平焦场光栅光谱仪[]

第3卷第2期 强 激 光 与 粒 子 束 v。j，3，No．2 I 991年 5月 H1GH POW ER LASER AND PARTICLE BEAM S ／~Iav ，1991 平焦场光栅光谱仪 倪 元 龙 毛 楚 生 吴 江 余 松 玉 周 正 良 傅 思 祖 顾 援 王 世 绩 (中国工程物理研究院 上海激光实验室 ) 摘 要 介绍崩于x光激光研究的平焦场光栅光谱仪的原理、结构，调整 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 及实验考 核结果。谱仪采用名义刻线为 1200L／mm的变栅距凹面光栅，人射角为 87。，摄谱范围为 5～ 30nm．给出了谱仪用底片作时间积分 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 时，谱分辨为0．01nm；用国产软 X光扫描 相机作时间分辨记录时，谱分辨为0,05rim，时间分辨本领约为30ps。 关键词 光栅 光谱仪 扫描相机 x光激光 一 、 引 言 目前，在实验室内获得的 x光激光波长大多在 5～30rim区间，属软 x光波段。它已 超出普通晶体光谱仪的摄谱范围，只能用光栅光谱仪测量。 用于x光激光探测的光栅谱仪主要分两大类：透射式和反射式。透射式光栅谱仪_】 的光 谱分辨本领较差，一般大于0 lnm，不能适应谱分辨要求很高的测量。而通常的反射式光栅 谱仪 均采用恒定栅距的四面光栅作分光成象元件，就必须满足罗兰圆的结构。记录面为一 柱面，不能直接与扫描相机耦台，对时间分辨记录带来很大困难。 我们研制的平焦场光栅谱仪也属反射式。它类似于卢瑟福实验室同类仪器的结构㈤，采用 一 块变栅距四面光栅作分光成象元件。利用光栅形成平直焦场的特性，可用底片作时间积分 记录：或直接接上软 x光扫描相机，作时间分辨记录。此谱仪的摄谱范围为5～30nm。 用底片记录时，谱分辨为0．0lnm。用扫描相机记录时，谱分辨为0，05nm，时间分辨本领约 为30ps 目前这台谱仪已在LF一12装置上进行了激光打靶测谱考核。激光点聚焦和线聚焦辐照 锗厚靶 用底片记录，已测到锗离子线谱及类Ne锗x光激光谱线。并用国产软x光扫描相 机记录，测到x光激光的时间过程特性。 二 、原理及结构 对任一种光栅谱仪，其衍射光束与波长^的关系均满足光栅方程 sina—sin／~=k．~／d (1) 若栅距(光栅常数)d是常量，则对于每一个确定的波长i和光谱级数k来说，衍射角p仅取 决于入射角d。只要谱仪的狭缝 S和光栅G均位于直径等于光栅四面曲率半径 的罗兰圆 19 90年 8月 18日收剜来稿 ， I9 90年 toYl 4 日收到改稿 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 2期 平售场光栅光诺仪 243 上时．其衍射光束焦面必处在此圆上，如图 la所示。 但当采用变栅距光栅时，情形就不同了 由于d成了变量，于是衍射角 就既与 有关又 与 d有关 通过变化 d就能调节 。如果d的变化规律设计得当，就有如图 lb那样 ．使某一 波段的衍射光交点处在几乎平直的焦面内。 S tj vtj a恒栅臣光栅 b 变栅臣光栅 圉 1 两种凹面光栅成象比较 日立公司提供一种对象差较正的变栅距光栅㈣。其名义栅距d =l／1200 mm，凹面曲率 = 5649mm，光栅尺寸为30×50×10 mm3。在 50mm刻槽 区，栅距 d从lA015mm变 化到 l／1449mm。在波长 20nm附近这种光栅对一级谱的衍射效率约为l0％I 当人射角ot=87。时．这种光栅对波长 5～ 30nm区域形成平焦场。平焦场谱仪基本结 构如图 2所示。人射角 为 87。，狭缝 S离光栅 237mm。焦平面垂直于光栅VG的切面． 距光栅顶点 O为235mm。底片或扫描相机光阴极放置在焦面上。 图 2 平焦场谱仪结{句示意 谱线波长 与在焦面上的位置 X的关系为 r =do(sina—sine) L X一235ctgfl 将上两式微分即得线色散率 (2) (3) 维普资讯 http://www.cqvip.com 搬 激 光 与 粒 子 束 第 3卷 巫 = 235 = (mm／nm)d2 sin#cos# (4) sin c0s 在 5～30nm波段，色散率从 2．3mm／nm变化到 1．1mm／nm 此谱仪的摄谱范围为5～30nm ，象场区长约 40mm 。 谱仪的实物照片如图 3所示。左前端为狭 缝，缝宽0～2mm连续可调 中间方盒内装有光栅 及电动快门。光栅面向下，固定在可调架上。入射 角可调，旋转中心通过光栅项点。方盒右侧 部前端 为暗盒，为活动件，可取下装卸底片。暗盒支撑架可 作前后平移及倾斜微调。以保 证底片正确落在焦 面 E。 I刊 3平焦场 仪 由于在设计此光栅的变栅距参数时，已对象差进行 r校正，因此 ，当光源处在狭缝位置 时，谱线宽度方向具有一维空间分辨本领。但在垂直于色散面的弧矢面上，凹面光栅的成象 关系相当于普通的凹面镜，在掠入射时象教严重。计算表明此象教线的长度大致等于光栅中 心照明宽度的两倍。 三、谱仪的调整 平焦场谱仪的调整主要是通过光学仪器监测和几何测量完成的 由于所用变栅距光栅的 焦面特性随入射角的变化非常灵敏 [5I，故对入射角调整特别重要。它的精度要满足87。±1 。 一 般光栅谱仪的入射角都是通过观察从光栅反射的狭缝零级象位置来确定的。但是在掠 入射情况下，由于象散严重，零级象非常模糊，位置就定不准，调整精度较差。 为了提高入射角调整精度，我们将掠入射观察改为正入射观察，避免了象散，大大提高 了调整精度 具体办法见图4。谱仪侧卧在调整架上，光栅呈侧立状，首先将内调焦读数望 远镜(精度 8 )对准狭缝中心及光栅中心 0，定出入射光轴。再将孔径0．1mm的针孔对准板 对到此光轴上，作为今后入射光轴的对准基准。然后取下对准板，转动光栅，通过望远镜观 察，使光栅面与 入射光轴相切 而后将激光经纬仪(J2一JC，精度2 )光轴调到光栅法线上。 此后将透明标尺的零点放到M 处，井使它垂直于经纬仪光轴 最后再转动光栅，直到从经 纬仪观察到经光栅反射来的，位于N处的 十哼城 象为止。从 tg2(9O。一 )=MN／OM就可 对 图 4谱仪谰整光路布局 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 2 J 。F焦场光栅光 仪 确定 人射角 显然，只要OM 足够长，人射角调整精 度可达 到很 高。我们选取 OM=3000±1mm，而MN=315．3±0．1mm。这样可保证入射角 为87。±1 。 四，实验考核结果 1．时间积分记录 平焦场谱仪已在LF一12激光装置上进行了激光打靶测谱考核 脉宽 Ins输出能量为 3～20 J的激光，点聚焦辐照锗厚靶。焦斑直径约为150ttm。靶面激光功率密度大于1×10” W ／cm 谱仪在靶侧向观测。狭缝宽 15ttm，距靶心 78mm 单次激光能量3J，用上海感光胶片 厂产软 x光底片即可摄得锗离子线谱。现将激光能量为21 J的结果示于图5，用柯达SWR 底片记录，谱线清晰，强线，⋯ 波长约为 13。5nm。 5 搿 f线 除点聚焦考核外．谱仪还进行了锗双靶焦线对接实现x光激光高增益[61测谱考核 靶面 激光功率密度为 I x l0”W／em 谱仪安装如图6 为 _r满足谱仪焦场中心处在靶室窗口中 心，焦线轴与水平线成 7．5。角。谱仪在轴向探测。狭缝宽 15ttm．丽焦线最大总长 L可达 44mm 对准时，先在谱仪对面的靶室窗外放置一台内调焦望远镜，使它的光轴与焦线同轴。然 后以此望远镜光轴为基准，并用它来观察 通过调节谱仪的四维可调支架，使狭缝中心与对 准饭针孔组成的人射光轴与望远镜间轴，对准即完毕，随后取去对准板。 这种对准方法使狭缝 靶宣壁 维普资讯 http://www.cqvip.com 塑 壁 生 兰 苎 ! 皇 兰 量 与焦线轴在上下方向的偏差不超过 ±10#m，谱仪光轴在入射角方向与焦线轴的角度偏差不 超过 ±l： 实验条件：激光脉宽 1ns，靶面激光功率密 度为 l x 10t3W／cm 。用柯达 101一叭底片记录。 为 避免底片曝光过度，采用铝滤片对A,~lCx光 衰减。图7示出了焦线长 L=22mm时，摄得的 出现x光激光的照片。从 19．6～28．6nm间的 五条 x光激光线明 显可辨 由于x光激光具有 方向性，故谱线在长度方向缩短： 由于x光激 光在不均匀等离子体中传输产生偏折，故激光谱 线偏向底片边缘一侧 打靶激光入射方向相反 从图7还可清楚地见到铝滤片的工吸收边在 连续谱本底上造成的黑度突变。这就帮助我们在 同一发实验中确定谱线波长。以铝的工， 边波长 为 17．038rim为基准，按照式(2)，(3)的色散关 X光激光 {nm ) 圈 7锗线状等离子体出现x光激光照片 放大 =2 L=22mm．秧缝 l5 m．铝滤片厚 0 7,urn 系，可以可靠地定出谱线波长，目前精度在O．05rim以内。 图8给出了图7锗谱线的黑密度扫描曲线，焦线L=l8mm，出现x光激光线。图上还洼 出了海军实验室(NRL)测得的类Ne锗激光波长[91，及文献 ¨O，l1】提供的锗离子谱线波长 我们初步测定的波长写在括号中。从波长 19．6nm附近的x光激光线(XL)与类 Mg线的明 显分开来判断，谱仪本身的谱分辨本领达 0．01nm。 2．时间分辨记录 谱仪采用西安光机所的 SXRSC一 Ⅱ型软x光扫描相机【l 作时间分辨记录 此相机的 空间分辨本领为8(1p／mm)，时间分辨约30ps。实验布局如图 9，相机通过波纹管与靶室窗相 接，它的头部从窗口伸人靶室直接与平焦场谱仪耦合。相机的抉缝及光阴极组件处 谱仪 J剖 8铺 嘴线 密度十t~~'illll线．L=22ram 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 2期 平焦场光栅光谱仪 247 1 一 黜 s 时li JJ ft ps J 煳 10 类Ne锗 x光激光时间舟辨谱线照片放大 M=2，扫速 l1Dps／Inm 六、评 价 (1)经实验考核，证实平焦场光栅光谱仪是一台工 作在软 x光波段的很好的谱仪。它的谱 分辨达到O．Olnm。 (2)谱仪已与国产扫描相机对接，在软x光波段测刮 X光激光时间分辨信息 时间分辨 记录时谱分辨达到 0．05nm，时间分辨本领约为30ps。 维普资讯 http://www.cqvip.com 248 强 激 光 拉 产 束 第 3卷 (3)采用正入射观察的办法来调整谱仪入射角，是一种调整精度高而又简易的办法。这就保 证了谱仪测谱考核实验一次成功。 (4)利用铝滤片的L边渡长17．038nm作基准，在同一发实验底片上确定谱线波长，精度较高 (5)平焦场谱仪的出射光束几乎正射到底片，这样可避免一般掠入射谱仪出射束斜射到底 片，不必对底片灵敏度进行角度修正 (6)由于所摄谱线形状比较平直(见图7)，易作数据处理 致 谢 高功率激光联台实验宣器件运行组灼饰作和西安光机所张小秋等在救x光扫描相机婀I故 l：给f-的帮助 参 考 文 献 Laser Progam Annual Report 84，LLNL，P．5—51，l1985 J． UCRL一 5200—85— 1l。P．26．(1985 J 何绍堂，陈渊，淳于书泰，彭翰生，撩八射光栅谱仪的研制 ，西南棱物理与化学研究所 ，(1989)． G．P．Kiehn，O．Willi，A．R．Damerell，and M．H．Key，Appf．Opt．，26(3)，425(1987)． N．Nakano，et a1．，Appf Op t．，25(14／I5)，2386(1984)． J．Edelstain，et a1．，App1． f．，23(19)，3267(1984 J． G ．P ．kiehn，et a1．，即 ，E，831，1 50(1987 J ． 王世绩，顾援等，强激光与粒子束，2(3)，273(1990)． T．N，Lee，et al，，AIP ConLProceedings(6th APSTopical Conf．onAtomic ProcessesI_(1988 J J．Reader，V．Kaufman，and J．Sugar， f．Soc．Am．B，4(1l1，182l(1987)． J．Sugar，V．Kaufman，and P．Indelicato， f．Soc．A ．B，6【8)，1437(1989 J． 张小秋，软x射线皮秒变象管的扫描相机技术研制 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ，西安光机所 (1986)． A FLAT FIELD GRATING SPECTR0GRAPH F0R X —RAY LASER RESEARCH Ni Yuanlong． M ao Chusheng， Wu Jiang t Yu Songyu， Zhou Zhengliang·Fu Sizu，Gu Yuan，and Wang Shiji (Shanghai LaserLaboratory，China Academy ofEngineenng Physics) ABSTRACT The principle，structure，and adjustment of a flat field grating spectrograph are presented． A varied line space grating with no minal line spacing I200L／mm is used in this spectrograph，The incidence angleis 87：and spectral range ofdetectionis 5～30nm—Both experimental results oftheinst- rument for time integrating detection using the film and time resoluting detection using a streak camera are presented as wel1．The spe ctral resolution are 0．0Inm and005nm ，respe ctively．The tem poral resolu— tion is- 30ps Finally，the evaluation is given． KEY W ORDS grating，spectrograph，streak camera，X ray laser． ⋯ ⋯m 维普资讯 http://www.cqvip.com