专利名称：掠入射软x射线和极紫外线平场谱仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种等离子体技术中使用的谱仪，尤其是一种用于测量软X射线及极紫外线(XUV)的掠入射平场谱仪(grazing-incidenceflat-field spectrometer)。
背景技术：
在强场物理、实验室天体物理、X射线激光以及激光驱动惯性约束核聚变等诸多领域中，等离子体将会产生极为丰富的软X射线辐射谱，携带了相互作用过程中的大量的物理信息，因此研究软X射线谱的特性对于这些物理过程的理解具有十分重要的意义。传统的用于测量软X射线的谱仪主要有透射光栅谱仪、晶体谱仪以及掠入射光栅谱仪等。透射光栅谱仪的摄谱范围大，但其光谱分辨能力小，最好也只能达到约0.1nm，灵敏度低(由于软X射线与透射光栅的固有特性，透射光栅谱仪的效率小于10％)。晶体谱仪的谱分辨能力强，但其摄谱范围极小。因此，谱分辨能力介于透射光栅谱仪与晶体谱仪之间的、既有较好的谱分辨能力又有较大摄谱范围的掠入射光栅谱仪得到了发展。
在一般的掠入射光栅谱仪中，光栅、入射狭缝和探测器均须沿罗兰圆安放，具有平直接收表面的探测器如光电二极管阵列、微通道板(MCP)、电荷耦合器件(CCD)以及条纹相机等很难与之耦合，因此难以获得软X射线谱的时间和空间信息，而且操作较为困难。为了解决上述问题，一种专门用于测量软X射线的掠入射平场谱仪得到发展。八十年代以来，在诸如软X射线、X射线激光、激光产生的高次谐波以及等离子体诊断等研究领域，掠入射平场谱仪已经得到广泛应用，如下列文献所示。
1.R.J.Fonck，et al；Appl.Opt.21，2115-2123(1982)
2.T.Kita，et al；Appl.Opt.22，512-513(1983)3.N.Nakano，et al；Appl.Opt.23，2386-2392(1984)4.G.P.Kiehn，et al；Appl.Opt.26，425-429(1987)掠入射平场谱仪主要由一个变栅距球面光栅(spherical variable-line-space grating)、一个狭缝和一个探测器组成，如上述文献1-4中所述。变栅距球面光栅能在一个平直的焦面上形成所谓的平场光谱，解决了前述的耦合问题，利用闪耀角提高光栅的一级衍射效率，摄谱范围大，谱分辨率高。这种谱仪结构虽然简单，但是光栅能收集到的辐射能量很有限，集光效率低，所以灵敏度度较低。另外，掠入射会造成大的像散，很难在实现谱分辨的情况下同时实现空间分辨。为了克服集光效率低的缺点，在后来的掠入射平场谱仪中，在入射狭缝前面放置了一个聚焦镜(focusing mirror)，将源发出的辐射聚焦到谱仪的入射狭缝上，以最大限度地提高光栅收集的辐射能量。该谱仪的光学系统中使用的圆柱面镜(cylindrical mirror)虽然有聚焦作用，但因圆柱面镜只有一维曲率半径，不能同时满足聚焦和和补偿由于光束掠入射到球面光栅上产生的像散要求。后来，有人使用球面镜(spherical mirror)和圆柱面镜的组合作为聚焦系统，见文献5。
5.P.Z.Fan，et al；Appl.Opt.31，6720-6723(1992)球面镜和圆柱面镜的组合虽然能聚焦和补偿光栅像散，但因多了一个镜子，由此组成的光学系统所占空间较大，且调节起来增加了难度。而在中国专利申请02131224.9中公开的一种超环面镜(toroidal mirror)不仅具有子午方向的曲率半径，而且还具有弧矢方向的曲率半径，因此仅使用一个超环面镜就能同时实现聚焦和补偿光栅的像散。

发明内容
本实用新型的目的是针对目前已有的的掠入射平场谱仪成本较高，调节困难，谱分辨率和空间分辨率较低、像散较为严重、摄谱范围小、灵敏度较低和稳定性较差的缺点；而提供一种通过在平场光栅的前级加上一个超环面镜的新型谱仪，该谱仪的成本较低、结构紧凑、方便调节、谱分辨率和空间分辨率高、摄谱范围大、灵敏度高、可对数据进行实时采集以及性能稳定，从而为等离子体的无干扰诊断发展实用、快速和有效的技术手段。
本实用新型的目的可通过如下措施来实现本实用新型提供的一种掠入射软X射线和极紫外线平场谱仪，该谱仪包括光学系统、真空系统、图像采集系统、支撑系统；在支撑系统上活动安装有真空系统；在真空系统的柱形真空腔内装有光学系统，在真空系统的一端对应于其内的光学系统活动设有图像采集系统。
所述的光学系统包括物空间限光光阑、超环面镜及其调节装置、狭缝及其调节装置、像空间限光光阑、光栅及其调节装置、精密平面底板及激光准直系统；在所述的光学系统的入射光路的精密平面底板上依次设物空间限光光阑、超环面镜及其调节装置、狭缝及其调节装置、像空间限光光阑。所述的超环面镜及其调节装置的结构可参见中国专利申请02131224.9。
上述光学系统还包括一零级挡镜，该零级挡镜设于像空间限光光阑的出射光光路上。
所述的真空系统包括柱形真空腔、转接件、腔源耦合管、腔泵耦合窗、腔泵耦合管和真空泵系统；其中所述的腔源耦合管通过转接件与柱形真空腔相连；柱形真空腔通过腔泵耦合窗、腔泵耦合管与真空系统相连。
在柱形真空腔与腔源耦合管之间还设有插板阀。
在腔泵耦合窗与真空系统之间设有腔泵插板阀。
在柱形真空腔上还设有两互相垂直的调节窗、一真空测量窗和一放气阀窗。
所述的腔泵耦合窗为两个且互相垂直。
所述的图像采集系统包括与柱形真空腔相连的调谱座、平移块、固定块、调节螺杆、耦合管和摄像头；其中所述的调谱座上设有固定块，在固定块处设有调节螺杆；所述的固定块依次通过平移块、耦合管与CCD摄像头相连。
所述的支撑系统包括支撑板、箍条、滑动底座、调节旋钮、支撑平板、支架、支腿；其中支腿上设有支架，支架上设有支撑平板，支撑平板与滑动底座之间通过调节旋钮相连；所述的滑动底座与支撑柱形真空腔的支撑板相连；在支撑板上还设有固定柱形真空腔的箍条。
所述的支腿下设有调节螺杆。
所述的支架下还设有滚轮。
本实用新型相比现有技术具有如下优点1、本实用新型中通过在平场光栅的前级加上一个超环面镜，既能补偿平场光栅的像散，实现软X射线谱的空间分辨，又能加大收集立体角，提高谱仪的灵敏度。
2、本实用新型采用变栅距球面光栅作为色散元件，其焦面为一平面，与许多平面探测器可方便地直接耦合。
3、本实用新型采用具有两个曲率半径的超环面镜作为光学成像和消像散元件，光学元件少，光路紧凑、实用，使得本实用新型的整体装置体积较小，结构紧凑。
4、本实用新型中采用CCD摄像头对软X射线谱进行实时采集，计算机处理数据，直观，方便，快速，且CCD摄像头可在光栅焦面上平移，因而极大地扩展了谱仪的摄谱范围。
5、利用本实用新型中超环面镜的调节方法及其调节装置可将价格低廉的玻璃圆柱面镜弯曲成超环面镜，代替了直接经光学加工而成的价格昂贵的超环面镜，从而大幅降低了谱仪的整体成本。
6、本实用新型中超环面镜、狭缝和光栅等主要光学元件均有相应的精密调节装置，各维的调节螺杆或螺丝均为精密螺纹，调节过程中各元件安装在精密平面底板上，可以达到很高的精度。
7、本实用新型中整个圆柱形真空腔体可以旋转90度，可根据需要选择实现水平方向或竖直方向上软X射线谱的空间分辨。
8、本实用新型中使用一个专用支架，备有滚轮，可以方便地整体移动；使用时将四个螺杆支腿支起，非常牢固，而且谱仪中各元件安装牢固，因而整个谱仪稳定性好，具有良好的抗震性。
9、本实用新型中整个圆柱形真空腔可随滑动底座前后左右平移，倾斜角可由支架上的四个螺杆支腿调节，在与源的准直调节中甚为方便。
10、本实用新型中各光学元件通过模拟光源进行调节，方法简便、实用、快速、高效，从而为提高掠入射平场谱仪的各项性能尤其是分辨率提供可行的技术新途径。


图1为本实用新型的谱仪的主视图。
图2为本实用新型的谱仪的俯视图。
图3为本实用新型的谱仪光学系统的俯视图。
图4为本实用新型的平场光栅的色散原理图。
图中标记说明如下1-光学系统11-超环面镜及其调节装置12-狭缝及其调节装置13-光栅及其调节装置14-零级挡镜15-物空间限光光阑 16-像空间限光光阑17-精密平面底板18-氦氖激光入射窗19-平面反射镜 110-氦氖激光器 111-沉孔2-真空系统21-柱形真空腔 22-转接件 23-插板阀24-腔源耦合管 25-调节窗 26-真空测量窗27-放气阀窗28-腔泵耦合窗 29-腔泵耦合管27-真空泵系统 210-腔泵插板阀211-真空泵系统3-图像采集系统31-调谱座 32-平移块 33-固定块34-调节螺杆35-耦合管 36-过渡法兰37-CCD(与计算机相连)4-支撑系统41-支撑板42-箍条 43-滑动底座 44-调节旋钮45-支撑平板 46-支架 47-螺杆支腿 48-滚轮具体的实施方式本实用新型的谱仪采用掠入射方式，以提高软X射线的传输效率。本实用新型的谱仪主要由超环面镜(又称为轮胎镜)、狭缝、平场光栅、软X射线CCD摄像头以及相应的真空系统组成。超环面镜在子午面和弧矢面具有不同的曲率半径，平场光栅的反射面为球面。在子午面上，软X射线经超环面镜收集并反射成像于狭缝上，再经平场光栅色散并聚焦成像于焦平面上(如图4所示)，实现谱分辨。在弧矢面上，软X射线经超环面镜收集并反射成虚像于远处，再经平场光栅成像于焦平面上，实现空间分辨。在焦平面上，利用软X射线CCD记录软X射线和极紫外线图像，从而在实现软X射线谱分辨的同时实现空间分辨。
本实施例的谱仪的具体结构如下一种掠入射平场谱仪，包括光学系统1、真空系统2、图像采集系统3、支撑系统4。
如图3所示，从左到右的顺序，光学系统1主要由物空间限光光阑15、超环面镜及其调节装置11、狭缝及其调节装置12、像空间限光光阑16、光栅及其调节装置13、零级挡镜14、精密平面底板17以及氦氖激光准直系统等组成，所有光学元件按图7所示的光路精密安装；氦氖激光准直系统由氦氖激光入射窗18、平面反射镜19、氦氖激光器110等组成；氦氖激光器110位于柱形真空腔一侧，其发出的激光束经平面反射镜19反射后再经入射窗18进入柱形真空腔的主光路内；精密平面底板17备有沉孔111，用于将调节好后的主光路系统固定在柱形真空腔21内；为了达到更高的精度，本实施例中专门设计了超环面镜调节装置、狭缝调节装置和光栅调节装置。超环面镜调节装置具有七个调节自由度，可以实现超环面镜的弯曲和几何位置调节(超环面镜调节装置及其调节方法已另外申请专利)；狭缝调节装置具有三维调节自由度在狭缝平面的旋转调节，沿图4中子午面光线方向和垂直于该方向的二维平移调节，另外，狭缝调节装置还设有一个特殊的机构用来方便地更换不同宽度的狭缝，以满足不同的谱分辨要求；光栅调节装置有五维调节自由度二维平移调节和三维姿态调节(即俯仰角、倾斜角和方位角的调节)；所有调节装置有很高的精度和良好的稳定性。
真空系统2主要由柱形真空腔21、歪脖转接件22、腔源插板阀23、腔源耦合管24、调节窗25、真空测量窗26、放气阀窗27、腔泵耦合窗28、腔泵耦合管29、腔泵插板阀210、真空泵系统211等组成。柱形真空腔21的入射端依次通过歪脖转接件22、插板阀23和腔源耦合管24与软X射线源所在的真空靶室相连接。腔源耦合管24为波纹管，使柱形真空腔21与靶室的连接为软连接，以方便谱仪的位置调节和姿态调节；歪脖转接件22的角度设计成正好满足谱仪特殊的掠入射角的需要；谱仪的柱形真空腔21与真空靶室通过插板阀23进行隔离；柱形真空腔21依次通过腔泵耦合窗28和腔泵插板阀210与真空泵系统211相连接；腔泵插板阀210用于隔离柱形真空腔21和真空泵系统211；腔泵耦合窗28有两个，互相垂直，可根据需要选择一个与真空泵系统211相连，以满足谱仪在水平或竖直两个方向空间分辨的需要；调节窗25有两个，互相垂直并相隔一定距离，为安装和调节所用；真空测量窗26安装真空计，用于测量谱仪内的真空度；放气阀窗27用于安装放气阀。
图像采集系统3主要由调谱座31、平移块32、固定块33、调节螺杆34、耦合管35、过渡法兰36、CCD(与计算机相连)37等组成。调谱座31与柱形真空腔21相连，并用胶圈密封，调谱座31上装有固定块33，CCD37通过过渡法兰36、耦合管35与平移块32相连接，平移块32连同CCD37可在调谱座31上通过调节调节螺杆34平移，增大了谱仪的摄谱范围；平移块32与调谱座31之间用橡胶圈密封；CCD37与计算机系统相连，可对像面上的软X射线谱进行实时采集。
支撑系统4由支撑板41、箍条42、滑动底座43、调节旋钮44、支撑平板45、支架46、螺杆支腿47、轮子48等组成。支撑板41固定在滑动底座43上，柱形真空腔21置于支撑板41上，通过箍条42固定；柱形真空腔21可通过滑动底座43在支撑平板45上左右前后平移，使用调节旋钮44进行平移调节；螺杆支腿47除了起支撑作用外，还可用于调节柱形真空腔21的姿态(俯仰角和倾斜角)；将螺杆支腿47悬起，利用轮子48可很方便地移动整个谱仪。
权利要求1.一种掠入射软X射线和极紫外线平场谱仪，该谱仪包括光学系统(1)、真空系统(2)、图像采集系统(3)、支撑系统(4)；其特征在于在支撑系统(4)上活动安装有真空系统(2)；在真空系统(2)的柱形真空腔(21)内装有光学系统(1)，在真空系统(2)的一端对应于其内的光学系统(1)活动设有图像采集系统(3)。
2.如权利要求1所述的掠入射软X射线和极紫外线平场谱仪，其特征在于所述的光学系统(1)包括物空间限光光阑(15)、超环面镜及其调节装置(11)、狭缝及其调节装置(12)、像空间限光光阑(16)、光栅及其调节装置(13)、精密平面底板(17)及激光准直系统；在所述的光学系统(1)的入射光路的精密平面底板(17)上依次设物空间限光光阑(15)、超环面镜及其调节装置(11)、狭缝及其调节装置(12)、像空间限光光阑(16)。
3.如权利要求2所述的掠入射软X射线和极紫外线平场谱仪，其特征在于所述的光栅选用变栅距球面光栅，即平场光栅。
4.如权利要求2所述的掠入射软X射线和极紫外线平场谱仪，其特征在于所述的光学系统(1)还包括一零级挡镜(14)，该零级挡镜(14)设于像空间限光光阑(16)的出射光光路上。
5.如权利要求1所述的掠入射软X射线和极紫外线平场谱仪，其特征在于所述的真空系统(2)包括柱形真空腔(21)、转接件(22)、腔源耦合管(24)、腔泵耦合窗(28)、腔泵耦合管(29)和真空泵系统(211)；其中所述的腔源耦合管(24)通过转接件(22)与柱形真空腔(21)相连；柱形真空腔(21)通过腔泵耦合窗(28)、腔泵耦合管(29)与真空系统(211)相连。
6.如权利要求5所述的掠入射软X射线和极紫外线平场谱仪，其特征在于在柱形真空腔(21)与腔源耦合管(24)之间还设有插板阀(23)。
7.如权利要求5所述的掠入射软X射线和极紫外线平场谱仪，其特征在于在腔泵耦合窗(28)与真空系统(211)之间设有腔泵插板阀(210)。
8.如权利要求5所述的掠入射软X射线和极紫外线平场谱仪，其特征在于在柱形真空腔(21)上还设有两互相垂直的调节窗(25)、一真空测量窗(26)和一放气阀窗(27)。
9.加权利要求5所述的掠入射软X射线和极紫外线平场谱仪，其特征在于所述的腔泵耦合窗(28)为两个且互相垂直。
10.如权利要求1所述的掠入射软X射线和极紫外线平场谱仪，其特征在于所述的图像采集系统(3)包括与柱形真空腔(21)相连的调谱座(31)、平移块(32)、固定块(33)、调节螺杆(34)、耦合管(35)和摄像头(37)；其中所述的调谱座(31)上设有固定块(33)，在固定块(33)处设有调节螺杆(34)；所述的固定块(33)依次通过平移块(32)、耦合管(35)与摄像头(37)相连。
11.如权利要求1所述的掠入射软X射线和极紫外线平场谱仪，其特征在于所述的支撑系统(4)包括支撑板(41)、箍条(42)、滑动底座(43)、调节旋钮(44)、支撑平板(45)、支架(46)、支腿(47)；其中支腿(47)上设有支架(46)，支架(46)上设有支撑平板(45)，支撑平板(45)与滑动底座(43)之间通过调节旋钮(44)相连；所述的滑动底座(43)与支撑柱形真空腔(21)的支撑板(41)相连；在支撑板(41)上还设有固定柱形真空腔(21)的箍条(42)。
12.如权利要求11所述的掠入射软X射线和极紫外线平场谱仪，其特征在于所述的支腿(47)下设有调节螺杆。
13.如权利要求11所述的掠入射软X射线和极紫外线平场谱仪，其特征在于所述的支架(46)下还设有滚轮(48)。
专利摘要本实用新型涉及一种掠入射软X射线和极紫外线平场谱仪，该谱仪主要由光学系统、真空系统、图像采集系统、支撑系统等组成；光学系统主要由超环面镜、狭缝、平场光栅等组成。该谱仪灵敏度高，摄谱范围大，图像采集系统中使用CCD相机，可实现空间分辨光谱的实时采集；该谱仪中各光学元件都安装在相应的精密调节装置上，稳定性好，结构紧凑，精度高，调节方便，操作简单、高效；该谱仪各部件之间耦合精度高，工作稳定可靠；整个谱仪通过模拟光源进行调节，调节方法简单，使用方便；该谱仪可广泛用于热等离子体的无干扰诊断。
文档编号G01J3/28GK2608962SQ0229415
公开日2004年3月31日 申请日期2002年12月27日 优先权日2002年12月27日
发明者张 杰, 陈正林, 彭晓昱 申请人:中国科学院物理研究所