專利名稱：高分辨x射線橢圓彎晶譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及彎晶譜儀，特別是一種高分辨X射線橢圓彎晶譜儀。
背景技術(shù)：
在慣性約束聚變(Inertial Confinement Fusion,簡稱ICF)領(lǐng)域等實驗研究中還存在許多爭論尚待解決，有些正是由于譜儀的分辨率達不到所致。另外，譜儀的分辨率也是譜儀研制追求的重要指標。 激光轉(zhuǎn)換X射線的物理過程包括激光吸收、電子傳熱、非平衡輻射流體力學和原子動力學等過程問題，現(xiàn)象非常復雜。等離子體輻射的X射線線譜及輻射連續(xù)譜中包含有大量等離子體狀態(tài)信息，因為這些輻射X射線強度及譜線輪廓完全由等離子體的電子溫度、電子密度、離子溫度、離子密度和各種離子的豐度決定。因此診斷激光等離子體發(fā)射的X射線能譜，在激光與物質(zhì)相互作用、X射線激光、ICF和激光等離子體X射線光源等實驗研究中起著非常重要的作用。因此，X射線晶體譜儀正是在這樣的背景下發(fā)展起來的，并已在X射線激光和ICF領(lǐng)域等實驗研究中，為獲得更高精度的數(shù)據(jù)、觀察到理論所預言的現(xiàn)象，以及發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象新規(guī)律的過程中發(fā)揮了非常重要的作用。晶體譜儀按結(jié)構(gòu)類型可分為平面晶體譜儀、凸面晶體譜儀和凹面彎曲晶體譜儀等類型。凹面彎曲晶體譜儀包含Johann型晶體譜儀、Johansso型晶體譜儀、VonHamos型晶體譜儀、球面晶體譜儀、超球面晶體譜儀、對數(shù)螺線晶體譜儀，還有橢圓彎晶譜儀等。比較各種X射線晶體譜儀的測譜方法可以發(fā)現(xiàn)，利用橢圓彎晶分光進行光譜測量是其中綜合指標最好的技術(shù)，且橢圓彎晶制作工藝和價格目前非常適宜，因而被公認為最具前景又可行的方法之一。橢圓彎晶也是當今唯一可以實現(xiàn)大譜窗、高分辨能力、有好的集光效率、長的工作距離以及使用方便等集于一身的能譜儀，利用橢圓幾何光學原理的特殊性抑制或屏蔽實驗中大量雜散光對有用信息的影響，使獲取高對比度高能譜分辨能力的X射線譜圖成為可能。為此，國內(nèi)外高校、科研院所對橢圓彎曲晶體譜儀及其應用研究特別感興趣，并開展了大量的研究工作。在國內(nèi)，這方面最具代表性的工作是重慶大學光電工程學院肖沙里小組在國家863高技術(shù)項目的資助下，利用橢圓幾何光學從一個焦點發(fā)出的光線經(jīng)橢圓凹面反射必匯聚于另一焦點的性質(zhì)，結(jié)合布拉格(Bragg)衍射定律2dsin θ =ηλ ,其中d是晶體的晶面間隔；Θ是Bragg衍射角；n是衍射級次；λ為入射光波長。重慶大學光電工程學院研制的X射線橢圓彎晶譜儀，橢圓的離心率和焦距分別為O. 9586和1350mm，其結(jié)構(gòu)簡易圖如圖I所示。圖中0Α、0Β為X射線橢圓彎晶譜儀的橢圓彎晶02的兩個焦點，帶調(diào)整平臺的橢圓彎晶02，探測器04。工作原理光源放在OA點位置，光源發(fā)出的光輻照在橢圓彎晶02上，經(jīng)橢圓彎晶02的衍射或反射后的光色散在探測器04診斷面上，實現(xiàn)光譜分辨測量。利用X射線橢圓彎晶譜儀，采用X射線膠片或X射線CCD或X射線條紋相機相繼作為探測器，在“星光II”和“神光II”激光裝置上對激光等離子體輻射X射線能譜進行了測量考核，并證實其是否達到預期效果。但從有關(guān)用X射線橢圓型彎曲晶體譜儀測量光譜的實驗數(shù)據(jù)來看，實驗結(jié)果并不十分理想，譜分辨能力(λ/Λ λ)僅有486(參見參考文獻肖沙里，唐躍林，熊先才，鐘先信，高潔，楊國洪.X射線橢圓彎晶譜儀實驗研究[J].光學精密工程，2004，12(4) :415-419)，與平面晶體譜儀比較，實測譜分辨率和信噪比并沒有真正的提高，且與理論值相差甚遠。究其原因，除工藝外，可能有在高溫等離子體中，由于異常的高溫、高壓和極其復雜的電磁場產(chǎn)生各種復雜的磁流體運動過程，并產(chǎn)生各種形式的輻射，既有自由-自由過程和自由-束縛過程的輻射的連續(xù)譜，又有束縛-束縛躍遷過程輻射的特征線譜，能譜豐富，能譜范圍一般是從幾十eV到幾keV，甚至十幾keV的大范圍，僅采用濾片很難以取得非常令人滿意的結(jié)果，主要是高能X輻射可能會模糊甚至掩蓋所需的真實圖像，對診斷系統(tǒng)產(chǎn)生不利的背景輻射。另外，影響能譜分辨本領(lǐng)的主要因素還有布拉格角和色散角。對應于一定的色散角，布拉格角越大，分辨本領(lǐng)越高；對于一定的布拉格角，色散角越小分辨本領(lǐng)就越高。由于實驗條件的限制，布拉格角的提高是有限的，所以為了提高分辨本領(lǐng)，就要盡可能地降低色散角。但色散角與很多因素有關(guān)。除有譜儀外在的因素所引起的譜線展寬(例如自然展寬、多普勒展寬、場致展寬、碰撞展寬等)，還有晶體譜儀內(nèi)在的因素所引起的譜線展寬(如由于晶體的衍射特性和分光晶體結(jié)構(gòu)本身，以及晶體加工制作造成的缺陷引起的展寬、晶體的晶格常數(shù)隨著溫度的變化引起的展寬、探測器的空間分辨本領(lǐng)引起的展寬、還有晶體和光源空間尺寸引起的幾何像差所引起的展寬等)對實測能譜分辨能力的影響?；赬射線橢圓彎晶在實際應用中還不能夠充分突顯出自身的優(yōu)勢和 潛能，存在能譜分辨能力不高和信噪比不理想等現(xiàn)實問題。解決上述問題是十分必要的。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有的X射線橢圓彎晶譜儀的技術(shù)不足，提出一種高分辨X射線橢圓彎晶譜儀，該彎晶譜儀應具有更高實測光譜分辨率，信噪比更好的譜圖。本實用新型的技術(shù)解決方案如下一種高分辨X射線橢圓彎晶譜儀，包括橢圓彎晶和探測器，其特征是所述的橢圓彎晶的兩個焦點按光束前進方向稱為前焦點和后焦點，在所述的前焦點設置輻射光源，在所述的后焦點設置濾片狹縫組件，且后焦點位于該濾片狹縫組件的狹縫中，在輻射光源發(fā)出的光路上設置掠入射鏡裝置。所述的濾片狹縫組件的構(gòu)成是將濾片框和長條狹縫重疊并固定在組合框上。所述的掠入射鏡裝置由平面鏡和擋光板構(gòu)成，該擋光板的一邊與所述的掠入射鏡平面垂直并構(gòu)成通光窄縫，確保光源發(fā)出的光僅限于經(jīng)所述的平面鏡反射的光才能入射到所述的橢圓彎晶上，并形成衍射分光。所述的診斷系統(tǒng)為X射線膠片、成像板(Imaging plate,簡稱IP)或X射線(XD相機。本實用新型的技術(shù)效果如下本實用新型利用光線追跡法對在X射線橢圓彎晶譜儀中，增加掠入射鏡、濾片和狹縫組件光學元件進行了建模仿真，對原有的X射線橢圓彎晶譜儀不作任何變更，即可達到有效地提高譜圖的信噪比3倍和實測能譜分辨能力達到1000。同時，這些仿真特性在“神光II”激光裝置上對高分辨X射線橢圓彎晶譜儀的綜合考核中也得到了進一步的體現(xiàn)或證實。
圖I是現(xiàn)有X射線橢圓彎晶結(jié)構(gòu)和工作原理簡易圖圖中0Α、0Β分別為橢圓兩個焦點；發(fā)光源位于OA ；02橢圓彎晶；04探測器。圖2是本實用新型高分辨X射線橢圓彎晶譜儀的結(jié)構(gòu)簡圖。圖中A、B分別為橢圓彎晶的前焦點和后焦點；發(fā)光源位于A ;1_掠入射鏡系統(tǒng)；2-橢圓彎晶；3_濾片和狹縫組件；4_探測器。圖3狹縫和濾片組件結(jié)構(gòu)示意圖圖中31組合框；32可調(diào)狹縫，范圍0. I IOmm ;33濾片框。圖4為本實用新型裝置光路上有關(guān)節(jié)點的光譜示意圖圖。·圖5是IP記錄的鈦離子譜線原始譜圖圖6為圖5空間積分后的鈦離子譜線平均光強度分布圖圖7是CXD記錄的鋁離子譜線原始圖圖8為圖7空間積分后的鋁離子譜線平均光強度分布圖
具體實施方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本實用新型作進一步說明，但不應以此限制本實用新型的不會范圍。先請參閱圖2，圖2是本實用新型高分辨X射線橢圓彎晶譜儀的結(jié)構(gòu)簡圖。由圖可見，本實用新型高分辨X射線橢圓彎晶譜儀，包括橢圓彎晶2和探測器4，所述的橢圓彎晶2的兩個焦點按光束前進方向稱為前焦點A和后焦點B，在所述的前焦點A設置輻射光源，在所述的后焦點B設置濾片狹縫組件3，且后焦點B位于該濾片狹縫組件3的狹縫中，在輻射光源發(fā)出的光路上設置掠入射鏡裝置I。本實用新型高分辨X射線橢圓彎晶譜儀的特點其一，是在光源和橢圓彎晶之間增加一個掠入射鏡裝置，利用掠入射鏡的全反射特性截斷實驗中的高能X射線，所述的掠入射鏡裝置I由平面鏡11和擋光板12構(gòu)成，該擋光板12的一邊與所述的掠入射鏡11平面垂直并構(gòu)成通光窄縫，確保光源發(fā)出的光僅限于經(jīng)所述的平面鏡11反射的光才能入射到所述的橢圓彎晶2上并形成衍射分光。其二，是在橢圓彎晶和探測器之間增加一個濾片和狹縫組件，所述的濾片狹縫組件3的構(gòu)成是將濾片框33和長條狹縫32重疊并固定在組合框31上。詳見圖圖3。利用濾片材料對光的吸收特性，通過合理地選擇材料、厚度可以衰減，甚至完全吸收低能段的X射線；利用狹縫限制橢圓彎晶缺陷和光源尺寸對波長判讀誤差的影響程度，通過合理地選擇狹縫寬度，可以使X射線橢圓彎晶實測譜圖有足夠好的光譜分辨率和信噪比，形成高分辨X射線橢圓彎晶譜儀。工作原理前焦點A的點光源發(fā)出的光輻照到平面鏡11上經(jīng)掠入射反射，通過擋光板12有效擋光，只有讓已經(jīng)過平面鏡反射過來的光才能夠到達橢圓彎晶上進行衍射或反射，再經(jīng)過濾片和狹縫組件3色散到探測器4上，實現(xiàn)光譜分辨診斷測量。圖4為本實用新型裝置光路上有關(guān)節(jié)點的光譜示意圖圖。用文字表述為如光源發(fā)出的光強度分布圖(a)所示，經(jīng)過掠入射鏡反射后，光強度分布變?yōu)閳D(b)，從圖中發(fā)現(xiàn)高能段的X射線被截斷；又經(jīng)過橢圓彎晶，光強度分布變?yōu)閳D(C)，連續(xù)光譜或準連續(xù)譜變成了線光譜；再經(jīng)過濾片和狹縫組件后，光強度分布變?yōu)閳D(d)，低能段的X射線被吸收、雜散光被截斷，因而使探測器上有很好的清晰譜圖像成為可能。下面是本實用新型裝置的實施例實驗結(jié)果實驗案例I :激光條件倍頻(λ = O. 532 μ m);能量為1200J ;脈寬約2. 24ns,點焦，晶體材料α-石英(2d=4. 52A)，鈦靶，濾片為45μπι鈦膜，狹縫寬度為5mm，用IP記錄。圖5IP記錄的鈦離子譜線原始譜圖。圖6為鈦離子譜線譜圖。從圖6中可以推出實測能譜分辨能力(E/ΔΕ)為 1105。實驗案例2 激光條件倍頻(λ = O. 532 μ m)，能量為1000J，脈寬約2. 1ns，焦斑Φ ^ 230 μ m，晶體材料α -石英(1010，2d=8. 52A)，鋁靶，濾片為5μπι鋁膜，狹縫寬度為5mm，用C⑶接收圖像。圖7CCD記錄的鋁離子譜線原始譜圖。圖8為鋁離子譜線譜圖。從圖8中可以推出實測光譜分辨能力(λ / Λ λ )為982. 6。
權(quán)利要求1.一種高分辨X射線橢圓彎晶譜儀，包括橢圓彎晶(2)和探測器(4)，其特征是所述的橢圓彎晶(2)的兩個焦點按光束前進方向稱為前焦點(A)和后焦點(B)，在所述的前焦點(A)設置輻射光源，在所述的后焦點(B)設置濾片狹縫組件(3)，且后焦點(B)位于該濾片狹縫組件(3 )的狹縫中，在輻射光源發(fā)出的光路上設置掠入射鏡裝置(I)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高分辨X射線橢圓彎晶譜儀，其特征在于所述的濾片狹縫組件(3)的構(gòu)成是將濾片框(33)和長條狹縫(32)重疊并固定在組合框(31)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高分辨X射線橢圓彎晶譜儀，，其特征在于所述的掠入射鏡裝置(I)由平面鏡(11)和擋光板(12)構(gòu)成，該擋光板(12)的一邊與所述的掠入射鏡(11)平面垂直并構(gòu)成通光窄縫，確保光源發(fā)出的光僅限于經(jīng)所述的平面鏡(11)反射的光才能入射到所述的橢圓彎晶(2)上并形成衍射分光。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一項所述的高分辨X射線橢圓彎晶譜儀，其特征在于所述的探測器(4)為X射線膠片、成像板或X射線CXD相機。
專利摘要一種高分辨X射線橢圓彎晶譜儀，包括橢圓彎晶和探測器，其特點是所述的橢圓彎晶的兩個焦點按光束前進方向稱為前焦點和后焦點，在所述的前焦點設置輻射光源，在所述的后焦點設置濾片狹縫組件，且后焦點位于該濾片狹縫組件的狹縫中，在輻射光源發(fā)出的光路上設置掠入射鏡裝置。本實用新型具有大譜窗、較好的集光效率、長工作距離、易于調(diào)試且使用方便外，還具有較高的實測光譜分辨率和信噪比。與現(xiàn)有同類儀器相比，提高譜圖的信噪比3倍，光譜分辨率(λ/Δλ)能達到1000。
文檔編號G01N23/207GK202522529SQ201120541550
公開日2012年11月7日 申請日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月21日
發(fā)明者熊俊, 王偉, 王瑞榮, 肖沙里, 董佳欽 申請人:上海激光等離子體研究所