CN1260478A - 激光等离子体参数的测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种激光等离子体参数的测量装置及其测量方法。测量装置中激光等离子体的软X射线源的泵浦源是激光器,探测元件和单色扫描狭缝同时置放在带有自动同步控制装置的调整架上。激光器与软X射线源之间的分束镜将反射光束t射到外触发器上,同时触发存储示波器、探测元件以及自动同步控制装置同时进入工作状态。测量方法是光谱还原法,解谱方法具体有三个步骤,在数据存储器中有完整的程序包。具有结构紧凑、体积小、测量精度高。

Description

激光等离子体参数的测量装置及其测量方法

本发明涉及一种激光等离子体参数的测量装置及其测量方法，主要适用于激光等离子体辐射输运特性参数的测量。

辐射温度是激光等离子体的重要参数，由辐射温度可推知X射线源中辐射加热的时间特性、X射线转换效率、X射线源腔壁的再发射系数和反射率等重要信息，以致了解X射线源的辐射输运的细致过程。

X射线源的辐射温度的测量主要有两种方法：激波法和光谱法。光谱法是通过测量X射线源腔壁再发射光谱的时间和强度特性，并由测得的光谱分布反推得到X射线源腔壁的真实发射光谱分布，进而用斯特藩-玻耳兹曼定律获得辐射温度；由于光谱法相对于激波法有高得多的时间分辨率(特别是采用软X射线透射光栅作为色散元件时)，这对于研究X射线驱动脉冲的时间形状十分重要，并且还可以提供X射线驱动脉冲的光谱信息。

近年来美国劳伦斯·里弗摩尔国家实验室在诺瓦(Nova)激光装置上进行的辐射温度的光谱法测量是以丹特(Dante)谱仪完成的(参看已有技术[1]：R.L.Kauffman，L.J.Suter，C.B.Darrow et al，Phys.Rev.Lett.，1994，73：2320-2324，以及L.J.Suter，R.L.Kauffman，C.B.Darrow et al.，Phys.Plasmas，1995，40：2057--2062)。该谱仪选用不同材料及厚度的K-或L-边滤光片来分光，并由光阴极发射型X射线二极管记录时间分辨光谱。将获得的发射光谱反推、还原得到腔靶壁的真实发射光谱，最后由斯特藩-玻耳兹曼定律得到X射线源靶壁的辐射温度。尽管丹特(Dante)谱仪及其光谱回推技术已较成熟地用于辐射温度的测量，但其最主要的缺点是每个能道滤片仍有很宽的X射线响应范围，不能有效地分光测量结果和精度差。

在德国马克斯韦-普朗克量子电子所和日本大阪大学激光工程所的联合辐射加热实验中(参看已有技术[2]：K.Eidmann，I.B.Foldes et al.，Phys.Rev.A52 1995，：6703-6716，以及H.Nishirmura，Y.Kato，H.Takabe et al.，Phys Rev.A44，1991，8328-8333)，对球形腔靶X射线源的辐射温度测量是以1000g/mm针孔透射光栅光谱仪结合柯达(Kodak)101-01或101-07软X光胶片、采用与上述相似的光谱还原步骤完成的。从测量装置上讲，该已有技术(2)的缺点是：第一，用作色散元件为1000g/mm针孔透射光栅结构，它的栅线密度较低，致使光谱仪的光谱分辨较低(通常为0.2-0.4nm)；第二，用作成象元件的光栅针孔的尺度较小、光谱仪的收集效率和衍射效率较低，使接收面上的X光强度也较低，所以往往需要很多发次的打靶激发X射线源，以在接收面上积累足够的X光能量；第三，软X光胶片的显影、定影的时间差异会造成测量数据误差。从测量方法上讲，该已有技术所采用的光谱还原法过于简单，没有考虑软X射线发射谱的部分相干的特性；而且，光谱还原过程中所使用的光栅一级衍射效率是在电镜检查光栅结构参数后、采用理论公式拟合给出的，并不是在相似测量条件下经实际标定得出的结果。所以衍射效率的理论数据与真实情况有较大的差距，对光谱还原的精度和最终得到的辐射温度的精度有较大的影响。

为提高光谱还原法的准确性，应当事先对上述已有技术中的透射光栅和探测元件的单色响应灵敏度进行实际标定。目前，软X射线色散元件和探测元件的光谱响应灵敏度标定工作大都是在以同步辐射装置上的X光作为泵浦光源、加上分光元件(如多膜层反射镜等)构成同步辐射X光单色仪上进行的(参见已有技术：[4].杨家敏，易荣清，马洪良等，光学学报，1996，16：1631--1635)。同步辐射X光单色仪由于受到同步辐射装置的体积庞大和昂贵的运行费用所限，该单色仪仅适用于有同步辐射装置的少数国家的个别经费充足的实验室，而不能广泛应用。

为直接利用单色仪提供的单色光以完成X光衍射元件和探测元件的绝对标定，单色仪必须能够实时地完成对自身性能的标定工作，即是对输出单色光的波长和强度的标定。单色光的标定器件可选用X光波段(XUV)胶片或干板、软X光CCD相机，以及XUV二极管等。国内外对XUV胶片响应特性及绝对标定已作了大量工作(参见已有技术[5].Henke BL et al.，J.Opt.Soc.Am.，1984，B1：818--827)，它的优点是有很好的空间分辨率和较宽的动态范围，缺点是在光敏面混合物中C、N、O元素的K吸收边处光谱灵敏度曲线有较大的跃变，这对于获得准确的测量数据尤为不利。软X光CCD相机的使用方便、动态范围大、对XUV光子能量变化灵敏度平缓等优点弥补了XUV胶片的不足，但在将其用作单色光特性标定器件之前，它必须在其他软X射线单色仪(如同步辐射X光单色仪)上，参照其他经绝对标定的探测元件，(包括柯达(Kodak)101软X光胶片，和硅光电二极管等)，完成其自身的光谱响应灵敏度曲线的标定(参见已有技术[6].Schriever G，Lebert R，Naweed A et al.，Rev.SciInstrum.，1997，68：3301--3306)。所以测量元件的“自标定”很重要，对测量结果的精度起决定因素。

本发明的目的是：提供一台结构紧凑、体积较小的适用于激光等离子体参数测量的测量装置，以克服已有技术的测量装置的分辨率低、收集效率及衍射效率较低等不足，增大测量装置对激光等离子体软X射线源的收集效率和光谱分辨率，提高装置的衍射成象效率，实现对X光点源成无象散的点象，提高测量数据的准确性；并能对色散元件和探测元件进行测试标定，和提供一种合理使用本发明的测量装置的测量方法，以提高上述已有技术中光谱还原的准确性。

本发明测量装置的结构含有：由外壳7的头部23与置有软X射线源5的真空靶室4的窗口密封连接构成的真空密封室8，在真空密封室8内置有悬挂式导轨6，在悬挂式导轨6上置有调整架9、10、11。调整架11上带有自动同步控制装置12。

在真空密封室8内，沿着由真空靶室4内软X射线源5发射的软X射线束S前进的方向上，依次置有矩形光阑22，置于调整架9上有轮胎反射镜20，置于调整架10上有光栅19，置于调整架11上有探测元件17，探测元件17之前有单色扫描狭缝18，单色扫描狭缝18与探测元件17同置于带自动同步控制装置12的调整架11上。在软X射线源5与作为软X射线源5的泵浦源的激光器1之间，沿激光束G的前进方向上，依次置有会聚透镜2和分束镜3。

上面所说的探测元件17的输出端与信号放大器16相联，信号放大器16的输出联到存储示波器15上。存储示波器15分别与接收分束镜3反射激光束f起动的外触发器21和数据存储器14相联，数据存储器14与位移传感器13相联，位移传感器13与调整架11的自动同步控制装置12相联。

本发明装置采用轮胎反射镜20即轮胎形的反射镜，它能以较大的空间收集立体角，收集入射光谱仪的X射线束S并将其成象到探测元件17上；并与矩形光阑22配合，实现对软X射线源5的无象散成象，提高摄谱数据的信噪比和准确性。本发明适合的轮胎反射镜20的子午面的曲率半径范围为4000～7000mm，宽度为40～75mm；弧矢面曲率半径为15～35mm宽度为25～35mm。置轮胎反射镜20的调整架9是五维调整架，有三个方向的平动、两个方向的转动共计五个自由度的调节方向。

本发明装置中作分光元件的光栅19采用无支撑大面积透射光栅，光栅的线对数范围是1000～5000g/mm。由于透射光栅的光谱分辨率与光栅的线对数成正比，所以在拍摄短波长光谱区时，较之1000g/mm透射光栅，则5000g/mm透射光栅可获得更大的线色散和更高的光谱分辨率，从而可提供单色性更高的软X射线。为与轮胎反射镜20的大收集立体角相匹配，光栅外形尺寸应大于3×5mm为佳，光栅尽量靠近轮胎反射镜20以在象面上获得较大的线色散和光谱分辨。置光栅19的调整架10有三个方向的平动、两个方向的转动共计五个自由度的调节方向。

探测元件17是“自标定”的。置单色扫描狭缝18和探测元件17的调整架11使单色扫描狭缝18和探测元件17有三维平动调节方向，特别是可完成沿软X射线衍射谱的色散方向的单色光扫描；同时调整架5还可以在单色扫描狭缝18保持不动的同时，使探测元件17还具有一个方向的转动自由度(转轴平行于单色扫描狭缝18)，该功能使探测元件17敏感面可正对或斜对入射X射线束S，从而实现探测元件17的“自标定”。详细描述探测元件17“自标定”的过程如下：改变探测元件17敏感面对入射X射线束S的视角，根据X射线束S正入射和斜入射两种情况下，分别完成探测元件17对X射线束S的响应电流随X射线波长的变化曲线，比较两种情况下探测元件17的不同响应电流，即可得到探测元件自身的结构参数和单色响应灵敏度，进而获得由位移传感器13记录下的、单色扫描狭缝18在不同位置处截取出的单色衍射光谱的波长和绝对强度，即获得了该扫描单色仪谱平面上衍射X射线束S的完整信息。调整架11上平动/转动调整都是通过自动同步控制装置12以电动自动调节方式完成的，以实现在工作条件下单色扫描狭缝18对光谱的连续扫描，提高了工作效率和测量结果的稳定性。

当探测元件17的单色X光响应灵敏度特性的标定完成后，本发明装置即可作为独立的激光等离子体软X射线扫描单色仪进行诊断，参与激光等离子体X射线源的参数测量工作，尤其适用于其他软X射线色散元件(比如光栅)和探测元件(比如软X射线CCD相机)的光谱响应灵敏度标定工作。

由于单色扫描狭缝18和探测元件17的扫描需要较长的时间，在上述探测元件17和其他软X射线色散元件、探测元件的单色响应灵敏度的标定中，采用磁带靶作软X射线源5的靶材，在激光脉冲光束G打靶的同时实现磁带的转动，为每一次的激光脉冲提供新的表面，以保证在整个运行中打靶条件的一致性，即保证X射线束S的一致性。该磁带靶的有效使用时间为10小时，完全保证标定工作的顺利进行。

以下结合图1对本发明的扫描单色仪的工作步骤进行说明。激光器1输出的激光脉冲光束G经聚焦透镜2再经分束镜3后，透射光束t会聚到固体平面靶上形成软X射线源5并发出软X射线束S。该软X射线束S经由矩形光阑22和轮胎反射镜20的收集成象，以及光栅19的衍射分光后，衍射光谱落在单色扫描狭缝18上。单色扫描狭缝18由调整架11带动，沿光谱色散方向平动扫谱并截取一部分软X射线单色光束，作为本发明装置的输出单色光。单色扫描狭缝18宽度与光栅19衍射的软X射线光谱的光谱分辨率相匹配。该单色光的波长和绝对强度由探测元件17探测，所探测到的电流响应信号由信号放大器16放大并转化为电压信号后，由存储示波器15采集。为提高存储示波器15对电压输出信号的扫描精度及工作同步，经分束镜3的反射光束f会聚到外触发器21产生外触发信号，输入存储示波器15并经存储示波器15的上升前沿触发探测元件17对响应信号的采集。该外触发器21可保证激光器1没有激光脉冲光束G输出时(即没有X射线束S产生并进入扫描单色仪时)，存储示波器15不进行数据采集，从而有效地避免了干扰信号。扫谱的位置由位移传感器13显示输出，并且与存储示波器15采集的响应信号一起输入与存储示波器15相联的数据存储器14进行数据的分析处理和显示输出，本发明采用微型计算机作为数据存储器14。根据光栅19的线色散和位移传感器13记录到的扫谱位置信号，可获得探测元件17对软X射线的响应电流随软X射线波长的变化曲线。

上述外触发器21是对激光束G响应灵敏的光电接收元件，如光电二极管，或光电倍增管，或雪崩二极管，或光电池等。

所说的位移传感器13由发光二极管构成，或者是电容式位移传感器，或者是光电计数器等。

上述探测元件17是接收软X射线束S的可“自标定”的X射线波段(XUV)二极管(AXUV-100，AXUV-20等)，或光阴极光电二极管，或光谱敏感区在X射线波段内的光电倍增管。

透射光栅的X光成象性质和像面上的X光强度分布的解析表达式是理论分析透射光栅光谱仪的效率和接收灵敏度的基础，也是完成光谱仪衍射效率的绝对标定和透射光栅光谱回推技术的基础；它不仅可应用于对于激光等离子体X光源的亮度的测量，而且对透射光栅标定、用透射光栅求解X光源的真实发射谱，乃至于测量X射线源辐射温度都有重要的意义。

实验结果表明，对于激光等离子体辐射的产生的相干度较差的X光，光栅像面上的光强分布都可表示为光栅衍射分布函数T(y)(由光栅特性因子及摄谱装置的结构决定)和光源经成象系统在接收面上所成几何像I_obj(ξ，η)(即源加宽)的卷积。

考虑透射光栅对辐射亮度谱密度为b(λ)(单位W/cm² sr nm)的连续光谱扩展软X射线源5的衍射成象。合理地取该软X射线源5完全非相干的。取激光等离子体软X射线源5在源面(ξ，η)上的光强分布为I_obj(ξ，η)，取软X射线源5为朗伯(Lambert)辐射体，像面(x，y)上的衍射光强分布表达式写为(假设y轴为光谱色散方向)：

                       I(x，y)＝ΔΩI_g(x，y)*T(y)               (1)

式中 为本发明装置对软X射线源5的收集立体角，C和D分别为软X射线束S照亮的光栅面的长度和宽度，r为软X射线源5到轮胎反射镜20的距离。 $I_g(x,y)=I_{\mathrm{obj}}(-\frac{x}{M},-\frac{y}{M})$ 为不计光栅衍射时，物平面上软X射线源5的光强分布I_obj(ξ，η)通过放大倍率为M的轮胎反射镜20成象得到的理想几何像的光强分布，M为轮胎反射镜20的放大倍率。T(y)定义为透射光栅19的衍射因子，即不计软X射线源5的源加宽时，光谱衍射级次的理想形状，其具体表达式为 $T\left(y\right)=\mathrm{\δ}\left(y\right){\∫}_0^{\∞}{t}_0\left(\mathrm{\λ}\right)Q\left(\mathrm{\λ}\right)b\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}+\underset{\mathrm{m\β}}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{t_m(y/\mathrm{m\β})}{\mathrm{m\β}}Q(y/\mathrm{m\β})b(y/\mathrm{m\β})---\left(2\right)$

式(2)中右边第一项为零级对衍射光谱的贡献，第二项为高级谱及其叠级的贡献；δ为狄拉克δ-函数；λ为入射软X射线单色光的波长；Q(λ)为探测元件17的单色衍射效率；β为一级衍射光谱的线色散；t_m(λ)(m＝0，±1，±2…)为光栅各衍射级次的单色效率，其理论公式为：上式中

为入射软X射线的波数，并假设透射光栅的栅线截面为矩形，厚度为B，宽度为(d-a)，光栅栅线间距为d；推导式(3)时考虑了光栅栅线(材料为金时)的复折射率

＝(1-δ)+iκ对X射线的衰减和相移。

将式(2)右边第一项带入式(1)，可得零级处的光强 $I_0(x,y)=\mathrm{\Δ\Ω}{I}_g(x,y){\∫}_0^{\∞}{t}_0\left(\mathrm{\λ}\right)Q\left(\mathrm{\λ}\right)b\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(4\right)$ 将式(2)右边第二项带入式(1)，一级和高级谱的叠级效应 $I(x,y)=\mathrm{\Δ\Ω}{I}_g(x,y)*\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_0^{\∞}\frac{t_m(y/\mathrm{m\β})}{\mathrm{m\β}}Q(y/\mathrm{m\β})b(y/\mathrm{m\β})\mathrm{d\λ}----\left(5\right)$

由式(3)可以看出，所有光谱线都对接收光谱的零级有贡献，零级的形状就是源加宽I_g(x，y)的形状；其次，式(4)中，求和号反映了高级谱叠级对接收光谱的影响，卷积运算表明源加宽使每一条谱线变宽，也降低了光谱的分辨率。解谱的目的就是从摄谱装置摄得的衍射光谱分布I(x，y)出发，在足够精确的光栅19及探测元件17的光谱响应灵敏度测试数据t_m(λ)和Q(λ)基础上，求得软X射线发射场的辐射亮度谱密度b(λ)。从上面的分析及式(4)、(5)可以看出，解谱过程可分为两步进行。首先，由所摄得的衍射光谱分布I(x，y)出发，求得源加宽I_g(x，y)；然后，从记录光谱中去卷积消除源加宽I_g(x，y)的影响，得到T(y)；再次，由光栅19和探测元件17的光谱响应特性，去叠级求得真实谱b(λ)。本发明光谱还原法的流程图如图2所示。

本发明的光谱还原法的具体步骤是：第一步，由上述的激光等离子体的测量装置直接拍摄并采用高斯函数拟合的方法获取光谱I(x，y)的零级谱曲线。由记录光谱I(x，y)的零级曲线中直接得出源加宽I_g(x，y)，其表达式为： $I_g(x,y)=I_{\mathrm{obj}}(-\frac{x}{M},-\frac{y}{M})----\left(6\right)$ 上式中I_g(x，y)为软X射线源5通过轮胎反射镜20所形成理想几何像的光强分布，即源加宽；(x，y)为像面的坐标；I_obj(ξ，η)为软X射线源5面上的光强分布；M为轮胎反射镜20的放大倍率。

解谱的第二步是求出透射光栅19的衍射因子T(y)。由式(4)给出I_g(x，y)出发，在式(5)中进行反卷积计算得到透射光栅19的衍射因子T(y)，若定义反卷积计算的数学符号为CONV^-1，则上述步骤为 $T\left(y\right)=\frac{1}{\mathrm{\Δ\Ω}}{\mathrm{CONV}}^{-1}\[I(x,y),I_g(x,y)\]----\left(7\right)$

在式(2)中略去零级的贡献，并通过色散关系y＝βλ将T(y)变为随波长变化的衍射因子T(λ)，写为： $T\left(\mathrm{\λ}\right)=\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{t_m(\mathrm{\λ}/m)}{\mathrm{m\β}}Q(\mathrm{\λ}/m)b(\mathrm{\λ}/m)----\left(8\right)$

解谱的第三步相当于在T(λ)中除去高级谱。采用分区间叠代消元的方法，在上述曲线T(λ)中找出摄得的最短谱线λ₀，则[λ₀，2λ₀]中的光谱仅含一级谱， $b\left(\mathrm{\λ}\right)=\mathrm{\β}\frac{T\left(\mathrm{\λ}\right)}{t_1\left(\mathrm{\λ}\right)Q\left(\mathrm{\λ}\right)}----\left(9\right)$ 再在[2λ₀，4λ₀]中扣除[λ₀，2λ₀]谱线的二级谱， $b\left(\mathrm{\λ}\right)=\mathrm{\β}\frac{T\left(\mathrm{\λ}\right)-t_2(\mathrm{\λ}/2)Q(\mathrm{\λ}/2)b(\mathrm{\λ}/2)/\mathrm{\β}}{t_1\left(\mathrm{\λ}\right)Q\left(\mathrm{\λ}\right)}----\left(10\right)$ 如此又对[4λ₀，8λ₀]等进行同样叠代操作，进而求得整个光谱内的辐射亮度谱密度b(λ)即获得激光等离子体的参数。

通过上述步骤解得b(λ)，由b(λ)的峰值波长λ_max及维恩位移定理 $T_{\mathrm{plasma}}=\frac{B}{{\mathrm{\λ}}_{\max }}----\left(11\right)$ 求得等离子体的辐射温度T_plasma；或者由下式计算激光等离子体辐射场的辐射本领， $R=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\Δ\Ω}}{\∫}_0^{\∞}b\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}----\left(12\right)$ 进而由斯特藩-玻耳兹曼定律

                                R＝σT⁴ _plasma                 (13)(式中斯特藩-玻耳兹曼常数σ＝1.028×10⁸mW/cm² eV⁴)，进而算得等离子体的辐射温度T_plasma。

本发明的优点为：

1.本发明装置采用小型化重复频率的激光器1作为等离子体软X射线源5的泵浦源，发射激光束G激发软X射线源5发射软X射线束S。因而实现了结构紧凑、调节灵活、费用低廉等优点。较之结构复杂、运行费用昂贵的同步辐射X光单色仪有较大的优越性。因此，本发明使用面广，有优越的易操作性和实用性。

2.本发明光谱还原方法利用部分相干光衍射理论对透射光栅的成象性质给出了完整、自洽的光谱还原的方法和步骤，类似的工作在国内外还未见报道。提出了实际测量确定源加宽和确定的反卷积的方法，提出了分区间叠代消元的方法，从摄得的最短谱线开始逐级递推，叠代扣除高级谱的叠级效应。该方法已开发为界面友好、功能齐全的程序包，可直接从测量结果回推至X射线源腔靶X射线发射的谱分布和辐射温度，具有调试简便、获得结果迅速等优点。

3.本发明装置在探测元件17的“自标定”过程中，置单色扫描狭缝18和探测元件17的调整架11装有自动同步控制装置12，实现调整架11平动/转动的自动调节，便于单色扫描狭缝18和探测元件17完成对软X射线衍射谱的单色光扫瞄。探测元件17还具有一个方向的转动自由度，可在保持单色扫描狭缝18不动的情况下任意改变其敏感面对软X射线束S的视角，以实现探测元件17的“自标定”。调整架11的自动调节特性可实现在工作条件下单色扫描狭缝18的连续扫描，提高了工作效率和测量结果的稳定性和及其所处工作条件的一致性。

4.置于会聚透镜11与软X射线源5之间有分束镜3，将反射激光束t射到外触发器21上，外触发器21同时使得存储示波器15、探测元件17以及自动同步控制装置12同时进入工作状态，提高了测量精度和测量的可靠性。

附图说明

图1.本发明装置的示意图。

图2.本发明测量方法的光谱的光谱还原法具体步骤的流程图。

图3.实施例中拍摄到的在作为激光器1的高功率神光装置辐照下，金等离子体的X射线发射谱。图中横坐标为拍摄谱的空间坐标X，单位为像素数(一个像素等于20μm)，纵坐标为光谱强度I，单位为尔格(erg)

图4.实施例中对图3所拍摄到的光谱采用光谱还原法，求解真实光谱和等离子体辐射温度。图4-1.用本发明的测量装置直接拍摄并用高斯函数拟合方法所得到的光谱I(x，y)的零级谱。横坐标为零级谱的空间坐标X，单位为像素数，纵坐标为光谱强度I，单位为尔格(erg)。图4-2.在I(x，y)中按式(6)进行反卷积计算，除去源加宽的卷积效果，得到透射光栅的衍射因子T(λ)曲线。横坐标为波长λ，单位为纳米(nm)，纵坐标为光栅(19)的衍射因子T(λ)，单位为毫瓦/平方厘米·纳米(mW/cm²nm)。图4-3.采用分区间叠代消元法，在T(λ)中除去较长波长的高级谱，求得整个光谱内的b(λ)曲线。横坐标为波长λ，单位为纳米(nm)，纵坐标为辐射亮度谱密度b(λ)的衍射因子T(λ)，单位为毫瓦/平方厘米·纳米(mW/cm²nm)。

实施例：

本实施例的测量装置如图1所示。采用轮胎反射镜20在子午面和弧矢面内的宽度分别为55mm和30mm，曲率半径分别为＝5565mm和24.43mm。子午面和弧矢面分别对软X射线源5成象，选择轮胎反射镜20对X射线的掠入射角为86.2°以使子午面和弧矢面成象重合。在轮胎反射镜20与软X射线源5之间垂直于光轴加一个3×5mm的矩形光阑22以挡掉轮胎反射镜20像点尾部的杂光，改善像质，并挡掉未经轮胎反射镜20反射成象的杂散光，因此收集立体角为7.45×10^-5球面度。该轮胎反射镜20反射面镀金，金对波长为1.456nm的X射线的折射率为0.998，对应的全反射角为86.02°，因此本发明装置的截止波长为1.4nm。实施例中采用的光栅19是5000g/mm的无支撑大面积透射光栅，该光栅外形尺寸为4×10.1mm，光栅尽量靠近轮胎反射镜20以在象面上获得较大的线色散和光谱分辨。实施例中光栅19在轮胎反射镜20的像点前250mm处，成象面上线色散为0.8nm/mm。光栅19被X光照亮的面积为3×5mm。轮胎反射镜20的使用也较充分地利用了光栅19的接收面积大这一优点。

1.探测元件17的“自标定”

本发明装置如图1所示。激光器1采用掺钕钇铝石榴石(Nd：YAG)激光器，激光束G的波长为532nm，脉宽为6ns，脉冲能量100mJ。采用磁带靶面作为软X射线源5，在激光脉冲打靶的同时，实现磁带靶面的转动，为每一发次的激光脉冲提供新的表面，以保证在整个测量中打靶条件的一致性。由于采用小型台式激光器(如Nd：YAG激光器等)辐照固体靶，实现了小型化重复频率激光器作等离子体软X射线源5的泵浦光源，本发明装置结构紧凑，费用低廉，总体尺寸占有不足0.3mm²的工作台面。

探测元件17采用XUV二极管，可接收的X光衍射光谱覆盖了1.2～30nm的光谱范围。外触发器21采用光电倍增管。位移传感器13是由发光二极管构成的。采用微型计算机作数据存储器14。

测量过程中，软X射线束S经轮胎反射镜20的反射和光栅19的衍射后，衍射光谱落在单色扫描狭缝18所在平面上。单色扫描狭缝18和探测元件17由调整架11带动，沿光谱色散方向平动扫谱。探测元件17对单色扫描狭缝18截取的单色X光的电流响应信号输入信号放大器16，完成前置放大(I-V转换，即电流-电压转换)和主放大(V-V放大，即电压-电压放大)后，电压输出信号进入存储示波器15进行数据采集。为提高对电压输出信号的扫描精度，降低噪声水平，存储示波器15采用外触发工作方式。分束镜3提取一部分激光束G，即反射光束f射到外触发器21上，并经外触发器21产生外触发信号，输入并由上升前沿触发存储示波器15对信号放大器16的电压输出信号的采集。该外触发器21可保证激光器1没有激光脉冲光束G输出时(即没有X射线束S产生并进入本发明装置时)，存储示波器15不进行数据采集，从而有效地避免了干扰信号。扫谱过程中，位移传感器13实时记录探测元件17的位置，并且与存储示波器15采集的探测元件17的信号响应数据一起输入与存储示波器15相联的用作数据存储显示器14的微型计算机。作探测元件17的“自标定”时，改变探测元件17敏感面对入射X射线束的视角，取X射线束S正入射和斜入射(斜入射角为)两种情况，探测元件17由调整架11的带动下沿衍射光谱的色散方向进行扫谱，比较两种情况下探测元件17的不同响应电流，即可得到探测元件自身的结构参数和单色响应灵敏度，进而获得由位移传感器13记录下的、单色扫描狭缝18在不同位置处截取出的单色衍射光谱的波长和绝对强度，即获得了本发明装置谱平面上衍射X光的完整信息。

2.透射光栅光谱还原和等离子体辐射温度的测量

本实施例是在上述“神光”高功率激光装置作为激光器1上完成的。激光波长为1.06μm，激光脉冲脉宽为(600--900)ps，能量为(500--700)J/束，测量中所用软X射线源5为金靶。实际拍摄得到的光谱如图3所示。

调用已存储于数据存储器14中由上述步骤已编制好的实现透射光栅光谱还原法的具体步骤的软件包GRATING4如图2所示的流程图。当激光器1发射激光束G，经会聚透镜2和分束镜3后，反射光束f射到外触发器21上，触发存储示波器15、探测元件17等各元件开始工作。经分束镜3的透射光束t射到软X射线源5的靶面上，有软X射线束S进入真空密封室8中。轮胎反射镜20、光栅19、单色扫描狭缝18至探测元件17。探测元件17采集的信号与位移传感器13记录的信号均输进数据存储器14中。数据存储器14调用上述方法和步骤的软件包，便可获得腔靶X射线发射的辐射温度。该软件包运行于Windows 95下的Matlab环境中，界面友好、功能齐全，可直接从测量结果回推至腔靶X射线发射的谱分布和辐射温度，调试简便，计算迅速。

下面再结合流程图(图2)进行叙述本发明测量方法的具体步骤。依照图2所示的光谱还原流程图，解谱的第一步直接用测量装置测得数据，进入数据存储器14中用高斯函数拟合所得光谱I(x，y)(如图3所示)的零级，得到源加宽I_g(x，y)的函数表达式。I_g(x，y)的半高全宽为23.78μm，如图4-1所示。

解谱的第二步相当于在I(x，y)中除去源加宽的卷积效果。按上述公式(7)进行反卷积计算，计算得到透射光栅的衍射因子T(y)，并变为随波长变化的衍射因子T(λ)曲线，如图4-2所示。

解谱的第三步相当于在T(λ)中除去较长波长的高级谱。采用分区间叠代消元的方法，在该曲线中找出摄得的最短谱线λ₀，由上述公式(9)首先在仅含一级谱的[λ₀，2λ₀]区间内获得激光等离子体的辐射亮度谱密度b(λ)。再依照上述公式(10)，分别在[2λ₀，4λ₀]、[4λ₀，8λ₀]...等区间中扣除各区间外短波长光谱的二级谱、三级谱并求得该区间内的b(λ)，进行这种叠代操作直至求得整个光谱内的b(λ)曲线，结果如图4-3所示。为保证反卷积的精度，适当地对数据点进行了内插。

通过上述步骤解得b(λ)，进而由维恩位移定理(上述公式(11))斯特藩-玻耳兹曼定律(上述公式(12)和(13))获得等离子体的辐射温度T_plasma＝400eV。

Claims (8)

1.一种激光等离子体参数的测量装置，含有：

<1>.由外壳(7)的头部(23)与置有软X射线源(5)的真空靶室(4)的窗口密封连接构成的真空密封室(8)，在真空密封室(8)内置有悬挂式导轨(6)，在悬挂式导轨(6)上置有调整架(9)、(10)、(11)；

<2>.在真空密封室(8)内，沿着软X射线源(5)发射的软X射线束S前进的方向上，依次置有矩形光阑(22)、置于调整架(9)上的轮胎反射镜(20)、置于调整架(10)上的光栅(19)、置于调整架(11)上的探测元件(17)；

<3>.探测元件(17)的输出联有信号放大器(16)，信号放大器(16)的输出经过存储示波器(15)与数据存储器(14)相联；

其特征在于：

<4>.作为真空靶室(4)内的软X射线源(5)的泵浦源是激光器(1)；

<5>.沿激光器(1)发射的激光束G前进的方向上，依次置有会聚透镜(2)和分束镜(3)；

<6>.经分束镜(3)的透射光束t会聚到真空靶室(4)内的软X射线源(5)上、经分束镜(3)的反射光束f会聚到外触发器(21)上；

<7>.外触发器(21)与存储示波器(15)相联，存储示波器(15)分别与探测元件(17)相联的信号放大器(16)和与位移传感器(13)相联的数据存储器(14)相联；

<8>.调整架(11)带有自动同步控制装置(12)，自动同步控制装置(12)与位移传感器(13)相联，置于调整架(11)上，探测元件(17)之前还有单色扫描狭缝(18)。

2.根据权利要求1的测量装置的测量方法，是光谱还原法，其特征在于具体步骤是

<1>.采用激光等离子体参数的测量装置直接拍摄并采用高斯函数拟合的方法，获取光谱I(x，y)的零级谱曲线，并得出源加宽I_g(x，y)的表达式；

<2>.由上述第一步给出的表达式I_g(x，y)和曲线，采用反卷积的方法，求出透射光栅的衍射因子T(y)；并将衍射因子T(y)变为随波长变化的衍射因子T(λ)；

<3>.采用分区间叠代消元法，求得等离子体的参数。

3.根据权利要求1的一种测量装置，其特征在于外触发器(21)是对激光束G响应灵敏的光电二极管，或者是光电倍增管，或者是雪崩二极管，或者是光电池。

4.根据权利要求1的一种测量装置，其特征在于位移传感器(13)是由发光二极管构成，或者是电容式位移传感器，或者是光电计数器。

5.根据权利要求1的一种测量装置，其特征在于探测元件(17)是接收软X射线束S的可自标定的X射线波段的二极管，或者是光阴极光电二极管，或者是光电倍增管。

6.根据权利要求1的一种测量装置，其特征于在光栅(19)是无支撑大面积透射光栅，光栅的线对数范围是1000～5000g/mm。

7.根据权利要求2的一种测量方法，其特征在于源加宽I_g(x，y)的表达式为 $I_g(x,y)=I_{\mathrm{obj}}(-\frac{x}{M},-\frac{y}{M})---\left(6\right)$ 上式中I_g(x，y)为软X射线源(5)通过轮胎反射镜(20)所形成理想几何像的光强分布，(x，y)为像面的坐标；I_obj(ξ，η)为软X射线源(5)面上的光强分布；M为轮胎反射镜(20)的放大倍率。

8.根据权利要求2的一种测量方法，其特征在于随波长变化的衍射因子T(λ)的表达式为 $T\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\underset{m=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{t_m(\mathrm{\&lambda;}/m)}{\mathrm{m\&beta;}}Q(\mathrm{\&lambda;}/m)b(\mathrm{\&lambda;}/m)---\left(8\right)$ 上式中T(λ)为透射光栅(19)的衍射因子，即不计软X射线源(5)的源加宽时，光谱衍射级次的理想形状；λ为入射软X射线单色光的波长；m(m＝0，±1，±2…)为光栅(19)的各级衍射光谱的级次；β为一级衍射光谱的线色散；b(λ)为软X射线源(5)的辐射亮度谱密度；Q(λ)为探测元件(17)的单色衍射效率；t_m(λ)为光栅(19)各衍射级次的单色效率。

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