CN101256144A - 真空紫外光谱检测装置 - Google Patents
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Abstract
真空紫外光谱检测装置属于光谱分析领域。该装置包括：入口狭缝(2)，凹面光栅(3)，光纤阵列(4)和平板检测器(5)。入口狭缝(2)和凹面光栅(3)安装于真空腔体(1)之中，光纤阵列(4)的一个端面与由入口狭缝(2)和凹面光栅(3)所决定的罗兰圆面重合。光纤阵列(4)的该端面涂有可将真空紫外光转化为可见光的荧光物质，另一端面分叉为多个子光纤阵列，子光纤阵列的端面为平面并分别与一个平板检测器(5)相连接。本装置有同时测量一定波长范围内真空紫外光谱的能力，并达到掠入射光栅真空紫外光谱仪的光谱和像素分辨率，检测的时间响应好且有很高的灵敏度；真空腔体内无需可移动部件，结构简单可靠。
Description
技术领域
本发明涉及真空紫外(VUV)辐射和VUV波段原子发射光谱的检测装置，是属于光谱分析领域的一种检测仪器。
背景技术
要了解聚变等离子体中杂质成分的行为规律，最基本的方法是通过发射光谱中各种核素的特征谱线来研究它们。对于典型的磁约束核聚变实验装置来说，其等离子体的放电条件大致是电子密度1019-1020m-3，电子温度0.1-10keV。这时杂质核素(离子)发出的谱线大多是位于1-200nm波长范围内的真空紫外光。因此，在保证以下条件的前提下检测这一范围内的发射光谱是我们进行杂质诊断的主要手段：首先，要保证光谱检测的同时性，即在同一时刻内得到很宽波长范围内所有谱线的强度信息；此外，因为核素种类很多(包括同一元素不同电离程度的离子，如ArII和ArIX)，谱线很可能比较接近或有交叠，因此对光谱分辨率和像素分辨率都有很高的要求；再者，因为放电时间很短，要求检测系统的时间响应足够好，而且要有很高的检测效率(灵敏度)。
目前在磁约束聚变装置上广泛使用的真空紫外光谱仪可以大致分为三个组成部分：入口狭缝、衍射光栅和平板检测器。就光栅而言，在过去的二三十年中，主要发展了反射光栅。这种光栅可以同时完成分光谱和使入射光聚焦到检测器平面的功能。根据入射角度的不同，又分为正入射光谱仪、掠入射光谱仪以及平场掠入射光谱仪。
对于波长短、能量高的真空紫外光来说，正入射时光栅的吸收损失是很严重的，并由此导致效率较低，因而工作波长通常在30nm以上。相比之下，掠入射光谱仪光栅的效率就要高很多。但尽管有效率高的优点，传统的掠入射光谱仪在同平板检测器的配合方面却存在一定的问题：实际上，入射光在经光栅分光并聚焦后，其焦点并不在同一个平面上，而是分布在罗兰圆面上。这样的话，只有平板检测器上处于中间位置的接收单元能够比较有效地工作，边缘附近的单元则面临着严重的失真而且效率低下的问题。
针对这一问题，有人设计了用环形光栅代替普通曲面光栅的平场掠入射光谱检测系统，以保证光栅的焦点分布在同一平面上。不过就目前投入使用的环形光栅检测系统来看：其聚焦长度都比较短(典型值不超过250mm，而掠入射系统可以达到2000mm以上)，这导致了较低的分辨率；其成像面积也小，检测器单元的空间密度也不能很高，这又导致了较低的像素分辨率；此外每块环形光栅覆盖的波长范围也较小，以至于覆盖1-200nm的波长范围需要用4块左右的光栅(掠入射系统可以只用1块光栅)。
此外还有一种做法就是让检测器沿着罗兰圆运动以扫描不同波长的光，例如研究某些长时间稳定放电的低温等离子体而使用的真空紫外光谱仪，但这却不能满足聚变等离子体研究最基本的时间响应的要求。
发明内容
要解决的技术问题：
同一时刻得到一定波长范围内所有谱线的强度信息，并达到普通掠入射光栅真空紫外光谱仪的光谱分辨率和像素分辨率。另外，检测的时间响应足够好，而且有很高的检测效率(灵敏度)。
综合考虑到以上问题和矛盾，本发明设想了一套新的真空紫外光谱检测装置。这个装置是基于传统的掠入射光栅系统而设计的。但对光栅与平板检测器的配合有了改进。
本发明提供了一种真空紫外光谱检测装置，其特征在于，依次包括：入口狭缝2，凹面光栅3，光纤阵列4和平板检测器5；入口狭缝2和凹面光栅3安装于真空腔体1之中，光纤阵列4的一个端面与由入口狭缝2和凹面光栅3所决定的罗兰圆面重合，光纤阵列4的该端面涂有可将真空紫外光转化为可见光的荧光物质，另一端面分叉为多个子光纤阵列，这些子光纤阵列的端面都为平面并分别与一个平板检测器5相连接。光纤阵列4与真空腔体1真空密封连接。
本发明的有益效果：
与正入射光栅系统相比，本装置使用的掠入射光栅的聚焦长度保证了非常高的光谱分辨率；罗兰圆面积很大，再加上恰当布局的子光纤阵列将各波长的光同时分别传输到多个平板检测器，在使本装置的像素分辨率得到保证的前提下，更重要的是获得了同时测量一定波长范围内所有谱线的能力，这是传统掠入射光栅系统所不具备的；本装置所使用的掠入射光栅本身就具有很高效率，因此在检测器方面，既可以使用普通的CCD面阵，也可以使用ICCD或EMCCD来进一步提高灵敏度，或用CMOS工艺的CCD来提高时间响应。
在整个系统的安装、使用和维护方面，我们设计的新系统也将具有优势：掠入射光栅属于目前比较成熟而使用较广泛的元件，相比之下，设计复杂且应用较少的环形光栅就要昂贵得多；检测系统使用CCD而不是微通道平板检测器，大大降低了对系统真空度的要求(后者因为使用高压加速电子，真空度不够时可能产生放电，而且也还必须远离聚变实验装置才能避免受到其电磁辐射的影响)；在使用时，真空腔体内没有需要调节的部件，降低了结构的复杂度。所以整体而言我们的新系统价格较不昂贵，对运行环境要求低，而且不易受到干扰。由于结构相对简单，其安装调试也很简单，而系统的维护(如更换荧光物质)也很方便。
附图说明
以示例的方式，错误！未找到引用源。给出了本发明的真空紫外光谱检测装置示意图。
具体实施方式
错误！未找到引用源。示意性地给出了本发明的具体实施例。入射狭缝2、凹面光栅3、光纤阵列4和多枚平板检测器5组成了本真空紫外光谱检测装置的光学系统。入射狭缝2平行于光栅3的母线。光栅3采用覆盖1-200nm波长范围，聚焦长度1000-2000mm的掠入射光栅。光纤阵列4的一个端面与由入射狭缝2和凹面光栅3所决定的罗兰圆面重合，覆盖一定波长范围内通过狭缝入射的真空紫外光的焦点分布。该端面还涂有将真空紫外光转化为可见光的荧光物质。光纤阵列4的另一端分叉为若干个子光纤阵列，这些子光纤阵列的端面都为平面，并分别与一个平板检测器5相连接。
真空腔体1为放置上述光学系统提供了一个真空容器。为维持真空腔体1内的真空度(以防止真空紫外光被气体大量吸收)，首先，通过管道I7连接了一个真空泵9，它通过管道II8将气体抽走；其次，光纤阵列4与真空腔体1通过密封圈6进行真空密封(当然了，光纤阵列4首先必须粘合致密，保证密封)。整个检测装置通过法兰盘10与待测的真空紫外光辐射源(典型的如托卡马克等磁约束受控热核聚变实验装置)相连接。事实上，如果可以通过法兰盘10与真空紫外辐射源共用真空抽气系统的话，管道I7和管道II8以及真空泵9可以省略。
真空紫外光11经入射狭缝2掠入射至凹面光栅3上发生色散，一定波长范围内的真空紫外光线聚焦在光纤阵列4的端面上(光线I12和光线II13之间)，被涂在该端面上的荧光物质转化为可见光。可见光通过光纤阵列4及其分叉后的多个子阵列分别传输到对应的平板检测器。平板检测器的输出信号将反映这个波长范围内的整个光谱。
Claims (1)
1、一种真空紫外光谱检测装置，其特征在于，依次包括：入口狭缝(2)，凹面光栅(3)，光纤阵列(4)和平板检测器(5)；入口狭缝(2)和凹面光栅(3)安装于真空腔体(1)之中，光纤阵列(4)的一个端面与由入口狭缝(2)和凹面光栅(3)所决定的罗兰圆面重合，光纤阵列(4)的该端面涂有可将真空紫外光转化为可见光的荧光物质，另一端面分叉为多个子光纤阵列，这些子光纤阵列的端面都为平面并分别与一个平板检测器(5)相连接；光纤阵列(4)与真空腔体(1)真空密封连接。
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