專利名稱：高效高分辨軟x射線透射光柵譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種具有高集光效率和高光譜分辨的軟X射線透射光柵譜儀。
隨著短波長光刻技術(shù)的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了刻槽間距為微米或亞微米量級的無支撐透射光柵(如刻槽間距d＝1、0.5、0.2μm的透射光柵)和各種透射光柵譜儀，如針孔透射光柵譜儀，狹縫透射光柵譜儀和帶前置反射鏡透射光柵譜儀。這些透射光柵譜儀被廣泛用于軟X射線光譜研究，高溫等離子體診斷和軟X射線激光研究。[見N.M.Ceglioet a1.，＂Time-resolved x-ray tsanemission grating spectrometer for studying laser-producedplasmas＂，Appl.Opt.22(2)，318-27(1983)；K.Eidmann et a1.，＂Absolute soft x-raymeasurements with a transmission grating spectrometer，＂Laser and Particle Beams，4(3～4)，521-36(1986)；J.L.Bourgade et al.，”SPARTUVIXA time-resolved XUV transmissiongrating spectrograph for x-ray laser research，＂Rev.Sci.Instrum.59(8)，1840-2(1988)]。針孔或狹縫透射光柵譜儀僅僅在光柵前方加一針孔(針孔透射光柵譜儀)，或一狹縫(狹縫透射光柵譜儀)，結(jié)構(gòu)簡單，因此對準(zhǔn)方便，但譜儀的集光效率受到幾十微米量級的針孔或狹縫線度的嚴(yán)重限制。同時這種線度的針孔或狹縫也嚴(yán)重限制了參于衍射的光柵刻線總數(shù)N(譜儀的光譜分辨率λ/Δλ～N)，加上源加寬的影響，使譜儀的光譜分辨Δλ很低。對d＝1μm的透射光柵譜儀的光譜分辨Δλ一般在3～5之間。帶前置反射鏡的透射光柵譜儀，雖然改善了譜儀的集光效率，增加了參于衍射的光柵刻線總數(shù)，但由于受到源加寬的影響，譜儀的光譜分辨仍然很低。
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有透射光柵譜儀集光效率低和光譜分辨低的缺陷發(fā)明一種增大譜儀的集光立體角和參于衍射的光柵刻線總數(shù)，克服源加寬對光譜分辨的影響，具有高集光效率和高光譜分辨的軟X射線透射光柵譜儀。
圖1為本發(fā)明的高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀結(jié)構(gòu)示意圖。高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀含有由室壁803和兩端裝有前法蘭801和后法蘭802所構(gòu)成的真空室8，在真空室8內(nèi)置有光具座9，真空室8的前法蘭801是空心的，而且與待測光源1相連，待測光源1的光束通過空心的前法蘭801進入真空室8內(nèi)。沿著光路前進的方向，由真空室8的前法蘭801至后法蘭802依次安置在真空室8內(nèi)的光具座9上有前置反射鏡組件2，置于前置反射鏡201焦面上的狹縫組件3，光闌組件4，聚焦反射鏡組件5，透射光柵組件6和置于聚焦反射鏡(501)與透射光柵(601)共同形成的光譜焦面上的暗盒組件7。
所說的前置反射鏡組件2由置于前置反射鏡座202上的前置反射鏡201，裝在真空室8內(nèi)光具座9上的前置反射鏡支架203，及裝于前置反射鏡支架203上的前置反射鏡座202所構(gòu)成。前置反射鏡201為一柱面反射鏡，其母線與狹縫301的縫長方向平行，也可用加工精度高費用低的球面反射鏡替代；反射表面涂有反射膜，如金膜，或為擴展短波范圍，也可涂鎳膜。前置反射鏡座202能作二維轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)，前置反射鏡支架203能作高低調(diào)節(jié)和左右平移。
狹縫組件3由縫長方向為水平方向的置于狹縫座302上的狹縫301，固定于光具座9上的狹縫支架303和置于狹縫支架303上的狹縫座302所構(gòu)成。水平放置的狹縫301為一般譜儀通用狹縫，其寬度可調(diào)(0～3mm)，也可用一組寬度不同的固定狹縫替代。狹縫座302能作高低調(diào)節(jié)，狹縫支架303能作高低調(diào)節(jié)和左右平移。
光闌組件4包含固定于光具座9上的光闌支架402上的光闌401。光闌401上有一水平矩形開口并能在光闌支架402上作上下移動。光闌支架402能作左右平移。
聚焦反射鏡組件5含有固定于光具座9上的聚焦反射鏡支架503，固定聚焦反射鏡支架503上的聚焦反射鏡座502，在聚焦反射鏡座502上有聚焦反射鏡501。聚焦反射鏡501為一柱面反射鏡，其母線與狹縫301的縫長方向平行，也可用加工精度高費用低的球面反射鏡替代，反射表面涂有反射膜如金膜，或為擴展短波范圍，也可涂鎳膜。聚焦反射鏡座502能作二維轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)和高低微調(diào)，聚焦反射鏡支架503能作高低調(diào)節(jié)和左右平移。
透射光柵組件6由置于透射光柵座602上的透射光柵601，固定于光具座9上的透射光柵支架603和裝于透射光柵支架603上的透射光柵座602所構(gòu)成。起衍射作用的透射光柵601放在聚焦反射鏡501的出射端。透射光柵601的刻線與狹縫301縫長方向平行。透射光柵601為大面積的透射光柵，由金制成，無基底，通?？叹€周期d為1μm，占孔比為1∶1，也可用其他刻線周期的透射光柵。透射光柵座602能作三維轉(zhuǎn)動微調(diào)。透射光柵支架603能作高低調(diào)節(jié)和左右平移。
暗盒組件7含有置于在光具座9上的暗盒支架704上的帶有電動中心快門705的暗盒座703，在暗盒座703上置有暗盒702，在暗盒702內(nèi)有軟X射線探測器701，安放在暗盒702內(nèi)的軟X射線探測器701的表面與由聚焦反射鏡501和透射光柵601共同形成的譜儀焦面相互重合。軟X射線探測器701是軟X射線底片，或者是軟X射線光電探測器，如CCD(電荷耦合器件)相機，或帶有熒光轉(zhuǎn)換屏的光電二極管列陣(OMA)，或軟X射線條紋相機。暗盒702為一般譜儀常用暗盒。暗盒座703能作二維轉(zhuǎn)動微調(diào)，暗盒支架704能作高低調(diào)節(jié)和左右平移。
安放在真空室8內(nèi)的光具座9上有均勻分布的通孔和螺孔，用來固定上述各組件的支架。真空室8如上所述是由室壁803和兩端的前后法蘭801和802所構(gòu)成。前法蘭801用來將譜儀連接到待測光源1上，待測光源1的光束通過空心的前法蘭801進入真空室8內(nèi)。移去后法蘭，可以取出暗盒702，以便在暗室內(nèi)裝取底片。真空室8可以通過光源室的真空機組排氣。
圖2為本發(fā)明的高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀的光路示意圖。沿待測光源1發(fā)射的軟X射線前進方向，依次是前置反射鏡201，狹縫301，光闌401，聚焦反射鏡501，大面積透射光柵601和軟X射線探測器701。待測光源1發(fā)射的軟X射線被前置反射鏡201成像(垂直焦線)在水平放置的狹縫301上；透過狹縫301的軟X射線經(jīng)光闌401落在聚焦反射鏡501上；聚焦反射鏡501將透過狹縫301的軟X射線，經(jīng)大面積透射光柵601衍射，按不同波長聚焦在軟X射線探測器701上，至此獲得待測光源1發(fā)射的軟X射線譜。
本發(fā)明的高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀的特點有①具有高集光效率本發(fā)明與已有技術(shù)中位于前置反射鏡位置上的50μm針孔透射光柵譜儀和50μm狹縫透射光柵譜儀相比，對于50mm長的反射鏡，當(dāng)入射角為86°時，本譜儀的接收角增大近70倍，因此譜儀的集光效率得到了很大的提高。
②具有高光譜分辨已有的透射光柵譜儀，由于受到光柵有限線度的限制，獲得的光譜都有嚴(yán)重的源加寬；由于受到針孔和狹縫線度的限制，只幾十條光柵刻線參于衍射，因此光譜分辨低，一般為3～5。本發(fā)明采用受狹縫限制的次級光源和聚焦反射鏡形成的垂直焦線，以及大面積透射光柵，使這種帶前置光學(xué)系統(tǒng)的透射譜儀的光譜分辨Δλ可達到1以下，即Δλ＜1。若用每毫米5000條刻線的高密度光柵取代每毫米1000條刻線的低密度光柵，光譜分辨可進一步提高到0.1以下。
③具有平直光譜焦面本發(fā)明譜儀仍有平直的光譜焦面，有利于與平直接收面的光電探測器耦合。
④費用低透射光柵的價格與光柵的刻線密度有關(guān)。由于本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，對光柵元件的要求不苛刻，可采用刻線密度較低的光柵(每毫米1000條刻線)，因此造價低。用球面反射鏡作前置和聚焦反射鏡，也會使加工費用下降。
⑤用途廣本發(fā)明采用由兩塊柱面(或球面)反射鏡201，501組成的帶狹縫前置光學(xué)系統(tǒng)和大面積透射光柵601構(gòu)成高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀，不僅使譜儀的集光效率有很大的提高，而且克服了源加寬對光譜分辨的影響，增加參于衍射的光柵刻線總數(shù)，使譜線的光譜分辨有很大的提高。因此本譜儀可以用來探測弱X射線源如功率很高但能量很低的超短脈沖激光產(chǎn)生的等離子體或發(fā)射面積很大的X射線廣光源的軟X射線光譜。


圖1為本發(fā)明的高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀的光路示意圖。
實施例①譜儀參數(shù)如圖1和圖2所示的結(jié)構(gòu)，選取各元件的參數(shù)是前置反射鏡201為曲率半徑為3315mm，長55mm的柱面反射鏡，前置反射鏡201距待測光源1為408mm，距狹縫01為128mm。當(dāng)入射角為86.63°時，前置反射鏡201的柱面反射鏡把光源成像在狹縫301上，放大倍數(shù)為0.31(縮小像)。狹縫301的寬度為20μm。從聚焦反射鏡501向狹縫301方向看，形成了子午面中寬度為20μm的次級光源。聚焦反射鏡501為曲率半徑為5000mm，長70mm的球面反射鏡，聚焦反射鏡501距狹縫301為234mm，它將透過狹縫301的次級光源光束，經(jīng)過1000條/毫米刻線的大面積的透射光柵601，成像在暗盒702內(nèi)置于光譜焦面上的軟X射線探測器701上。大面積透射光柵601和軟X射線探測器701表面距球面的聚焦反射鏡501分別為44mm和294mm。光束在球面的聚焦反射鏡501上的入射角為87.01°大面積透射光柵601寬1.2mm，刻線周期為1μm，其刻線與狹縫301縫長方向平行。軟X射線探測器701選用軟X射線底片②攝譜實驗具有上述結(jié)構(gòu)參數(shù)的譜儀在中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所115高功率釹玻璃激光裝置(1.06μm，～5J，200ps)上進行了硅靶激光等離子體光譜實驗。用本發(fā)明譜儀和SIOFM-5FW軟X射線底片，一發(fā)打靶就能獲得很好曝光且獲十分清晰的硅軟X射線光譜。在獲得的光譜中Si XII 5f-3d(88.84)和5d-3p(87.28)，SiXII6f-3d(75.83)和6d-3p(74.64)兩組雙線已被清晰地分開。這兩組雙線的波長差Δλ分別為1.56和1.19，表明本發(fā)明譜儀的光譜分辨已達到1左右。實驗所用的大面積的透射光柵601寬度為1.2mm，參于衍射的光柵刻線約1200條。用寬度更大的光柵，或刻線密度更高的光柵，預(yù)計光譜分辨將要好于0.5或更小。
權(quán)利要求
1.一種高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀，包含由室壁(803)和兩端裝有前法蘭(801)和后法蘭(802)所構(gòu)成的真空室(8)，真空室(8)內(nèi)置有光具座(9)，真空室(8)的前法蘭(801)與待測光源(1)連接，在真空室(8)內(nèi)光具座(9)上置有狹縫組件(3)，光闌組件(4)和透射光柵組件(6)，其特征在于具體結(jié)構(gòu)是置于真空室(8)外前法蘭(801)之前的待測光源(1)的光束通過空心的前法蘭(801)進入真空室(8)內(nèi)，在真空室(8)內(nèi)由前法蘭(801)至后法蘭(802)之間，沿著光路前進的方向，依次安置在光具座(9)上有前置反射鏡組件(2)，置于前置反射鏡(201)焦面上的狹縫組件(3)，光闌組件(4)，聚焦反射鏡組件(5)，透射光柵組件(6)和置于聚焦反射鏡(501)與透射光柵(601)共同形成的光譜焦面上的暗盒組件(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于前置反射鏡組件(2)由固定在真空室(8)內(nèi)光具座(9)上的前置反射鏡支架(203)，置于前置反射鏡支架(203)上的前置反射鏡座(202)和置于前置反射鏡座(202)上的前置反射鏡(201)所構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于狹縫組件(3)由固定于真空室(8)內(nèi)光具座(9)上的狹縫支架(303)，在狹縫支架(303)上的狹縫座(302)和在狹縫座(302)上置有縫長方向為水平方向置放的狹縫(301)所構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于光闌組件(4)包含固定于光具座(9)上的光闌支架(402)和在光闌支架(402)上置有帶有一水平矩形開口的光闌(401)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于聚焦反射鏡組件(5)含有固定于光具座(9)上的聚焦反射鏡支架(503)，在聚焦反射鏡支架(503)上有聚焦反射鏡座(502)和在聚焦反射鏡座(502)上置有聚焦反射鏡(501)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于透射光柵組件(6)是由固定于光具座(9)上的透射光柵支架(603)，置于透射光柵支架(603)上的透射光柵座(602)和置于透射光柵座(602)上的大面積的光柵刻線與狹縫(301)縫長方向平行的透射光柵(601)所構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于置于光具座(9)上的暗盒組件(7)是由固定于光具座(9)上的暗盒支架(704)，裝于暗盒支架(704)上有帶有電動中心快門(705)的暗盒座(703)，置于暗盒座(703)上有暗盒(702)，在暗盒(702)內(nèi)裝有軟X射線探測器(701)所構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于前置反射鏡(201)是反射表面涂有反射膜的柱面反射鏡，或者是球面反射鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或5的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于聚焦反射鏡(501)是反射表面涂有反射膜的柱面反射鏡，或者是球面反射鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或7的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于置于暗盒(702)內(nèi)的軟X射線探測器(701)是軟X射線底片，或者是軟X射線CCD相機，或者是帶有熒光轉(zhuǎn)換屏的光電二極管列陣(OMA)，或者是軟X射線條紋相機。
全文摘要
本發(fā)明是一種高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀。含有在真空室內(nèi)光具座上沿著光路前進的方向，由真空室的前法蘭至后法蘭依次置放前置反射鏡組件，狹縫組件，光闌組件，聚焦反射鏡組件，透射光柵組件和暗盒組件。譜儀具有高集光效率即其接收角比已有技術(shù)提高了幾十倍，高光譜分辨即光譜分辨Δλ＜1，還具有平直的光譜焦面，而且由于結(jié)構(gòu)合理，對光柵元件要求不苛刻，因此造價低，用途廣。
文檔編號G01J3/18GK1166595SQ9611663
公開日1997年12月3日 申請日期1996年12月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月26日
發(fā)明者范品忠, 劉亞青, 李儒新 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所