專利名稱：真空紫外光譜檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真空紫外(vuv)輻射和vuv波段原子發(fā)射光譜的檢測(cè)裝置，是屬于光譜分析領(lǐng)域的一種檢測(cè)儀器。
技術(shù)背景要了解聚變等離子體中雜質(zhì)成分的行為規(guī)律，最基本的方法是通過(guò)發(fā)射 光譜中各種核素的特征譜線來(lái)研究它們。對(duì)于典型的磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)說(shuō)，其等離子體的放電條件大致是電子密度1019-1020 m-3，電子溫度0.1-10 keV。這時(shí)雜質(zhì)核素(離子)發(fā)出的譜線大多是位于1-200 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的 真空紫外光。因此，在保證以下條件的前提下檢測(cè)這一范圍內(nèi)的發(fā)射光譜是 我們進(jìn)行雜質(zhì)診斷的主要手段首先，要保證光譜檢測(cè)的同時(shí)性，即在同一 時(shí)刻內(nèi)得到很寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)所有譜線的強(qiáng)度信息；此外，因?yàn)楹怂胤N類很多(包括同一元素不同電離程度的離子，如ArII和ArIX)，譜線很可能比較接 近或有交疊，因此對(duì)光譜分辨率和像素分辨率都有很高的要求；再者，因?yàn)?放電時(shí)間很短，要求檢測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)足夠好，而且要有很高的檢測(cè)效率(靈敏度)。目前在磁約束聚變裝置上廣泛使用的真空紫外光譜儀可以大致分為三個(gè) 組成部分入口狹縫、衍射光柵和平板檢測(cè)器。就光柵而言，在過(guò)去的二三 十年中，主要發(fā)展了反射光柵。這種光柵可以同時(shí)完成分光譜和使入射光聚 焦到檢測(cè)器平面的功能。根據(jù)入射角度的不同，又分為正入射光譜儀、掠入 射光譜儀以及平場(chǎng)掠入射光譜儀。對(duì)于波長(zhǎng)短、能量高的真空紫外光來(lái)說(shuō)，正入射時(shí)光柵的吸收損失是很 嚴(yán)重的，并由此導(dǎo)致效率較低，因而工作波長(zhǎng)通常在30nm以上。相比之下， 掠入射光譜儀光柵的效率就要高很多。但盡管有效率高的優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)的掠入 射光譜儀在同平板檢測(cè)器的配合方面卻存在一定的問(wèn)題實(shí)際上，入射光在 經(jīng)光柵分光并聚焦后，其焦點(diǎn)并不在同一個(gè)平面上，而是分布在羅蘭圓面上。 這樣的話，只有平板檢測(cè)器上處于中間位置的接收單元能夠比較有效地工作， 邊緣附近的單元?jiǎng)t面臨著嚴(yán)重的失真而且效率低下的問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，有人設(shè)計(jì)了用環(huán)形光柵代替普通曲面光柵的平場(chǎng)掠入射光譜檢測(cè)系統(tǒng)，以保證光柵的焦點(diǎn)分布在同一平面上。不過(guò)就目前投入使用的環(huán)形光柵檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)看其聚焦長(zhǎng)度都比較短(典型值不超過(guò)250mm，而 掠入射系統(tǒng)可以達(dá)到2000mm以上)，這導(dǎo)致了較低的分辨率；其成像面積也 小，檢測(cè)器單元的空間密度也不能很高，這又導(dǎo)致了較低的像素分辨率；此 外每塊環(huán)形光柵覆蓋的波長(zhǎng)范圍也較小，以至于覆蓋1-200 nm的波長(zhǎng)范圍需 要用4塊左右的光柵(掠入射系統(tǒng)可以只用1塊光柵)。此外還有一種做法就是讓檢測(cè)器沿著羅蘭圓運(yùn)動(dòng)以掃描不同波長(zhǎng)的光， 例如研究某些長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定放電的低溫等離子體而使用的真空紫外光譜儀，但 這卻不能滿足聚變等離子體研究最基本的時(shí)間響應(yīng)的要求。發(fā)明內(nèi)容要解決的技術(shù)問(wèn)題-同一時(shí)刻得到一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)所有譜線的強(qiáng)度信息，并達(dá)到普通掠入射 光柵真空紫外光譜儀的光譜分辨率和像素分辨率。另外，檢測(cè)的時(shí)間響應(yīng)足 夠好，而且有很高的檢測(cè)效率(靈敏度)。綜合考慮到以上問(wèn)題和矛盾，本發(fā)明設(shè)想了一套新的真空紫外光譜檢測(cè) 裝置。這個(gè)裝置是基于傳統(tǒng)的掠入射光柵系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。但對(duì)光柵與平板檢 測(cè)器的配合有了改進(jìn)。本發(fā)明提供了一種真空紫外光譜檢測(cè)裝置，其特征在于，依次包括入 口狹縫2，凹面光柵3，光纖陣列4和平板檢測(cè)器5;入口狹縫2和凹面光柵 3安裝于真空腔體1之中，光纖陣列4的一個(gè)端面與由入口狹縫2和凹面光柵 3所決定的羅蘭圓面重合，光纖陣列4的該端面涂有可將真空紫外光轉(zhuǎn)化為可 見光的熒光物質(zhì)，另一端面分叉為多個(gè)子光纖陣列，這些子光纖陣列的端面 都為平面并分別與一個(gè)平板檢測(cè)器5相連接。光纖陣列4與真空腔體1真空 密封連接。本發(fā)明的有益效果-與正入射光柵系統(tǒng)相比，本裝置使用的掠入射光柵的聚焦長(zhǎng)度保證了非 常高的光譜分辨率；羅蘭圓面積很大，再加上恰當(dāng)布局的子光纖陣列將各波 長(zhǎng)的光同時(shí)分別傳輸?shù)蕉鄠€(gè)平板檢測(cè)器，在使本裝置的像素分辨率得到保證的前提下，更重要的是獲得了同時(shí)測(cè)量一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)所有譜線的能力，這 是傳統(tǒng)掠入射光柵系統(tǒng)所不具備的；本裝置所使用的掠入射光柵本身就具有 很高效率，因此在檢測(cè)器方面，既可以使用普通的CCD面陣，也可以使用ICCD 或EMCCD來(lái)進(jìn)一步提高靈敏度，或用CMOS工藝的CCD來(lái)提高時(shí)間響應(yīng)。 在整個(gè)系統(tǒng)的安裝、使用和維護(hù)方面，我們?cè)O(shè)計(jì)的新系統(tǒng)也將具有優(yōu)勢(shì): 掠入射光柵屬于目前比較成熟而使用較廣泛的元件，相比之下，設(shè)計(jì)復(fù)雜且 應(yīng)用較少的環(huán)形光柵就要昂貴得多；檢測(cè)系統(tǒng)使用CCD而不是微通道平板檢 測(cè)器，大大降低了對(duì)系統(tǒng)真空度的要求(后者因?yàn)槭褂酶邏杭铀匐娮樱婵?度不夠時(shí)可能產(chǎn)生放電，而且也還必須遠(yuǎn)離聚變實(shí)驗(yàn)裝置才能避免受到其電 磁輻射的影響)；在使用時(shí)，真空腔體內(nèi)沒(méi)有需要調(diào)節(jié)的部件，降低了結(jié)構(gòu)的 復(fù)雜度。所以整體而言我們的新系統(tǒng)價(jià)格較不昂貴，對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求低，而 且不易受到干擾。由于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其安裝調(diào)試也很簡(jiǎn)單，而系統(tǒng)的維護(hù) (如更換熒光物質(zhì))也很方便。


以示例的方式，錯(cuò)誤！未找到引用源。給出了本發(fā)明的真空紫外光譜檢 測(cè)裝置示意圖。
具體實(shí)施方式
錯(cuò)誤！未找到引用源。示意性地給出了本發(fā)明的具體實(shí)施例。入射狹縫2、 凹面光柵3、光纖陣列4和多枚平板檢測(cè)器5組成了本真空紫外光譜檢測(cè)裝置 的光學(xué)系統(tǒng)。入射狹縫2平行于光柵3的母線。光柵3采用覆蓋1-200 nm波 長(zhǎng)范圍，聚焦長(zhǎng)度1000-2000 mm的掠入射光柵。光纖陣列4的一個(gè)端面與由 入射狹縫2和凹面光柵3所決定的羅蘭圓面重合，覆蓋一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)通過(guò) 狹縫入射的真空紫外光的焦點(diǎn)分布。該端面還涂有將真空紫外光轉(zhuǎn)化為可見 光的熒光物質(zhì)。光纖陣列4的另一端分叉為若干個(gè)子光纖陣列，這些子光纖 陣列的端面都為平面，并分別與一個(gè)平板檢測(cè)器5相連接。真空腔體1為放置上述光學(xué)系統(tǒng)提供了一個(gè)真空容器。為維持真空腔體1 內(nèi)的真空度(以防止真空紫外光被氣體大量吸收)，首先，通過(guò)管道I7連接 了一個(gè)真空泵9，它通過(guò)管道II8將氣體抽走；其次，光纖陣列4與真空腔體 1通過(guò)密封圈6進(jìn)行真空密封(當(dāng)然了，光纖陣列4首先必須粘合致密，保證密封)。整個(gè)檢測(cè)裝置通過(guò)法蘭盤10與待測(cè)的真空紫外光輻射源(典型的如 托卡馬克等磁約束受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)裝置)相連接。事實(shí)上，如果可以通過(guò)法蘭盤io與真空紫外輻射源共用真空抽氣系統(tǒng)的話，管道17和管道ns以及真空泵9可以省略。真空紫外光11經(jīng)入射狹縫2掠入射至凹面光柵3上發(fā)生色散， 一定波長(zhǎng) 范圍內(nèi)的真空紫外光線聚焦在光纖陣列4的端面上(光線112和光線1113之 間)，被涂在該端面上的熒光物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可見光?？梢姽馔ㄟ^(guò)光纖陣列4及其 分叉后的多個(gè)子陣列分別傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的平板檢測(cè)器。平板檢測(cè)器的輸出信號(hào) 將反映這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的整個(gè)光譜。
權(quán)利要求
1. 一種真空紫外光譜檢測(cè)裝置，其特征在于，依次包括入口狹縫(2)，凹面光柵(3)，光纖陣列(4)和平板檢測(cè)器(5)；入口狹縫(2)和凹面光柵(3)安裝于真空腔體(1)之中，光纖陣列(4)的一個(gè)端面與由入口狹縫(2)和凹面光柵(3)所決定的羅蘭圓面重合，光纖陣列(4)的該端面涂有可將真空紫外光轉(zhuǎn)化為可見光的熒光物質(zhì)，另一端面分叉為多個(gè)子光纖陣列，這些子光纖陣列的端面都為平面并分別與一個(gè)平板檢測(cè)器(5)相連接；光纖陣列(4)與真空腔體(1)真空密封連接。
全文摘要
真空紫外光譜檢測(cè)裝置屬于光譜分析領(lǐng)域。該裝置包括入口狹縫(2)，凹面光柵(3)，光纖陣列(4)和平板檢測(cè)器(5)。入口狹縫(2)和凹面光柵(3)安裝于真空腔體(1)之中，光纖陣列(4)的一個(gè)端面與由入口狹縫(2)和凹面光柵(3)所決定的羅蘭圓面重合。光纖陣列(4)的該端面涂有可將真空紫外光轉(zhuǎn)化為可見光的熒光物質(zhì)，另一端面分叉為多個(gè)子光纖陣列，子光纖陣列的端面為平面并分別與一個(gè)平板檢測(cè)器(5)相連接。本裝置有同時(shí)測(cè)量一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)真空紫外光譜的能力，并達(dá)到掠入射光柵真空紫外光譜儀的光譜和像素分辨率，檢測(cè)的時(shí)間響應(yīng)好且有很高的靈敏度；真空腔體內(nèi)無(wú)需可移動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。
文檔編號(hào)G01J3/20GK101256144SQ20081010287
公開日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2008年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月28日
發(fā)明者蒲以康, 熠 譚 申請(qǐng)人:清華大學(xué)