专利名称：真空紫外时空分辨光谱仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种真空紫外光谱仪。
在真空紫外(VUV)尤其是极紫外(XUV)光谱区，由于没有适合于制造透镜光学系统的透明材料，并且在不大的入射角下金属反射镜的反射系数也非常低，因此只能采用凹球面光栅作为色散元件。与平面光栅谱仪相比较，凹球面光栅光谱仪的显著优点是只有一个反射面，从而最大限度地减少了反射损失，但缺点也同样突出，这就是由于像散，基本上丧失了空间分辨能力。因此，同时进行真空紫外光谱的时间、空间分辨测量便始终成为光学测量领域的难题之一。
而另一方面，在磁约束托卡马克等离子体中，伴随着加热手段的改善和离子温度的升高，杂质离子因被多次电离而形成高离化态光谱，并且强辐射线大都落在真空紫外区域，因此真空紫外光谱的时空分辨测量就成为托卡马克等离子体杂质输运行为研究不可缺少的重要手段。目前在多数托卡马克装置上，仍普遍采用真空紫外谱仪前置反射镜技术，通过逐次扫描的方式获取等离子体不同空间的辐射信息，但这种方法的前提是依赖托卡马克的连续重复放电，而实际上由于等离子体的微观行为非常复杂，连续的完全重复放电通常难以实现，因此这就决定了上述方法存在较大的测量误差。可见，在这一领域内，对于能同时进行真空紫外光谱的时间、空间分辨测量的“时空分辨光谱仪”的需要是很迫切的。
本实用新型的目的就是为了解决以上问题，提供一种真空紫外时空分辨光谱仪，可以对连续或脉冲光源实现真空紫外光谱的时空分辨测量。
本实用新型实现上述目的的方案是一种真空紫外时空分辨光谱仪，包括入射狭缝S1、光栅G和出射狭缝S2，其特征是所述光栅G是柱面光栅，柱面光栅的刻划面为其凹面，入射狭缝S1和出射狭缝S2平行于所述柱面光栅G的母线，多个水平放置的隔板均匀地将入射狭缝S1、光栅G和出射狭缝S2分成多个光路通道。
采用以上方案的有益效果由于柱面光栅的采用，既保留了凹球面光栅的集光本领，又可以沿光栅母线方向自由地划分成特性完全相同的若干段(用挡板隔开)，这样让每一段独立工作(但统一调节)，便可达到空间分辨测量的目的。
图1是凹面光栅成像原理示意图。
图2是本实用新型实施例柱面光栅光谱仪内部结构示意图。
图3是本实用新型实施例柱面光栅光谱仪外型示意图。
图4是本实用新型实施例柱面光栅光谱仪水平分隔示意图。
图5是本实用新型实施例柱面光栅光谱仪每个通道的水平展开示意图。
下面通过具体的实施例并结合附图对本实用新型作进一步详细的描述。
实施例一见图2、3、4、5，所示真空紫外时空分辨光谱仪包括入射狭缝S1、光栅G和出射狭缝S2，所述光栅G是柱面光栅，柱面光栅的刻划面为其凹面，入射狭缝S1和出射狭缝S2平行于所述柱面光栅G的母线，多个水平放置的隔板均匀地将入射狭缝S1、光栅G和出射狭缝S2分成多个光路通道。入射狭缝S1、光栅G和出射狭缝S2按罗兰园分布。柱面光栅刻槽形状是三角槽形，沿弦等分。光谱仪外壳符合真空密封条件，并附带真空抽气系统。
为了便于说明问题，下面先介绍柱面光栅的成像原理，然后对设计方案进行描述。
1柱面光栅成像原理1.1椭球面光栅成像理论自H.A.Rowland创造性地将平面光栅和凹面镜结合提出凹面光栅以来，其成像理论被不断发展，Namioka早在1961年就对椭球面光栅的成像理论进行了研究对一块椭球面光栅，按图1建立坐标系，并设椭球面在X、Y和Z轴上的半轴长度分别为a、b、c，则其聚焦条件为cos2αr-ab2cosα+cos2βr′-ab2cosβ=0----(1)]]>方程(1)的一个解是r=b2acosα,r′=b2acosβ----(2)]]>这在图1中的XY平面内表示一个直径为
的园，和凹球面光栅中的罗兰园相似，习惯上称其为等效罗兰园。
对椭球面光栅，点光源对应的象散像长度是Z=L(1+secαcosβ)|1-b2c2cosαcosβ|----(3)]]>光栅最佳宽度为Wopt=2.12[2R3dmtg(α+β2)cosαcosβ|1-(R/a)cosαcosβ|]1/4----(4)]]>这里L为光栅高度，d为光栅常数，m为光谱级次。
考虑到高度为l的线光源，则(3)式变为Z=lcosβcosα+L(1+secαcosβ)|1-b2c2cosαcosβ|----(5)]]>1.2柱面光栅的基本特性实际上，椭球面光栅有两个特例当a＝b＝c＝R时，便是我们通常使用的凹球面光栅；当a＝b＝R，c→∞时，则是本实用新型所涉及的柱面光栅。因此，如果R相同，则对凹球面光栅和柱面光栅(2)式均可表示为r＝Rcosα，r′＝Rcosβ(6)点光源对应的象散像长度是
凹球面光栅Z＝L(1+secαcosβ)(1-cosαcosβ)(7)柱面光栅Z＝L(1+secαcosβ)(8)由此可以得出如下结论(1)对于正入射系统，如Seya-Namioka装置，点光源的柱面光栅象散像长度约为凹球面光栅的三倍；(2)对于掠入射系统，柱面光栅与凹球面光栅的象散像长度几乎相等，也就是说在掠入射条件下使用柱面光栅，并不引起额外的光能量损失。
2柱面光栅光谱仪设计方案尽管柱面光栅同样存在象散问题，但不同的是它既保留了凹球面光栅的集光本领，又可以沿光栅母线方向自由地划分成特性完全相同的若干段(用挡板隔开)，这样让每一段独立工作(但统一调节)，便可达到空间分辨测量的目的。
图2和图3是柱面光栅单色仪的内部结构和外型的设计方案。在入射狭缝、光栅和出射狭缝之间拟采用水平放置的隔板均匀地分成十道(如图4)，由于该谱仪采用掠入射结构工作于真空紫外波段，因此它还需配备真空抽气系统，为便于与光源(如托卡马克真空室)连接，在单色仪入射端(入射狭缝前)采用法兰盘结构，出射狭缝处真空紫外信号先经传统的水杨酸钠转换，再由光纤传光束引出并进行分道探测。
图4、图5是柱面光栅单色仪水平分隔示意图和每个通道的水平展开图，水平隔板需与光栅和出射狭缝均保持一定的间隔，以便于光栅的转动和出射狭缝沿罗兰园的移动。
按罗兰园理论，这里r＝Rcosα，r’＝Rcosβ，假设被测光源的中心面P与入射狭缝的距离为s，通道高度(相邻隔板间距)为h，则由几何关系可以得出单色仪每个通道对应的空间分辨率为Δ=2s+r+r′r+r′h=[1+2sR(cosα+cosβ)]h----(8)]]>可见，在其满足时间分辨的同时，也满足了空间分辨的要求。
权利要求1.一种真空紫外时空分辨光谱仪，包括入射狭缝S1、光栅G和出射狭缝S2，其特征是所述光栅G是柱面光栅，柱面光栅的刻划面为其凹面，入射狭缝S1和出射狭缝S2平行于所述柱面光栅G的母线，多个水平放置的隔板均匀地将入射狭缝S1、光栅G和出射狭缝S2分成多个光路通道。
2.如权利要求1所述的真空紫外时空分辨光谱仪，其特征是入射狭缝S1、光栅G和出射狭缝S2按罗兰园分布。
3.如权利要求1或2所述的真空紫外时空分辨光谱仪，其特征是柱面光栅刻槽形状是三角槽形，沿弦等分。
4.如权利要求1或2所述的真空紫外时空分辨光谱仪，其特征是光谱仪外壳符合真空密封条件，并附带真空抽气系统。
5.如权利要求3所述的真空紫外时空分辨光谱仪，其特征是光谱仪外壳符合真空密封条件，并附带真空抽气系统。
专利摘要本实用新型涉及一种能在真空紫外波段获得光谱信息时空分布图像的光谱仪器,包括入射狭缝,光栅和出射狭缝。它利用柱面光栅作为色散元件,工作于掠入射状态,通过安装水平隔板,将同一块柱面光栅划分成性能完全相同的若干段,让每一段独立工作。该谱仪可以对连续或脉冲光源实现真空紫外光谱时空分辨测量。本光谱仪可用于托卡马克等离子体的真空紫外光谱诊断,具有接收立体角易算和更接近Abel变换条件等优点。
文档编号G01J3/20GK2391184SQ99246219
公开日2000年8月9日 申请日期1999年9月29日 优先权日1999年9月29日
发明者林晓东 申请人:深圳大学师范学院