CN105301025B - 一种多波段晶体谱仪及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波段晶体谱仪，它包括晶体分光系统、激光辅助瞄准系统和靶室悬臂调节系统；与现有技术相比，本发明的优点为：相比于普通单晶谱仪，本发明利用锥状晶体基座设计，在有限的立体空间内，可获得三种甚至多种不同波段的X光能谱，在不牺牲能谱分辨率的前提条件下，大幅拓宽了单次实验下的能谱测量范围；相比于普通的晶体谱仪的针尖瞄准方式，本发明采用的激光辅助瞄准，在保证高瞄准可靠性的同时，简化了调节步骤，省去了针尖安装、取下等影响瞄准稳定性的步骤，节省了调整时间；采用暗盒座一体设计，整体光密性好，整个晶体外壳无任何机械连接部分，无任何缝隙，避免了机械加工时可能存在的缝隙漏光问题。

Description

一种多波段晶体谱仪及其调节方法

技术领域

本发明涉及一种晶体谱仪，具体涉及一种多波段晶体谱仪及其调节方法。

背景技术

晶体谱仪是测量短波长辐射的线性谱和连续谱的重要仪器，它使人们能够在原子尺度上去深入了解物质结构及高能密度物理条件下的物理过程。它是高能密度物理实验研究领域当中应用最为广泛的也是最重要的诊断手段之一。晶体谱仪利用晶体中原子的点阵进行光谱分析，晶体中原子间距与X光波长相近，当X光束的入射角满足晶体布拉格（Bragg）条件时，在特定方向会产生强反射，最终不同入射角的连续谱在不同的方向上形成不同波长的单色X射线，通过对高温等离子体辐射所产生的能谱进行分析，对于了解等离子体状态参数、分析强场激光作用下的物理过程具有重要意义。

晶体谱仪是基于X光在晶体表面形成布拉格衍射原理，利用晶体中的原子点阵进行光谱分析，其工作原理及光路图如附图1所示：靶点a处的X光，经狭缝板b照射到晶体c表面，形成布拉格衍射，在底片d上形成等间距的平行平面，晶体中的原子组成各种有规律排布的空间点阵，可分解为一些等间距的平行平面。若一束平行的相干光束沿着与晶面的夹角为θ的方向入射到晶面时，使得晶体原子内的电子受激振动而陈伟次级波的振源，向各个方向发出与入射波同频率的次级波，这就是相干散射过程。当某些同相散射波满足布拉格衍射条件nλ=2dsinθ（n为衍射级数n=1，2，3，...; 2d为晶格常数 ；θ为X光入射角 ；λ为入射X光波长）时，散射波会就会构成强反射X光束，不同波长的光强反射角不同，这样就通过晶体分光的方法分辨入射X光光谱。

在高能量密度物理实验当中，如何诊断超强激光产生高温稠密的等离子体状态，是实验研究开展的重要基础。高温等离子体会发射X光谱，其中包含了大量的等离子体状态参数信息。利用晶体谱仪等元件对辐射源进行解谱分析，结合一定的理论模型，从而获得等离子体的信息，应用于各类高能密度物理实验研究。

传统的晶体谱仪即以单块大尺寸的平面晶体作为分光元件，其优点是结构设计简单，测量精度高，测谱应用范围宽（可从100eV到十几个keV）。但在使用中也会存在诸多限制。

衡量晶体谱仪性能的重要参数有能谱分辨率及摄谱范围，在传统的晶体谱仪中这两个参数均受到辐射源尺寸、晶体性能、探测器接收面到晶体以及晶体到辐射源的距离影响。对于同一种晶体来说，分光晶体的对应辐射源（假设为理想点源）所张立体角的大小决定了能谱测量范围，如果在实验中需要获得较大的测谱范围，必须将晶体谱仪靠近辐射源。但晶体与辐射源之间的距离减小，辐射源展宽带来的能谱展宽将导致能谱分辨率下降，高能杂散信号也会显著增强，并会占据靶机构周围较大的空间，不利于大型综合实验当中的光路设计排布。

除此，传统的晶体谱仪还存在以下不足：一方面整个设备大多采用机械连接，因而设备的光密性不好，影响X光谱的测量；另一方面，传统晶体谱仪通常采用针尖瞄准的方式，针尖的安装和取下费时，而且影响瞄准的精确性和稳定性。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多波段晶体谱仪及其调节方法，本发明简化了晶体谱仪的调节步骤、保证了较高的精度，大幅拓宽了单次实验下的能谱测量范围。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种多波段晶体谱仪，它包括晶体分光系统、激光辅助瞄准系统和靶室悬臂调节系统；

所述晶体分光系统包括一个设有上底面的空心圆锥台外壳，所述上底面上设有狭缝板，在该狭缝板的中心处设有狭缝板通孔，在狭缝板上径向设有狭缝，狭缝的背面设有金属滤片，所述金属滤片将相对应的狭缝完全覆盖，在上底面上设有上底面通孔和上底面狭缝，所述上底面通孔与狭缝板通孔相通并同轴设置，所述上底面狭缝与狭缝相对应设置，

所述空心圆锥台外壳围成的腔体包括第一腔体和第二腔体，所述第一腔体的下底面和第二腔体的上底面之间设有凸块，所述凸块上设有遮光板，该遮光板与上底面狭缝相对应设置；

所述空心圆锥台外壳的侧壁上开设有暗盒座，所述暗盒座与遮光板相对应设置，并且暗盒座与第二腔体相通，在暗盒座的顶角均设有卡槽，所述暗盒座中卡设有暗盒，所述暗盒的腔体中依次铺设有滤片框、底片和垫片，所述滤片框上贴有暗盒滤片，暗盒滤片置于底片上，底片置于垫片上，暗盒上设有暗盒的光密封盖，在暗盒上设有暗盒滤片窗，所述暗盒滤片窗朝向第二腔体内部，所述暗盒滤片朝向第二腔体内部；

所述晶体分光系统还包括套设在空心圆锥台外壳内的晶体基座，所述晶体基座上表面设有分光晶体，分光晶体的上表面与晶体基座的上表面平行，在分光晶体周边卡设有带有卡槽的晶体压板，所述晶体压板上设有固定孔，晶体压板的两条边上通过固定孔有侧向遮光板，所述侧向遮光板包括左侧遮光板和右侧遮光板；

所述激光辅助瞄准系统包括激光器，所述激光器设置在激光器座中，所述激光器座通过螺纹连接与环形内螺纹基座相连，所述环形内螺纹基座上设有过渡筒，所述过渡筒与环形内螺纹基座相通并同轴设置，过渡筒上部设有激光定位杆，在激光定位杆上设有晶体挡板，在激光定位杆的中部设有激光通孔，所述激光通孔与过渡筒相通并同轴设置，所述环形内螺纹基座、过渡筒和激光定位杆均同轴设置，所述空心圆锥台外壳套设在在环形内螺纹基座上，所述空心圆锥台外壳和环形内螺纹基座之间通过螺栓连接，所述激光器座的外部设有接筒，

所述靶室悬臂调节系统包括三维调整机构和支架，靶室悬臂调节系统通过连接筒与激光器座相连。

所述狭缝板为圆形。

所述狭缝的数量为3-6个，狭缝均匀分布在狭缝板上，所述狭缝的宽度为0.8-1.2mm。

所述狭缝板通孔的直径为1.0mm。

所述第一腔体为空心圆锥台形腔体；第二腔体为空心圆锥台形腔体。

所述遮光板粘接在凸块上。

所述凸块为连续分布的圆环形凸台或间隔分布的凸点。

所述暗盒座为长方体槽状基座，暗盒为中空的长方体腔体。

所述晶体基座与中心轴线的夹角α为25-30°。

一种多波段晶体谱仪的调节方法，包括以下步骤：

第一步、将狭缝板3通过螺栓连接固定在上底面1上，在暗盒14的腔体中依次铺设有滤片框141、底片15和垫片16，在滤片框141上贴有暗盒滤片，然后将暗盒滤片置于底片15上，将底片15置于垫片16上，使暗盒滤片朝向第二腔体8内部；

第二步、将激光器安装到激光器座上，将靶室悬臂调节系统通过连接筒与激光器座相连，在靶位放置定位小球，通过三维调整机构将晶体谱仪进行俯仰、左右两维转动调节和前后调节，调整晶体谱仪姿态及对应到靶点的距离，打开激光器的激光电源，使激光依次穿过过渡筒、激光定位杆，最终从狭缝板中心的狭缝板通孔射出，作为瞄准激光束，使狭缝板通孔中射出的瞄准激光束照在定位小球上即可，由于机械部件已经保证激光出射位置在光轴上，因此调节量很小。

本发明中狭缝5的个数、上底面狭缝51的个数、遮光板10的个数、暗盒座11的个数、暗盒14的个数、分光晶体18的个数均为一一对应设置，即：当在狭缝板上设有3个狭缝时、在上底面上对应设有3个上底面狭缝、每个狭缝对应设有一个遮光板，空心圆锥台外壳的侧壁上开设有3个暗盒座，每个暗盒座上对应卡设有一个暗盒，在晶体基座上设有3块分光晶体，依次类推。

与现有技术相比，本发明的优点为：①相比于普通单晶谱仪，本发明利用锥状晶体基座设计，在有限的立体空间内，可获得三种甚至多种不同波段的X光能谱，在不牺牲能谱分辨率的前提条件下，大幅拓宽了单次实验下的能谱测量范围；②相比于普通的晶体谱仪的针尖瞄准方式，本发明采用的激光辅助瞄准，在保证高瞄准可靠性的同时，简化了调节步骤，省去了针尖安装、取下等影响瞄准稳定性的步骤，节省了调整时间；③采用暗盒座一体设计，整体光密性好，整个晶体外壳无任何机械连接部分，无任何缝隙，避免了机械加工时可能存在的缝隙漏光问题；④本发明中晶体基座和分光晶体之间的连接方式灵活，便于分光晶体拆卸和更换，能够适应不同波段X光能谱的测量；⑤本发明遮光板粘接在凸块上方便更换，灵活方便，而且该遮光板用于阻挡由靶点直接入射到底片上的直穿光；设置在基座两条边上的侧向遮光板，整个第二腔体划分为多个等分的空间分隔开，避免不同晶体之间的散射光干扰，降低散射噪声；⑥暗盒起数据收集作用，其设计比较灵活，便于暗盒滤片的更换，以适应不同分光晶体，直接卡设在暗盒座上，并覆盖侧向遮光板，保证系统的整体光密性良好；狭缝背面的金属滤片也可以根据具体需要更换，狭缝背面的金属滤片起限光衰减作用，整个设备设计灵活，便于使用；⑦本发明通过靶室悬臂调节系统通过连接筒与激光器座相连，保证整个系统具有良好的稳定性；⑧本发明中不同的分光晶体以相同的倾角安装在晶体基座上、可根据实验需求，选择合适的滤片获得所需测量范围内的X光能谱分布。

附图说明

以下参照附图对本发明作进一步说明，其中：

图1 为晶体分光测谱的工作原理图。

图2 为本发明整体结构图。

图3 为本发明晶体分光系统的结构图。

图4 为本发明狭缝板的俯视图。

图5为本发明中暗盒座的A向视图。

图6为本发明中暗盒座的B向视图。

图7为本发明中暗盒及其暗盒中部件的结构图。

图8为本发明中晶体压板的结构图。

图9为本发明中左侧遮光板的结构图。

图10为本发明中右侧遮光板的结构图。

图11为本发明中激光辅助瞄准系统的结构图。

图12为本发明的使用状态结构图。

具体实施方式

实施例1

如图2-图12，本实施例多波段晶体谱仪，它包括晶体分光系统、激光辅助瞄准系统和靶室悬臂调节系统；

所述晶体分光系统包括一个设有上底面1的空心圆锥台外壳2，所述上底面1上设有狭缝板3，在该狭缝板3的中心处设有狭缝板通孔4，在狭缝板3上径向设有狭缝5，狭缝5的背面设有金属滤片6，所述金属滤片6将相对应的狭缝5完全覆盖，在上底面1上设有上底面通孔41和上底面狭缝51，所述上底面通孔41与狭缝板通孔4相通并同轴设置，所述上底面狭缝51与狭缝5相对应设置；所述空心圆锥台外壳2围成的腔体包括第一腔体7和第二腔体8，所述第一腔体7的下底面和第二腔体8的上底面之间设有凸块9，所述凸块9上设有遮光板10，遮光板10粘接在凸块9上，凸块9为连续分布的圆环形凸台，该遮光板10与上底面狭缝51相对应设置；所述空心圆锥台外壳2的侧壁上开设有暗盒座11，所述暗盒座11与遮光板10相对应设置，并且暗盒座11与第二腔体8相通，在暗盒座11的顶角均设有卡槽12，所述暗盒座11中卡设有暗盒14，所述暗盒14的腔体中依次铺设有滤片框141、底片15和垫片16，所述滤片框141上贴有暗盒滤片，暗盒滤片置于底片15上，底片15置于垫片16上，暗盒14上设有暗盒的光密封盖13，在暗盒14上设有暗盒滤片窗142，所述暗盒滤片窗142朝向第二腔体8内部，所述暗盒滤片朝向第二腔体8内部；所述晶体分光系统还包括套设在空心圆锥台外壳2内的晶体基座17，所述晶体基座17上表面设有分光晶体18，分光晶体18的上表面与晶体基座17的上表面平行，在分光晶体18周边卡设有带有卡槽的晶体压板19，所述晶体压板19上设有固定孔20，晶体压板19的两条边上通过固定孔20有侧向遮光板，所述侧向遮光板包括左侧遮光板21和右侧遮光板22；所述激光辅助瞄准系统包括激光器23，所述激光器23设置在激光器座24中，所述激光器座24通过螺纹连接与环形内螺纹基座25相连，所述环形内螺纹基座25上设有过渡筒26，所述过渡筒26与环形内螺纹基座25相通并同轴设置，过渡筒26上部设有激光定位杆27，在激光定位杆27上设有晶体挡板28，在激光定位杆27的中部设有激光通孔29，所述激光通孔29与过渡筒26相通并同轴设置，所述环形内螺纹基座25、过渡筒26和激光定位杆27均同轴设置，所述空心圆锥台外壳2套设在在环形内螺纹基座25上，所述空心圆锥台外壳2和环形内螺纹基座25之间通过螺栓连接，所述激光器座24的外部设有接筒30，所述靶室悬臂调节系统包括三维调整机构31和支架32，靶室悬臂调节系统通过连接筒30与激光器座24相连。

作为优选，本实施例中狭缝板3为圆形，狭缝5的数量为3个，狭缝5均匀分布在狭缝板3上，相邻狭缝中轴线之间的夹角均为120°，每个狭缝5的宽度为均1.0mm，狭缝板通孔4的直径为1.0mm，

作为进一步优选，本实施例第一腔体7为空心圆锥台形腔体；第二腔体8为空心圆锥台形腔体；暗盒座11为长方体槽状基座，暗盒14为中空的长方体腔体。

作为更进一步优选，本实施例中晶体基座17与中心轴线的夹角α为28°。

一种多波段晶体谱仪的调节方法，包括以下步骤：

第一步、将狭缝板3通过螺栓连接固定在上底面1上，在暗盒14的腔体中依次铺设有滤片框141、底片15和垫片16，在滤片框141上贴有暗盒滤片，用于阻挡杂散光，然后将暗盒滤片置于底片15上，将底片15置于垫片16上，使暗盒滤片朝向第二腔体8内部；

第二步、将激光器23安装到激光器座24上，将靶室悬臂调节系统通过连接筒30与激光器座24相连，在靶位放置定位小球，通过三维调整机构31将晶体谱仪进行俯仰、左右两维转动调节和前后调节，调整晶体谱仪姿态及对应到靶点的距离，打开激光器23的激光电源，使激光依次穿过过渡筒26、激光定位杆27，最终从狭缝板3中心的狭缝板通孔4射出，作为瞄准激光束，使狭缝板通孔4中射出的瞄准激光束照在定位小球上即可。

本实施例中多波段晶体谱仪的衍射角范围：14º~23º，本实施例中晶体基座17与中心轴线的夹角α为28 º，即分光晶体18与中心轴线的夹角为α为28 º，晶体中心到靶点的距离设计为104mm，实际调试中以狭缝板前端到靶点距离52mm为准，保证了改晶体谱仪的测量倾角范围在14º~23º，本实施例适用的分光晶体有：

故本实施例中实际可测量的X光能谱范围涵盖0.2~1.08nm。

本实施例的实验验证：

在高功率激光联合实验室的“神光Ⅱ”高功率激光装置的打靶实验中，采用本次设计的晶体谱仪进行实验验证。实验前按照上述调节方法和步骤进行调节，并开展测量实验。采用本发明的晶体谱仪，调节简化，在确定靶室内安装位置和初步固定后，以谱仪后端的氦氖激光作为调节基准，将其瞄准到靶点，完成谱仪姿态校准，同时控制悬臂三维调节机构，将谱仪调整到正常工作位置。整个调节过程通常花费5-8分钟，相比以前的瞄准方式（省略了针孔瞄准，取放，前置滤片安装等步骤），显著减小了安装调试时间。几轮实验中，进行了不少于20发次的实验，均获得了所测能段的X光能谱图像，以PET晶体（3.47keV ~5.85keV）为例，测量得到了Ti离子在类He、类H状态下所产生的K壳层X光能谱分布。

实施例2

本实施例中狭缝的数量为6个，狭缝均匀分布在狭缝板上，相邻狭缝中轴线之间的夹角均为60°，每个狭缝的宽度为均0.8mm，狭缝板通孔的直径为1.0mm；本实施例中晶体基座与中心轴线的夹角α为25°；所述凸块为间隔分布的凸点。

本实施例中其他技术方案均和实施例1中完全相同。

实施例3

本实施例中狭缝的数量为4个，狭缝均匀分布在狭缝板上，相邻狭缝中轴线之间的夹角均为90°，每个狭缝的宽度为均1.2mm，狭缝板通孔的直径为1.0mm；本实施例中晶体基座与中心轴线的夹角α为30°；所述凸块为间隔分布的凸点。

本实施例中其他技术方案均和实施例1中完全相同。

尽管参照上述的设计已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (10)

1.一种多波段晶体谱仪，其特征在于，它包括晶体分光系统、激光辅助瞄准系统和靶室悬臂调节系统；

所述晶体分光系统包括一个设有上底面（1）的空心圆锥台外壳（2），所述上底面（1）上设有狭缝板（3），在该狭缝板（3）的中心处设有狭缝板通孔（4），在狭缝板（3）上径向设有狭缝（5），狭缝（5）的背面设有金属滤片（6），所述金属滤片（6）将相对应的狭缝（5）完全覆盖，在上底面（1）上设有上底面通孔（41）和上底面狭缝（51），所述上底面通孔（41）与狭缝板通孔（4）相通并同轴设置，所述上底面狭缝（51）与狭缝（5）相对应设置，

所述空心圆锥台外壳（2）围成的腔体包括第一腔体（7）和第二腔体（8），所述第一腔体（7）的下底面和第二腔体（8）的上底面之间设有凸块（9），所述凸块（9）上设有遮光板（10），该遮光板（10）与上底面狭缝（51）相对应设置；

所述空心圆锥台外壳（2）的侧壁上开设有暗盒座（11），所述暗盒座（11）与遮光板（10）相对应设置，并且暗盒座（11）与第二腔体（8）相通，在暗盒座（11）的顶角均设有卡槽（12），所述暗盒座（11）中卡设有暗盒（14），所述暗盒（14）的腔体中依次铺设有滤片框（141）、底片（15）和垫片（16），所述滤片框（141）上贴有暗盒滤片，暗盒滤片置于底片（15）上，底片（15）置于垫片（16）上，暗盒（14）上设有暗盒的光密封盖（13），在暗盒（14）上设有暗盒滤片窗（142），所述暗盒滤片窗（142）朝向第二腔体（8）内部，所述暗盒滤片朝向第二腔体（8）内部；

所述晶体分光系统还包括套设在空心圆锥台外壳（2）内的晶体基座（17），所述晶体基座（17）上表面设有分光晶体（18），分光晶体（18）的上表面与晶体基座（17）的上表面平行，在分光晶体（18）周边卡设有带有卡槽的晶体压板（19），所述晶体压板（19）上设有固定孔（20），晶体压板（19）的两条边上通过固定孔（20）有侧向遮光板，所述侧向遮光板包括左侧遮光板（21）和右侧遮光板（22）；

所述激光辅助瞄准系统包括激光器（23），所述激光器（23）设置在激光器座（24）中，所述激光器座（24）通过螺纹连接与环形内螺纹基座（25）相连，所述环形内螺纹基座（25）上设有过渡筒（26），所述过渡筒（26）与环形内螺纹基座（25）相通并同轴设置，过渡筒（26）上部设有激光定位杆（27），在激光定位杆（27）上设有晶体挡板（28），在激光定位杆（27）的中部设有激光通孔（29），所述激光通孔（29）与过渡筒（26）相通并同轴设置，所述环形内螺纹基座（25）、过渡筒（26）和激光定位杆（27）均同轴设置，所述空心圆锥台外壳（2）套设在环形内螺纹基座（25）上，所述空心圆锥台外壳（2）和环形内螺纹基座（25）之间通过螺栓连接，所述激光器座（24）的外部设有接筒（30），

所述靶室悬臂调节系统包括三维调整机构（31）和支架（32），靶室悬臂调节系统通过连接筒（30）与激光器座（24）相连。

2.根据权利要求1所述的多波段晶体谱仪，其特征在于，所述狭缝板（3）为圆形。

3.根据权利要求1所述的多波段晶体谱仪，其特征在于，所述狭缝（5）的数量为3-6个，狭缝（5）均匀分布在狭缝板（3）上，所述狭缝（5）的宽度为0.8-1.2mm。

4.根据权利要求1所述的多波段晶体谱仪，其特征在于，所述狭缝板通孔（4）的直径为1.0mm。

5.根据权利要求1所述的多波段晶体谱仪，其特征在于，所述第一腔体（7）为空心圆锥台形腔体；第二腔体（8）为空心圆锥台形腔体。

6.根据权利要求1所述的多波段晶体谱仪，其特征在于，所述遮光板（10）粘接在凸块（9）上。

7.根据权利要求1所述的多波段晶体谱仪，其特征在于，所述凸块（9）为连续分布的圆环形凸台或间隔分布的凸点。

8.根据权利要求1所述的多波段晶体谱仪，其特征在于，所述暗盒座（11）为长方体槽状基座，暗盒（14）为中空的长方体腔体。

9.根据权利要求1-8任一所述的多波段晶体谱仪，所述晶体基座（17）与中心轴线的夹角α为25-30°。

10.一种权利要求9所述的多波段晶体谱仪的调节方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步、将狭缝板（3）通过螺栓连接固定在上底面（1）上，在暗盒（14）的腔体中依次铺设有滤片框（141）、底片（15）和垫片（16），在滤片框（141）上贴有暗盒滤片，然后将暗盒滤片置于底片（15）上，将底片（15）置于垫片（16）上，使暗盒滤片朝向第二腔体（8）内部；

第二步、将激光器（23）安装到激光器座（24）上，将靶室悬臂调节系统通过连接筒（30）与激光器座（24）相连，在靶位放置定位小球，通过三维调整机构（31）将晶体谱仪进行俯仰、左右两维转动调节和前后调节，调整晶体谱仪姿态及对应到靶点的距离，打开激光器（23）的激光电源，使激光依次穿过过渡筒（26）、激光定位杆（27），最终从狭缝板（3）中心的狭缝板通孔（4）射出，作为瞄准激光束，使狭缝板通孔（4）中射出的瞄准激光束照在定位小球上即可。