凹面變線距光柵的二維線密度分布測試及軟X射線平場光譜儀的研制.pdf

1、光柵作為重要的分光元件，在光譜技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。近年，隨著激光、全息等技術(shù)的發(fā)展，使得光柵制作工藝水平得到很大的進(jìn)步，一些高級光柵被制作出來，并得到廣泛使用。凹面變線距光柵是像差矯正光柵中的一種，其不僅具有凹面光柵分光、聚焦的特性，同時又能通過改變光柵表面不同位置的刻線密度使得不同波長的光成像在一個平面附近，有利于采用CCD等平面探測器接收光譜，實現(xiàn)快速全波段光譜分析。隨著陣列探測器技術(shù)的快速發(fā)展和日益成熟，凹面變線距光柵的應(yīng)用領(lǐng)

2、域迅速拓展并逐漸顯示出其獨特的優(yōu)勢。
　　 本文研究了凹面變線距光柵的以下三部分內(nèi)容:凹面光柵二維刻線密度分布測試系統(tǒng)、平場凹面變線距光柵光學(xué)系統(tǒng)的高精度波長標(biāo)定方法以及凹面變線距光柵在平場光譜儀器中的應(yīng)用。
　　 首先，光柵的刻線密度參數(shù)是影響光柵分光和成像性能的最重要物理參數(shù)，發(fā)展光柵刻線密度的高精度測試技術(shù)具有重要的意義。一方面，光柵作為產(chǎn)品或商品，用戶需要檢驗其指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求;另一方面，通過對光柵的檢測，可

3、以發(fā)現(xiàn)光柵制作工藝過程中存在的問題，有助于提高光柵的加工制作工藝水平;第三，對于一塊現(xiàn)成的光柵，獲得精確的光柵刻線密度參數(shù)，對設(shè)計光柵光學(xué)系統(tǒng)、分析光學(xué)系統(tǒng)像差以及根據(jù)現(xiàn)有光柵參數(shù)進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化等多方面具有重要的作用。此外，光柵的刻線密度精度還會直接影響光譜儀的波長標(biāo)定精度。因此對光柵刻線密度進(jìn)行高精度測試，具有重要的實際意義。
　　 對于凹面變線距光柵，其表面不同位置的刻線密度并不相等，因此對光柵中心單點的線密度測量或一維線

4、密度測量，已無法滿足測量需求。在論文第3章中，建立了光柵的二維刻線密度測試系統(tǒng)，可實現(xiàn)對光柵表面任意一點的線密度進(jìn)行高精度測量。采用基于光柵衍射方程的衍射測量法作為本文線密度測試方法，并以Littrow光路，以獲得最小的系統(tǒng)誤差。首次實現(xiàn)了對光柵的二維刻線密度分布的測量裝置，獲得兩塊光柵的線密度測試數(shù)據(jù)。并首次在光柵線密度衍射法測試系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)全息光柵的彎曲刻線條紋，可以利用此測試系統(tǒng)，實現(xiàn)對光柵刻線彎曲程度進(jìn)行測試。定義光柵線密度測試

5、誤差△N與實際線密度N之間的比值為測量精度，最終測試系統(tǒng)的絕對測量精度可達(dá)3.4×10-5。
　　 其次，一個光學(xué)系統(tǒng)在投入使用之前，必須經(jīng)過波長標(biāo)定這一環(huán)節(jié)，以確定探測器感光面上的任意一點所對應(yīng)的波長。波長標(biāo)定精度直接影響儀器的正常使用，如在化學(xué)分析、等離子體溫度診斷、天體速度測量等一些應(yīng)用領(lǐng)域，對波長精度有著非常高甚至近乎苛刻的要求。因此，研究高精度波長標(biāo)定技術(shù)，具有重要的意義。在論文第4章研究波長標(biāo)定的另一重要目的是為后文

6、軟X射線平場光譜儀的研制預(yù)先提供研究基礎(chǔ)。用一塊工作在可見光波段的凹面變線距光柵，搭建了一臺小型平場光譜儀，用于專門研究高精度波長標(biāo)定方法。提出一種基于光柵衍射方程、直接以光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為擬合變量、以光學(xué)分光系統(tǒng)的波長分布函數(shù)作為波長標(biāo)定模型的參數(shù)擬合波長標(biāo)定方法。與常用的基于多項式擬合的波長標(biāo)定方法相比，參數(shù)擬合波長標(biāo)定具有更高的波長標(biāo)定精度。其次，由于標(biāo)定模型是以光學(xué)系統(tǒng)物理參數(shù)（如光柵線密度、入射角、入射臂等光學(xué)元件相對位置

7、參數(shù)）作為擬合變量，通過本文提出的參數(shù)擬合波長標(biāo)定可以反算出這些參數(shù)，進(jìn)而評價實際光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直、安裝水平，對光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)試具有指導(dǎo)作用。此外，本章提出的參數(shù)擬合波長標(biāo)定方法，并不局限凹面變線距光柵光學(xué)系統(tǒng)，還可以作為采用平面陣列探測器的光學(xué)系統(tǒng)的一種普適方法，并對其他光學(xué)系統(tǒng)具有參考價值。
　　 最后，在第5章給出了凹面變線距光柵在光譜儀器中的應(yīng)用實例，從光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、像差考慮、光譜分辨率分析、儀器設(shè)計、調(diào)試安裝等多個方面，系

8、統(tǒng)地介紹了凹面變線距光柵光譜儀器的研制方法和過程。采用凹面變線距光柵作為分光元件，為中國科學(xué)院等離子體物理研究所的先進(jìn)實驗超導(dǎo)托卡馬克裝置研制一套高分辨率寬譜段、緊湊型，具有空間分辨的軟X射線-極紫外波段光譜儀。在托卡馬克運(yùn)行過程中，其內(nèi)部的等離子體中的雜質(zhì)會引起大量的輻射損失，制約所能獲得的等離子體的品質(zhì)，影響托卡馬克高參數(shù)、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。利用光譜儀對托卡馬克內(nèi)部等離子體的發(fā)射光譜進(jìn)行診斷，是研究托卡馬克等離子體芯部雜質(zhì)輸運(yùn)的重要手段。