类δ响应软X射线能谱仪
阅读：26发布：2020-05-17
专利汇可以提供类δ响应软X射线能谱仪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种类δ响应软 X射线 能谱仪，包括四个组成部分：前置聚焦 准直 系统、单级聚焦波带片、大面积时间分辨的X射线 位置 灵敏探测器和高时间分辨 信号 A/D转换与读出系统。将经过聚焦准直入射至部分挡光的单级聚焦波带片，其为二值化Gabor波带片，同时具备聚焦和色散功能，不同 波长 的入射光将被聚焦到光轴上的不同位置，且忽略次焦点带来的影响。X射线位置灵敏探测器能提供波带片光轴上随焦距变化的光强分布，最后由高时间分辨信号A/D转换与读出系统将探测器获取的 模拟信号 输出得到测量范围内高时间分辨、高 能量 分辨的X射线能谱。本发明有效地结合宽能谱测量范围和高能量 分辨率 ，适用于惯性约束 核聚变 、 磁约束 聚变以及太阳观测中的 辐射 能谱监测。，下面是类δ响应软X射线能谱仪专利的具体信息内容。
1.类δ响应软X射线能谱仪，其特征在于，包括：
前置聚焦准直系统，主要由多毛细管制成，用于收集被测量的X射线并输出准平行光；
单级聚焦波带片，采用二值化Gabor波带片，用于将入射的准平行光分光并将不同波长的X射线聚焦到该单级聚焦波带片的光轴上的不同位置；
X射线位置灵敏探测器，沿所述单级聚焦波带片的光轴排布，用于将聚焦到光轴上的不同能量的脉冲X射线转化为电信号，并放大输出；
高时间分辨信号A/D转换与读出系统，将所述X射线位置灵敏探测器转化获取到的电信号进行数字化处理、分析和读出，输出测量范围内高时间分辨、高能量分辨的X射线能谱。
2.根据权利要求1所述的类δ响应软X射线能谱仪，其特征在于，所述前置聚焦准直系统包括同轴设置的多毛细管汇聚镜和多毛细管准直镜，被测X射线经所述多毛细管汇聚镜收集汇聚后射入所述多毛细管准直镜，由所述多毛细管准直镜输出准平行光。
3.根据权利要求2所述的类δ响应软X射线能谱仪，其特征在于，所述多毛细管汇聚镜由复合毛细管采用“中间稀疏周围密集”方式排列拉制呈截面为椭球形或抛物线形的形状。
4.根据权利要求1～3任一项所述的类δ响应软X射线能谱仪，其特征在于，所述单级聚焦波带片由一系列挡光半波带和透光半波带交替排列而成，且每一对相邻的挡光半波带和透光半波带构成一个波带，并在所述挡光半波带之间设置用于自支撑的加强筋。
5.根据权利要求4所述的类δ响应软X射线能谱仪，其特征在于，所述单级聚焦波带片的波带宽度根据菲涅尔波带片的波带宽度按照正弦或余弦函数调制而成。
6.根据权利要求5所述的类δ响应软X射线能谱仪，其特征在于，所述单级聚焦波带片由环形完整的波带片截取局部形成，该局部的大小与所述前置聚焦准直系统输出的准平行光的大小匹配。
7.根据权利要求6所述的类δ响应软X射线能谱仪，其特征在于，所述挡光半波带和透光半波带的尺寸为纳米量级、或亚微米量级、或微米级。
8.根据权利要求1～3任一项所述的类δ响应软X射线能谱仪，其特征在于，所述X射线位置灵敏探测器包括由上至下依次层叠集成的逃逸光电子抑制栅网、无窗型光阴极、双层MCP倍增放大器、一维阳极阵列、信号引出端子，以及为双层MCP倍增放大器提供内部高压电场的高压工作电路，其中，所述无窗型光阴极位于单级聚焦波带片的光轴上，用于接收入射的X射线并出射光电子，其具有至少13万个像元，像元尺寸为50um×10mm～300um×10mm，所述双层MCP倍增放大器具有微通道结构，用于形成倍增放大的电信号，所述一维阳极阵列沿该光轴方向排布，所述信号引出端子用于将电信号输出至所述高时间分辨信号A/D转换与读出系统。
9.根据权利要求8所述的类δ响应软X射线能谱仪，其特征在于，该能谱仪设置多个沿单级聚焦波带片光轴方向排布的X射线位置灵敏探测，且每个所述X射线位置灵敏探测呈沿该光轴方向走向的条状。
10.根据权利要求8所述的类δ响应软X射线能谱仪，其特征在于，所述高时间分辨信号A/D转换与读出系统包括与所述信号引出端子连接的快速采样电路，与快速采样电路连接的高速ADC，与高速ADC连接的信号处理电路，以及与信号处理电路连接的集成控制与监显系统。
类δ响应软X射线能谱仪
技术领域
背景技术
[0002] 能谱仪(光谱仪)是一种用于分析复杂光构成的科学仪器。现阶段，适用于X射线能段的谱仪，根据其工作原理大致可以分为三类：能量响应型谱仪、波长色散型谱仪和带通型谱仪。能量响应型谱仪主要包括气体探测器和半导体探测器，依靠入射X射线在探测器介质中沉积能量来进行能谱分析。这种工作原理导致了其只适用于弱光(低计数率)和能量分辨率要求不高的情况。波长色散型谱仪主要包括光栅谱仪和晶体(多层膜)谱仪。光栅谱仪根据自身的色散特性，将不同波长的入射光衍射至不同角度，即探测器上的不同位置，以此实现谱的测量。晶体(多层膜)谱仪根据Bragg公式，也是将不同波长的入射光衍射至探测器上的不同位置，以此实现谱的测量。相比起光栅谱仪，晶体(多层膜)谱仪适用于波长较短的光谱测量。波长色散型谱仪测量得到的结果是入射光的波长谱，其谱分辨率会随着波长变短而变差，不能做到兼顾宽谱测量和高能量分辨率，且存在高级衍射的影响。带通型谱仪利用滤片对X射线的高通特性和反射镜对X射线的低通特性来实现对X射线能谱的“分割”和分段测量，典型的有Dante谱仪。带通型能谱仪适用于高计数率环境，是一种宽能谱测量、低能谱分辨的谱仪。
[0003] 目前的X射线均无法兼顾宽能谱测量范围和高能谱分辨的应用要求，在实际应用中只能进行分段测量，针对某一两种测试要求研制特定测谱范围和能谱分辨的X射线谱仪。例如在激光间接驱动惯性约束聚变(ICF)研究中，通常使用Dante谱仪对黑腔辐射温度进行测量，测谱范围覆盖1keV～10keV，但能谱分辨本领(E/ΔE)只有10～20；使用晶体谱仪针对辐射不透明度进行测量，测谱范围达到0.54keV～2.1keV，能量分辨率达到100左右；使用晶体谱仪对燃烧区烧蚀层特定掺杂材料的混合问题进行诊断，测谱范围为6keV～16keV，能量分辨好于161。由于激光间接驱动ICF黑腔诊断孔方向固定，且整个真空靶室的可用法兰有限，因此不可能同时放置这么多的X射线谱仪对黑腔和靶丸辐射的X射线进行全能区高分辨的能谱测量，这极大地影响了能谱数据的完整性，不能全面地分析物理现象、反馈物理建模。磁约束(MCF)托卡马克装置与之情况类似。在太阳物理研究中，考虑到火箭起飞重量和卫星发射成本，使用很多窄带高分辨谱仪对太阳能谱进行宽能区高能量分辨的测量几乎也是不可能实现的。此外，目前广泛使用的X射线光栅/晶体光谱仪另一重要的技术难题是高级衍射干扰问题。特别是在宽谱光源的情况下，高级衍射谱尤其严重，很难从测量谱中解出真实光谱。
[0004] 针对以上技术问题，本发明拟采用新的技术思路，研制一种具有类δ响应、有效规避高级衍射干扰从而直接获取测量对象能谱I(E)的新型X射线能谱仪，测量范围覆盖软X射线/极紫外全能区(10eV～10keV)，具有高能谱分辨本领(E/ΔE>1000)，并在全能区保持不变，实现宽能量范围和高能量范围的有效统一。在此基础上，聚焦聚变科学研究瞬变高温等离子体诊断的应用需求，研发基于微通道板(MCP)技术的高时间分辨大规模线阵X射线探测器，使本发明的类δ响应软X射线能谱仪具有宽量程和全能区高能量分辨本领的同时，时间分辨水平达到150ps水平。
[0005] 本发明将对瞬变高温等离子体辐射的10eV～10keV辐射能谱的动态演化实现高时间分辨、高能谱分辨的直接测量。结合原子分子物理、等离子体物理理论和技术分析方法，通过本发明的类δ响应软X射线能谱仪获得的测量数据将同时给出聚变反应区域的等离子体温度、密度、元素种类、离化态等多个关键参量随时间演化的动态信息，为可控核聚变和太阳物理的研究发展带来新的技术机遇。
发明内容
[0006] 针对上述现有技术的问题，本发明提供一种类δ响应软X射线能谱仪，有效地结合宽能谱测量范围和高能量分辨率。本发明的工作模式不同于普通能谱仪，基于波带片聚焦色散的原理实现了均匀能量色散的新机制，使用二值化Gabor波带片的结构做分光计，有效抑制次焦点的信号干扰，确保测量精度。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用技术方案如下：
[0008] 类δ响应软X射线能谱仪，包括：
[0009] 前置聚焦准直系统，主要由多毛细管制成，用于收集被测量的X射线并输出准平行光；
[0010] 单级聚焦波带片，采用二值化Gabor波带片，用于将入射的准平行光分光并将不同波长的X射线聚焦到该单级聚焦波带片的光轴上的不同位置；
[0011] X射线位置灵敏探测器，沿所述单级聚焦波带片的光轴排布，用于将聚焦到光轴上的不同能量的脉冲X射线转化为电信号，并放大输出；
[0012] 高时间分辨信号A/D转换与读出系统，将所述X射线位置灵敏探测器转化获取到的电信号进行数字化处理、分析和读出，输出测量范围内高时间分辨、高能量分辨的X射线能谱。
[0013] 进一步地，所述前置聚焦准直系统包括同轴设置的多毛细管汇聚镜和多毛细管准直镜，被测X射线经所述多毛细管汇聚镜收集汇聚后射入所述多毛细管准直镜，由所述多毛细管准直镜输出准平行光。
[0014] 具体地，所述多毛细管汇聚镜由复合毛细管采用“中间稀疏周围密集”方式排列拉制呈截面为椭球形或抛物线形的形状。由于其使用了高通量组合毛细管，能够提供大的光收集角，其收集立体角达到5°，多毛细管准直镜的输出光束截面不小于60*10mm2，输出光束发散角小于1.5μrad，输出光强增益大于100，且安装调试简便，不仅可适用点源光收集，还适用于深空光源束线收集。
[0015] 进一步地，所述单级聚焦波带片由一系列挡光半波带和透光半波带交替排列而成，且每一对相邻的挡光半波带和透光半波带构成一个波带，并在所述挡光半波带之间设置用于自支撑的加强筋。
[0016] 进一步地，所述单级聚焦波带片的波带宽度根据菲涅尔波带片的波带宽度按照正弦或余弦函数调制而成，有效降低了波带片制作难度。
[0017] 进一步地，所述单级聚焦波带片由环形完整的波带片截取局部形成，该局部的大小与所述前置聚焦准直系统输出的准平行光的大小匹配。
[0018] 具体地，所述挡光半波带和透光半波带的尺寸为纳米量级、或亚微米量级、或微米级。
[0019] 该类δ响应软X射线能谱仪在前置聚焦准直系统之后的入射窗处，还配置有多个不同参数结构的波带片，以便在不同能段使用。如下表1所示的三种参数结构的波带片，其中ZP1对应1000ev-10000ev，ZP2对应100ev-1000ev，ZP3对应10ev-100ev：
[0020]
[0021] 表1波带片参数
[0022] 经过所述单级聚焦波带片聚焦的光束将以大角度掠入射至所述X射线位置灵敏探测器，以提高能量分辨率。
[0023] 更进一步地，所述X射线位置灵敏探测器包括由上至下依次层叠集成的逃逸光电子抑制栅网、无窗型光阴极、双层MCP倍增放大器、一维阳极阵列、信号引出端子，以及为双层MCP倍增放大器提供内部高压电场的高压工作电路，其中，所述无窗型光阴极位于单级聚焦波带片的光轴上，用于接收入射的X射线并出射光电子，其具有至少13万个像元，像元尺寸为50um×10mm～300um×10mm，所述双层MCP倍增放大器具有微通道结构，用于形成倍增放大的电信号，所述一维阳极阵列沿该光轴方向排布，所述信号引出端子用于将电信号输出至所述高时间分辨信号A/D转换与读出系统。由于其采用了双MCP叠拼方案，信号增益达到105～106，能将单光子信号放大到可分析幅度，可调整输出端衰减系数，以满足不同亮度光源的使用要求。
[0024] 进一步地，该类δ响应软X射线能谱仪设置多个沿单级聚焦波带片光轴方向排布的X射线位置灵敏探测，且每个所述X射线位置灵敏探测呈沿该光轴方向走向的条状。
[0025] 更进一步的，所述高时间分辨信号A/D转换与读出系统包括与所述信号引出端子连接的快速采样电路，与快速采样电路连接的高速ADC，与高速ADC连接的信号处理电路，以及与信号处理电路连接的集成控制与监显系统。其采用多路高带宽数字采样技术实现对X射线信号的监测，并同时获得较高的时间分辨率和时间精度。
[0026] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0027] 本发明的类δ响应软X射线能谱仪具有独特的工作模式，能够同时实现宽能谱测量和高能谱分辨。本发明基于X射线单级聚焦的单级聚焦、沿光轴能量线性色散的技术特点，开辟建立宽谱X射线源能谱测量的新方法，结合大规模、超快响应位置灵敏探测器，形成新的宽谱X射线类δ能量响应、高能量分辨和高时间分辨的能谱探测技术。本发明构思新颖，设计巧妙，方便实施，适用于微波、太赫兹、红外光、可见光、紫外光和X射线等各个电磁波段。附图说明
[0028] 图1为本发明的结构原理示意图。
[0029] 图2为本发明在实验室点光源探测下的工作模式示意图。
[0030] 图3为本发明在深空光源探测下的工作模式示意图。
[0031] 图4为本发明中单级聚焦波带片的结构示意图。
[0032] 图5为本发明中单级聚焦波带片的透射率函数随半径的变化规律示意图。
[0033] 图6为本发明中单级聚焦波带片(波带数为500)沿光轴的光强变化规律。
[0034] 图7为本发明中单级聚焦波带片(波带数为2500)沿光轴的光强变化规律。
[0035] 图8为本发明中单级聚焦波带片的加工制作流程示意图。
[0036] 图9为本发明中X射线位置灵敏探测器和高时间分辨信号A/D转换与读出系统的结构原理示意图。
[0037] 图10为本发明中X射线位置灵敏探测器的装配集成示意图。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
[0039] 实施例
[0040] 如图1-10所示，该类δ响应软X射线能谱仪，主要包括四个组成部分：前置聚焦准直系统、单级聚焦波带片3、大面积时间分辨的X射线位置灵敏探测器4、高时间分辨信号A/D转换与读出系统5。其各部分安置于真空腔体内使用。
[0041] 所述前置聚焦准直系统用于收集被测量的X射线并输出准平行光，包括同轴设置的多毛细管汇聚镜1和多毛细管准直镜2，被测X射线经所述多毛细管汇聚镜收集汇聚后射入所述多毛细管准直镜，由所述多毛细管准直镜输出准平行光。
[0042] 在研制上述多毛细管汇聚镜时，首先在几何光学基础上，利用光线追踪原理建立上述透镜的初级理论模型，在此基础上，采用统计光学和波动光学的理论模拟分析该透镜中细内径单管可能存在的干涉现象，对上述初级理论模型进行校正。在建立该理论模型时，对于多毛细管X射线汇聚镜，首先以点源为例，利用透镜轴对称性的特点建立理论模型，然后采用二重积分将该模型推广到任意形状的X射线源。对于多毛细管X射线汇聚镜，在光路可逆原理的基础上，借用多毛细管X射线汇聚镜的理论建模方法。为了避免X射线在多毛细管(半)汇聚镜中的多次全反射，将多毛细管汇聚镜设计成截面为椭球形的形状，将多毛细管半汇聚镜设计成截面为抛物线形的形状。如图2所示，在类似实验室光源的这类点光源情形下，采用多毛细管汇聚镜工作；如图3所示，在深空光源情形下，采用多毛细管半汇聚镜工作。
[0043] 在制作上述多毛细管汇聚镜时，采用整体拉制的方式进行制作。根据上述理论模型设计毛细管汇聚透镜的拉制模具，在模具中排列单毛细管，整体拉制得到复合毛细管，再在模具中排列复合毛细管，再整体拉制得到二次复合毛细管，这里所谓的复合毛细管是由单毛细管通过一次或多次复合拉制而成的，随着复合拉制次数的增加，复合管中单位体积中的单毛细管数量逐渐增加，单毛细管的内径逐渐减小，最后选择合适内径的复合毛细管放在模具中再进行整体拉制得到所需的透镜。在模具中排列玻璃毛细管时，按照理论模型，采用“中间稀疏周围密集”排列方式的排列复合毛细管，即中间采用大内径子管构成的复合管，由中间到外层逐渐采用内径逐渐变小的子管构成的复合毛细管。为了控制该透镜束斑截面上X射线强度分布的均匀度以及提高束斑处的功率密度增益，在模具外层要采用大于两次复合拉制的复合管。在研制上述多毛细管X射线半汇聚透镜时，进行组装设计，这种组装镜子中，也采用复合管技术以提高组装镜的占空比。
[0044] 为了保证汇聚透镜中子管内表面光滑，以符合X射线发生全反射的要求，玻璃母管的材料采用硼硅酸盐玻璃，采用常规电加热模式。同时，采用玻璃拉丝塔进行拉制。在制定具体拉制工艺时，首先要在考虑拉丝炉温特点和所采用的玻璃材料软化点的基础上，利用动力学知识建立玻璃棒在机械拉力和重力作用下运动的动力学微分方程，然后得到其对应的运动学方程，根据该运动学方程的结论制定玻璃棒的运动速度，机械拉力在保证聚焦器具有合适形状中占有重要的地位，在考虑上述机械拉力在聚焦器成型中作用的同时，还要充分考虑重力在保证会聚器件具有小粗糙度中的作用。在拉丝塔上添加高精度玻璃管孔径在线检测系统，拉制完毕，再结合脱线玻璃管孔径检测系统测定玻璃管的形状，以判定所拉制聚焦器形状是否符合理论模型。采用X射线反射率(XRR)测量法和原子力显微镜相结合的方法表征聚焦器的内表面粗糙度。在表征聚焦器的焦斑尺寸和功率密度增益以及射线分布均匀度时，采用刀口扫描和空间分辨成像相结合的方法。
[0045] 对于所述多毛细管准直镜的研制，为了保证准直镜子毛细管的内表面有一定粗糙度，以防止X射线在准直镜中发生X射线全反射，采用设计的特殊温度场，利用拉丝塔整体拉制该类具有自支撑功能的多毛细管准直镜。在设计符合要求的特殊温度场时，采用不同于常规电加热模式的微波加热和电加热混合模式进行拉制，便于保证组成自支撑多毛细管准直镜的子管之间严格平行，更重要的是这种特殊的温度场会导致这些子管内壁具有较大的粗糙度而不能发生X射线全反射，从而保证利用自支撑多毛细管准直镜得到的平行光束具有微弧度量级的发散度。另外，如同多毛细管X射线(半)汇聚透镜，构成自支撑多毛细管准直镜的子管的内径也很小，同样需要考虑可能存在的来自这些子管的X射线可能的干涉或衍射现象，从而影响该类准直镜的发散度。因此采用类似多毛细管(半)汇聚镜的理论设计方案。在模具中采用均匀的高于三次的复合管进行拉制。为了便于拉制，准直镜玻璃母管的材料采用硼硅酸盐玻璃。
[0046] 所述单级聚焦波带片，采用二值化Gabor波带片，用于将入射的准平行光分光并将不同波长的X射线聚焦到该单级聚焦波带片的光轴上的不同位置。所述单级聚焦波带片由一系列挡光半波带和透光半波带交替排列而成，且每一对相邻的挡光半波带和透光半波带构成一个波带，并在所述挡光半波带之间设置用于自支撑的加强筋。进一步地，所述单级聚焦波带片的波带宽度根据菲涅尔波带片的波带宽度按照正弦或余弦函数调制而成，有效降低了波带片制作难度。进一步地，所述单级聚焦波带片由环形完整的波带片截取局部形成，该局部的大小与所述前置聚焦准直系统输出的准平行光的大小匹配。具体地，所述挡光半波带和透光半波带的尺寸为纳米量级、或亚微米量级、或微米级。
[0047] 本发明的基本设计思想是利用X射线单级聚焦波带片能量线性聚焦和高级衍射抑制的优点，配合大面积时间分辨的X射线位置灵敏探测器，实现宽能区、均匀高能谱分辨、高时间分辨的能谱测量技术。
[0048] X射线波带片元件，是一种在X射线显微中广泛应用的元件，普通的X射线波带片是一块由重金属同心环形栅条构成的衍射元件。借助波带片的径向周期结构，通过适当的径向带的排布，衍射后的辐射在确定的下游位置发生正干涉。其第n环环带半径为：
[0049]
[0050] 其中，λ为入射波长，f1为波带片一阶焦距，N为环带总数。将其中的奇数环或偶数环用金属栅条挡住，而让X射线通过剩下的环带，就构成了波带片结构。其聚焦和成像原理在于，从物点到像点，相邻通光环带之间光程差为一个波长，相位差为2π,满足相长干涉条件，使得从物点出发通过各个偶(奇)数环带的全部光线相长叠加，会聚于像点，形成聚集亮点。将波带片的透过率函数F(.)按u＝πr2/(λf)展开，可以得到
[0051]
[0052] 其中，cm＝sin(mπ/2)/(mπ)…………(3)
[0053] 平行光照射下，其各级衍射效率为
[0054]
[0055] 因此，其光轴上存在多个级次的衍射聚焦焦点，不同衍射级次的焦距满足：
[0056] fm≈r12E/(1240m)，m＝1,3,5……………………(5)
[0057] 其中,m为衍射级次，fm为m级聚焦焦距。0级为直穿光，-1,-3,-5,….等级次为发散光。式(5)表明，波带片光轴上，存在着不同波长的高级衍射谱与一级衍射谱相互叠加的问题。
[0058] 从式(2)-(4)可以看出当波带片的透过率满足正弦(余弦)分布：
[0059] f(u)＝1/2(1±cos(2πr2/λf))…………(6)
[0060] 能够有效抑制高级。通过采用按照正弦分布规律优化排布微纳结构基元的方法，研制出了多种新型的X射线单级聚焦波带片，这些波带片只有0级和±1级，轴上只有+1级聚焦焦点。在平行复色光照射下，焦距满足
[0061] f1＝r12E/1240…………(7)
[0062] 由式(7)可以看出，其光轴上的聚焦焦距与光子能量成正比，形成了天然的能量色散机制，如本发明图1-3展示的工作模式中的分光。
[0063] 在平行光入射时，当观察平面对理想焦平面的偏离为
[0064] ΔZ＝±2(Δr)2/λ…………(8)
[0065] 时，轴上强度只减少20％，一般定义这个距离为波带片的焦深。在进行能谱测量时，定义4倍焦深距离作为两个能点能够分辨开的最近距离，则
[0066] Δf＝4ΔZ＝8(Δr)2E/1240…………(9)
[0067] 式(7)求导可得：ΔE＝1240Δf/r12…………(10)
[0068] 联立式(9)和(10)可得，E/ΔE≈N/2…………(11)
[0069] 可以看出，在平行光入射时，其能谱分辨与光子能量无关，只与波带片的环带数相关，因此理论上只要探测器的长度足够，一块波带片就可以覆盖软X射线/极紫外全能区的能谱测量，同时，整个能区的能量分辨一致，不存在高级衍射谱的干扰，给解谱带来了极大的便利。
[0070] 实际应用时，为了避免零级的干扰，一般只使用波带片离轴的一小部分，这时数值孔径大幅下降，实际的能量分辨相比式(11)也大幅下降，因此能谱仪在实际设计中，根据能量分辨的设计要求，使用的波带片部分包含的环带数必须考虑这一点，相比式(11)的计算结果做相应的提升。
[0071] 此外，实际使用的光源：如激光驱动ICF研究中的黑腔辐射源、太阳、MCF耀斑均有较大的发散角，这与平行光的情形偏差较大。有一定发散角的光入射可以近似的看作一个远处的离轴点光源入射的情况。根据点光源距离波带片的距离，和波带片的大小，可以定义入射光的发散角。设其物距为LO，像距为LI，根据波带片一级成像公式：
[0072]
[0073] 两边求导，结合三角关系，在小发散角情况下，(X+Y)＜＜LI，由式(12)可以近似得到聚焦光斑在光轴上的拖影长度：
[0074]
[0075] 令X＝ΔM，可得
[0076]
[0077] 其中，ZO为点光源相对于波带片光轴的高度，ZP为入射光在波带片上最高点相对于光轴的高度，H为入射光在波带片上最低高点相对于光轴的高度，X为波带片最低出射光和光轴的交点到波带片最高出射光和光轴交点的水平距离，Y为波带片最高出射光和光轴的交点到焦点的水平距离，M为与光轴平行的入射光经波带片发散后的出射光和光轴的交点到波带片的水平距离。由于LI与E相关，这时候能量分辨与光子能量相关。式(14)考虑的是准平行光带来的几何投影引起的能量分辨下降，在平行度很差时，这种几何投影是决定能量分辨的主要因素，当平行度较好时，式(14)趋近无穷大，这时的能量分辨主要由式(11)决定，同时仍能保证能量分辨的一致性。因此在应用于有一定发散角光源时，为了提高收集效率、降低光源发射角对能量分辨的影响，仪器还需要在单级聚焦波带片之前安装一套聚焦准直系统，收集光源发出的光线，将其转化为准平行光，再入射到波带片上，最后利用大面积时间分辨X射线位置灵敏探测器接收辐射能谱。
[0078] 图6和图7表示不同波带数(500和2500)的单级聚焦波带片对衍射光强沿光轴分布的计算机模拟结果。其中横坐标是波带片光轴上，归一化的距离，‘1’代表焦距f的位置。纵坐标代表着归一化的光强。图6和图7显示，当使用的波带数足够大时，单级聚焦波带片能提供理想的光强分布，即沿着波带片光轴只产生一个焦点。
[0079] 该单级聚焦波带片的制作过程如下，如图8所示：
[0080] a：根据实际的应用需求，确定波带片在(r2,θ)坐标系下的参数、和，根据坐标变换关系，将波带片版图转换到(x,y)坐标系下，即可得到如图4所示波带片版图中每个环带的实际尺寸。
[0081] b：将该结构的波带片按照步骤a中的尺寸转化为LEDIT格式文件。
[0083] d：利用数控聚焦电子束光刻设备，由步骤b中产生的LEDIT文件控制，将如图4所示的波带片版图结构在步骤c产生的薄膜上进行电子束曝光，然后利用显影液和定影液进行显影，得到波带片光刻胶图形。
[0085] f：去除光刻胶，即得到单级聚焦波带片。其中7.1、7.2和7.3对应的材料分别为光刻胶、金和硅。
[0086] 所述X射线位置灵敏探测器，用于将聚焦到光轴上的不同能量的脉冲X射线转化为电信号，并放大输出，主要包括由上至下依次层叠集成的逃逸光电子抑制栅网21、无窗型光阴极22、双层MCP倍增放大器23、一维阳极阵列24、信号引出端子25，以及为双层MCP倍增放大器提供内部高压电场的高压工作电路26，其中，所述无窗型光阴极位于单级聚焦波带片的光轴上，用于接收入射的X射线并出射光电子，所述双层MCP倍增放大器具有微通道结构，用于形成倍增放大的电信号，所述一维阳极阵列沿该光轴方向排布，所述信号引出端子用于将电信号输出至所述高时间分辨信号A/D转换与读出系统。能谱仪设置多个沿单级聚焦波带片光轴方向排布的X射线位置灵敏探测，且每个所述X射线位置灵敏探测呈沿该光轴方向走向的条状。
[0087] X射线经单级聚焦波带片光路分光后，X射线能谱按照能量分布入射到X射线位置灵敏探测器，10eV-10keV的X射线能谱按照光子能量分布在30mm×5400mm二维空间尺度上。10eV-10keV的X射线在材料中的透射效率变化明显，部分波段透射效率极低，根据此特点，X射线位置灵敏探测器的光阴极设计为无窗型。为了保证高分辨率X射线光谱测量，配置13万个以上的像元，像元尺寸为50um×10mm～300um×10mm，满足能量分辨的X射线光子分布在
10～20个像元。双层MCP倍增放大器的微通道结构，使X射线光子入射到微通道内壁负高压偏置的光阴极上，出射光电子，光电子进入MCP后，在内部高压电场加速作用下，多次碰撞MCP内壁产生更多电子，形成倍增放大信号。
10～20个像元。双层MCP倍增放大器的微通道结构，使X射线光子入射到微通道内壁负高压偏置的光阴极上，出射光电子，光电子进入MCP后，在内部高压电场加速作用下，多次碰撞MCP内壁产生更多电子，形成倍增放大信号。
[0088] X射线位置灵敏探测器完成光电转换和信号倍增放大功能，同时满足光路对接及其与多通道的高时间分辨信号A/D转换与读出系统连接的接口要求，如图9所示。X射线光子作用在光阴极产生初级光电子，光电子在负高压电场作用下加速运动到MCP倍增放大器，双层叠拼的MCP将光电子放大为可分析的电荷脉冲信号，由多通道超快读出电路对每个像元的输出信号进行读出、转换、处理，并存储监显。MCP微通道具有足够小的孔径(20um)，以保证在联接光阴极和阵列阳极的过程中保证足够的能谱分辨能力。为保证能谱测量精度，光阴极和MCP、一维阵列阳极进行超精密结构加工、装配，严格控制面形精度和装配尺寸偏差，如图10所示。
[0089] 所述高时间分辨信号A/D转换与读出系统包括与所述信号引出端子连接的快速采样电路31，与快速采样电路连接的高速ADC32，与高速ADC连接的信号处理电路33，以及与信号处理电路连接的集成控制与监显系统。其中快速采样电路、高速ADC、信号处理电路构成超快读出电路，该超快读出电路配置为多通道，与一维阳极阵列中每个阳极的信号引出端子一一对应，其将所述X射线位置灵敏探测器转化获取到的电信号进行数字化处理、分析和读出，输出测量范围内高时间分辨、高能量分辨的X射线能谱，通过集成控制与监显系统存储监显。
[0090] 本发明提供的类δ响应软X射线能谱仪有效地结合宽能谱测量范围和高能量分辨率，适用于惯性约束核聚变、磁约束聚变以及太阳观测中的辐射能谱监测。
[0091] 上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。
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