而监测到日盘不同位置的爆发现象。

3、目前日冕层成像光谱信息通过极紫外成像光谱仪观测获得，主要有四种探测方案：第一种是单狭缝扫描成像光谱仪，如hinode 卫星携带的极紫外成像光谱仪（euvimaging spectrometer，eis），该结构由主镜、狭缝、凹面光栅和探测器组成，单狭缝成像光谱观测的曝光时间约30 s，二维视场狭缝扫描在小时量级，时间分辨率太差无法对cme的演变过程进行完整的探究；此外，狭缝视场没有覆盖全日面，难以诊断日盘不同位置同时发生的活动现象；第二种是无狭缝成像光谱探测方案，如2006年美国的探空火箭多级太阳极紫外光谱仪（multi-order solar euv spectrograph，moses），该结构采用仅由一面凹面光栅和探测器组成的沃茨沃尔（wartworth）光谱成像系统，同时记录0级宽带像和±1级色散后的混合谱像图，该方案极大的提升了时间分辨率，但是谱像混合严重，少数衍射级次信息，出现病态反演；第三种是单狭缝快速扫描成像光谱仪，2016年美国的探空火箭快速成像光谱装置（rapidacquisition imaging spectrograph experiment，raise），该方案选择远紫外最强辐射线ly α 121.6nm，大口径主镜（200 mm）增加有效面积，高帧频cmos，缩短单次曝光时间(几十毫秒)，实现单狭缝快速扫描，但是该方案无法快速探测辐射较弱的日冕谱线，较大观测视场仍需要数小时扫描时间；第四种是多狭缝快速扫描成像光谱探测方案，如2019年美国工程立项的多缝极紫外光谱仪（ multi-slit approach to coronalspectroscopywith the multi-slit solar explorer，muse），该方案拟采用37条狭缝快速扫描，针对非常小的观测视场 (170’’ ×170’’)，同时选择独立的谱线，减小谱像混合；当观测视场较大且不是独立谱线时，密集的多条狭缝会使得相邻狭缝的谱线重叠范围增大，出现严重的谱像混叠，物理参数反演精度极大降低，因此该不适合探测cme等大尺度爆发事件。

4、可以看出，现有的探测方案中：第一种方案单狭缝扫描大视场需要较多时间；第二种方案谱像混叠严重，病态反演；第三种方案不适用辐射较弱的区域；第四种方案只适用于独立谱线，光谱范围增大时，狭缝数量太多，会导致相邻狭缝的光谱重叠范围变大，需要注意的是第四种方案可行性没有得到实验验证。

5、目前还缺少一种创新的探测方案，同时兼顾大视场（全球尺度），一定光谱范围且包含多条谱线，高时间分辨率，成像和光谱信息精确探测。

技术实现思路

1、本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪及成像光谱方法，通过在主镜焦面处放置多条狭缝组件，可以同时获得不同区域的全日面线源辐射，通过凹面光栅进行色散使得不同波长的光束得以分离并重新聚焦在探测器不同位置，通过主镜和光栅多层膜堆获得超窄带光谱辐射，以此同时获得多个区域的、纯净的日冕成像光谱信息，随着主镜快速视场扫描，全日面不同位置的空间结构信息和光谱信息被依次记录，通过数据拼接获得二维全日面空间信息和一维光谱信息。通过选择合适目标谱线，设置合适的狭缝数量，配置高量子效率和快速读出探测器，并优化整体结构参数，时间分辨率成倍提升，观测视场覆盖全日面，同时避免谱像混叠现象，实现全球极紫外成像光谱信息的快速探测。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一方面，本发明提供了一种全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪，依次包括前置滤光片，主镜，狭缝组件，凹面光栅以及探测器；

4、所述前置滤光片，位于最前端，用于滤除可见光和红外光；

5、所述主镜，位于所述前置滤光片的后端，用于接收太阳极紫外光束，并实现所述极紫外光束的反射聚焦；所述主镜的基底上设置多层膜堆；

6、所述狭缝组件，位于所述主镜的焦面位置，由多条等间隔的狭缝组成；所述狭缝的数量及间隔设置使得相邻狭缝的谱线不出现混叠；

7、所述凹面光栅，用于接收来自于所述狭缝组件的光束，实现色散分光及不同波长光束的重新聚焦；所述凹面光栅的基底上设置多层膜堆；

8、所述探测器，用于实现不同视场、不同波长的光束的同时接收记录。

9、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述主镜为离轴抛物面反射镜，口径d = 100 –200 mm，曲率半径r = 1000–3000 mm，所述离轴抛物面反射镜基底上设置多层膜堆。

10、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述凹面光栅为矩形槽形，口径d2=50–100mm，曲率半径r2=500–3000mm，光栅周期p=200–1000nm，占空比г =0.4–0.6，所述凹面光栅基底上设置多层膜堆。

11、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述多层膜堆由高原子序数、低原子序数的两种或多种材料周期性交替组成，每个周期的厚度d = 5 nm–50nm，多层膜周期数n = 10–40；所述高原子序数材料包括al、zr、mg、mo、和sc；所述低原子序数材料包括b4c、si和sic。

12、多层膜堆的优化规则：在观测波段提升效率，同时减小旁带，减弱多余辐射带来的混叠。本技术经过大量实验，得到客观有效的评价标准：1，尽可能提升观测波段的反射率，观测波段的反射率平均值>30%；2，反射率曲线的半高全宽δλmls尽可能和观测波段δλ接近，两者差值的绝对值|δλ-δλmls|<0.5，实验证明，满足该标准的多层膜堆可达到较好的实际效果。

13、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述主镜后面连接压电传动装置，利用主镜对垂直狭缝方向太阳视场的特定间隔、快速扫描，扫描步进间隔δ=1’’–6’’，每次扫描之后，等待探测器曝光并记录。

14、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述狭缝组件是在金属薄片上等间隔的开通狭缝，狭缝宽度a = 0.010–0.100 mm，狭缝长度b=3–20 mm，狭缝数量n=2–10，将整个日冕均分为n个区域；相邻狭缝间隔b=r tan(ф)/2(n-1)，其中ф为太阳全球观测视场，r为主镜曲率半径；狭缝数量n满足关系式：dλ = f×tan (ф/n) ×σ >δλ；dλ为相邻狭缝的光谱间距，f为光学系统的有效焦距，σ为倒数线性色散，δλ为观测波段范围大小。

15、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述探测器为背照式scmos科学级相机或快速读出ccd相机，面阵规模2k × 2k，帧频大于每秒10帧，单帧读出时间与视场扫描结构响应时间相近，进而提高扫描效率，也就是时间分辨率，曝光时间t =0.1 s – 2 s；由此可知所述全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪的时间分辨率t = t×(ф/(n-1)/δ)，ф为太阳全球观测视场，δ为扫描步进间隔。

16、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述太阳全球观测视场ф为40’，观测波段λ=10–120 nm。

17、另一方面，本发明还提供了一种全球快速扫描极紫外太阳成像光谱的方法，所述方法使用了上述的全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪，所述方法包括：

18、s1、根据太阳全球观测视场ф及观测波段λ确定所述光谱仪的参数；

19、s2、所述光谱仪的主镜位于起始位置，太阳光经前置滤光片后，滤除可见光和红外光；主镜接收通过前置滤光片过滤的太阳极紫外光束，并实现极紫外光束的反射聚焦；聚焦后的极紫外光束通过位于主镜焦面处的狭缝组件，得到不同视场的多个线光束；凹面光栅接收通过狭缝组件的多个线光束，实现色散分光及不同视场、不同波长光束的重新聚焦；探测器对不同视场、不同波长光束同时接收记录；

20、s3、主镜旋转一个步进间隔，重复步骤s2，探测器再次记录不同视场、不同波长的光束；随着主镜快速扫描旋转，全日面不同位置的空间结构信息和光谱信息被依次记录；

21、s4、分别对不同视场、不同波长的光斑进行统计并进行空间分辨率和光谱分辨率计算。

22、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s1中，所述光谱仪的参数包括：主镜口径、主镜曲率半径、凹面光栅口径、凹面光栅曲率半径、光栅周期、光栅占空比、多层膜堆材料及周期厚度、狭缝组件的狭缝数量、狭缝宽度、狭缝长度、主镜扫描步进间隔。

23、本发明的有益效果为：

24、1、目前已有的单狭缝成像光谱探测方案探测较大视场时需要较长的扫描时间；已有的多狭缝成像光谱探测方案密集地设置多条狭缝，当观测视场较大且不是独立谱线时相邻狭缝的谱线重叠范围增大，因此不能兼顾大视场探测和高时间分辨率。本发明通过合理设置狭缝数量和间隔，大幅减弱相邻狭缝的谱线重叠程度，保证探测精度，同时分别记录不同区域的太阳辐射信息，使得全日面探测的时间分辨率成倍提升。

25、2、相对于无狭缝成像光谱探测方案，本发明通过优化狭缝数量，优化整体结构参数，有效减弱谱像混叠效应，获得高质量的空间结构和光谱信息，满足cme随时间演化的精确探测。

26、3、本发明利用多条狭缝同时对不同区域的太阳进行成像和光谱信息探测，克服了单狭缝扫描全日面太阳视场时间过长的缺点，成倍的提高面源成像光谱仪的时间分辨率；利用多层膜堆实现窄带滤光，进而大大减少不同视场光谱和狭缝像混叠对反演物理参数的影响。本发明可以快速探测太阳高层大气瞬时爆发活动（耀斑、日冕物质抛射）的辐射、密度、速度等物理参数两维分布及其时间演化，对太阳物理研究和空间天气监测预报具有重要价值。