[发明专利]一种高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪

说明书

技术领域

本发明属于X射线成像领域，具体涉及一种高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪。

背景技术

对X射线谱的能谱、能量和时空分布的测量已广泛应用于流体物理、材料科学、表面科学、聚变物理和天体物理中。以激光聚变为例，通过研究激光与等离子体相互作用发射的X射线谱，可以了解等离子体的详细特性，包括等离子体电子温度、离子温度以及演变过程等。透射光栅谱仪作为软X射线谱诊断的一个重要仪器，由于具有谱分辨高、测谱范围宽及结构简单，已广泛应用于软X射线谱的精密测量。

现有的透射光栅谱仪，是将透射光栅和扫描相机耦合来获得时、空分辨光谱，且透射光栅均为同一线对密度光栅，在获得时间分辨X射线光谱过程中，存在着以下不足：1.单独使用低线对密度光栅，可以测量较大范围光谱，但由于条纹相机光阴极长度限制，所测得的光谱分辨率亦受到限制；2.单独使用高线对密度光栅，可提高所获得的光谱分辨率，但由于条纹相机光阴极长度的限制，所测光谱范围受到限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪。

本发明的技术方案如下：

本发明的高谱分辨与宽谱测量范围的透射光栅谱仪，其特点是，所述的透射光栅谱仪包括入射狭缝元件、透射光栅元件和条纹相机，所述的入射狭缝元件、透射光栅元件和条纹相机在光路的z方向依次排布。所述的透射光栅元件上包含低线对密度光栅和高线对密度光栅。所述的条纹相机上包含光阴极狭缝元件和光阴极元件，所述的光阴极狭缝元件和光阴极元件在光路的z方向依次排布。

当激光作用于靶材上时，产生X射线，产生的X射线源通过入射狭缝元件，经低线对密度光栅和高线对密度光栅色散作用，形成两个分辨率不同的光谱，在条纹相机前加入光阴极狭缝元件，来减小两光栅色散光的干扰，挡除多余的光谱，后经条纹相机扫描，即可得到X射线光谱。其中，X射线源到透射光栅的距离为L₁，透射光栅元件到光阴极狭缝元件的距离为L₂。

所述的入射狭缝元件固定于透射光栅元件前面，入射狭缝元件上刻有狭缝A和狭缝B。狭缝A的长度大于低线对密度光栅的长度，中心与低线对密度光栅的中心在z方向重合；狭缝B的长度大于高线对密度光栅的长度，中心与高线对密度光栅的中心在z方向重合。狭缝A和狭缝B的宽度均为D₁，狭缝宽度与光栅谱仪谱分辨率有关。

所述的透射光栅元件上包含低线对密度光栅和高线对密度光栅。低线对密度光栅线对密度为1000到2000线对/毫米；高线对密度光栅线对密度为2000到5000线对/毫米。低线对密度光栅和高线对密度光栅内侧边缘在x方向相距距离X₀，其值大小由所测光谱宽度决定；低线对密度光栅和高线对密度光栅中心在y方向相距距离Y₀，其值大小由所测光谱范围及光谱分辨率决定。低线对密度光栅用来测量低能段软X射线区域，高线对密度光栅用来测量中能段软X射线区域。低线对密度光栅所测量的最短和最长波长分别为和，高线对密度光栅所测量的最短和最长波长分别为和。光谱分辨率的公式如下：

(1)

式（1）中d是光栅周期，s是X射线源的光斑尺寸。

所述的条纹相机上包含光阴极狭缝元件和光阴极元件。所述的光阴极狭缝元件和光阴极元件在光路的z方向水平排布。

所述的光阴极狭缝元件上刻有狭缝C和狭缝D。狭缝C底端与狭缝D顶端在y方向对称，狭缝D底端中心与高线对密度光栅中心在z方向重合。狭缝C和狭缝D宽度均为D₂。狭缝C长度为Y₁，狭缝D长度为Y₂。狭缝C与狭缝D内侧边缘在x方向相距距离X₀，狭缝C与狭缝D宽度。

所述的光阴极狭缝元件固定于光阴极元件前，光阴极狭缝元件上刻有两个长度不同、宽度相等的狭缝，两狭缝水平相距距离X₀。

光阴极狭缝可减小光栅色散光的干扰，挡除多余的光谱，为获得时间分辨光谱关键器件。同时，光阴极狭缝宽度取值大小可决定条纹相机的分辨率，取值范围为100~300微米。

所述的光阴极紧贴于光阴极狭缝后且覆盖光阴极狭缝。长度值是Y₁+Y₂，宽度值等于2D₂+X₀。X射线源的入射波长在光阴极上的色散关系可表示为：

(2)