一种小型能量连续可调无谐波软X射线无谐波光束线系统

摘要

本发明公开了一种小型能量连续可调无谐波软X射线无谐波光束线系统，包括：由一台准连续输出台面化激光器、一套激光光束扩束聚焦系统、一套真空靶室系统和一套电控调节转盘靶系统构成的准连续输出连续谱软X射线光源；由一个前置狭缝、一块水平聚焦软X射线反射镜、一块垂直聚焦软X射线反射镜、一块软X射线平面反射镜、四块不同线密度的软X射线反射式单级衍射光栅、一套电控调节系统、一套电控调节系统软件和一个后置狭缝构成的软X射线无谐波光栅单色仪。本发明占地面积小，建造、运行成本低；无高次谐波污染，输出光束光谱纯度高，无需配备谐波抑制技术设施。

说明书

技术领域

本发明属于软X射线光学领域，尤其涉及一种小型能量连续可调无谐波软X射线无谐波光束线系统。

背景技术

激光间接驱动惯性约束聚变(ICF)研究中，黑腔辐射的软X射线是驱动DT燃料靶丸内爆的直接能源。软X射线能谱和辐射温度时间演化过程是黑腔辐射源最重要的特征物理量，是了解激光腔靶耦合物理过程、激光器驱动能力，优化黑腔结构、尺寸设计的基本数据。在ICF实验前，必须对软X射线光学元件及探测器谱响应曲线进行绝对标定，例如衍射光栅、XRD、反射镜、多层膜、晶体、成像板、滤片、CCD等。这些光学元件和探测器的标定精度，将直接决定着ICF研究数据的置信水平和精密化程度。

软X射线单色化束线在激光等离子体软X射线光谱诊断工作中意义重大，是软X射线光学元件和探测器光谱响应灵敏度标定工作的重要仪器。它对宽谱软X射线源进行分光，并在束线出缝后输出单色光，应当具有使用灵活方便，单色光输出稳定等特点。现有技术中，软X射线光学元件和探测器光谱响应灵敏度标定工作主要是在以同步辐射为初始光源，使用反射式光栅作为分光元件的单色化束线上进行的。由于同步辐射装置庞大，运行费用昂贵，该种单色仪仅适用于有同步辐射装置的几个国家的个别实验室，不能广泛应用。同时由于同步辐射装置受机时的限制，每年只有固定的时间进行集中标定工作，对于在研的各种设备的实时调试十分不便；另外，软X射线单色化束线使用的均为普通反射式光栅，使得输出的单色光中不同程度的包含有高次谐波成分，使标定结果因谐波干扰而带来误差，最终降低ICF实验数据的置信水平。束线上一般采用谐波抑制镜、滤片组、气室等额外的装置来抑制高次谐波，然而这些额外的装置会加大束线整体的复杂性，同时也只能针对某些特定的波段进行参数设计，无法从根本上解决问题。

以激光器辐照固体靶作为软X射线源替代同步辐射光源，具有体积小、亮度高、脉冲短等特点，更适合在实验室内使用，目前已经应用到了软X射线光刻技术、医学成像以及材料探测等领域，成为了国内外研究的热点。由于激光固体靶光源的重复精度差，因此基于激光驱动固体靶产生的X射线源在重复性、亮度稳定性以及空间稳定性较差，远不能达到工业应用的需求。

所以，已有技术的单色化束线在光源结构、空间体积、谐波控制方面有较大的改进余地。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型能量连续可调无谐波软X射线无谐波光束线系统，旨在解决基于激光驱动固体靶产生的X射线源在重复性、亮度稳定性以及空间稳定性较差的问题。

本发明是这样实现的，一种小型能量连续可调无谐波软X射线无谐波光束线系统包括机械构件、光学组件和控制系统三大部分；

机械构件包括：靶竖直运动组件、靶旋转运动组件、靶架、四维调整组件、靶室、水平聚焦镜室、水平聚焦镜架、竖直聚焦镜室、竖直聚焦镜架、单色器室、单色器；

光学组件沿着光路依次为激光器，括束镜、聚焦镜、转盘靶、滤片、入缝、水平聚焦镜、竖直聚焦镜、平面镜、光栅、出缝；

控制系统包括转盘靶运动控制系统以及单色仪波长扫描控制系统；

束线的光源系统为激光转盘靶等离子体光源；激光器输出的光束G，在前进方向上，依次设置有括束镜、聚焦镜，激光经括束后聚焦在转盘靶上；转盘靶安装在靶室内；

靶旋转运动组件，其转轴方向是竖直方向，经靶架转换后转盘靶的转轴转变为水平方向；靶旋转运动组件固定在靶竖直运动组件上；靶架固定在四维调整组件，经过隔振后与靶室连接，通过调节四维调整组件，整体调节靶架的二维水平方向以及俯仰角度；通过控制靶旋转运动组件和靶竖直运动组件的组合运动，控制转盘靶做螺旋运动；

束线的分光系统包括入缝、水平聚焦镜、竖直聚焦镜、平面镜、光栅、出缝；

水平聚焦镜安装在水平聚焦镜架上，镜架是一个6维调整组件，固定在水平聚焦镜室内，能够调整水平聚焦镜的3维空间位置和3维旋转姿态；

竖直聚焦镜安装在竖直聚焦镜架上，镜架是一个6维调整组件，固定在竖直聚焦镜室内，能够调整竖直聚焦镜的3维空间位置和3维旋转姿态；

单色器的光学元件包括平面镜和四块光栅，光栅绕自身中轴线转动，平面镜绕平行于光栅转动轴线的另一轴线离轴转动。

进一步，所述的转盘靶，对于软质地的靶材，通过一个不锈钢底座进行转接到靶架上；对硬质地的靶材，直接加工为转盘靶安装与靶架上；转盘靶的平行度小于20μm，平整度小于10μm。

进一步，水平聚焦镜的作用是将入缝处的入射光在水平方向聚焦到出缝处；其成像过程满足聚焦方程和平面光栅刻线方向消离焦条件：

$\frac{1}{p_h}+\frac{1}{q_h}=\frac{2}{R_1{\mathrm{sin\theta }}_1}$

$\frac{1}{r_{1h}}+\frac{1}{r_{2h}}=0$

其中R₁为水平聚焦镜的曲率半径；p_h为入缝到水平聚焦镜的中心光程；q_h为水平聚焦镜的像距；r_1h表示水平聚焦镜对入缝的水平聚焦像到光栅的光程，即光栅的水平成像物距，r_2h表示光栅的水平成像像距。

进一步，竖直聚焦镜的作用是对入射光进行竖直方向聚焦，竖直方向也是该束线的色散方向，平面光栅对竖直聚焦镜的像再次成像于出射狭缝处；其成像过程满足聚焦方程、平面光栅色散方向消离焦条件和光栅方程：

$\frac{1}{p_v}+\frac{1}{q_v}=\frac{2}{R_2{\mathrm{sin\theta }}_2}$

$\frac{{\cos }^2\alpha }{r_{1v}}+\frac{{\cos }^2\beta }{r_{2v}}=0$

$sin\alpha -sin\beta =\frac{\lambda }{d_0}$

其中R₂为竖直聚焦镜的曲率半径；p_v为入缝到竖直聚焦镜的光程；q_v为球面镜2的像距；r_1v表示球面镜2对入射狭缝的竖直聚焦像到光栅的光程，即光栅的竖直成像物距，r_2v表示光栅的竖直成像像距，r_2v＝r_2h；α,β为光栅的入射角和衍射角；λ为入射光波长，d₀为光栅的周期。

进一步，光栅平移切换机构的作用是在不同的谱段间进行光栅切换，该机构最大可安装4块光栅在光栅调节座上，光栅调节座对每一块光栅都有独立的3维旋转和1维平移机构，通过真空外的伺服电机驱动丝杠推动真空内的一根直杆运动，丝杠与直杆采用柔性波纹管密封，直杆推动光栅调节座整体做平移运动。

进一步，平面镜旋转机构采取sin-bar的结构，它通过真空外的伺服电机驱动丝杠推动一根真空内的直杆运动，丝杠与直杆之间采用柔性波纹管密封，直杆与正弦杆之间通过滚珠进行点接触，使用弹簧消隙；直杆推动正弦杆绕其转轴旋转但平面镜安装的位置不在旋转轴上，其旋转半径为RM。

进一步，使用的激光等离子体光源为激光转盘靶光源，靶盘运动轨迹为阿基米德螺线。

进一步，靶材为铜、锡、铁。

进一步，使用的反射式光栅为量子点阵光栅、“之”字型光栅、谱学光子筛、修正棋盘格光栅、梯形基元光栅。

本发明的优点为：

1.本发明采用小型实验室规模重频的ns或fs激光器作为等离子体光源的泵浦源，具有条件灵活、结构紧凑、费用低廉等优点，相比体积庞大、运行费用昂贵的同步辐射装置有较大的优越性，具有优越的易操作和实用化的特点。

2.本发明采用激光转盘靶作为等离子体光源，输出光源稳定，满足标定实验的光源需求。

3.本发明使用量子点阵光栅、“之”字型光栅、谱学光子筛、修正棋盘格光栅、梯形基元光栅做为分光元件，能够有效抑制高级衍射，高次谐波抑制比好于1％。

附图说明

图1为本发明实施例提供的小型能量连续可调软X射线无谐波光束线总体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的小型能量连续可调软X射线无谐波光束线的光路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的转盘靶结构示意图；

图4为本发明实施例提供的打靶激光焦点在靶上的运动轨迹；

图5为本发明实施例提供的水平聚焦镜的聚焦示意图；

图6为本发明实施例提供的竖直聚焦镜的聚焦示意图；

图7为本发明实施例提供的单色器光路结构示意图；

图8为本发明实施例提供的单色器机械结构示意图；

图9为本发明实施例提供的束线分别使用谱学光子筛和普通反射式光栅作为分光元件输出单色光的纯度对比图；

图中：1、靶竖直运动组件；2、靶旋转运动组件；3、靶架；4、四维调整组件；5、靶室；6、水平聚焦镜室；7、水平聚焦镜架；8、竖直聚焦镜室；9、竖直聚焦镜架；10、单色器室；11、单色器；12、激光器；13、括束镜；14、聚焦镜；15、转盘靶；16、滤片；17、入缝；18、水平聚焦镜；19、竖直聚焦镜；20、平面镜；21、光栅；22、出缝；23、运动控制系统；24、单色仪波长扫描控制系统；1101、光栅旋转机构；1102、平面镜旋转机构；1103、光栅平移切换机构；1104、光栅调节座；1105、第一丝杠；1106、第一直杆；1107、第二丝杠；1108、第二直杆；1109、第一正弦杆；1110、滚珠；1111、弹簧；1112、第二正弦杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

请参阅图1-图9：

本发明是这样实现的，一种小型能量连续可调无谐波软X射线无谐波光束线系统包括机械构件、光学组件和控制系统三大部分，见图1、图2及图3。

机械构件包括：靶竖直运动组件1、靶旋转运动组件2、靶架3、四维调整组件4、靶室5、水平聚焦镜室6、水平聚焦镜架7、竖直聚焦镜室8、竖直聚焦镜架9、单色器室10、单色器11；

光学组件沿着光路依次为激光器12，括束镜13、聚焦镜14、转盘靶15、滤片16、入缝17、水平聚焦镜18、竖直聚焦镜19、平面镜20、光栅21、出缝22；

控制系统包括转盘靶运动控制系统23以及单色仪波长扫描控制系统24；

束线的光源系统为激光转盘靶等离子体光源，见图1和图3；激光器12输出的光束G，在前进方向上，依次设置有括束镜13、聚焦镜14，激光经括束后聚焦在转盘靶15上；转盘靶15安装在靶室5内；

如图3所示，靶旋转运动组件2，其转轴方向是竖直方向，经靶架3转换后转盘靶的转轴转变为水平方向；靶旋转运动组件2固定在靶竖直运动组件1上；靶架3固定在四维调整组件4，经过隔振后与靶室5连接，通过调节四维调整组件4，整体调节靶架3的二维水平方向以及俯仰角度；通过控制靶旋转运动组件2和靶竖直运动组件1的组合运动，控制转盘靶15做螺旋运动；

进一步，所述的转盘靶15，对于软质地的靶材，通过一个不锈钢底座进行转接到靶架3上；对硬质地的靶材，直接加工为转盘靶15安装与靶架上3；转盘靶15的平行度小于20μm，平整度小于10μm。

从激光器12输出的激光经括束镜13括束后，再由聚焦镜14聚焦到靶材上。通过调节聚焦镜14，使得激光峰值功率最大处始终处于靶面。当真空度足够高时，靶竖直运动组件1和靶旋转运动组件2开始工作，通过控制靶旋转运动组件2旋转速度以及靶竖直运动组件1竖直运动速度，激光打靶时在转盘靶15上形成均匀的焦斑，焦斑形成的轨迹为阿基米德螺旋线，充分的利用靶材。激光与转盘靶5相互作用产生的软X射线出射方向，与激光入射方向的夹角为21°，保证单位立体角内辐射的光子较多。辐射出的软X射线源经过滤片，滤除可见光以及散射激光，进入束线入缝17。

束线的分光系统包括入缝17、水平聚焦镜18、竖直聚焦镜19、平面镜20、光栅21、出缝22，见图1和图2；经入缝17进入的宽谱软X射线，首先进入水平聚焦镜室6，掠入射到水平聚焦镜18上，其光学面竖直放置，面型可以选择球面或柱面，通常光路方向的尺寸较大，以覆盖掠入射到镜面上拉长的光斑；

水平聚焦镜18安装在水平聚焦镜架上7，镜架是一个6维调整组件，固定在水平聚焦镜室6内，能够调整水平聚焦镜18的3维空间位置和3维旋转姿态，使其精确的放置在光路设计位置。

进一步，水平聚焦镜18的作用是将入缝处的入射光在水平方向聚焦到出缝处；其成像过程满足聚焦方程和平面光栅刻线方向消离焦条件：

$\frac{1}{p_h}+\frac{1}{q_h}=\frac{2}{R_1{\mathrm{sin\theta }}_1}$

$\frac{1}{r_{1h}}+\frac{1}{r_{2h}}=0$

其中R₁为水平聚焦镜18的曲率半径；p_h为入缝到水平聚焦镜18的中心光程；q_h为水平聚焦镜18的像距；r_1h表示水平聚焦镜18对入缝的水平聚焦像到光栅的光程，即光栅的水平成像物距，r_2h表示光栅的水平成像像距，见图5。

经水平聚焦镜18反射的宽谱软X射线在水平方向上偏转后，进入竖直聚焦镜室8，掠入射到竖直聚焦镜19上，其光学面向上放置，面型可以选择球面或柱面，同样的其光路方向的尺寸较大，以覆盖掠入射到镜面上拉长的光斑。

竖直聚焦镜19安装在竖直聚焦镜架上9，镜架是一个6维调整组件，固定在竖直聚焦镜室8内，能够调整竖直聚焦镜19的3维空间位置和3维旋转姿态，使其精确的放置在光路设计位置；

进一步，竖直聚焦镜19的作用是对入射光进行竖直方向聚焦，竖直方向也是该束线的色散方向，平面光栅21对竖直聚焦镜19的像再次成像于出射狭缝处；其成像过程满足聚焦方程、平面光栅色散方向消离焦条件和光栅方程：

$\frac{1}{p_v}+\frac{1}{q_v}=\frac{2}{R_2{\mathrm{sin\theta }}_2}$

$\frac{{\cos }^2\alpha }{r_{1v}}+\frac{{\cos }^2\beta }{r_{2v}}=0$

$sin\alpha -sin\beta =\frac{\lambda }{d_0}$

其中R₂为竖直聚焦镜19的曲率半径；p_v为入缝到竖直聚焦镜19的光程；q_v为球面镜2的像距；r_1v表示球面镜2对入射狭缝的竖直聚焦像到光栅的光程，即光栅的竖直成像物距，r_2v表示光栅的竖直成像像距，r_2v＝r_2h；α,β为光栅的入射角和衍射角；λ为入射光波长，d₀为光栅的周期，竖直聚焦镜19聚焦示意图见图6；

经竖直聚焦镜19反射的宽谱软X射线在竖直方向向上偏转后，进入单色器室10，经单色器11分光后，所需的特定波长的单色光经过出缝22选通输出。单色器11的光学元件包括平面镜20和四块光栅21，光栅绕自身中轴线转动，平面镜引用Riemer的运动学解析原理[F.RiemerandR.Torge,Nucl.Instrum.Methods208,313-314]，绕平行于光栅转动轴线的另一轴线离轴转动(见图7)，在波长扫描的时候，为了保证消离焦条件总能满足，必须使衍射角和入射角的余弦比值为一个常量，即图7中为了方便说明光栅和平面镜的相互关系，以光栅中心为坐标原点，以入射光方向为X轴方向建立坐标系，分别为光栅21的入射角和出射角以及平面镜20的掠入射角，XM,YM为平面镜旋转轴的坐标，RM为其旋转半径，XI为入射光轴和平面镜交点的横坐标，YH为出射光轴和入射光轴高差。平面镜20反射的光线在光栅表面的坐标为:

其中单色器11的参数YH可以根据实际光束宽度和机械结构选取。而参数XM,YM,RM通过选取三个不同的波长所对应的(i＝1,2,3)代入上式令W_G＝0求得。三个波长一般选取单块光栅覆盖的上限、下限和中值。相应的建立起来波长随光栅21入射角变化的函数关系式：sinα-sin(acos(c_ffcosα))＝λ/d，通过这一关系就可以确定每个波长对应的光栅21入射角及平面镜20的掠入射角。

单色器11的机械结构包括光栅旋转机构1101平面镜旋转机构1102，以及光栅平移切换机构1102，见图8。

进一步，光栅21平移切换机构的作用是在不同的谱段间进行光栅21切换，该机构最大可安装4块光栅21在光栅调节座1104，光栅调节座1104对每一块光栅都有独立的3维旋转和1维平移机构，确保光栅能够精确的放置在光栅转轴上。通过真空外的伺服电机驱动第一丝杠1105推动真空内的一根第一直杆1106运动，第一丝杠1105与第一直杆1106采用柔性波纹管密封，直杆推动光栅调节座1104整体做平移运动，从而实现光栅21切换的功能。

进一步，平面镜旋转机构1102采取sin-bar的结构，它通过真空外的伺服电机驱动第二丝杠1107推动一根真空内的第二直杆1108运动，第二丝杠1107与第二直杆1108之间采用柔性波纹管密封，第二直杆1108与第一正弦杆1109之间通过滚珠1110进行点接触，使用弹簧1111消隙；第二直杆1108推动第一正弦杆1109绕其转轴旋转但平面镜20安装的位置不在旋转轴上，其旋转半径为RM。光栅旋转机构1101与平面镜旋转机构1102驱动方式相同，只是与第二正弦杆1112同轴安装的光栅调节座随绕过光栅极点平行光栅刻线的轴整体转动。

在进行波长扫描时，只需要在电脑操作界面中输入所需的波长λ，单色仪波长扫描控制系统24就可以根据事先输入的单色器的结构和光栅参数，直接控制光栅平移切换机构1103，将所需的光栅移到光路中，同时控制光栅旋转机构1101和平面镜旋转机构1102，调节光栅21及平面镜20的入射角，使得波长λ的色散光束从出缝22输出。

实施例

束线结构如图1所示。激光器采用Nd:YAG激光器，波长532nm,脉宽10ns,脉冲能量700mJ，重复频率10Hz。采用锡转盘靶作为软X射线源，在激光脉冲打靶的同时，靶面做阿基米德螺线运动，使连续打靶时，每一发次的激光脉冲都与新的靶面作用，保证整个使用过程中打靶条件的一致性。

本实施例采用的水平聚焦镜和竖直聚焦镜的曲率半径分别为26516mm和21867mm，收集立体角为4mrad(竖直方向)*15mrad(水平方向)，两块球面镜反射面镀金，掠入射角分别为3.11°和4°。平面镜和光栅构成变包含角单色器，在本实施例中该单色器的光学放大常数采用的光栅为2000lp/mm、1000lp/mm、250lp/mm反射式谱学光子筛,以及1000lp/mm的普通光栅作为对比，有效面积均为15mm*50mm。

实施例中在束线出缝后面接一个透射光栅谱仪，用来检测单色仪输出的单色光纯度。我们对两种方式进行了对比：束线使用普通反射式光栅作为分光元件；单色仪使用反射式谱学光子筛作为分光元件。对比两种情况见图9，可以发现，在15.9nm处，使用普通反射式光栅的单色仪输出单色光中存在15.9nm的2级衍射峰(7.95nm),强度与基波(15.9nm)基本相当；而使用反射式谱学光子筛的单色仪输出光谱中没有高级衍射峰，说明本发明所述的激光等离子体软X射线无谐波光栅单色仪能够有效抑制高次谐波，提高输出的光谱纯度。

本发明采用小型实验室规模重频的ns或fs激光器作为等离子体光源的泵浦源，具有条件灵活、结构紧凑、费用低廉等优点，相比体积庞大、运行费用昂贵的同步辐射装置有较大的优越性，具有优越的易操作和实用化的特点。本发明采用激光转盘靶作为等离子体光源，输出光源稳定，满足标定实验的光源需求。本发明使用量子点阵光栅、“之”字型光栅、谱学光子筛、修正棋盘格光栅、梯形基元光栅做为分光元件，能够有效抑制高级衍射，高次谐波抑制比好于1％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。