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(shí)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(jiǎn)稱ICF)領(lǐng)域等實(shí)驗(yàn)研究中還存在許多爭(zhēng)論尚待解決，有些正是由于譜儀的分辨率達(dá)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(biāo)。 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(xué)和原子動(dòng)力學(xué)等過程問題，現(xiàn)象非常復(fù)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?yàn)檫@些輻射X射線強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究中，為獲得更高精度的數(shù)據(jù)、觀察到理論所預(yù)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(duì)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(cè)譜方法可以發(fā)現(xiàn)，利用橢圓彎晶分光進(jìn)行光譜測(cè)量是其中綜合指標(biāo)最好的技術(shù)，且橢圓彎晶制作工藝和價(jià)格目前非常適宜，因而被公認(rèn)為最具前景又可行的方法之一。橢圓彎晶也是當(dāng)今唯一可以實(shí)現(xiàn)大譜窗、高分辨能力、有好的集光效率、長(zhǎng)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(xué)原理的特殊性抑制或屏蔽實(shí)驗(yàn)中大量雜散光對(duì)有用信息的影響，使獲取高對(duì)比度高能譜分辨能力的X射線譜圖成為可能。為此，國(guó)內(nèi)外高校、科研院所對(duì)橢圓彎曲晶體譜儀及其應(yīng)用研究特別感興趣，并開展了大量的研究工作。在國(guó)內(nèi)，這方面最具代表性的工作是重慶大學(xué)光電工程學(xué)院肖沙里小組在國(guó)家863高技術(shù)項(xiàng)目的資助下，利用橢圓幾何光學(xué)從一個(gè)焦點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)橢圓凹面反射必匯聚于另一焦點(diǎn)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(jí)次；λ為入射光波長(zhǎng)。重慶大學(xué)光電工程學(xué)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(jiǎn)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(gè)焦點(diǎn)，帶調(diào)整平臺(tái)的橢圓彎晶02，探測(cè)器04。工作原理光源放在OA點(diǎn)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(cè)器04診斷面上，實(shí)現(xiàn)光譜分辨測(cè)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(jī)相繼作為探測(cè)器，在“星光II”和“神光II”激光裝置上對(duì)激光等離子體輻射X射線能譜進(jìn)行了測(cè)量考核，并證實(shí)其是否達(dá)到預(yù)期效果。但從有關(guān)用X射線橢圓型彎曲晶體譜儀測(cè)量光譜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，實(shí)驗(yàn)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(xiàn)肖沙里，唐躍林，熊先才，鐘先信，高潔，楊國(guó)洪.X射線橢圓彎晶譜儀實(shí)驗(yàn)研究[J].光學(xué)精密工程，2004，12(4) :415-419)，與平面晶體譜儀比較，實(shí)測(cè)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(yuǎn)。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(fù)雜的電磁場(chǎng)產(chǎn)生各種復(fù)雜的磁流體運(yùn)動(dòng)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(huì)模糊甚至掩蓋所需的真實(shí)圖像，對(duì)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(duì)應(yīng)于一定的色散角，布拉格角越大，分辨本領(lǐng)越高；對(duì)于一定的布拉格角，色散角越小分辨本領(lǐng)就越高。由于實(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(cè)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(duì)實(shí)測(cè)能譜分辨能力的影響。基于X射線橢圓彎晶在實(shí)際應(yīng)用中還不能夠充分突顯出自身的優(yōu)勢(shì)和 潛能，存在能譜分辨能力不高和信噪比不理想等現(xiàn)實(shí)問題。解決上述問題是十分必要的。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)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(yīng)具有更高實(shí)測(cè)光譜分辨率，信噪比更好的譜圖。本實(shí)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(cè)器，其特征是所述的橢圓彎晶的兩個(gè)焦點(diǎn)按光束前進(jìn)方向稱為前焦點(diǎn)和后焦點(diǎn)，在所述的前焦點(diǎn)設(shè)置輻射光源，在所述的后焦點(diǎn)設(shè)置濾片狹縫組件，且后焦點(diǎn)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(shè)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(zhǎng)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(jiǎn)稱IP)或X射線(XD相機(jī)。本實(shí)用新型的技術(shù)效果如下本實(shí)用新型利用光線追跡法對(duì)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(xué)元件進(jìn)行了建模仿真，對(duì)原有的X射線橢圓彎晶譜儀不作任何變更，即可達(dá)到有效地提高譜圖的信噪比3倍和實(shí)測(cè)能譜分辨能力達(dá)到1000。同時(shí)，這些仿真特性在“神光II”激光裝置上對(duì)高分辨X射線橢圓彎晶譜儀的綜合考核中也得到了進(jìn)一步的體現(xiàn)或證實(shí)。
圖I是現(xiàn)有X射線橢圓彎晶結(jié)構(gòu)和工作原理簡(jiǎn)易圖圖中0Α、0Β分別為橢圓兩個(gè)焦點(diǎn)；發(fā)光源位于OA ；02橢圓彎晶；04探測(cè)器。圖2是本實(shí)用新型高分辨X射線橢圓彎晶譜儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖中A、B分別為橢圓彎晶的前焦點(diǎn)和后焦點(diǎn)；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(cè)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(shí)用新型裝置光路上有關(guān)節(jié)點(diǎn)的光譜示意圖圖?！D5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(qiáng)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(qiáng)度分布圖
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本實(shí)用新型的不會(huì)范圍。先請(qǐng)參閱圖2，圖2是本實(shí)用新型高分辨X射線橢圓彎晶譜儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。由圖可見，本實(shí)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(cè)器4，所述的橢圓彎晶2的兩個(gè)焦點(diǎn)按光束前進(jìn)方向稱為前焦點(diǎn)A和后焦點(diǎn)B，在所述的前焦點(diǎn)A設(shè)置輻射光源，在所述的后焦點(diǎn)B設(shè)置濾片狹縫組件3，且后焦點(diǎn)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(shè)置掠入射鏡裝置I。本實(shí)用新型高分辨X射線橢圓彎晶譜儀的特點(diǎn)其一，是在光源和橢圓彎晶之間增加一個(gè)掠入射鏡裝置，利用掠入射鏡的全反射特性截?cái)鄬?shí)驗(yàn)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(cè)器之間增加一個(gè)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(zhǎng)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(duì)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(duì)波長(zhǎng)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(shí)測(cè)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(diǎn)A的點(diǎn)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(dá)橢圓彎晶上進(jìn)行衍射或反射，再經(jīng)過濾片和狹縫組件3色散到探測(cè)器4上，實(shí)現(xiàn)光譜分辨診斷測(cè)量。圖4為本實(shí)用新型裝置光路上有關(guān)節(jié)點(diǎn)的光譜示意圖圖。用文字表述為如光源發(fā)出的光強(qiáng)度分布圖(a)所示，經(jīng)過掠入射鏡反射后，光強(qiáng)度分布變?yōu)閳D(b)，從圖中發(fā)現(xiàn)高能段的X射線被截?cái)?；又?jīng)過橢圓彎晶，光強(qiáng)度分布變?yōu)閳D(C)，連續(xù)光譜或準(zhǔn)連續(xù)譜變成了線光譜；再經(jīng)過濾片和狹縫組件后，光強(qiáng)度分布變?yōu)閳D(d)，低能段的X射線被吸收、雜散光被截?cái)?，因而使探測(cè)器上有很好的清晰譜圖像成為可能。下面是本實(shí)用新型裝置的實(shí)施例實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)案例I :激光條件倍頻(λ = O. 532 μ m);能量為1200J ;脈寬約2. 24ns,點(diǎn)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(shí)測(cè)能譜分辨能力(E/ΔΕ)為 1105。實(shí)驗(yàn)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?qǐng)D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(shí)測(cè)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(cè)器(4)，其特征是所述的橢圓彎晶(2)的兩個(gè)焦點(diǎn)按光束前進(jìn)方向稱為前焦點(diǎn)(A)和后焦點(diǎn)(B)，在所述的前焦點(diǎn)(A)設(shè)置輻射光源，在所述的后焦點(diǎn)(B)設(shè)置濾片狹縫組件(3)，且后焦點(diǎn)(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(shè)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(zhǎng)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(xiàng)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(cè)器(4)為X射線膠片、成像板或X射線CXD相機(jī)。
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(cè)器，其特點(diǎn)是所述的橢圓彎晶的兩個(gè)焦點(diǎn)按光束前進(jìn)方向稱為前焦點(diǎn)和后焦點(diǎn)，在所述的前焦點(diǎn)設(shè)置輻射光源，在所述的后焦點(diǎn)設(shè)置濾片狹縫組件，且后焦點(diǎn)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(shè)置掠入射鏡裝置。本實(shí)用新型具有大譜窗、較好的集光效率、長(zhǎng)工作距離、易于調(diào)試且使用方便外，還具有較高的實(shí)測(cè)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(dá)到1000。
文檔編號(hào)G01N23/207GK202522529SQ201120541550
公開日2012年11月7日 申請(qǐng)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(qǐng)人:上海激光等離子體研究所