專利名稱：用于軟x射線波段的透射光柵光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于軟X射線波段的透射光柵光譜儀，主要適用于軟X射線波段內(nèi)激光與脈沖氣體靶相互作用的發(fā)射譜線參數(shù)的測量。
近年來，超短強(qiáng)激光脈沖與氣體靶點(diǎn)作為軟X射線源(以下簡稱靶點(diǎn))相互作用的研究引起了人們的廣泛注意和極大興趣。隨著輻照激光光強(qiáng)的增加，在不同工作條件下氣體原子將呈現(xiàn)出新穎的強(qiáng)場激光物理行為。在相對(duì)較低的激光功率密度(～1015W/cm2)下，觀測到的氣體原子的高次諧波已進(jìn)入水窗波段，波長已推進(jìn)到2.7nm。在較高一些的功率密度(＞1015W/cm2)下，氣體原子將被光場電離引發(fā)快電離過程，這為X-射線激光的實(shí)現(xiàn)提供了新的更具潛力的方案。團(tuán)簇也是這一光強(qiáng)量級(jí)內(nèi)的新現(xiàn)象。在1018W/cm2的激光功率密度下，電子的運(yùn)動(dòng)已進(jìn)入相對(duì)論區(qū)，粒子加速器—作為該激光光強(qiáng)量級(jí)內(nèi)強(qiáng)場物理的代表性應(yīng)用前景，人們已進(jìn)行了較為深入的探討。
與研究激光-固體靶相互作用時(shí)不同，在上述激光-脈沖氣體靶相互作用的研究中，所使用的光譜儀往往帶前置差分泵浦部件的結(jié)構(gòu)。簡而言之，差分泵浦部件是一前端帶有狹縫或小孔的筒狀結(jié)構(gòu)，后端與光譜儀密封為一體，前端近抵脈沖氣體靶和靶點(diǎn)，氣體靶點(diǎn)產(chǎn)生的高次諧波或X射線信號(hào)光經(jīng)由差分泵浦部件前端的狹縫或小孔進(jìn)入光譜儀并被接收器件探測。光譜儀另裝有真空泵，實(shí)時(shí)地將脈沖氣體靶噴出并進(jìn)入光譜儀的氣體抽出。由此，既可防止激光打靶產(chǎn)生的信號(hào)光被靶室內(nèi)的剩余氣體吸收，又可保證光譜儀的接收器件，如軟X射線CCD相機(jī)、微通道板(MCP)等等能在較高真空度下正常運(yùn)轉(zhuǎn)(參閱已有技術(shù)[1].G.Pretzler，E.E.Fill，Phys.Rev.E56,2112(1997)和G.Pretzler，E.E.Fill，Opt.Lett.22,733(1997))。
已有技術(shù)中，國外實(shí)驗(yàn)室一般采用寬度20～200μm的金屬材料的狹縫與差分筒體構(gòu)成成為一體的差分泵浦部件(參閱已有技術(shù)[2].A.B.Borisov，X.Shi，V.B.Karpov etal.，J.Opt.Soc.Am.B11,1941(1994))，差分泵浦部件的狹縫既作為光譜儀的入射狹縫，起著降低源加寬的作用，又起著隔離靶室和光譜儀，以利于光譜儀自帶的真空泵完成對(duì)光譜儀的差分泵浦的作用。上述狹縫集兩種功能為一體的結(jié)構(gòu)在使用上有兩個(gè)缺點(diǎn)第一，差分狹縫寬度和位置都不可調(diào)。在某些氣體靶點(diǎn)需要在光譜儀的接收光軸徑向上較大范圍內(nèi)可調(diào)的情況下，如果氣體靶點(diǎn)在徑向偏離光譜儀光軸較遠(yuǎn)，則經(jīng)由差分狹縫一般距氣體靶點(diǎn)較近(1～5cm)，金屬材料構(gòu)成的差分狹縫極易被會(huì)聚激光束打壞，造成狹縫擴(kuò)大，過多的激光能量會(huì)通過已被打壞的狹縫進(jìn)入儀器內(nèi)部，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)的信噪比大大降低，并引起測量數(shù)據(jù)的失真和低重復(fù)性，甚至?xí)p壞儀器內(nèi)部的光學(xué)元件等。
本實(shí)用新型的目的是提供一種用于軟X射線的透射光柵光譜儀。尤其針對(duì)已有技術(shù)差分泵浦部件的不足，提高差分狹縫的抗激光破壞性能；提高差分泵浦部件對(duì)氣體靶點(diǎn)空間位置變化的適應(yīng)性和可調(diào)性。上述改進(jìn)將能提高測量參數(shù)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，將大大提高光譜儀的工作效率。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)含有機(jī)械構(gòu)件和光學(xué)元件兩大部分其中機(jī)械構(gòu)件包括置于頭部3前端的位于真空靶室2內(nèi)的差分泵浦部件1，置于頭部3后邊的外套筒7，置于外套筒7內(nèi)的懸掛式導(dǎo)軌4，以及置于懸掛式導(dǎo)軌4上的調(diào)整架5、6，如圖1所示；光學(xué)元件包括沿著由靶點(diǎn)的軟X射線源9發(fā)射的軟X射線束S前進(jìn)的方向上，依次置有矩形光闌12，置于調(diào)整架5上的反射鏡13，置于調(diào)整架6上的光柵14，接收器件15以及與接收器件15輸出端相聯(lián)的顯示器件16，如圖2所示。頭部3由前端接口法蘭301、銜接管302和后端的銜接法蘭303三部分構(gòu)成；頭部3后邊有外套筒7，外套筒7由前銜接法蘭701、筒體702、后銜接法蘭703及真空泵銜接法蘭704四部分構(gòu)成。頭部3的接口法蘭301與真空靶室2窗口法蘭相聯(lián)；頭部3的銜接法蘭303與外套筒7的前銜接法蘭701壓合密接以保持真空密封；置于外套筒內(nèi)，固定于頭部銜接法蘭303上有支撐板401，支撐板401上有斜拉加強(qiáng)筋402，斜拉加強(qiáng)筋402上有懸掛式導(dǎo)軌4，導(dǎo)軌主體403上置有調(diào)整架5、6。接收器件15則固定在外套筒7的后銜接法蘭703上。該實(shí)用新型的真空泵固定在外套筒7的真空泵銜接法蘭704上。為了入射的X光與反射鏡13的掠反射成象相匹配，機(jī)械構(gòu)件中頭部3的中心軸線O1O1與外套筒7的中心軸線O2O2之間有一夾角α，并且夾角∠α≤10°，如圖1所示。
差分泵浦部件1位于頭部3前端的真空靶室2內(nèi)，置于差分泵浦部件1前，靠近靶點(diǎn)的軟X射線源9處置有狹縫8。如圖2所示。狹縫8是由陶瓷片、或者玻璃片、或者石英片等抗激光破壞性較強(qiáng)的片狀材料構(gòu)成，以提高狹縫8的耐用性，可保證在較長時(shí)間內(nèi)狹縫8不會(huì)被激光打壞。狹縫材料要求狹縫面平整，通?？p寬20～200μm，厚度3～10mm。狹縫8的中心恰好落在差分泵浦部件1與頭部3同一中心軸線O1O1上。
差分泵浦部件1置于頭部3前端，位于真空靶室2內(nèi)，由前差分頭102、置于前差分頭102靠近真空靶室2內(nèi)靶點(diǎn)的軟X射線源9的前端面上止口Z內(nèi)的差分孔片101、聯(lián)接在前差分頭102后端的后差分頭103、與后差分頭103后端相聯(lián)的后端面帶有端面壓板105的差分筒104四部分構(gòu)成。后差分頭103上的端面壓板105被壓合密接在頭部3的接口法蘭301和真空靶室2窗口法蘭之間。
差分泵浦部件1采用偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)，如圖3所示。后差分頭103的后端帶有外螺紋M1，嚙合固定在差分筒104帶有內(nèi)螺紋M1′的前端。后差分頭103靠近前差分頭102的前端有偏心內(nèi)螺孔M2′，前差分頭102的后端帶外螺紋M2嚙合在后差分頭103的偏心內(nèi)螺孔M2′內(nèi)。在前差分頭102靠近靶點(diǎn)的軟射線源9的前端面上有止口Z。差分孔片101置于上述止口Z內(nèi)，同時(shí)差分孔片101上有偏心通孔φ。上述各零件之間的螺紋連接可方便地調(diào)節(jié)整個(gè)差分泵浦部件1的長度；而且，雙偏心孔(差分孔片101上的偏心通孔φ和后差分頭103前端上的偏心內(nèi)螺孔M2′)的聯(lián)合調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)差分孔片101上的偏心通孔φ在差分泵浦部件軸線周圍較大的范圍內(nèi)自由地搜索并對(duì)準(zhǔn)靶點(diǎn)的軟X射線源9的實(shí)際位置。換而言之，該差分泵浦部件1對(duì)靶點(diǎn)的軟X射線源9偏離該差分泵浦部件1的軸線的寬容度較大。
本實(shí)用新型采用輪胎鏡(又稱為超環(huán)面鏡)作X射線束S的反射鏡13，它能以較大的空間收集立體角，收集入射光譜儀的X射線束S并將其成象到接收器件15上；并與矩形光闌12配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶點(diǎn)的軟X射線源9的無象散成象。本實(shí)用新型適合的輪胎鏡的子午面的曲率半徑范圍為4000～7000mm，寬度為40～75mm；弧矢面曲率半徑為15～35mm，寬度為25～35mm。調(diào)整架4使輪胎鏡有三個(gè)方向的平動(dòng)、兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)共計(jì)五個(gè)自由度的調(diào)節(jié)。
本實(shí)用新型中作色散元件的光柵14采用無支撐大面積透射光柵，光柵的線對(duì)數(shù)范圍是1000～5000g/mm。由于透射光柵的光譜分辨率與光柵的線對(duì)數(shù)成正比，所以在拍攝短波長光譜區(qū)時(shí)，較之已有技術(shù)的1000g/mm透射光柵，本實(shí)用新型的5000g/mm透射光柵可獲得更大的線色散和更高的光譜分辨率。為與輪胎鏡反射鏡13的大收集立體角相匹配，光柵外形尺寸應(yīng)大于3×5mm為佳，光柵盡量靠近輪胎鏡以在象面上獲得較大的線色散和光譜分辨。置光柵14的調(diào)整架5有三個(gè)方向的平動(dòng)、兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)共計(jì)五個(gè)自由度的調(diào)節(jié)方向。
本實(shí)用新型的接收器件15是軟X光膠片或干板、或遠(yuǎn)紫外波段(XUV)光電二極管或電子倍增器、或軟X射線CCD相機(jī)、或微通道板(MCP)或軟X射線條紋相機(jī)。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)為1.差分泵浦部件1采用四組件構(gòu)成偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)，針對(duì)氣體靶點(diǎn)需要在光譜儀的接收光軸徑向上較大范圍內(nèi)變化的情況，可在使用光路軸線周圍較大(5～15mm)范圍內(nèi)自由搜尋實(shí)際氣體噴嘴處靶點(diǎn)的軟X射線源9的位置，拓寬了本實(shí)用新型的應(yīng)用范圍，提高了測試的靈活性。
2.狹縫8置于差分泵浦部件1的前端，與后者是相對(duì)獨(dú)立的。狹縫8的寬度可根據(jù)不同的測量要求方便地調(diào)節(jié)，有很高的靈活性和可操作性。
3.本實(shí)用新型的狹縫8是由陶瓷片、或者玻璃片、或者石英片等抗激光破壞性較強(qiáng)的片狀材料構(gòu)成的，所以本實(shí)用新型的狹縫8比已有技術(shù)的金屬狹縫抗破壞性強(qiáng)、耐用性強(qiáng)。
4.由上述結(jié)構(gòu)的特征，帶來了本實(shí)用新型的光譜儀適用氣體靶點(diǎn)的軟X射線源9，提高了測量參數(shù)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，提高了光譜儀的工作效率和使用壽命。


圖1本實(shí)用新型的機(jī)械構(gòu)件結(jié)構(gòu)分解的俯視圖。
圖2本實(shí)用新型的光學(xué)元件的光路示意圖。
圖3本實(shí)用新型的差分泵浦部件1的結(jié)構(gòu)分解示意圖。
圖4實(shí)施例中，采用減薄型背向照明軟X射線CCD相機(jī)作為本實(shí)用新型的接收器件15，在氣閥背景氣壓為0.3Mpa、激光能量為80mJ時(shí)，拍攝到的氬氣體靶在0.6～10nm內(nèi)光譜的發(fā)射強(qiáng)度在不同靶室真空度條件下的變化情況。圖中橫坐標(biāo)為波長(單位nm)，縱坐標(biāo)為相對(duì)強(qiáng)度。圖4-1中靶室真空度為0.1Pa，圖中測出Ar6+(3s2-3s4p)譜線。圖4-2中靶室真空度為0.6Pa，圖中測出Ar5+(3s23p-3s24s)等十條譜線。圖4-3中靶室真空度為0.8Pa，圖中測出Ar7+(2p63d-2p64f)等五條譜線。
實(shí)施例如圖2所示，在實(shí)施中通常取后差分頭103前端的偏心內(nèi)螺孔M2′，偏心距為5～10mm，螺孔大徑為M14～M26，前差分頭102前端面上的止口Z直徑為φ12～φ24，深為1mm，差分孔片101上的偏心通孔φ0.5～φ2，偏心距為5～10mm。激光束G由5TW/45fs的摻鈦藍(lán)寶石激光器(中心波長785nm，最大能量250mJ)輸出，經(jīng)焦距500mm的f/10的聚焦透鏡11，聚焦到電磁驅(qū)動(dòng)氣體閥10噴口以下2mm處。焦斑直徑約100μm，氣體閥10噴口直徑為1mm。氣體閥10噴出的氬氣與激光相互作用，產(chǎn)生X射線源9。電磁驅(qū)動(dòng)氣體閥10的噴氣時(shí)間與激光脈沖G以外觸發(fā)方式完成同步操作。聚焦透鏡11和氣體閥10都位于真空靶室2內(nèi)。
實(shí)施例中，頭部3對(duì)接于真空靶室2窗口法蘭上，在打靶激光束G的側(cè)向90°方向觀測X射線源9的軟X射線發(fā)射。狹縫8采用厚度為10mm的陶瓷片構(gòu)成，縫寬為100μm。差分泵浦部件1采用偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)，與光譜儀密封為一體，如圖3所示。直徑φ12的差分孔片101(偏心通孔φ直徑φ2mm、偏心距為6mm)，置于前差分頭102前端面上的直徑為φ12、深1mm的止口Z內(nèi)。前差分頭102后端的外螺紋M2大徑為M16，與后差分頭103前端的偏心內(nèi)螺孔M2′(大徑M16，偏心距8mm)相嚙合。后差分頭103后端帶有外螺紋M1，固定在差分筒104帶有內(nèi)螺紋M1′的前端。外套筒7的分子泵銜接法蘭704上置有真空泵，使內(nèi)部真空度維持在8×10-3Pa以下。
本實(shí)施例用減薄型背向照明軟X射線CCD相機(jī)作為本實(shí)用新型的接收器件15，探測軟X射線發(fā)射的時(shí)間積分行為。它性能穩(wěn)定，使用方便，響應(yīng)靈敏度高，為測試帶來了極大的靈活性。該軟X射線CCD相機(jī)是1024×1024二維接收器件，敏感面尺度為2×2cm，對(duì)1000g/mm或5000g/mm無支撐大面積透射光柵，攝譜范圍分別為1.4～15nm和1.4～75nm，光譜分辨率分別為0.25nm和0.05nm，由軟X射線CCD相機(jī)的敏感面和象素尺度以及光柵的線色散決定。軟X射線CCD相機(jī)獲得的測量數(shù)據(jù)由作為顯示器件16的微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理并得出測量結(jié)果。
本實(shí)施例中，整個(gè)測量過程中氣體閥10噴氬氣，氣體閥10的背景氣壓維持在0.3Mpa，激光脈沖能量為80mJ(在靶點(diǎn)的軟X射線源9處的光強(qiáng)為2.3X1016W/cm2)。為研究不同的測量條件下，特別是不同的氣體密度時(shí)氬氣的X射線發(fā)射強(qiáng)度的變化趨勢，改變了氣體閥10的噴氣大小，使噴氣時(shí)靶室的真空度在0.05～0.8Pa之間變化，得到不同密度下的氬氣的.X射線譜線如圖4所示，攝譜積分時(shí)間為20分鐘。
圖4中4-1，4-2，4-3各譜對(duì)應(yīng)的靶室2的真空度分別為0.1Pa、0.6Pa、0.8Pa?？梢钥闯?，氬氣在0.1Pa下的軟X射線發(fā)射很小，0.6Pa時(shí)的軟X射線發(fā)射明顯增強(qiáng)，到0.8Pa時(shí)X射線強(qiáng)度進(jìn)一步提高。由此得出結(jié)論隨著氣體密度的增加，氬的X射線發(fā)射增強(qiáng)。并且由譜可以發(fā)現(xiàn)，X射線的波長范圍很窄，主要是集中在17-25nm的一段，表明光場電離造成A氬原子被電離后，僅有氬V、氬VI，氬VII幾個(gè)離子態(tài)，這與單原子氣體的光場電離理論得出的結(jié)論是相一致的。
本實(shí)用新型光譜儀的上述滿意的測量結(jié)果表明，本實(shí)用新型光譜儀有足夠的靈敏度參與超短強(qiáng)激光脈沖輻照氣體靶的測量工作，已具有診斷超短強(qiáng)激光脈沖輻照下氣體靶軟X-射線發(fā)射特性的能力；可以作為成熟的探測手段，參與進(jìn)行惰性氣體離子的高次諧波測量，在打靶光路的側(cè)向觀察，有潛力完成氣體原子的電離對(duì)諧波轉(zhuǎn)換效率、相位匹配、諧波強(qiáng)度的影響等方面的測試。
權(quán)利要求1.一種用于軟X射線波段的透射光柵光譜儀，含有機(jī)械構(gòu)件和光學(xué)元件，機(jī)械構(gòu)件包括前端與真空靶室(2)窗口法蘭相聯(lián)的接口法蘭(301)、后端帶銜接法蘭(303)的銜接管(302)構(gòu)成的頭部(3)，頭部(3)后邊有由前銜接法蘭(701)、筒體(702)、后銜接法蘭(703)及真空泵銜接法蘭(704)構(gòu)成的外套筒(7)，外套筒(7)的前銜接法蘭(701)與頭部(3)的銜接法蘭(303)相聯(lián)，置于外套筒(7)內(nèi)，固定于頭部(3)的銜接法蘭(303)上支撐板(401)上的斜拉加強(qiáng)筋(402)上有懸掛式導(dǎo)軌(4)，導(dǎo)軌主體(403)上置有調(diào)整架(5)、(6)；光學(xué)元件包括沿著由真空靶室(2)內(nèi)靶點(diǎn)的軟X射線源(9)發(fā)射的軟X射線束S前進(jìn)的方向上，依次有矩形光闌12，置于調(diào)整架(5)上的輪胎鏡的反射鏡(13)，置于調(diào)整架(6)上的無支撐大面積透射光柵(14)；其特征在于置于頭部(3)前端，位于真空靶室(2)內(nèi)，有由前差分頭(102)，置于前差分頭(102)靠近真空靶室(2)內(nèi)靶點(diǎn)的軟X射線源(9)的前端面上止口Z內(nèi)的差分孔片(101)，前差分頭(102)的后端聯(lián)有后差分頭(103)，與后差分頭(103)后端相聯(lián)的后端面帶有端面壓板(105)的差分筒(104)所構(gòu)成的差分泵浦部件(1)，差分泵浦部件(1)上的后差分頭(103)上的端面壓板(105)被壓合密接在頭部(3)的接口法蘭(301)和真空靶室(2)窗口法蘭之間，差分泵浦部件(1)的前面，靠近靶點(diǎn)的軟X射線源(9)處置有狹縫(8)，狹縫(8)的中心恰好落在差分泵浦部件(1)與頭部(3)同一中心軸線O1O1上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的透射光柵光譜儀，其特征在于差分泵浦部件(1)中，置于前差分頭(102)靠近靶點(diǎn)的軟X射線源(9)的前端面上止口Z內(nèi)的差分孔片(101)上有偏心通孔φ，前差分頭(102)的后端有外螺紋M2與后差分頭(103)前端的偏心內(nèi)螺孔M2′嚙合聯(lián)接，后差分頭(103)的后端有外螺紋M1與差分筒(104)前端的內(nèi)螺孔M1′嚙合聯(lián)接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的透射光柵光譜儀，其特征在于狹縫(8)是由陶瓷片，或玻璃片，或石英片所構(gòu)成。
專利摘要一種用于軟X射線波段的透射光柵光譜儀,含有機(jī)械構(gòu)件和光學(xué)元件。機(jī)械構(gòu)件包括置于頭部前端位于真空靶室內(nèi)的差分泵浦部件、置于頭部后邊的外套筒,外套筒內(nèi)有放置調(diào)整架的懸掛式導(dǎo)軌。光學(xué)元件含有置于差分泵浦部件前靠近真空靶室內(nèi)軟X射線源的抗激光破壞性強(qiáng)的片狀材料構(gòu)成的狹縫。沿軟X射線束S前進(jìn)的方向上,有輪胎鏡的反射鏡、無支撐大面積透射光柵。適用于軟X射線波段內(nèi)激光與脈沖氣體靶相互作用光譜特性的測試。
文檔編號(hào)G01N23/02GK2399725SQ9822567
公開日2000年10月4日 申請(qǐng)日期1998年11月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月19日
發(fā)明者鄧建, 張正泉, 徐至展, 鐘方川, 覃嶺 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所