專利名稱：高效高分辨軟x射線透射光柵譜儀的制作方法
技術領域：
本發明為一種具有高集光效率和高光譜分辨的軟X射線透射光柵譜儀。
隨著短波長光刻技術的發展，近年來出現了刻槽間距為微米或亞微米量級的無支撐透射光柵(如刻槽間距d＝1、0.5、0.2μm的透射光柵)和各種透射光柵譜儀，如針孔透射光柵譜儀，狹縫透射光柵譜儀和帶前置反射鏡透射光柵譜儀。這些透射光柵譜儀被廣泛用于軟X射線光譜研究，高溫等離子體診斷和軟X射線激光研究。[見N.M.Ceglioet a1.，＂Time-resolved x-ray tsanemission grating spectrometer for studying laser-producedplasmas＂，Appl.Opt.22(2)，318-27(1983)；K.Eidmann et a1.，＂Absolute soft x-raymeasurements with a transmission grating spectrometer，＂Laser and Particle Beams，4(3～4)，521-36(1986)；J.L.Bourgade et al.，”SPARTUVIXA time-resolved XUV transmissiongrating spectrograph for x-ray laser research，＂Rev.Sci.Instrum.59(8)，1840-2(1988)]。針孔或狹縫透射光柵譜儀僅僅在光柵前方加一針孔(針孔透射光柵譜儀)，或一狹縫(狹縫透射光柵譜儀)，結構簡單，因此對準方便，但譜儀的集光效率受到幾十微米量級的針孔或狹縫線度的嚴重限制。同時這種線度的針孔或狹縫也嚴重限制了參于衍射的光柵刻線總數N(譜儀的光譜分辨率λ/Δλ～N)，加上源加寬的影響，使譜儀的光譜分辨Δλ很低。對d＝1μm的透射光柵譜儀的光譜分辨Δλ一般在3～5之間。帶前置反射鏡的透射光柵譜儀，雖然改善了譜儀的集光效率，增加了參于衍射的光柵刻線總數，但由于受到源加寬的影響，譜儀的光譜分辨仍然很低。
本發明的目的是針對現有透射光柵譜儀集光效率低和光譜分辨低的缺陷發明一種增大譜儀的集光立體角和參于衍射的光柵刻線總數，克服源加寬對光譜分辨的影響，具有高集光效率和高光譜分辨的軟X射線透射光柵譜儀。
圖1為本發明的高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀結構示意圖。高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀含有由室壁803和兩端裝有前法蘭801和后法蘭802所構成的真空室8，在真空室8內置有光具座9，真空室8的前法蘭801是空心的，而且與待測光源1相連，待測光源1的光束通過空心的前法蘭801進入真空室8內。沿著光路前進的方向，由真空室8的前法蘭801至后法蘭802依次安置在真空室8內的光具座9上有前置反射鏡組件2，置于前置反射鏡201焦面上的狹縫組件3，光闌組件4，聚焦反射鏡組件5，透射光柵組件6和置于聚焦反射鏡(501)與透射光柵(601)共同形成的光譜焦面上的暗盒組件7。
所說的前置反射鏡組件2由置于前置反射鏡座202上的前置反射鏡201，裝在真空室8內光具座9上的前置反射鏡支架203，及裝于前置反射鏡支架203上的前置反射鏡座202所構成。前置反射鏡201為一柱面反射鏡，其母線與狹縫301的縫長方向平行，也可用加工精度高費用低的球面反射鏡替代；反射表面涂有反射膜，如金膜，或為擴展短波范圍，也可涂鎳膜。前置反射鏡座202能作二維轉動調節，前置反射鏡支架203能作高低調節和左右平移。
狹縫組件3由縫長方向為水平方向的置于狹縫座302上的狹縫301，固定于光具座9上的狹縫支架303和置于狹縫支架303上的狹縫座302所構成。水平放置的狹縫301為一般譜儀通用狹縫，其寬度可調(0～3mm)，也可用一組寬度不同的固定狹縫替代。狹縫座302能作高低調節，狹縫支架303能作高低調節和左右平移。
光闌組件4包含固定于光具座9上的光闌支架402上的光闌401。光闌401上有一水平矩形開口并能在光闌支架402上作上下移動。光闌支架402能作左右平移。
聚焦反射鏡組件5含有固定于光具座9上的聚焦反射鏡支架503，固定聚焦反射鏡支架503上的聚焦反射鏡座502，在聚焦反射鏡座502上有聚焦反射鏡501。聚焦反射鏡501為一柱面反射鏡，其母線與狹縫301的縫長方向平行，也可用加工精度高費用低的球面反射鏡替代，反射表面涂有反射膜如金膜，或為擴展短波范圍，也可涂鎳膜。聚焦反射鏡座502能作二維轉動調節和高低微調，聚焦反射鏡支架503能作高低調節和左右平移。
透射光柵組件6由置于透射光柵座602上的透射光柵601，固定于光具座9上的透射光柵支架603和裝于透射光柵支架603上的透射光柵座602所構成。起衍射作用的透射光柵601放在聚焦反射鏡501的出射端。透射光柵601的刻線與狹縫301縫長方向平行。透射光柵601為大面積的透射光柵，由金制成，無基底，通常刻線周期d為1μm，占孔比為1∶1，也可用其他刻線周期的透射光柵。透射光柵座602能作三維轉動微調。透射光柵支架603能作高低調節和左右平移。
暗盒組件7含有置于在光具座9上的暗盒支架704上的帶有電動中心快門705的暗盒座703，在暗盒座703上置有暗盒702，在暗盒702內有軟X射線探測器701，安放在暗盒702內的軟X射線探測器701的表面與由聚焦反射鏡501和透射光柵601共同形成的譜儀焦面相互重合。軟X射線探測器701是軟X射線底片，或者是軟X射線光電探測器，如CCD(電荷耦合器件)相機，或帶有熒光轉換屏的光電二極管列陣(OMA)，或軟X射線條紋相機。暗盒702為一般譜儀常用暗盒。暗盒座703能作二維轉動微調，暗盒支架704能作高低調節和左右平移。
安放在真空室8內的光具座9上有均勻分布的通孔和螺孔，用來固定上述各組件的支架。真空室8如上所述是由室壁803和兩端的前后法蘭801和802所構成。前法蘭801用來將譜儀連接到待測光源1上，待測光源1的光束通過空心的前法蘭801進入真空室8內。移去后法蘭，可以取出暗盒702，以便在暗室內裝取底片。真空室8可以通過光源室的真空機組排氣。
圖2為本發明的高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀的光路示意圖。沿待測光源1發射的軟X射線前進方向，依次是前置反射鏡201，狹縫301，光闌401，聚焦反射鏡501，大面積透射光柵601和軟X射線探測器701。待測光源1發射的軟X射線被前置反射鏡201成像(垂直焦線)在水平放置的狹縫301上；透過狹縫301的軟X射線經光闌401落在聚焦反射鏡501上；聚焦反射鏡501將透過狹縫301的軟X射線，經大面積透射光柵601衍射，按不同波長聚焦在軟X射線探測器701上，至此獲得待測光源1發射的軟X射線譜。
本發明的高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀的特點有①具有高集光效率本發明與已有技術中位于前置反射鏡位置上的50μm針孔透射光柵譜儀和50μm狹縫透射光柵譜儀相比，對于50mm長的反射鏡，當入射角為86°時，本譜儀的接收角增大近70倍，因此譜儀的集光效率得到了很大的提高。
②具有高光譜分辨已有的透射光柵譜儀，由于受到光柵有限線度的限制，獲得的光譜都有嚴重的源加寬；由于受到針孔和狹縫線度的限制，只幾十條光柵刻線參于衍射，因此光譜分辨低，一般為3～5。本發明采用受狹縫限制的次級光源和聚焦反射鏡形成的垂直焦線，以及大面積透射光柵，使這種帶前置光學系統的透射譜儀的光譜分辨Δλ可達到1以下，即Δλ＜1。若用每毫米5000條刻線的高密度光柵取代每毫米1000條刻線的低密度光柵，光譜分辨可進一步提高到0.1以下。
③具有平直光譜焦面本發明譜儀仍有平直的光譜焦面，有利于與平直接收面的光電探測器耦合。
④費用低透射光柵的價格與光柵的刻線密度有關。由于本發明結構合理，對光柵元件的要求不苛刻，可采用刻線密度較低的光柵(每毫米1000條刻線)，因此造價低。用球面反射鏡作前置和聚焦反射鏡，也會使加工費用下降。
⑤用途廣本發明采用由兩塊柱面(或球面)反射鏡201，501組成的帶狹縫前置光學系統和大面積透射光柵601構成高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀，不僅使譜儀的集光效率有很大的提高，而且克服了源加寬對光譜分辨的影響，增加參于衍射的光柵刻線總數，使譜線的光譜分辨有很大的提高。因此本譜儀可以用來探測弱X射線源如功率很高但能量很低的超短脈沖激光產生的等離子體或發射面積很大的X射線廣光源的軟X射線光譜。
圖1為本發明的高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀的結構示意圖。
圖2為本發明的高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀的光路示意圖。
實施例①譜儀參數如圖1和圖2所示的結構，選取各元件的參數是前置反射鏡201為曲率半徑為3315mm，長55mm的柱面反射鏡，前置反射鏡201距待測光源1為408mm，距狹縫01為128mm。當入射角為86.63°時，前置反射鏡201的柱面反射鏡把光源成像在狹縫301上，放大倍數為0.31(縮小像)。狹縫301的寬度為20μm。從聚焦反射鏡501向狹縫301方向看，形成了子午面中寬度為20μm的次級光源。聚焦反射鏡501為曲率半徑為5000mm，長70mm的球面反射鏡，聚焦反射鏡501距狹縫301為234mm，它將透過狹縫301的次級光源光束，經過1000條/毫米刻線的大面積的透射光柵601，成像在暗盒702內置于光譜焦面上的軟X射線探測器701上。大面積透射光柵601和軟X射線探測器701表面距球面的聚焦反射鏡501分別為44mm和294mm。光束在球面的聚焦反射鏡501上的入射角為87.01°大面積透射光柵601寬1.2mm，刻線周期為1μm，其刻線與狹縫301縫長方向平行。軟X射線探測器701選用軟X射線底片②攝譜實驗具有上述結構參數的譜儀在中國科學院上海光學精密機械研究所115高功率釹玻璃激光裝置(1.06μm，～5J，200ps)上進行了硅靶激光等離子體光譜實驗。用本發明譜儀和SIOFM-5FW軟X射線底片，一發打靶就能獲得很好曝光且獲十分清晰的硅軟X射線光譜。在獲得的光譜中Si XII 5f-3d(88.84)和5d-3p(87.28)，SiXII6f-3d(75.83)和6d-3p(74.64)兩組雙線已被清晰地分開。這兩組雙線的波長差Δλ分別為1.56和1.19，表明本發明譜儀的光譜分辨已達到1左右。實驗所用的大面積的透射光柵601寬度為1.2mm，參于衍射的光柵刻線約1200條。用寬度更大的光柵，或刻線密度更高的光柵，預計光譜分辨將要好于0.5或更小。
權利要求
1.一種高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀，包含由室壁(803)和兩端裝有前法蘭(801)和后法蘭(802)所構成的真空室(8)，真空室(8)內置有光具座(9)，真空室(8)的前法蘭(801)與待測光源(1)連接，在真空室(8)內光具座(9)上置有狹縫組件(3)，光闌組件(4)和透射光柵組件(6)，其特征在于具體結構是置于真空室(8)外前法蘭(801)之前的待測光源(1)的光束通過空心的前法蘭(801)進入真空室(8)內，在真空室(8)內由前法蘭(801)至后法蘭(802)之間，沿著光路前進的方向，依次安置在光具座(9)上有前置反射鏡組件(2)，置于前置反射鏡(201)焦面上的狹縫組件(3)，光闌組件(4)，聚焦反射鏡組件(5)，透射光柵組件(6)和置于聚焦反射鏡(501)與透射光柵(601)共同形成的光譜焦面上的暗盒組件(7)。
2.根據權利要求1的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于前置反射鏡組件(2)由固定在真空室(8)內光具座(9)上的前置反射鏡支架(203)，置于前置反射鏡支架(203)上的前置反射鏡座(202)和置于前置反射鏡座(202)上的前置反射鏡(201)所構成。
3.根據權利要求1的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于狹縫組件(3)由固定于真空室(8)內光具座(9)上的狹縫支架(303)，在狹縫支架(303)上的狹縫座(302)和在狹縫座(302)上置有縫長方向為水平方向置放的狹縫(301)所構成。
4.根據權利要求1的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于光闌組件(4)包含固定于光具座(9)上的光闌支架(402)和在光闌支架(402)上置有帶有一水平矩形開口的光闌(401)。
5.根據權利要求1的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于聚焦反射鏡組件(5)含有固定于光具座(9)上的聚焦反射鏡支架(503)，在聚焦反射鏡支架(503)上有聚焦反射鏡座(502)和在聚焦反射鏡座(502)上置有聚焦反射鏡(501)。
6.根據權利要求1或3的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于透射光柵組件(6)是由固定于光具座(9)上的透射光柵支架(603)，置于透射光柵支架(603)上的透射光柵座(602)和置于透射光柵座(602)上的大面積的光柵刻線與狹縫(301)縫長方向平行的透射光柵(601)所構成。
7.根據權利要求1的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于置于光具座(9)上的暗盒組件(7)是由固定于光具座(9)上的暗盒支架(704)，裝于暗盒支架(704)上有帶有電動中心快門(705)的暗盒座(703)，置于暗盒座(703)上有暗盒(702)，在暗盒(702)內裝有軟X射線探測器(701)所構成。
8.根據權利要求1或2的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于前置反射鏡(201)是反射表面涂有反射膜的柱面反射鏡，或者是球面反射鏡。
9.根據權利要求1或5的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于聚焦反射鏡(501)是反射表面涂有反射膜的柱面反射鏡，或者是球面反射鏡。
10.根據權利要求1或7的一種軟X射線透射光柵譜儀，其特征在于置于暗盒(702)內的軟X射線探測器(701)是軟X射線底片，或者是軟X射線CCD相機，或者是帶有熒光轉換屏的光電二極管列陣(OMA)，或者是軟X射線條紋相機。
全文摘要
本發明是一種高效高分辨軟X射線透射光柵譜儀。含有在真空室內光具座上沿著光路前進的方向，由真空室的前法蘭至后法蘭依次置放前置反射鏡組件，狹縫組件，光闌組件，聚焦反射鏡組件，透射光柵組件和暗盒組件。譜儀具有高集光效率即其接收角比已有技術提高了幾十倍，高光譜分辨即光譜分辨Δλ＜1，還具有平直的光譜焦面，而且由于結構合理，對光柵元件要求不苛刻，因此造價低，用途廣。
文檔編號G01J3/18GK1166595SQ9611663
公開日1997年12月3日 申請日期1996年12月26日 優先權日1996年12月26日
發明者范品忠, 劉亞青, 李儒新 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所