CN109725343A - 离轴抛线型x射线平行弯晶谱仪装置 - Google Patents
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Abstract
一种分辨率较高的离轴抛物线型X射线平行弯晶谱仪，包括准直系统、光路调节系统、采集系统和真空腔组成，整个系统中的调节可通过上下、左右、前后、俯仰和左右摆角进行五维调整，对X测量时遵循通过抛物线焦点的X射线经晶体衍射后与抛物线光轴平行的原理。其方法是：X射线源出射的X射线通过抛物线的焦点，经抛物面弯晶分析器衍射后，被X射线CCD相机探测。通过弯晶分析器主体的衍射角度可从24o到45o之间进行调控，最小调节精度为0.1mrad，可连续测量的范围为0.1nm—2nm。根据光路可逆原理，把探测器放在抛物线焦点位置，该弯晶分析器可用于空间站中对宇宙射线的接收和分析研究。所发明的抛物面型X射线平行弯晶谱仪装置成本低廉、操作方便，对X射线测量宽度宽，分辨率高，使X射线展宽的更宽，稳定性好，可实时、快速获取X射线能谱。
Description
技术领域
本发明涉及一种离轴抛物线型X射线平行弯晶谱仪装置，是一种可以减小X射线传输过程损失、使X射线平行并且衍射角度可控的X射线平行弯晶谱仪装置，该装置能对X射线进行诊断而提供X射线的能谱，适合于研究等离子体X射线光谱，根据光路可逆原理，该装置也可用于对宇宙射线的接收和分析研究。
背景技术
X射线光谱测量是一种等离子体诊断方法，也是揭开宇宙X射线之谜的一种方法。在等离子体诊断中，测得X射线光谱的波长和强度之间的关系就可以推断出等离子体中某种元素是否存在，某种离化度离子是否存在和它存在的绝对数量，以及从谱线的线性得出发射原子的动力学温度和密度等非常丰富而重要的信息。从高温等离子体中辐射出的大量X射线光谱，不仅可用于测量电子的温度和密度、电子能量的时空分布、等离子体定向运动；还可用于测量和分析超热和逃逸电子、以及等离子体的不稳定性等。在空间天文学中，通过对X射线的测量，可以确定X射线源，从而探测宇宙中的天体。对X射线的分光分为光栅谱仪和晶体谱仪，光栅由于刻槽间距的限制，主要用于波长在2~30nm范围内的X射线的测量。对于波长小于2nm的X射线，由于晶体的晶面间距与X射线波长处在相同的数量级，因此可以用晶体对小于2nm 的X射线进行分光。平面晶体谱仪，由于发散角大、不能聚焦、测量范围也比较小，不能对X射线进行平行探测。已经用到的Johann型、Johansson型、Von Hamos型以及椭圆弯晶谱仪具有分辨率高、亮度高的优点，并且都能对X射线进行聚焦。但是，这些X射线光谱仪都不能使X射线平行。具有使X射线准直或平行的微型通道板（MCP）虽能对使X射线准直，但是X射线可能从一个通道穿过通道壁进入另一个通道，使X射线扩束，另外能量高的X射线可能贯穿通道壁而不能被准直，再者，通道壁对X射线存在吸收，也可能导致部分波长的X射线不能到达探测器。经过对通道处理，虽然可以屏蔽其他射线的干扰，但是成本变得很高。
抛物线型弯晶谱仪是基于过抛物线焦点的X射线经晶体衍射后与抛物线的轴线平行的原理制造的。抛物线型弯晶结构简单，分辨率高，亮度高，能够消除几何像差，使X射线在空间展的更宽。并且抛物线型弯晶谱仪可以使X射线准直，与微型通道板相比，抛物线型弯晶谱仪加工工艺相对简单、成本低并且X射线在传输过程中损耗要小得多。根据光路可逆，抛物线型弯晶谱仪也可直接测量来自宇宙的X射线，这对探测未知天体的射线具有更加实用的科学意义。抛物线型弯晶谱仪可以做的很小，其中的弯晶分析器一般可做到10~15cm。相对于微型通道板，抛物线型弯晶谱仪的质量要小的多。因此，采用抛物线型弯晶谱仪可以用很小的体积实现高分辨率的探测，小的体积还降低了成本，减小了整体仪器的重量。
发明内容
本发明主要是提供一种结构简单、分辨率高，亮度高、测量范围宽的X射线分光、准直、平行测量装置，用于测量不同波段的X射线，克服了微型通道板体积大、使X射线扩束和衰减较大的缺点，同时克服了其它弯晶谱仪不能平行的缺点。
本发明的技术方案为：
一种分辨率较高的离轴抛物线型X射线平行弯晶谱仪装置，采用抛物线弯晶分析器（1）作为分光元件，让X射线源出射的X射线通过抛物线焦点处的狭缝（3）经抛物线弯晶分析器（1）衍射后平行进入X射线相机CCD（9）。所述抛物线分光晶体（1）固定于抛物线型不锈钢基体（2）上，抛物线型不锈钢基体（2）固定在安装有调制电机（7）的电调五维调整（5）上；所述光阑（3）与抛物线的焦点重合，安装在有调整电机（6）的电调五维调整（4）上；所述X射线相机CCD（9）安装在有调整电机（14）的电调五维调整（12）上，其探测面与抛物线分光晶体（1）的衍射方向正对；所述真空跳线（10）固定在真空腔（15）的壁上；所述全反射镜（8）安放在装有调整电机（13）的电调五维调整（11）上；所述真空跳线（10）固定在真空腔（15）的壁上；所述真空腔（15）通过抽气口（16）抽成真空；真空腔壁有转接窗口（17），转接窗口（17）安装后滤光片，可根据实际需要更换滤光片，X射线源发出的X射线经转接窗口（17）进入后被抛物线弯晶衍射，然后进入X射线相机CCD（9）；
电调五维调整由电动旋转位移台、电动垂直升降台、左右和前后移动的电动导轨和配套的微型电机组成，通过编程软件对电机进行控制，实现五维调整的上下、左右、前后、俯仰和左右摆角的调整。
附图说明
图1 是X射线弯晶谱仪结构简图
图2 是X射线弯晶谱仪工作原理简图。
具体实施方式
（一）对等离子体源出射的X射线测量
将离线精密调整好的抛物线弯经谱仪放在真空腔（15）中，通过抽气口（16）抽真空以后,谱仪各元件的位置可能发生微小的变化, 必须设计监视装置,并能对抽真空后的光路进行微调；利用外光路可见激光对抽真空后的光路进行调节，激光经真空跳线（10）耦合进入真空腔（15）后，通过协调调节电调五维调整（4）（5）（11）使激光经全反镜（8）反射到抛物线弯晶分析器（1）上，抛物线弯晶分析器（1）反射后经焦点处的狭缝（3）照射到转接窗口（17），出射后照射到X射线源上；调整好光路后，降低全反镜（8），使进入真空腔的X射线经抛物线弯晶分析器（1）衍射后能够顺利照射X射线相机CCD（9）上，X射线相机CCD（9）记录的光谱图像传输到外接计算机进行处理；其中X射线相机CCD（9）可根据探测位值进行进行调节。
（二）对宇宙射线的接收和分析研究
根据光路可逆，去掉真空腔（15），把X射线相机CCD（9）放在焦点处的狭缝（3）后面，把调整好的抛物线弯晶谱仪安放在空间站上探测宇宙中的X射线；使来自宇宙其它天体的X射线照射到抛物线弯晶分析器（1）上，根据抛物线方程和布拉格衍射原理，照射到抛物线弯晶分析器（1）上的X射线经狭缝（3）后照射到X射线相机CCD（9）上记录X射线光谱图像传输到存储器传回地球处理。
Claims (5)
1.一种分辨率较高的离轴抛线型X射线平行弯晶谱仪装置，其特征在于： 整个装置由准直系统、光路调节系统、采集系统和真空腔组成；其中准直系统由抛物线分光晶体（1）、固定有抛物线分光晶体的抛物线型不锈钢基体（2）、狭缝（3）、电调五维调整架（4）（5）和对五维调整架（4）（5）进行调节的电机（6）（7）组成；光路调节系统主要由全反射镜（8），真空跳线（10）和对全反射镜进行调节的电调五维调整架（11）与电机（13）组成；采集系统由具有平直感光面的X射线相机CCD（9）和安装有电机（14）的电调五维调整架（12）组成；准直系统，调节系统和采集系统安装在真空腔（15）中；所述抛物线分光晶体（1）固定于不锈钢弯晶基体（2）的抛物面形刻槽中，不锈钢基体（2）固定在安装有电机（7）的电调五维调整架（5）上；所述X射线源出射的X射线经过抛物线焦点处的小孔（3）照射到抛物线分光晶体（1）上，焦点处的小孔（3）位于电调五维调整架（4）上且与抛物线弯晶的焦点重合；所述CCD探测器（9）位于电调五维调整架（12）上，通过调节可与抛物线分光晶体（1）正对；所述全反射镜（8）安放在电调五维调整架（11）上；所述真空跳线（10）固定在真空腔（15）的壁上；所述电调五维调整架（5）由电机（7）对其进行调节；所述电调五维调整架（4）由电机（6）对其进行调节；所述电调五维调整架（12）由电机（14）对其进行调节；所述电调五维调整架（11）由电机（13）对其进行调节；所述真空腔（15）上面有与X射线源进行的接口（17），真空腔（15）通过真空抽气口（16）与外部电机连接进行抽气。
2.根据权利1的要求，所述离轴抛物面型X射线平行弯晶谱仪装置，其特征在于所述的不锈钢抛物线基体（2）、抛物线分光晶体（1）严格满足同一个抛物线方程；靶源出射的X射线由接口（17）进入真空强，经抛物线焦点处的狭缝（3）照射到抛物线分光晶体（1）上产生衍射，衍射后的X射线进入探测器CCD（9）以获得X射线的能谱。
3.根据权利1的要求，所述离轴抛物面型X射线平行弯晶谱仪装置，其特征在于抛物线分光晶体的弧长只是整个抛物面的一部分，弯晶弧长上两端的点和焦点的连线与抛物线轴线的夹角设定在48o~90 o（根据角的几何关系可知衍射角为弯晶弧长上的点和焦点的连线与抛物线轴线的夹角的一半）之间。
4.根据权利1的要求，所述离轴抛物面型X射线平行弯晶谱仪装置，其特征在于激光通过真空跳线（10）耦合到真空腔（15），经全反射镜（8）对抽真空后的光路进行调节。
5.根据权利1的要求，所述离轴抛物面型X射线平行弯晶谱仪装置，其特征在于本谱仪中的抛物线分光晶体（1）可根据所测量的X射线不同进行选择，窗口（17）安装有滤光片，可根据需要对X射线进行滤光，系统的光路在调节好之后放入真空腔中，考虑到抽真空后真空腔中光路的微小移动，真空腔中的光路可通过电脑软件对电调五维调整架进行调节。
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