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
技術領域：
本實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射線波段內激光與脈沖氣體靶相互作用的發(fā)射譜線參數的測量。
近年來，超短強激光脈沖與氣體靶點作為軟X射線源(以下簡稱靶點)相互作用的研究引起了人們的廣泛注意和極大興趣。隨著輻照激光光強的增加，在不同工作條件下氣體原子將呈現出新穎的強場激光物理行為。在相對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入水窗波段，波長已推進到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-射線激光的實現提供了新的更具潛力的方案。團簇也是這一光強量級內的新現象。在1018W/cm2的激光功率密度下，電子的運動已進入相對論區(qū)，粒子加速器—作為該激光光強量級內強場物理的代表性應用前景，人們已進行了較為深入的探討。
與研究激光-固體靶相互作用時不同，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構。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構，后端與光譜儀密封為一體，前端近抵脈沖氣體靶和靶點，氣體靶點產生的高次諧波或X射線信號光經由差分泵浦部件前端的狹縫或小孔進入光譜儀并被接收器件探測。光譜儀另裝有真空泵，實時地將脈沖氣體靶噴出并進入光譜儀的氣體抽出。由此，既可防止激光打靶產生的信號光被靶室內的剩余氣體吸收，又可保證光譜儀的接收器件，如軟X射線CCD相機、微通道板(MCP)等等能在較高真空度下正常運轉(參閱已有技術[1].G.Pretzler，E.E.Fill，Phys.Rev.E56,2112(1997)和G.Pretzler，E.E.Fill，Opt.Lett.22,733(1997))。
已有技術中，國外實驗室一般采用寬度20～200μm的金屬材料的狹縫與差分筒體構成成為一體的差分泵浦部件(參閱已有技術[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構在使用上有兩個缺點第一，差分狹縫寬度和位置都不可調。在某些氣體靶點需要在光譜儀的接收光軸徑向上較大范圍內可調的情況下，如果氣體靶點在徑向偏離光譜儀光軸較遠，則經由差分狹縫一般距氣體靶點較近(1～5cm)，金屬材料構成的差分狹縫極易被會聚激光束打壞，造成狹縫擴大，過多的激光能量會通過已被打壞的狹縫進入儀器內部，將導致數據的信噪比大大降低，并引起測量數據的失真和低重復性，甚至會損壞儀器內部的光學元件等。
本實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。尤其針對已有技術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氣體靶點空間位置變化的適應性和可調性。上述改進將能提高測量參數的準確性和重復性，將大大提高光譜儀的工作效率。
本實用新型的結構含有機械構件和光學元件兩大部分其中機械構件包括置于頭部3前端的位于真空靶室2內的差分泵浦部件1，置于頭部3后邊的外套筒7，置于外套筒7內的懸掛式導軌4，以及置于懸掛式導軌4上的調整架5、6，如圖1所示；光學元件包括沿著由靶點的軟X射線源9發(fā)射的軟X射線束S前進的方向上，依次置有矩形光闌12，置于調整架5上的反射鏡13，置于調整架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，固定于頭部銜接法蘭303上有支撐板401，支撐板401上有斜拉加強筋402，斜拉加強筋402上有懸掛式導軌4，導軌主體403上置有調整架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，機械構件中頭部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，置于差分泵浦部件1前，靠近靶點的軟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的片狀材料構成，以提高狹縫8的耐用性，可保證在較長時間內狹縫8不會被激光打壞。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，由前差分頭102、置于前差分頭102靠近真空靶室2內靶點的軟X射線源9的前端面上止口Z內的差分孔片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采用偏心調整機構，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的偏心內螺孔M2′內。在前差分頭102靠近靶點的軟射線源9的前端面上有止口Z。差分孔片101置于上述止口Z內，同時差分孔片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節(jié)整個差分泵浦部件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前端上的偏心內螺孔M2′)的聯(lián)合調節(jié)可實現差分孔片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自由地搜索并對準靶點的軟X射線源9的實際位置。換而言之，該差分泵浦部件1對靶點的軟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，實現對靶點的軟X射線源9的無象散成象。本實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。調整架4使輪胎鏡有三個方向的平動、兩個方向的轉動共計五個自由度的調節(jié)。
本實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，光柵的線對數范圍是1000～5000g/mm。由于透射光柵的光譜分辨率與光柵的線對數成正比，所以在拍攝短波長光譜區(qū)時，較之已有技術的1000g/mm透射光柵，本實用新型的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的調整架5有三個方向的平動、兩個方向的轉動共計五個自由度的調節(jié)方向。
本實用新型的接收器件15是軟X光膠片或干板、或遠紫外波段(XUV)光電二極管或電子倍增器、或軟X射線CCD相機、或微通道板(MCP)或軟X射線條紋相機。
本實用新型的優(yōu)點為1.差分泵浦部件1采用四組件構成偏心調整機構，針對氣體靶點需要在光譜儀的接收光軸徑向上較大范圍內變化的情況，可在使用光路軸線周圍較大(5～15mm)范圍內自由搜尋實際氣體噴嘴處靶點的軟X射線源9的位置，拓寬了本實用新型的應用范圍，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，與后者是相對獨立的。狹縫8的寬度可根據不同的測量要求方便地調節(jié)，有很高的靈活性和可操作性。
3.本實用新型的狹縫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的片狀材料構成的，所以本實用新型的狹縫8比已有技術的金屬狹縫抗破壞性強、耐用性強。
4.由上述結構的特征，帶來了本實用新型的光譜儀適用氣體靶點的軟X射線源9，提高了測量參數的準確性和重復性，提高了光譜儀的工作效率和使用壽命。


圖1本實用新型的機械構件結構分解的俯視圖。
圖2本實用新型的光學元件的光路示意圖。
圖3本實用新型的差分泵浦部件1的結構分解示意圖。
圖4實施例中，采用減薄型背向照明軟X射線CCD相機作為本實用新型的接收器件15，在氣閥背景氣壓為0.3Mpa、激光能量為80mJ時，拍攝到的氬氣體靶在0.6～10nm內光譜的發(fā)射強度在不同靶室真空度條件下的變化情況。圖中橫坐標為波長(單位nm)，縱坐標為相對強度。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。
實施例如圖2所示，在實施中通常取后差分頭103前端的偏心內螺孔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的摻鈦藍寶石激光器(中心波長785nm，最大能量250mJ)輸出，經焦距500mm的f/10的聚焦透鏡11，聚焦到電磁驅動氣體閥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，產生X射線源9。電磁驅動氣體閥10的噴氣時間與激光脈沖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。
實施例中，頭部3對接于真空靶室2窗口法蘭上，在打靶激光束G的側向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的陶瓷片構成，縫寬為100μm。差分泵浦部件1采用偏心調整機構，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。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，使內部真空度維持在8×10-3Pa以下。
本實施例用減薄型背向照明軟X射線CCD相機作為本實用新型的接收器件15，探測軟X射線發(fā)射的時間積分行為。它性能穩(wěn)定，使用方便，響應靈敏度高，為測試帶來了極大的靈活性。該軟X射線CCD相機是1024×1024二維接收器件，敏感面尺度為2×2cm，對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相機獲得的測量數據由作為顯示器件16的微型計算機進行處理并得出測量結果。
本實施例中，整個測量過程中氣體閥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(在靶點的軟X射線源9處的光強為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氬氣的X射線發(fā)射強度的變化趨勢，改變了氣體閥10的噴氣大小，使噴氣時靶室的真空度在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，攝譜積分時間為20分鐘。
圖4中4-1，4-2，4-3各譜對應的靶室2的真空度分別為0.1Pa、0.6Pa、0.8Pa。可以看出，氬氣在0.1Pa下的軟X射線發(fā)射很小，0.6Pa時的軟X射線發(fā)射明顯增強，到0.8Pa時X射線強度進一步提高。由此得出結論隨著氣體密度的增加，氬的X射線發(fā)射增強。并且由譜可以發(fā)現，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幾個離子態(tài)，這與單原子氣體的光場電離理論得出的結論是相一致的。
本實用新型光譜儀的上述滿意的測量結果表明，本實用新型光譜儀有足夠的靈敏度參與超短強激光脈沖輻照氣體靶的測量工作，已具有診斷超短強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，參與進行惰性氣體離子的高次諧波測量，在打靶光路的側向觀察，有潛力完成氣體原子的電離對諧波轉換效率、相位匹配、諧波強度的影響等方面的測試。
權利要求1.一種用于軟X射線波段的透射光柵光譜儀，含有機械構件和光學元件，機械構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，固定于頭部(3)的銜接法蘭(303)上支撐板(401)上的斜拉加強筋(402)上有懸掛式導軌(4)，導軌主體(403)上置有調整架(5)、(6)；光學元件包括沿著由真空靶室(2)內靶點的軟X射線源(9)發(fā)射的軟X射線束S前進的方向上，依次有矩形光闌12，置于調整架(5)上的輪胎鏡的反射鏡(13)，置于調整架(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，有由前差分頭(102)，置于前差分頭(102)靠近真空靶室(2)內靶點的軟X射線源(9)的前端面上止口Z內的差分孔片(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.根據權利要求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)靠近靶點的軟X射線源(9)的前端面上止口Z內的差分孔片(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)前端的內螺孔M1′嚙合聯(lián)接。
3.根據權利要求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,含有機械構件和光學元件。機械構件包括置于頭部前端位于真空靶室內的差分泵浦部件、置于頭部后邊的外套筒,外套筒內有放置調整架的懸掛式導軌。光學元件含有置于差分泵浦部件前靠近真空靶室內軟X射線源的抗激光破壞性強的片狀材料構成的狹縫。沿軟X射線束S前進的方向上,有輪胎鏡的反射鏡、無支撐大面積透射光柵。適用于軟X射線波段內激光與脈沖氣體靶相互作用光譜特性的測試。
文檔編號G01N23/02GK2399725SQ9822567
公開日2000年10月4日 申請日期1998年11月19日 優(yōu)先權日1998年11月19日
發(fā)明者鄧建, 張正泉, 徐至展, 鐘方川, 覃嶺 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所