專利名稱：激光等離子體參數(shù)的測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光等離子體參數(shù)的測量裝置及其測量方法，主要適用于激光等離子體輻射輸運特性參數(shù)的測量。
輻射溫度是激光等離子體的重要參數(shù)，由輻射溫度可推知X射線源中輻射加熱的時間特性、X射線轉(zhuǎn)換效率、X射線源腔壁的再發(fā)射系數(shù)和反射率等重要信息，以致了解X射線源的輻射輸運的細致過程。
X射線源的輻射溫度的測量主要有兩種方法激波法和光譜法。光譜法是通過測量X射線源腔壁再發(fā)射光譜的時間和強度特性，并由測得的光譜分布反推得到X射線源腔壁的真實發(fā)射光譜分布，進而用斯特藩-玻耳茲曼定律獲得輻射溫度；由于光譜法相對于激波法有高得多的時間分辨率(特別是采用軟X射線透射光柵作為色散元件時)，這對于研究X射線驅(qū)動脈沖的時間形狀十分重要，并且還可以提供X射線驅(qū)動脈沖的光譜信息。
近年來美國勞倫斯·里弗摩爾國家實驗室在諾瓦(Nova)激光裝置上進行的輻射溫度的光譜法測量是以丹特(Dante)譜儀完成的(參看已有技術(shù)[1]R.L.Kauffman，L.J.Suter，C.B.Darrow et al，Phys.Rev.Lett.，1994，732320-2324，以及L.J.Suter，R.L.Kauffman，C.B.Darrow et al.，Phys.Plasmas，1995，402057--2062)。該譜儀選用不同材料及厚度的K-或L-邊濾光片來分光，并由光陰極發(fā)射型X射線二極管記錄時間分辨光譜。將獲得的發(fā)射光譜反推、還原得到腔靶壁的真實發(fā)射光譜，最后由斯特藩-玻耳茲曼定律得到X射線源靶壁的輻射溫度。盡管丹特(Dante)譜儀及其光譜回推技術(shù)已較成熟地用于輻射溫度的測量，但其最主要的缺點是每個能道濾片仍有很寬的X射線響應(yīng)范圍，不能有效地分光測量結(jié)果和精度差。
在德國馬克斯韋-普朗克量子電子所和日本大阪大學(xué)激光工程所的聯(lián)合輻射加熱實驗中(參看已有技術(shù)[2]K.Eidmann，I.B.Foldes et al.，Phys.Rev.A52 1995，6703-6716，以及H.Nishirmura，Y.Kato，H.Takabe et al.，Phys Rev.A44，1991，8328-8333)，對球形腔靶X射線源的輻射溫度測量是以1000g/mm針孔透射光柵光譜儀結(jié)合柯達(Kodak)101-01或101-07軟X光膠片、采用與上述相似的光譜還原步驟完成的。從測量裝置上講，該已有技術(shù)(2)的缺點是第一，用作色散元件為1000g/mm針孔透射光柵結(jié)構(gòu)，它的柵線密度較低，致使光譜儀的光譜分辨較低(通常為0.2-0.4nm)；第二，用作成象元件的光柵針孔的尺度較小、光譜儀的收集效率和衍射效率較低，使接收面上的X光強度也較低，所以往往需要很多發(fā)次的打靶激發(fā)X射線源，以在接收面上積累足夠的X光能量；第三，軟X光膠片的顯影、定影的時間差異會造成測量數(shù)據(jù)誤差。從測量方法上講，該已有技術(shù)所采用的光譜還原法過于簡單，沒有考慮軟X射線發(fā)射譜的部分相干的特性；而且，光譜還原過程中所使用的光柵一級衍射效率是在電鏡檢查光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)后、采用理論公式擬合給出的，并不是在相似測量條件下經(jīng)實際標定得出的結(jié)果。所以衍射效率的理論數(shù)據(jù)與真實情況有較大的差距，對光譜還原的精度和最終得到的輻射溫度的精度有較大的影響。
為提高光譜還原法的準確性，應(yīng)當事先對上述已有技術(shù)中的透射光柵和探測元件的單色響應(yīng)靈敏度進行實際標定。目前，軟X射線色散元件和探測元件的光譜響應(yīng)靈敏度標定工作大都是在以同步輻射裝置上的X光作為泵浦光源、加上分光元件(如多膜層反射鏡等)構(gòu)成同步輻射X光單色儀上進行的(參見已有技術(shù)[4].楊家敏，易榮清，馬洪良等，光學(xué)學(xué)報，1996，161631--1635)。同步輻射X光單色儀由于受到同步輻射裝置的體積龐大和昂貴的運行費用所限，該單色儀僅適用于有同步輻射裝置的少數(shù)國家的個別經(jīng)費充足的實驗室，而不能廣泛應(yīng)用。
為直接利用單色儀提供的單色光以完成X光衍射元件和探測元件的絕對標定，單色儀必須能夠?qū)崟r地完成對自身性能的標定工作，即是對輸出單色光的波長和強度的標定。單色光的標定器件可選用X光波段(XUV)膠片或干板、軟X光CCD相機，以及XUV二極管等。國內(nèi)外對XUV膠片響應(yīng)特性及絕對標定已作了大量工作(參見已有技術(shù)[5].Henke BL et al.，J.Opt.Soc.Am.，1984，B1818--827)，它的優(yōu)點是有很好的空間分辨率和較寬的動態(tài)范圍，缺點是在光敏面混合物中C、N、O元素的K吸收邊處光譜靈敏度曲線有較大的躍變，這對于獲得準確的測量數(shù)據(jù)尤為不利。軟X光CCD相機的使用方便、動態(tài)范圍大、對XUV光子能量變化靈敏度平緩等優(yōu)點彌補了XUV膠片的不足，但在將其用作單色光特性標定器件之前，它必須在其他軟X射線單色儀(如同步輻射X光單色儀)上，參照其他經(jīng)絕對標定的探測元件，(包括柯達(Kodak)101軟X光膠片，和硅光電二極管等)，完成其自身的光譜響應(yīng)靈敏度曲線的標定(參見已有技術(shù)[6].Schriever G，Lebert R，Naweed A et al.，Rev.SciInstrum.，1997，683301--3306)。所以測量元件的“自標定”很重要，對測量結(jié)果的精度起決定因素。
本發(fā)明的目的是提供一臺結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小的適用于激光等離子體參數(shù)測量的測量裝置，以克服已有技術(shù)的測量裝置的分辨率低、收集效率及衍射效率較低等不足，增大測量裝置對激光等離子體軟X射線源的收集效率和光譜分辨率，提高裝置的衍射成象效率，實現(xiàn)對X光點源成無象散的點象，提高測量數(shù)據(jù)的準確性；并能對色散元件和探測元件進行測試標定，和提供一種合理使用本發(fā)明的測量裝置的測量方法，以提高上述已有技術(shù)中光譜還原的準確性。
本發(fā)明測量裝置的結(jié)構(gòu)含有由外殼7的頭部23與置有軟X射線源5的真空靶室4的窗口密封連接構(gòu)成的真空密封室8，在真空密封室8內(nèi)置有懸掛式導(dǎo)軌6，在懸掛式導(dǎo)軌6上置有調(diào)整架9、10、11。調(diào)整架11上帶有自動同步控制裝置12。
在真空密封室8內(nèi)，沿著由真空靶室4內(nèi)軟X射線源5發(fā)射的軟X射線束S前進的方向上，依次置有矩形光闌22，置于調(diào)整架9上有輪胎反射鏡20，置于調(diào)整架10上有光柵19，置于調(diào)整架11上有探測元件17，探測元件17之前有單色掃描狹縫18，單色掃描狹縫18與探測元件17同置于帶自動同步控制裝置12的調(diào)整架11上。在軟X射線源5與作為軟X射線源5的泵浦源的激光器1之間，沿激光束G的前進方向上，依次置有會聚透鏡2和分束鏡3。
上面所說的探測元件17的輸出端與信號放大器16相聯(lián)，信號放大器16的輸出聯(lián)到存儲示波器15上。存儲示波器15分別與接收分束鏡3反射激光束f起動的外觸發(fā)器21和數(shù)據(jù)存儲器14相聯(lián)，數(shù)據(jù)存儲器14與位移傳感器13相聯(lián)，位移傳感器13與調(diào)整架11的自動同步控制裝置12相聯(lián)。
本發(fā)明裝置采用輪胎反射鏡20即輪胎形的反射鏡，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并將其成象到探測元件17上；并與矩形光闌22配合，實現(xiàn)對軟X射線源5的無象散成象，提高攝譜數(shù)據(jù)的信噪比和準確性。本發(fā)明適合的輪胎反射鏡20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。置輪胎反射鏡20的調(diào)整架9是五維調(diào)整架，有三個方向的平動、兩個方向的轉(zhuǎn)動共計五個自由度的調(diào)節(jié)方向。
本發(fā)明裝置中作分光元件的光柵19采用無支撐大面積透射光柵，光柵的線對數(shù)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(shù)成正比，所以在拍攝短波長光譜區(qū)時，較之1000g/mm透射光柵，則5000g/mm透射光柵可獲得更大的線色散和更高的光譜分辨率，從而可提供單色性更高的軟X射線。為與輪胎反射鏡20的大收集立體角相匹配，光柵外形尺寸應(yīng)大于3×5mm為佳，光柵盡量靠近輪胎反射鏡20以在象面上獲得較大的線色散和光譜分辨。置光柵19的調(diào)整架10有三個方向的平動、兩個方向的轉(zhuǎn)動共計五個自由度的調(diào)節(jié)方向。
探測元件17是“自標定”的。置單色掃描狹縫18和探測元件17的調(diào)整架11使單色掃描狹縫18和探測元件17有三維平動調(diào)節(jié)方向，特別是可完成沿軟X射線衍射譜的色散方向的單色光掃描；同時調(diào)整架5還可以在單色掃描狹縫18保持不動的同時，使探測元件17還具有一個方向的轉(zhuǎn)動自由度(轉(zhuǎn)軸平行于單色掃描狹縫18)，該功能使探測元件17敏感面可正對或斜對入射X射線束S，從而實現(xiàn)探測元件17的“自標定”。詳細描述探測元件17“自標定”的過程如下改變探測元件17敏感面對入射X射線束S的視角，根據(jù)X射線束S正入射和斜入射兩種情況下，分別完成探測元件17對X射線束S的響應(yīng)電流隨X射線波長的變化曲線，比較兩種情況下探測元件17的不同響應(yīng)電流，即可得到探測元件自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)和單色響應(yīng)靈敏度，進而獲得由位移傳感器13記錄下的、單色掃描狹縫18在不同位置處截取出的單色衍射光譜的波長和絕對強度，即獲得了該掃描單色儀譜平面上衍射X射線束S的完整信息。調(diào)整架11上平動/轉(zhuǎn)動調(diào)整都是通過自動同步控制裝置12以電動自動調(diào)節(jié)方式完成的，以實現(xiàn)在工作條件下單色掃描狹縫18對光譜的連續(xù)掃描，提高了工作效率和測量結(jié)果的穩(wěn)定性。
當探測元件17的單色X光響應(yīng)靈敏度特性的標定完成后，本發(fā)明裝置即可作為獨立的激光等離子體軟X射線掃描單色儀進行診斷，參與激光等離子體X射線源的參數(shù)測量工作，尤其適用于其他軟X射線色散元件(比如光柵)和探測元件(比如軟X射線CCD相機)的光譜響應(yīng)靈敏度標定工作。
由于單色掃描狹縫18和探測元件17的掃描需要較長的時間，在上述探測元件17和其他軟X射線色散元件、探測元件的單色響應(yīng)靈敏度的標定中，采用磁帶靶作軟X射線源5的靶材，在激光脈沖光束G打靶的同時實現(xiàn)磁帶的轉(zhuǎn)動，為每一次的激光脈沖提供新的表面，以保證在整個運行中打靶條件的一致性，即保證X射線束S的一致性。該磁帶靶的有效使用時間為10小時，完全保證標定工作的順利進行。
以下結(jié)合圖1對本發(fā)明的掃描單色儀的工作步驟進行說明。激光器1輸出的激光脈沖光束G經(jīng)聚焦透鏡2再經(jīng)分束鏡3后，透射光束t會聚到固體平面靶上形成軟X射線源5并發(fā)出軟X射線束S。該軟X射線束S經(jīng)由矩形光闌22和輪胎反射鏡20的收集成象，以及光柵19的衍射分光后，衍射光譜落在單色掃描狹縫18上。單色掃描狹縫18由調(diào)整架11帶動，沿光譜色散方向平動掃譜并截取一部分軟X射線單色光束，作為本發(fā)明裝置的輸出單色光。單色掃描狹縫18寬度與光柵19衍射的軟X射線光譜的光譜分辨率相匹配。該單色光的波長和絕對強度由探測元件17探測，所探測到的電流響應(yīng)信號由信號放大器16放大并轉(zhuǎn)化為電壓信號后，由存儲示波器15采集。為提高存儲示波器15對電壓輸出信號的掃描精度及工作同步，經(jīng)分束鏡3的反射光束f會聚到外觸發(fā)器21產(chǎn)生外觸發(fā)信號，輸入存儲示波器15并經(jīng)存儲示波器15的上升前沿觸發(fā)探測元件17對響應(yīng)信號的采集。該外觸發(fā)器21可保證激光器1沒有激光脈沖光束G輸出時(即沒有X射線束S產(chǎn)生并進入掃描單色儀時)，存儲示波器15不進行數(shù)據(jù)采集，從而有效地避免了干擾信號。掃譜的位置由位移傳感器13顯示輸出，并且與存儲示波器15采集的響應(yīng)信號一起輸入與存儲示波器15相聯(lián)的數(shù)據(jù)存儲器14進行數(shù)據(jù)的分析處理和顯示輸出，本發(fā)明采用微型計算機作為數(shù)據(jù)存儲器14。根據(jù)光柵19的線色散和位移傳感器13記錄到的掃譜位置信號，可獲得探測元件17對軟X射線的響應(yīng)電流隨軟X射線波長的變化曲線。
上述外觸發(fā)器21是對激光束G響應(yīng)靈敏的光電接收元件，如光電二極管，或光電倍增管，或雪崩二極管，或光電池等。
所說的位移傳感器13由發(fā)光二極管構(gòu)成，或者是電容式位移傳感器，或者是光電計數(shù)器等。
上述探測元件17是接收軟X射線束S的可“自標定”的X射線波段(XUV)二極管(AXUV-100，AXUV-20等)，或光陰極光電二極管，或光譜敏感區(qū)在X射線波段內(nèi)的光電倍增管。
透射光柵的X光成象性質(zhì)和像面上的X光強度分布的解析表達式是理論分析透射光柵光譜儀的效率和接收靈敏度的基礎(chǔ)，也是完成光譜儀衍射效率的絕對標定和透射光柵光譜回推技術(shù)的基礎(chǔ)；它不僅可應(yīng)用于對于激光等離子體X光源的亮度的測量，而且對透射光柵標定、用透射光柵求解X光源的真實發(fā)射譜，乃至于測量X射線源輻射溫度都有重要的意義。
實驗結(jié)果表明，對于激光等離子體輻射的產(chǎn)生的相干度較差的X光，光柵像面上的光強分布都可表示為光柵衍射分布函數(shù)T(y)(由光柵特性因子及攝譜裝置的結(jié)構(gòu)決定)和光源經(jīng)成象系統(tǒng)在接收面上所成幾何像Iobj(ξ，η)(即源加寬)的卷積。
考慮透射光柵對輻射亮度譜密度為b(λ)(單位W/cm2sr nm)的連續(xù)光譜擴展軟X射線源5的衍射成象。合理地取該軟X射線源5完全非相干的。取激光等離子體軟X射線源5在源面(ξ，η)上的光強分布為Iobj(ξ，η)，取軟X射線源5為朗伯(Lambert)輻射體，像面(x，y)上的衍射光強分布表達式寫為(假設(shè)y軸為光譜色散方向)I(x，y)＝ΔΩIg(x，y)*T(y) (1)式中
為本發(fā)明裝置對軟X射線源5的收集立體角，C和D分別為軟X射線束S照亮的光柵面的長度和寬度，r為軟X射線源5到輪胎反射鏡20的距離。Ig(x,y)=Iobj(-xM,-yM)]]>為不計光柵衍射時，物平面上軟X射線源5的光強分布Iobj(ξ，η)通過放大倍率為M的輪胎反射鏡20成象得到的理想幾何像的光強分布，M為輪胎反射鏡20的放大倍率。T(y)定義為透射光柵19的衍射因子，即不計軟X射線源5的源加寬時，光譜衍射級次的理想形狀，其具體表達式為T(y)=δ(y)∫0∞t0(λ)Q(λ)b(λ)dλ+Σmβ∞tm(y/mβ)mβQ(y/mβ)b(y/mβ)---(2)]]>式(2)中右邊第一項為零級對衍射光譜的貢獻，第二項為高級譜及其疊級的貢獻；δ為狄拉克δ-函數(shù)；λ為入射軟X射線單色光的波長；Q(λ)為探測元件17的單色衍射效率；β為一級衍射光譜的線色散；tm(λ)(m＝0，±1，±2…)為光柵各衍射級次的單色效率，其理論公式為
上式中
為入射軟X射線的波數(shù)，并假設(shè)透射光柵的柵線截面為矩形，厚度為B，寬度為(d-a)，光柵柵線間距為d；推導(dǎo)式(3)時考慮了光柵柵線(材料為金時)的復(fù)折射率
＝(1-δ)+iκ對X射線的衰減和相移。
將式(2)右邊第一項帶入式(1)，可得零級處的光強I0(x,y)=ΔΩIg(x,y)∫0∞t0(λ)Q(λ)b(λ)dλ---(4)]]>將式(2)右邊第二項帶入式(1)，一級和高級譜的疊級效應(yīng)I(x,y)=ΔΩIg(x,y)*Σm=1∞∫0∞tm(y/mβ)mβQ(y/mβ)b(y/mβ)dλ----(5)]]>由式(3)可以看出，所有光譜線都對接收光譜的零級有貢獻，零級的形狀就是源加寬Ig(x，y)的形狀；其次，式(4)中，求和號反映了高級譜疊級對接收光譜的影響，卷積運算表明源加寬使每一條譜線變寬，也降低了光譜的分辨率。解譜的目的就是從攝譜裝置攝得的衍射光譜分布I(x，y)出發(fā)，在足夠精確的光柵19及探測元件17的光譜響應(yīng)靈敏度測試數(shù)據(jù)tm(λ)和Q(λ)基礎(chǔ)上，求得軟X射線發(fā)射場的輻射亮度譜密度b(λ)。從上面的分析及式(4)、(5)可以看出，解譜過程可分為兩步進行。首先，由所攝得的衍射光譜分布I(x，y)出發(fā)，求得源加寬Ig(x，y)；然后，從記錄光譜中去卷積消除源加寬Ig(x，y)的影響，得到T(y)；再次，由光柵19和探測元件17的光譜響應(yīng)特性，去疊級求得真實譜b(λ)。本發(fā)明光譜還原法的流程圖如圖2所示。
本發(fā)明的光譜還原法的具體步驟是第一步，由上述的激光等離子體的測量裝置直接拍攝并采用高斯函數(shù)擬合的方法獲取光譜I(x，y)的零級譜曲線。由記錄光譜I(x，y)的零級曲線中直接得出源加寬Ig(x，y)，其表達式為Ig(x,y)=Iobj(-xM,-yM)----(6)]]>上式中Ig(x，y)為軟X射線源5通過輪胎反射鏡20所形成理想幾何像的光強分布，即源加寬；(x，y)為像面的坐標；Iobj(ξ，η)為軟X射線源5面上的光強分布；M為輪胎反射鏡20的放大倍率。
解譜的第二步是求出透射光柵19的衍射因子T(y)。由式(4)給出Ig(x，y)出發(fā)，在式(5)中進行反卷積計算得到透射光柵19的衍射因子T(y)，若定義反卷積計算的數(shù)學(xué)符號為CONV-1，則上述步驟為T(y)=1ΔΩCONV-1[I(x,y),Ig(x,y)]----(7)]]>在式(2)中略去零級的貢獻，并通過色散關(guān)系y＝βλ將T(y)變?yōu)殡S波長變化的衍射因子T(λ)，寫為T(λ)=Σm=1∞tm(λ/m)mβQ(λ/m)b(λ/m)----(8)]]>解譜的第三步相當于在T(λ)中除去高級譜。采用分區(qū)間疊代消元的方法，在上述曲線T(λ)中找出攝得的最短譜線λ0，則[λ0，2λ0]中的光譜僅含一級譜，b(λ)=βT(λ)t1(λ)Q(λ)----(9)]]>再在[2λ0，4λ0]中扣除[λ0，2λ0]譜線的二級譜，b(λ)=βT(λ)-t2(λ/2)Q(λ/2)b(λ/2)/βt1(λ)Q(λ)----(10)]]>如此又對[4λ0，8λ0]等進行同樣疊代操作，進而求得整個光譜內(nèi)的輻射亮度譜密度b(λ)即獲得激光等離子體的參數(shù)。
通過上述步驟解得b(λ)，由b(λ)的峰值波長λmax及維恩位移定理Tplasma=Bλmax----(11)]]>求得等離子體的輻射溫度Tplasma；或者由下式計算激光等離子體輻射場的輻射本領(lǐng)，R=πΔΩ∫0∞b(λ)dλ----(12)]]>進而由斯特藩-玻耳茲曼定律R＝σT4plasma(13)(式中斯特藩-玻耳茲曼常數(shù)σ＝1.028×108mW/cm2eV4)，進而算得等離子體的輻射溫度Tplasma。
本發(fā)明的優(yōu)點為1.本發(fā)明裝置采用小型化重復(fù)頻率的激光器1作為等離子體軟X射線源5的泵浦源，發(fā)射激光束G激發(fā)軟X射線源5發(fā)射軟X射線束S。因而實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)節(jié)靈活、費用低廉等優(yōu)點。較之結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運行費用昂貴的同步輻射X光單色儀有較大的優(yōu)越性。因此，本發(fā)明使用面廣，有優(yōu)越的易操作性和實用性。
2.本發(fā)明光譜還原方法利用部分相干光衍射理論對透射光柵的成象性質(zhì)給出了完整、自洽的光譜還原的方法和步驟，類似的工作在國內(nèi)外還未見報道。提出了實際測量確定源加寬和確定的反卷積的方法，提出了分區(qū)間疊代消元的方法，從攝得的最短譜線開始逐級遞推，疊代扣除高級譜的疊級效應(yīng)。該方法已開發(fā)為界面友好、功能齊全的程序包，可直接從測量結(jié)果回推至X射線源腔靶X射線發(fā)射的譜分布和輻射溫度，具有調(diào)試簡便、獲得結(jié)果迅速等優(yōu)點。
3.本發(fā)明裝置在探測元件17的“自標定”過程中，置單色掃描狹縫18和探測元件17的調(diào)整架11裝有自動同步控制裝置12，實現(xiàn)調(diào)整架11平動/轉(zhuǎn)動的自動調(diào)節(jié)，便于單色掃描狹縫18和探測元件17完成對軟X射線衍射譜的單色光掃瞄。探測元件17還具有一個方向的轉(zhuǎn)動自由度，可在保持單色掃描狹縫18不動的情況下任意改變其敏感面對軟X射線束S的視角，以實現(xiàn)探測元件17的“自標定”。調(diào)整架11的自動調(diào)節(jié)特性可實現(xiàn)在工作條件下單色掃描狹縫18的連續(xù)掃描，提高了工作效率和測量結(jié)果的穩(wěn)定性和及其所處工作條件的一致性。
4.置于會聚透鏡11與軟X射線源5之間有分束鏡3，將反射激光束t射到外觸發(fā)器21上，外觸發(fā)器21同時使得存儲示波器15、探測元件17以及自動同步控制裝置12同時進入工作狀態(tài)，提高了測量精度和測量的可靠性。


圖1.本發(fā)明裝置的示意圖。
圖2.本發(fā)明測量方法的光譜的光譜還原法具體步驟的流程圖。
圖3.實施例中拍攝到的在作為激光器1的高功率神光裝置輻照下，金等離子體的X射線發(fā)射譜。圖中橫坐標為拍攝譜的空間坐標X，單位為像素數(shù)(一個像素等于20μm)，縱坐標為光譜強度I，單位為爾格(erg)圖4.實施例中對圖3所拍攝到的光譜采用光譜還原法，求解真實光譜和等離子體輻射溫度。圖4-1.用本發(fā)明的測量裝置直接拍攝并用高斯函數(shù)擬合方法所得到的光譜I(x，y)的零級譜。橫坐標為零級譜的空間坐標X，單位為像素數(shù)，縱坐標為光譜強度I，單位為爾格(erg)。圖4-2.在I(x，y)中按式(6)進行反卷積計算，除去源加寬的卷積效果，得到透射光柵的衍射因子T(λ)曲線。橫坐標為波長λ，單位為納米(nm)，縱坐標為光柵(19)的衍射因子T(λ)，單位為毫瓦/平方厘米·納米(mW/cm2nm)。圖4-3.采用分區(qū)間疊代消元法，在T(λ)中除去較長波長的高級譜，求得整個光譜內(nèi)的b(λ)曲線。橫坐標為波長λ，單位為納米(nm)，縱坐標為輻射亮度譜密度b(λ)的衍射因子T(λ)，單位為毫瓦/平方厘米·納米(mW/cm2nm)。
實施例本實施例的測量裝置如圖1所示。采用輪胎反射鏡20在子午面和弧矢面內(nèi)的寬度分別為55mm和30mm，曲率半徑分別為＝5565mm和24.43mm。子午面和弧矢面分別對軟X射線源5成象，選擇輪胎反射鏡20對X射線的掠入射角為86.2°以使子午面和弧矢面成象重合。在輪胎反射鏡20與軟X射線源5之間垂直于光軸加一個3×5mm的矩形光闌22以擋掉輪胎反射鏡20像點尾部的雜光，改善像質(zhì)，并擋掉未經(jīng)輪胎反射鏡20反射成象的雜散光，因此收集立體角為7.45×10-5球面度。該輪胎反射鏡20反射面鍍金，金對波長為1.456nm的X射線的折射率為0.998，對應(yīng)的全反射角為86.02°，因此本發(fā)明裝置的截止波長為1.4nm。實施例中采用的光柵19是5000g/mm的無支撐大面積透射光柵，該光柵外形尺寸為4×10.1mm，光柵盡量靠近輪胎反射鏡20以在象面上獲得較大的線色散和光譜分辨。實施例中光柵19在輪胎反射鏡20的像點前250mm處，成象面上線色散為0.8nm/mm。光柵19被X光照亮的面積為3×5mm。輪胎反射鏡20的使用也較充分地利用了光柵19的接收面積大這一優(yōu)點。
1.探測元件17的“自標定”本發(fā)明裝置如圖1所示。激光器1采用摻釹釔鋁石榴石(NdYAG)激光器，激光束G的波長為532nm，脈寬為6ns，脈沖能量100mJ。采用磁帶靶面作為軟X射線源5，在激光脈沖打靶的同時，實現(xiàn)磁帶靶面的轉(zhuǎn)動，為每一發(fā)次的激光脈沖提供新的表面，以保證在整個測量中打靶條件的一致性。由于采用小型臺式激光器(如NdYAG激光器等)輻照固體靶，實現(xiàn)了小型化重復(fù)頻率激光器作等離子體軟X射線源5的泵浦光源，本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)緊湊，費用低廉，總體尺寸占有不足0.3mm2的工作臺面。
探測元件17采用XUV二極管，可接收的X光衍射光譜覆蓋了1.2～30nm的光譜范圍。外觸發(fā)器21采用光電倍增管。位移傳感器13是由發(fā)光二極管構(gòu)成的。采用微型計算機作數(shù)據(jù)存儲器14。
測量過程中，軟X射線束S經(jīng)輪胎反射鏡20的反射和光柵19的衍射后，衍射光譜落在單色掃描狹縫18所在平面上。單色掃描狹縫18和探測元件17由調(diào)整架11帶動，沿光譜色散方向平動掃譜。探測元件17對單色掃描狹縫18截取的單色X光的電流響應(yīng)信號輸入信號放大器16，完成前置放大(I-V轉(zhuǎn)換，即電流-電壓轉(zhuǎn)換)和主放大(V-V放大，即電壓-電壓放大)后，電壓輸出信號進入存儲示波器15進行數(shù)據(jù)采集。為提高對電壓輸出信號的掃描精度，降低噪聲水平，存儲示波器15采用外觸發(fā)工作方式。分束鏡3提取一部分激光束G，即反射光束f射到外觸發(fā)器21上，并經(jīng)外觸發(fā)器21產(chǎn)生外觸發(fā)信號，輸入并由上升前沿觸發(fā)存儲示波器15對信號放大器16的電壓輸出信號的采集。該外觸發(fā)器21可保證激光器1沒有激光脈沖光束G輸出時(即沒有X射線束S產(chǎn)生并進入本發(fā)明裝置時)，存儲示波器15不進行數(shù)據(jù)采集，從而有效地避免了干擾信號。掃譜過程中，位移傳感器13實時記錄探測元件17的位置，并且與存儲示波器15采集的探測元件17的信號響應(yīng)數(shù)據(jù)一起輸入與存儲示波器15相聯(lián)的用作數(shù)據(jù)存儲顯示器14的微型計算機。作探測元件17的“自標定”時，改變探測元件17敏感面對入射X射線束的視角，取X射線束S正入射和斜入射(斜入射角為)兩種情況，探測元件17由調(diào)整架11的帶動下沿衍射光譜的色散方向進行掃譜，比較兩種情況下探測元件17的不同響應(yīng)電流，即可得到探測元件自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)和單色響應(yīng)靈敏度，進而獲得由位移傳感器13記錄下的、單色掃描狹縫18在不同位置處截取出的單色衍射光譜的波長和絕對強度，即獲得了本發(fā)明裝置譜平面上衍射X光的完整信息。
2.透射光柵光譜還原和等離子體輻射溫度的測量本實施例是在上述“神光”高功率激光裝置作為激光器1上完成的。激光波長為1.06μm，激光脈沖脈寬為(600--900)ps，能量為(500--700)J/束，測量中所用軟X射線源5為金靶。實際拍攝得到的光譜如圖3所示。
調(diào)用已存儲于數(shù)據(jù)存儲器14中由上述步驟已編制好的實現(xiàn)透射光柵光譜還原法的具體步驟的軟件包GRATING4如圖2所示的流程圖。當激光器1發(fā)射激光束G，經(jīng)會聚透鏡2和分束鏡3后，反射光束f射到外觸發(fā)器21上，觸發(fā)存儲示波器15、探測元件17等各元件開始工作。經(jīng)分束鏡3的透射光束t射到軟X射線源5的靶面上，有軟X射線束S進入真空密封室8中。輪胎反射鏡20、光柵19、單色掃描狹縫18至探測元件17。探測元件17采集的信號與位移傳感器13記錄的信號均輸進數(shù)據(jù)存儲器14中。數(shù)據(jù)存儲器14調(diào)用上述方法和步驟的軟件包，便可獲得腔靶X射線發(fā)射的輻射溫度。該軟件包運行于Windows 95下的Matlab環(huán)境中，界面友好、功能齊全，可直接從測量結(jié)果回推至腔靶X射線發(fā)射的譜分布和輻射溫度，調(diào)試簡便，計算迅速。
下面再結(jié)合流程圖(圖2)進行敘述本發(fā)明測量方法的具體步驟。依照圖2所示的光譜還原流程圖，解譜的第一步直接用測量裝置測得數(shù)據(jù)，進入數(shù)據(jù)存儲器14中用高斯函數(shù)擬合所得光譜I(x，y)(如圖3所示)的零級，得到源加寬Ig(x，y)的函數(shù)表達式。Ig(x，y)的半高全寬為23.78μm，如圖4-1所示。
解譜的第二步相當于在I(x，y)中除去源加寬的卷積效果。按上述公式(7)進行反卷積計算，計算得到透射光柵的衍射因子T(y)，并變?yōu)殡S波長變化的衍射因子T(λ)曲線，如圖4-2所示。
解譜的第三步相當于在T(λ)中除去較長波長的高級譜。采用分區(qū)間疊代消元的方法，在該曲線中找出攝得的最短譜線λ0，由上述公式(9)首先在僅含一級譜的[λ0，2λ0]區(qū)間內(nèi)獲得激光等離子體的輻射亮度譜密度b(λ)。再依照上述公式(10)，分別在[2λ0，4λ0]、[4λ0，8λ0]...等區(qū)間中扣除各區(qū)間外短波長光譜的二級譜、三級譜并求得該區(qū)間內(nèi)的b(λ)，進行這種疊代操作直至求得整個光譜內(nèi)的b(λ)曲線，結(jié)果如圖4-3所示。為保證反卷積的精度，適當?shù)貙?shù)據(jù)點進行了內(nèi)插。
通過上述步驟解得b(λ)，進而由維恩位移定理(上述公式(11))斯特藩-玻耳茲曼定律(上述公式(12)和(13))獲得等離子體的輻射溫度Tplasma＝400eV。
權(quán)利要求
1.一種激光等離子體參數(shù)的測量裝置，含有<1>.由外殼(7)的頭部(23)與置有軟X射線源(5)的真空靶室(4)的窗口密封連接構(gòu)成的真空密封室(8)，在真空密封室(8)內(nèi)置有懸掛式導(dǎo)軌(6)，在懸掛式導(dǎo)軌(6)上置有調(diào)整架(9)、(10)、(11)；<2>.在真空密封室(8)內(nèi)，沿著軟X射線源(5)發(fā)射的軟X射線束S前進的方向上，依次置有矩形光闌(22)、置于調(diào)整架(9)上的輪胎反射鏡(20)、置于調(diào)整架(10)上的光柵(19)、置于調(diào)整架(11)上的探測元件(17)；<3>.探測元件(17)的輸出聯(lián)有信號放大器(16)，信號放大器(16)的輸出經(jīng)過存儲示波器(15)與數(shù)據(jù)存儲器(14)相聯(lián)；其特征在于<4>.作為真空靶室(4)內(nèi)的軟X射線源(5)的泵浦源是激光器(1)；<5>.沿激光器(1)發(fā)射的激光束G前進的方向上，依次置有會聚透鏡(2)和分束鏡(3)；<6>.經(jīng)分束鏡(3)的透射光束t會聚到真空靶室(4)內(nèi)的軟X射線源(5)上、經(jīng)分束鏡(3)的反射光束f會聚到外觸發(fā)器(21)上；<7>.外觸發(fā)器(21)與存儲示波器(15)相聯(lián)，存儲示波器(15)分別與探測元件(17)相聯(lián)的信號放大器(16)和與位移傳感器(13)相聯(lián)的數(shù)據(jù)存儲器(14)相聯(lián)；<8>.調(diào)整架(11)帶有自動同步控制裝置(12)，自動同步控制裝置(12)與位移傳感器(13)相聯(lián)，置于調(diào)整架(11)上，探測元件(17)之前還有單色掃描狹縫(18)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的測量裝置的測量方法，是光譜還原法，其特征在于具體步驟是<1>.采用激光等離子體參數(shù)的測量裝置直接拍攝并采用高斯函數(shù)擬合的方法，獲取光譜I(x，y)的零級譜曲線，并得出源加寬Ig(x，y)的表達式；<2>.由上述第一步給出的表達式Ig(x，y)和曲線，采用反卷積的方法，求出透射光柵的衍射因子T(y)；并將衍射因子T(y)變?yōu)殡S波長變化的衍射因子T(λ)；<3>.采用分區(qū)間疊代消元法，求得等離子體的參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種測量裝置，其特征在于外觸發(fā)器(21)是對激光束G響應(yīng)靈敏的光電二極管，或者是光電倍增管，或者是雪崩二極管，或者是光電池。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的一種測量裝置，其特征在于位移傳感器(13)是由發(fā)光二極管構(gòu)成，或者是電容式位移傳感器，或者是光電計數(shù)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的一種測量裝置，其特征在于探測元件(17)是接收軟X射線束S的可自標定的X射線波段的二極管，或者是光陰極光電二極管，或者是光電倍增管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的一種測量裝置，其特征于在光柵(19)是無支撐大面積透射光柵，光柵的線對數(shù)范圍是1000～5000g/mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的一種測量方法，其特征在于源加寬Ig(x，y)的表達式為Ig(x,y)=Iobj(-xM,-yM)---(6)]]>上式中Ig(x，y)為軟X射線源(5)通過輪胎反射鏡(20)所形成理想幾何像的光強分布，(x，y)為像面的坐標；Iobj(ξ，η)為軟X射線源(5)面上的光強分布；M為輪胎反射鏡(20)的放大倍率。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的一種測量方法，其特征在于隨波長變化的衍射因子T(λ)的表達式為T(λ)=Σm=1∞tm(λ/m)mβQ(λ/m)b(λ/m)---(8)]]>上式中T(λ)為透射光柵(19)的衍射因子，即不計軟X射線源(5)的源加寬時，光譜衍射級次的理想形狀；λ為入射軟X射線單色光的波長；m(m＝0，±1，±2…)為光柵(19)的各級衍射光譜的級次；β為一級衍射光譜的線色散；b(λ)為軟X射線源(5)的輻射亮度譜密度；Q(λ)為探測元件(17)的單色衍射效率；tm(λ)為光柵(19)各衍射級次的單色效率。
全文摘要
一種激光等離子體參數(shù)的測量裝置及其測量方法。測量裝置中激光等離子體的軟X射線源的泵浦源是激光器,探測元件和單色掃描狹縫同時置放在帶有自動同步控制裝置的調(diào)整架上。激光器與軟X射線源之間的分束鏡將反射光束t射到外觸發(fā)器上,同時觸發(fā)存儲示波器、探測元件以及自動同步控制裝置同時進入工作狀態(tài)。測量方法是光譜還原法,解譜方法具體有三個步驟,在數(shù)據(jù)存儲器中有完整的程序包。具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、測量精度高。
文檔編號G01T1/00GK1260478SQ98122870
公開日2000年7月19日 申請日期1998年12月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月23日
發(fā)明者鄧建, 徐至展, 張正泉, 胡雪原, 鐘方川, 覃嶺 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所