CN111487237B - 一种用于电子束离子阱上的球面弯晶谱仪 - Google Patents

一种用于电子束离子阱上的球面弯晶谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电子束离子阱上的球面弯晶谱仪，包括探测器、晶体系统、控制显示系统、抽真空机组、水冷系统、阀门、电子束离子阱EBIT；所述探测器分别连接到晶体系统、控制显示系统、抽真空机组以及水冷系统，所述晶体系统通过阀门连接到电子束离子阱EBIT；所述晶体系统包含三块SiO2球面晶体和一个晶体转台，每块球面晶体放在晶体转台的圆周上且相隔120度，晶体转台能够360度旋转，以选择不同的晶体和改变晶体的衍射角，晶体转台下面设置有水平移动导轨，用于移动转台，改变球面晶体与电子束离子阱EBIT光源的水平距离，通过旋转晶体转台来选择不同的晶体来进行相应波长的光波衍射，同时可移动探测器到相应位置，达到最佳光谱采集效果。

Description

一种用于电子束离子阱上的球面弯晶谱仪
技术领域
本发明涉及光谱观测设备领域，尤其涉及一种用于电子束离子阱上的球面弯晶谱仪。
背景技术
电子束离子阱(EBIT)是一种独特的仪器，它可以通过改变电子束能量进行高电荷态离子实验。EBIT作为一种高电荷态离子观测装置，具有许多优点，首先它可以建立一个更窄的电荷平衡，大多数离子都处于相同的电离状态；其次，在良好的超高真空环境下，其离子阱区中主要元素只有一种；更重要的是其电子能量分布很窄，使我们能够细调能量进行精细能级的激发，而在热等离子体中，因大量的过程同时发生，不利于研究单一作用；最后，EBIT中的离子温度更低，这意味着多普勒展宽是可以忽略，所以我们可以更好地进行高电荷态离子的光谱测量。
对于EBIT光源X射线波段光谱的测量，有两个难点，一个是测量的波段是X射线波段，二个是EBIT光源弱。波长色散常见的方式通常采用光栅进行色散，但是对于X射线波段，短波段所需要的衍射光栅刻痕间距非常小，对制作工艺要求较高，其分辨率也会相对比较差。而晶体中包含的大量晶格正如光栅的栅格单元，可以对X射线进行衍射，所以一般EBIT装置上都采用晶体谱仪来测量X射线波段的光谱。对于晶体，可分为平面晶体、柱面晶体和球面晶体：平面晶体就如普通光栅，仅在波长方向上进行色散，没有聚焦功能，需要额外的透镜组进行聚焦，会带来复杂性；柱面晶体可以在波长方向上同时进行色散和聚焦，衍射谱线的强度足够，不需要额外的透镜组，然而在空间方向上，不具有聚焦功能，因而空间分辨能力较差；以往一般EBIT装置都采用平面晶体谱仪来测量X射线波段的光谱，其特点是波长覆盖范围广，但是聚焦能力差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种用于电子束离子阱上的球面弯晶谱仪，包括探测器、晶体系统、控制显示系统、抽真空机组、水冷系统、阀门、电子束离子阱EBIT；所述探测器分别连接到晶体系统、控制显示系统、抽真空机组以及水冷系统，所述晶体系统通过阀门连接到电子束离子阱EBIT；
所述晶体系统包含三块SiO2球面晶体和一个晶体转台，每块球面晶体放在晶体转台的圆周上且相隔120度，晶体转台能够360度旋转，以选择不同的晶体和改变晶体的衍射角，晶体转台下面设置有水平移动导轨，用于移动转台，改变球面晶体与电子束离子阱EBIT光源的水平距离，导轨的移动范围为0-250mm。
进一步的，球面晶体曲率半径范围为1.5m-1.8m,晶体能够色散的光波长范围为
Figure BDA0002457220390000021
进一步的，所述探测器为大面积900K水冷固体CMOS探测器，其探头为混合型CMOS阵列探测器，包括9个子模块，总共包括487×1891个像素，每个像素分别为独立的光子计数器，具有对应的独立的放大器和计数器，计数率达10MHz；单个像素面积为0.172×0.172mm2，整个探测器有效面积达到83.8×325.3mm2，其空间分辨能力为Δx＝0.172mm，球面弯晶谱仪诊断系统的谱分辨率达8000；探测器下面设置有水平移动和垂直移动导轨，用以改变探测器的位置，探测器的移动距离范围为0-200mm。
进一步的，所述控制显示系统主要用于晶体系统和探测器的控制以及处理探测器采集的光谱数据并显示出来。
进一步的，所述抽真空机组包括一台机械泵和一台分子泵，抽气阶段需先用机械泵进行抽气，保证晶体腔室和插板阀之间的连通角阀处于打开状态；待真空度降至10Pa量级以下，开启分子泵进行抽气，使真空度达到10-3量级。
进一步的，还包括电控气动插板阀、铍窗、晶体腔室、真空管道、真空计、电源；还包括电控气动插板阀、铍窗、晶体腔室、真空管道、焊接波纹管、真空计、电源，晶体系统安装在晶体腔室中；电控气动插板阀安装在电子束离子阱的观察窗口上，用来将球面弯晶谱仪诊断系统的真空和EBIT装置的真空分隔开来；铍窗安装在电控气动插板阀和晶体腔室之间，用来选择入射光的波段；真空管道用于晶体腔室分别与电子束离子阱EBIT、探测器的连接；真空计用于测量球面弯晶谱仪诊断系统的真空；电源包括电池组和精密稳压电源。
有益效果：
本发明的技术方案，由于球面晶体在波长和空间方向上都可以进行聚焦，使得晶体具有很好的波长分辨能力和空间分辨能力。所以本发明设计采用球面弯晶谱仪，国内未曾有过，其特点就是波长覆盖范围窄，对于这一点，本发明可以根据自己想测量的波长范围选择不同的晶体来解决，球面弯晶谱仪在分辨率高的时候可提供更大光通量，对于EBIT这种弱光源具有优势。本发明感兴趣的X射线波段的光波长范围为
Figure BDA0002457220390000022
所以根据这个波长范围本发明设计了相应的晶体参数，如晶体类型，晶体数量，晶体曲率半径，晶体晶格参数。
附图说明
图1为本发明一种用于电子束离子阱上的球面弯晶谱仪系统图；
图2为本发明一种用于电子束离子阱上的球面弯晶谱仪工作原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面结合附图1-2，进一步说明本发明提供的一种用于电子束离子阱上的球面弯晶谱仪。
参见附图1，本发明提供的一种用于电子束离子阱上的球面弯晶谱仪主要包括探测器1、晶体系统2、控制显示系统3、抽真空机组4、水冷系统5、电子束离子阱EBIT 6；以及电控气动插板阀、铍窗、晶体腔室、焊接波纹管、抽气口管道、长真空管道、探测器转接管道、真空计、电源。其中电控气动插板阀、铍窗、晶体腔室、真空管道、焊接波纹管为一般弯晶谱仪系统常用结构，图1未示出。具体的，所述探测器1分别连接到晶体系统2、控制显示系统3、以及水冷系统5，所述晶体系统2分别连接到抽真空机组4、电子束离子阱EBIT 6。电控气动插板阀安装在电子束离子阱的观察窗口上，用来将球面弯晶谱仪诊断系统的真空和EBIT装置的真空分隔开来；铍窗安装在电控气动插板阀和晶体腔室之间，用来选择入射光的波段；真空管道用于晶体腔室分别与电子束离子阱EBIT、探测器的连接；真空计用于测量球面弯晶谱仪诊断系统的真空；电源包括电池组和精密稳压电源。
参见附图2，为本发明提出的一种用于电子束离子阱上的球面弯晶谱仪工作原理图。
所述的探测器采用大面积900K水冷固体CMOS探测器，其最好的空间分辨能力为Δx＝0.172mm，则球面弯晶谱仪诊断系统的谱分辨率可达8000。
所述的晶体系统包括三块SiO2球面晶体和一个晶体转台，每块球面晶体放在晶体转台的圆周上相隔120度，球面晶体曲率半径约为1.5m，球面晶体可色散的光波长范围为
Figure BDA0002457220390000031
所述的抽真空机组由一台机械泵和一台分子泵组成，抽气阶段需先用机械泵进行抽气，保证晶体腔室和插板阀之间的连通角阀处于打开状态。待真空度降至10Pa量级以下，开启分子泵进行抽气，真空度通常达到10-3量级。
所述的控制显示系统主要用于处理探测器采集的光谱数据并显示出来。
所述的电源系统包括电池组和精密稳压电源。系统正常供电情况下，电池组处于满电待命状态，当出现意外断电情况，电池组开始给系统供电，维持系统正常工作状态，防止突然断电对仪器造成的危害。精密稳压电源主要起稳压作用，降低电压波动幅度。在使用UPS电源时需注意电池组的额定负载要远大于系统工作时的实际负载，同时要保证地线一致，防止出现悬浮电位而发生漏电。
本发明提供的一种用于电子束离子阱上的球面弯晶谱仪，其工作原理为：根据布拉格衍射条件，布拉格衍射角与测量的光波长的关系为：
2dnsinθ＝nλ
其中θ为布拉格衍射角，λ为光波长，dn为晶体晶格间距，n为衍射级数。
要测量不同波长的光谱，就要通过改变衍射角θ和晶格间距dn来满足布拉格衍射条件，实现光谱的采集。根据测量的波长范围，本发明设计的参数如下表1：
表1
Figure BDA0002457220390000041
从上表1可以看出，本发明设计的弯晶谱仪的波长测量范围为
Figure BDA0002457220390000042
采用三块晶体，其衍射角的范围为47.9°到71.8°。弯晶谱仪的光谱分辨率为/>
Figure BDA0002457220390000043
衍射角越小，光谱分辨率越小，所以为了在最小衍射角的时候满足光谱分辨达到8000以上，本发明根据θ＝47.9来计算曲率半径，所以本发明设计的晶体曲率半径R＝1667mm。
参见附图2，本发明以测量波长范围为
Figure BDA0002457220390000044
为例，为了达到最佳的采集效率，光源和探测器都应该在罗兰圆上。光源固定在S点位置，当波长为λ1时，晶体在C1点位置，衍射角为θ1，探测器的位置在D1点位置，当波长为λ2时，晶体应该要移动到C2点位置，这可以通过在晶体底座设计水平移动导轨来实现，衍射角为θ2，可以通过旋转晶体转台来实现，探测器的位置移动到D2点位置，可以在探测器底部安装水平移动导轨和垂直移动导轨来实现探测器位置的改变。本发明可以通过算法计算出各个点的位置。可选的，根据一个实施例，本发明可以依照公式(1)-(3)和布拉格衍射条件以及表1的参数设计相应的程序，当在程序中输入测量波长的值，程序就可以自动计算出所需的衍射角、晶格间距和各个点的坐标值，然后可以自动选择哪块晶体，然后控制晶体的水平移动和旋转，探测器的水平移动和垂直移动。
比如假设C1点的坐标为(0,0)，
则C2的坐标为(Rsinθ2-Rsinθ1,0), (1)
D1的坐标为：
(Rsinθ1·cos(2θ2),-Rsinθ1·sin(2θ2)), (2)
D2的坐标为：
(Rsinθ1·cos(2θ2)+Rsinθ2-Rsinθ1,-Rsinθ1·sin(2θ2)) (3)
通过计算，晶体底座的水平移动距离最多为247mm，所以设计晶体底座的水平移动导轨的可移动范围为260mm，晶体转台设计成可以360度旋转。探测器的位置改变不大，所以其水平移动导轨和垂直移动导轨可移动的范围都设计为50mm。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种用于电子束离子阱上的球面弯晶谱仪，其特征在于：包括探测器、晶体系统、控制显示系统、抽真空机组、水冷系统、电子束离子阱EBIT；所述探测器分别连接到晶体系统、控制显示系统以及水冷系统，所述晶体系统分别连接到电子束离子阱EBIT和抽真空机组；
所述晶体系统包含三块具有不同晶体参数的SiO2球面晶体和一个晶体转台，每块球面晶体放在晶体转台的圆周上且相隔120度，晶体转台能够360度旋转，以选择不同的晶体和改变晶体的衍射角，晶体转台下面设置有水平移动导轨，用于移动转台，改变球面晶体与电子束离子阱EBIT光源的水平距离，导轨的移动范围为0-250mm；所述电子束离子阱EBIT光源和所述探测器以及测量所采用的晶体均在罗兰圆上；
所述球面晶体曲率半径范围为1.5m-1.8m，晶体能够色散的光波长范围为2 Å -4 Å；
所述探测器为大面积900 K水冷固体CMOS探测器，其探头为混合型CMOS阵列探测器，包括9个子模块，总共包括487×1891个像素，每个像素分别为独立的光子计数器，具有对应的独立的放大器和计数器，计数率达10 MHz；单个像素面积为0.172×0.172 mm2，整个探测器有效面积达到83.8×325.3 mm2，其空间分辨能力为Δx = 0.172 mm，球面弯晶谱仪诊断系统的谱分辨率达8000；探测器下面设置有水平移动和垂直移动导轨，用以改变探测器的位置，探测器的移动距离范围为0-200mm；
还包括电控气动插板阀、铍窗、晶体腔室、真空管道、焊接波纹管、真空计、电源，晶体系统安装在晶体腔室中；电控气动插板阀安装在电子束离子阱的观察窗口上，用来将球面弯晶谱仪诊断系统的真空和EBIT装置的真空分隔开来；铍窗安装在电控气动插板阀和晶体腔室之间，用来选择入射光的波段；真空管道用于晶体腔室分别与电子束离子阱EBIT、探测器的连接；真空计用于测量球面弯晶谱仪诊断系统的真空；电源包括电池组和精密稳压电源。
2.根据权利要求1所述的一种用于电子束离子阱上的球面弯晶谱仪，其特征在于：
所述控制显示系统用于晶体系统和探测器的控制以及处理探测器采集的光谱数据并显示出来。
3.根据权利要求1所述的一种用于电子束离子阱上的球面弯晶谱仪，其特征在于：
所述抽真空机组包括一台机械泵和一台分子泵，抽气阶段需先用机械泵进行抽气，保证晶体腔室和插板阀之间的连通角阀处于打开状态；待真空度降至10 Pa量级以下，开启分子泵进行抽气，使真空度达到10-3量级。
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