CN105067117A - 一种高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪，所述的透射光栅谱仪包括入射狭缝、透射光栅、条纹相机以及与条纹相机相匹配的光阴极狭缝和光阴极；物体发出的X射线通过入射狭缝，经透射光栅色散，形成两个分辨率不同的光谱，两光谱在空间上错位，经过条纹相机前的光阴极狭缝，挡除多余光谱，即可在条纹相机上获得高时空分辨、宽范围的X射线光谱。本发明的透射光栅谱仪在保证所测谱范围的基础上，可获得更高的谱分辨率，并且适用于时间分辨光谱的测量，对X射线谱精密测量具有广阔应用前景。
Description
技术领域
本发明属于X射线成像领域，具体涉及一种高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪。
背景技术
对X射线谱的能谱、能量和时空分布的测量已广泛应用于流体物理、材料科学、表面科学、聚变物理和天体物理中。以激光聚变为例，通过研究激光与等离子体相互作用发射的X射线谱，可以了解等离子体的详细特性，包括等离子体电子温度、离子温度以及演变过程等。透射光栅谱仪作为软X射线谱诊断的一个重要仪器，由于具有谱分辨高、测谱范围宽及结构简单，已广泛应用于软X射线谱的精密测量。
现有的透射光栅谱仪，是将透射光栅和扫描相机耦合来获得时、空分辨光谱，且透射光栅均为同一线对密度光栅，在获得时间分辨X射线光谱过程中，存在着以下不足：1.单独使用低线对密度光栅，可以测量较大范围光谱，但由于条纹相机光阴极长度限制，所测得的光谱分辨率亦受到限制；2.单独使用高线对密度光栅，可提高所获得的光谱分辨率，但由于条纹相机光阴极长度的限制，所测光谱范围受到限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪。
本发明的技术方案如下：
本发明的高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪，其特点是，所述的透射光栅谱仪包括入射狭缝元件、透射光栅元件和条纹相机，所述的入射狭缝元件、透射光栅元件和条纹相机在光路的z方向依次排布。所述的透射光栅元件上包含低线对密度光栅和高线对密度光栅。所述的条纹相机上包含光阴极狭缝元件和光阴极元件，所述的光阴极狭缝元件和光阴极元件在光路的z方向依次排布。
当激光作用于靶材上时，产生X射线，产生的X射线源通过入射狭缝元件，经低线对密度光栅和高线对密度光栅色散作用，形成两个分辨率不同的光谱，在条纹相机前加入光阴极狭缝元件，来减小两光栅色散光的干扰，挡除多余的光谱，后经条纹相机扫描，即可得到X射线光谱。其中，X射线源到透射光栅的距离为L1，透射光栅元件到光阴极狭缝元件的距离为L2。
所述的入射狭缝元件固定于透射光栅元件前面，入射狭缝元件上刻有狭缝A和狭缝B。狭缝A的长度大于低线对密度光栅的长度，中心与低线对密度光栅的中心在z方向重合；狭缝B的长度大于高线对密度光栅的长度，中心与高线对密度光栅的中心在z方向重合。狭缝A和狭缝B的宽度均为D1，狭缝宽度与光栅谱仪谱分辨率有关。
所述的透射光栅元件上包含低线对密度光栅和高线对密度光栅。低线对密度光栅线对密度为1000到2000线对/毫米；高线对密度光栅线对密度为2000到5000线对/毫米。低线对密度光栅和高线对密度光栅内侧边缘在x方向相距距离X0，其值大小由所测光谱宽度决定；低线对密度光栅和高线对密度光栅中心在y方向相距距离Y0，其值大小由所测光谱范围及光谱分辨率决定。低线对密度光栅用来测量低能段软X射线区域，高线对密度光栅用来测量中能段软X射线区域。低线对密度光栅所测量的最短和最长波长分别为和，高线对密度光栅所测量的最短和最长波长分别为和。光谱分辨率的公式如下：
(1)
式（1）中d是光栅周期，s是X射线源的光斑尺寸。
所述的条纹相机上包含光阴极狭缝元件和光阴极元件。所述的光阴极狭缝元件和光阴极元件在光路的z方向水平排布。
所述的光阴极狭缝元件上刻有狭缝C和狭缝D。狭缝C底端与狭缝D顶端在y方向对称，狭缝D底端中心与高线对密度光栅中心在z方向重合。狭缝C和狭缝D宽度均为D2。狭缝C长度为Y1，狭缝D长度为Y2。狭缝C与狭缝D内侧边缘在x方向相距距离X0，狭缝C与狭缝D宽度。
所述的光阴极狭缝元件固定于光阴极元件前，光阴极狭缝元件上刻有两个长度不同、宽度相等的狭缝，两狭缝水平相距距离X0。
光阴极狭缝可减小光栅色散光的干扰，挡除多余的光谱，为获得时间分辨光谱关键器件。同时，光阴极狭缝宽度取值大小可决定条纹相机的分辨率，取值范围为100~300微米。
所述的光阴极紧贴于光阴极狭缝后且覆盖光阴极狭缝。长度值是Y1+Y2，宽度值等于2D2+X0。X射线源的入射波长在光阴极上的色散关系可表示为：
(2)
式（1）中m为光栅衍射级数。则光阴极上色散的波长可表示为：
(3)
式（2）中d1为低线对密度光栅的周期，d2为高线对密度光栅的周期。其中第一项为狭缝C的长度Y1，第二项为狭缝D的长度Y2。Y为光阴极的长度，故Y=Y1+Y2。
此光栅谱仪的能谱分辨本领为：
(4)
本发明的高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪能够同时提高透射光栅谱仪的所测光谱范围和光谱分辨率，并且可适用于时间分辨光谱的测量，对X射线谱精密测量具有广阔应用前景。
附图说明
图1为本发明的高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪的光路结构示意图；
图2为本发明的透射光栅谱仪中的入射狭缝元件图；
图3为本发明的透射光栅谱仪中的透射光栅元件图；
图4为本发明的透射光栅谱仪中的光阴极狭缝元件图；
图5为本发明的透射光栅谱仪的光路分解图；
图中，1.X射线源2.入射狭缝元件3.透射光栅元件4.条纹相机5.光阴极狭缝元件6.光阴极元件7.狭缝A8.狭缝B9.低线对密度光栅10.高线对密度光栅11.狭缝C12.狭缝D。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
以下实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。有关技术领域的人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术方案也属于本发明的范畴。
实施例1
图1为本发明的高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪的光路结构示意图，图2为本发明的透射光栅谱仪中的入射狭缝元件图，图3为本发明的透射光栅谱仪中的透射光栅元件图，图4为本发明的透射光栅谱仪中的光阴极狭缝元件图，图5为本发明的透射光栅谱仪的光路分解图。在图1~图5中，本发明的高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪包括入射狭缝元件2、透射光栅元件3和条纹相机4，所述的入射狭缝元件2、透射光栅元件3和条纹相机4在光路的z方向依次排布。所述的透射光栅元件3上包含低线对密度光栅9和高线对密度光栅10。所述的条纹相机4上包含光阴极狭缝元件5和光阴极元件6，所述的光阴极狭缝元件5和光阴极元件6在光路的z方向依次排布。X射线源1产生的X射线经入射狭缝元件2，透射光栅元件3色散，形成两个分辨率不同的光谱，两光谱在空间上错位，经条纹相机4扫描后，获得X射线光谱。
所述的入射狭缝元件2固定于透射光栅元件3前，入射狭缝元件2上刻有狭缝A7和狭缝B。
所述的光阴极狭缝元件5上刻有狭缝C11和狭缝D12；狭缝C11底端与狭缝D12顶端在y方向对称，狭缝D12底端中心与高线对密度光栅10中心在z方向重合。
所述的光阴极元件6固定于光阴极狭缝元件5后且覆盖光阴极狭缝。
本发明的高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪可用于软X射线谱的测量。实验中选取低线对密度光栅9线对密度为2000线对/毫米，高线对密度光栅10线对密度为5000线对/毫米，两光栅面积均为1×1mm2。
透射光栅2测量能区要求覆盖100eV~5000eV（0.248nm~12.4nm），因此，。选取狭缝A7和狭缝B8宽度D1均为，X射线源1宽度为，L1=1500mm，如图5所示。同时为了使低线对密度光栅9和高线对密度光栅10对能谱分辨本领有一个平稳的过渡，在处选取能谱分辨本领为。
根据实验条件的要求，得出谱仪设计的原则有：a)覆盖全部能区；b)全部记录长度不超过光阴极大小30mm；c)能谱分辨本领为10。因此由公式（2）和（4）得光栅谱仪的设计参数。
可得优化距离，进一步求的优化后的处波长为：1.14nm，约为1.09keV。因此可以得低线对密度光栅9的所测谱范围为0.1~1.09keV，能谱分辨本领：，谱分辨率为0.11nm；高线对密度光栅10的所测谱范围为1.09~5keV，能谱分辨本领：，谱分辨率为0.05nm。同时又可求低线对密度光栅9在光阴极6上的色散长度Y1为23.9mm；高线对密度光栅10在光阴极6上的色散长度Y2为6mm。线对密度光栅9和高线对密度光栅10垂直相距距离Y0为3.5mm，水平相距距离X0为1mm。
实施例2
本实施例与实施例1的光路结构相同，不同之处是，实验中选取低线对密度光栅9线对密度为2000线对/毫米，高线对密度光栅10线对密度为5000线对/毫米，两光栅面积均为1×1mm2。低线对密度光栅9和高线对密度光栅10垂直相距距离Y0为3.5mm，水平相距距离X0为1mm。X射线源1到透射光栅3的距离L1=1500mm，透射光栅3到光阴极6的距离L2=1037mm，光阴极6的长度为30mm。
实验中选取狭缝A7和狭缝B8的宽度D1为，X射线源1宽度为。因此可得低线对密度光栅9能谱分辨本领为，谱分辨率为0.03nm，所测谱范围为0.1~0.90keV；高线对密度光栅10能谱分辨本领为，谱分辨率为0.07nm，所测谱范围为0.90~5keV。低线对密度光栅9在光阴极6上的记录长度Y1为22.8mm；高线对密度光栅10的记录长度Y2为7.14mm。
实施例3
本实施例与实施例1的光路结构相同，不同之处是，实验中透射光栅3类型可为矩形光栅，也可为单级衍射光栅。选取低线对密度光栅9线对密度为1000线对/毫米，高线对密度光栅10线对密度为3300线对/毫米，两光栅面积均为5×0.2mm2。低线对密度光栅9和高线对密度光栅10垂直相距距离Y0为6.27mm，水平相距距离X0为1mm。X射线源1到透射光栅3的距离L1=4850mm，透射光栅3到光阴极6的距离L2=1914mm，光阴极6的长度为30mm。
实验中选取狭缝A7和狭缝B8的宽度D1为，X射线源1宽度为。因此可得低线对密度光栅9能谱分辨本领为，谱分辨率为0.09nm，所测谱范围为0.1~0.89keV；高线对密度光栅10能谱分辨本领为，谱分辨率为0.03nm，所测谱范围为0.89~5keV。低线对密度光栅9在光阴极6上的记录长度Y1为22.8mm；高线对密度光栅10的记录长度Y2为7.14mm。
Claims (5)
1.一种高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪，其特征在于，所述的透射光栅谱仪包括入射狭缝元件（2）、透射光栅元件（3）和条纹相机（4），所述的入射狭缝元件（2）、透射光栅元件（3）和条纹相机（4）在光路的z方向依次排布；所述的透射光栅元件（3）上包含低线对密度光栅（9）和高线对密度光栅（10）；所述的条纹相机（4）上包含光阴极狭缝元件（5）和光阴极元件（6），所述的光阴极狭缝元件（5）和光阴极元件（6）在光路的z方向依次排布；X射线源（1）产生的X射线经入射狭缝元件（2），透射光栅元件（3）色散，形成两个分辨率不同的光谱，两光谱在空间上错位，经条纹相机（4）扫描后，获得X射线光谱。
2.根据权利要求1所述的高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪，其特征在于，所述的入射狭缝元件（2）固定于透射光栅元件（3）前，入射狭缝元件（2）上刻有狭缝A（7）和狭缝B（8），狭缝A（7）与狭缝B（8）宽度均为D1；狭缝A（7）的长度大于低线对密度光栅（9）的长度，狭缝A（7）的中心与低线对密度光栅（9）的中心在z方向重合；狭缝B（8）的长度大于高线对密度光栅（10）的长度，狭缝B（8）的中心与高线对密度光栅（10）的中心在z方向重合。
3.根据权利要求1所述的高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪，其特征在于，所述的低线对密度光栅（9）线对密度为1000到2000线对/毫米；高线对密度光栅（10）线对密度为2000到5000线对/毫米；低线对密度光栅（9）与高线对密度光栅（10）内侧边缘在x方向相距距离为X0；低线对密度光栅（9）与高线对密度光栅（10）中心在y方向相距距离为Y0。
4.根据权利要求1所述的高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪，其特征在于，所述的光阴极狭缝元件（5）上刻有狭缝C（11）和狭缝D（12）；狭缝C（11）底端与狭缝D（12）顶端在y方向对称，狭缝D（12）底端中心与高线对密度光栅（10）中心在z方向重合；狭缝C（11）与狭缝D（12）宽度相等，宽度值范围为100~300微米；狭缝C（11）长度为Y1，狭缝D（12）长度为Y2；狭缝C（11）与狭缝D（12）内侧边缘沿x方向相距距离X0。
5.根据权利要求1所述的高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪，其特征在于，所述的光阴极元件（6）固定于光阴极狭缝元件（5）后且覆盖光阴极狭缝；光阴极元件（6）的长度值是狭缝C（11）与狭缝D（12）长度之和，宽度值等于狭缝C、狭缝D及其内侧边缘沿x方向相距距离之和。
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