本发明涉及一种透射光栅光谱仪，特别是一种高分辨率大面积透射光栅软X射 线光谱仪，该谱仪主要适用于软X射线波段内激光等离子体的发射特性的测量。

软X射线透射光栅光谱仪使用灵活，调整简便，在基础物理研究和诊断中具有 一定的优势，被广泛用于各类X光源的测量，这从德国马普量子光学所和日本大阪 大学等单位的实验中可以看到(参阅已有技术：[1]R.Sigel,P.Pakula,S.Sakabe et al., X-ray generation in a cavity heated by 1.3-or 0.44-μm laser light III comparison of the experimental results with theoretical predications for X-ray confinement.Phys.Rev. A38(11),1988:5779-5785,以及H.Nishimura,Y.Kato,H.Takabe et al.,X-ray confinement in a gold cavity heated by 351-nm laser light.Phys.Rev.A44,1991:8328- 8333)。在激光等离子体辐射温度的诊断和X射线辐射输运特性的研究方面,软X 射线透射光栅作为色散元件，与空间成像和时间分辨的探测接收器连接，构成十分重 要的测量仪器，可以非常方便地从发射光谱中获得关于等离子体的诸多信息，如电子 温度和密度、膨胀速度、电离态等等。

要完成上述谱线分析，要求透射光栅光谱仪应当不但能以较高的光谱分辨，而且 同时能以较高的接收效率进行准确的测量(已有技术：[2]M.M.Murnane,H.C.Kapteyn, and R.R.Falcone,High-density plasmas produced by ultrafast pulses.Phys.Rev.Lett.1989, 62(2):155-158)。尤其是对太瓦级、飞秒脉冲的超强超短钛宝石(Ti:sappire)激光器(已 有技术：[3]徐至展，Lus.Vigroux,Fredocric,周建平，张正泉，《输出2TW/45fs的掺 钛蓝宝石超短脉冲强激光系统.》中国科学，1997,A272:640-645)这一高功率低能 量激光系统与物质相互作用的实验研究中，现有的1000g/mm针孔透射光栅软X射线 光谱仪不能完全满足上述要求。实验和理论分析都表明，有两个主要因素限制了上述 已有技术参与细致的X-射线发射谱的测量。其一，用作色散元件为1000g/mm针孔 透射光栅结构，它的栅线密度较低，致使谱仪的光谱分辨较低(通常为0.2-0.4nm)。 其二，用作光栅前的成象元件不适合、光谱仪的收集效率和衍射效率较低，接收面上 的X射线强度也较低；所以往往需要很多次的打靶曝光，才能在接收面上积累足够 的X射线能量。其三，置于作为外壳的外套筒内壁上的导轨，容易滑动，调整不方 便。

本发明的目的是提供一种高分辨率、结构紧凑的大面积透射光栅软X射线光谱 仪，以克服上述已有技术的光谱分辨较低、收集效率及衍射效率较低等不足，增大光 谱仪对激光等离子体软X射线的收集立体角，提高光谱仪的接收效率，并实现对X 射线点源成无象散的点象；提高光谱仪的光谱分辨率；提高测量数据的准确性；总之 将大大提高光谱仪的工作效率。

本发明光谱仪的结构包括机械构件和光学元件两大部分：其中机械构件包括头部 1，支撑板2、加强筋3、导轨4、外套筒5以及置于导轨4上的调整架9、10，如图 1、2所示。光学元件包括沿着由软X射线源11发射的软X射线束S前进的方向上， 依次置有光阑13，置于调整架9上的反射镜6，置于调整架10上的光栅7，接收器 件8以及与接收器件8的输出相联的显示器件12，如图3所示。

头部1由前端是接口法兰101、后端是衔接法兰103的衔接管102构成；头部1 后端的外套筒5由前端有前衔接法兰501、中间是筒体502及后端有后衔接法兰503 三部分构成。头部1的接口法兰101与真空靶室窗口14相联；头部1的衔接法兰103 与外套筒5的前衔接法兰501压合以保持真空密封是真空密接；为了入射的光束与反 射镜6的掠反射成象相匹配，机械构件中头部1的中心轴线O1O1与外套筒5的中心 轴线O2O2之间有一夹角α，并且夹角∠α≤10°，如图2所示。在外套筒5内固定于头 部1的衔接法兰103上的支撑板2上，装有斜拉加强筋3，导轨4即安装在加强筋3 上为悬挂式的。导轨4上置有反射镜6的调整架9和置有光栅7的调整架10，接收 器件8则固定在外套筒5的后衔接法兰503上。

反射镜6是本发明光谱仪的核心元件，它收集入射光谱仪内的X射线并将其成 象到接收器件8上。本发明选用轮胎镜(又称为超环面镜)用作成象系统的反射镜6， 它能以较大的空间收集立体角，实现对软X射线源11的无象散成象，提高摄谱数据 的信噪比和准确性，所以又称其为X光反射镜。本发明适合的轮胎镜的子午面的曲 率半径范围为4000～7000mm，宽度为40～75mm，弧矢面曲率半径为15～35mm，宽度 为25～35mm。置反射镜6的调整架9是五维调整架，有三个方向的平动、两个方向 的转动共计五个自由度的调节方向。

本发明中作为色散元件的光栅7采用无支撑大面积透射光栅，光栅的线对数范围 是1000～5000g/mm。由于透射光栅的光谱分辨率与光栅的线对数成正比，所以在拍 摄短波长光谱区时，较之已有技术的1000g/mm透射光栅，可获得更大的线色散和更 高的光谱分辨率。为与轮胎镜的反射镜6的大收集立体角相匹配，光栅外形尺寸应大 于象面的尺寸(本发明实施例中大于3×5mm)为佳，光栅尽量靠近轮胎镜以在象面上 获得较高的光谱分辨和较好的线色散。置光栅7的调整架10有三个方向的平动、两 个方向的转动共计五个自由度的调节方向的五维空间调整架。

本发明的接收器件8是软X光胶片或干板、或是远紫外(XUV)光电二极管或电子 倍增器、或是软X光CCD相机、或是微通道板(MCP)或是软X光条纹相机。

本发明的导轨4是固定于加强筋3上的悬挂式结构，如图1所示。光阑14是矩 形光阑。

本发明的优点为：

1．本发明各机械构件和光学元件均采用全固定连接和定位。悬挂式导轨4使导 轨与光谱仪外套筒5不接触，较之已有技术中导轨直接放置在外套筒的内壁上，本发 明悬挂式结构不但方便了光谱仪的调节，还可保证在工作过程中，已调节完毕的各光 学元件不会因导轨在外套筒内壁的滑动而改变原有位置。光谱仪调节完成后，再将外 套筒固定在头部衔接法兰上。上述全固定连接和悬挂式导轨结构等特点，不但能方便 光谱仪的调节，提高工作效率，而且能增加光谱仪摄谱性能的稳定性，减小测量数据 的误差。

2．本发明采用轮胎镜作前置集光/成象系统的反射镜6，较之已有技术中针孔透 射光栅结构，本发明光谱仪的收集立体角提高了四个量级，因而大大提高了光谱仪的 收集效率。轮胎镜与矩形光阑13相配合，可实现对软X射线源的点对点无象散成象， 提高摄谱数据的准确性。轮胎镜的使用也较充分地利用了光栅的面积大这一优点。实 施证明，即使对于20mJ的低能量飞秒激光脉冲的单枪打靶，本发明也能摄得到谱线。 同样条件下，已有技术的1000g/mm针孔透射光栅光谱仪没有测到结果。可见，本发 明尤其适合于参与超短飞秒强激光脉冲产生的等离子体的测量。

3．本发明采用5000g/mm的无支撑大面积透射光栅作色散元件，较之已有技术 1000g/mm针孔透射光栅谱仪，在拍摄短波长光谱区时，可获得更大的线色散和更高 的光谱分辨率。理论和实验都证明，该谱仪的光谱分辨率可达0.05nm。

4．轮胎镜和大面积透射光栅的综合使用，使得本发明光谱仪有平的成象面，这 尤其有利于与分辨率较高的电子型探测器件，如软X射线CCD相机或软X射线条纹 相机相耦合。

5．本发明光谱仪能够采用减薄型背向照明软X光CCD相机作为接收器件8，它 有性能稳定，使用方便，响应灵敏度高等优点，最大可探测波长可以延伸到50nm， 为使用带来了极大的灵活性，避免了已有技术中使用软X光胶片的显影、定影等烦 琐步骤，以及由显影、定影的不同时间造成的测量数据误差，还可进行软X射线源 发射特性的绝对标定。

附图说明

图1．本发明光谱仪机械构件的立体分解示意图。

图2．本发明光谱仪机械构件的俯视分解示意图。

图3．本发明光谱仪光学元件的光路示意图。

图4．实施例中采用KODARK T-PAN干板作接收器件8，拍摄到的铝平面靶作 为软X射线源11在0.6～15nm内的发射光谱。

图5．实施例中采用减薄型背向照明软X光CCD相机作为本发明的接收器件8， 拍摄到的铝平面靶作为软X射线源11在0.6～12nm内的发射光谱。

实施例

如图3所示，软X射线源11由激光束G辐照固体平面铝靶面获得。软X射线 束S经反射镜6反射成象，并经光栅7衍射后，衍射光谱由接收器件8接收。图3 中接收器件8采用的是软X光CCD相机，由微型计算机作为显示器件12进行数据 处理。

本实施例采用的轮胎镜作为反射镜6，在子午面和弧矢面内的宽度分别为55mm 和30mm，曲率半径分别为5565mm和24.43mm。子午面和弧矢面分别对软X射线 源11成象，选择轮胎镜对X射线的掠入射角为86.2°以使子午面和弧矢面成象重合。 在轮胎镜近软X射线源11一端垂直于光轴加一个3×5mm的矩形光阑13以挡掉轮 胎镜像点尾部的杂光，改善像质，并挡掉未经轮胎镜反射成象的杂散光，因此收集立 体角为7.45×10-5球面度。该值是同样布局下的已有技术针孔透射光栅(直径50μm)收 集立体角的104倍。由于光谱仪的收集效率与收集立体角成正比，可见与已有技术针 孔透射光栅光谱仪相比，本发明极大地提高了收集效率。

本实施例中轮胎镜反射面镀金，金对波长为1.456nm的X射线的折射率为 0.99759，对应的全反射角为86.0214°，因此该谱仪的截止波长为1.4nm。测量中x光 对轮胎镜表面的入射角往往大于该值，所以保证了波长大于1.4nm的x光都可被全反 射而成象。但在测量中发现，更短波长谱线(0.5nm)在经轮胎镜有衰减地反射后，仍 可被观测到，这从另一个侧面表明了本发明光谱仪的高效率。

本实施例中采用5000g/mm的无支撑大面积透射光栅作色散元件光栅7。光栅7 外形尺寸为4×10.1mm，光栅7尽量靠近轮胎镜以在象面上获得较大的线色散和光谱 分辨率。光栅7置在软X光CCD相机敏感面前250mm处。接收面上线色散为 0.8nm/mm；光栅被X光照亮的面积为3×5mm。因此轮胎镜的使用也较充分地利用 了光栅7的接收面积大的一优点。本实施例中，头部1的中心轴线O1O1与外套筒5 的中心轴线O2O2之间的夹角∠α≌10°。

当采用柯达KODARK T-PAN干板作接收器件8时，在能量20mJ的掺钕钇铝石 榴石(Nd:YAG)激光器的二倍频激光束G(波长0.532μm，脉宽6ns)辐照下铝平面靶， 光谱仪拍摄到的铝平面靶面的软X射线源11在0.6～15nm内的光谱发射如图4所示。 图中显示光谱有很好的对称性和很高的信噪比。仔细分析数据发现本发明光谱仪的光 谱分辨率达到0.05nm。

当采用减薄型背向照明软X光CCD相机作接收元件8，探测软X光发射的时间 积分行为，由于该CCD相机性能稳定，使用方便，响应灵敏度高，可为使用带来极 大的灵活性。该CCD相机是1024×1024二维接收器件，每个象素大小为20×20μm， 使用中光谱的零级总是调节到2×2cm的CCD相机敏感面的中央部位以得到左右对 称的光谱记录，因此最大可探测波长约为10nm。进而将敏感面沿色散方向平移，最 大可探测波长可以延伸到50nm。软X光CCD相机获得的数据由作为显示器件12的 微型计算机进行处理并得出结果。在能量25mJ的超强超短掺钛蓝宝石激光束G(波 长0.785μm，脉宽45fs)辐照的铝靶面下，光谱仪拍摄到的铝靶面在0.6～12nm内的光 谱发射如图5所示。数据分析证明，软X光CCD相机较之已有技术使用软X射线干 板有更高的灵敏度，能记录到更多的光谱线；同时也发现本发明光谱仪的光谱分辨率 ≤0.05nm。从而证明了本发明能够使用软X射线CCD相机作为接收器件8，使光谱 仪的分辨率和工作效率大有提高。