可变入射距离平焦场谱仪的概念设计

     软X射线波段(10~40nm)的光谱测量被广泛地应用于等离子体诊断、X射线激光和高次谐波等研究中[1]。在传统的掠入射摄谱仪中,由于采用了等栅距、平行刻线的Rowland凹面光栅,谱线被聚焦在具有较大象散特性的Rowland圆的某一部分上。因此,摄谱仪或探测器平面必须被圆形地配置以便得到较好的成象,这加大了摄谱仪器(如条纹相机、微通道板等)平面定位和精确调整的难度。同时,由于象散问题,焦点的长度随波长的增加变化很大,使得摄谱仪上的光谱成象存在较大的相差,影响了光谱测量的精度。

    为了解决这些问题,T.Cordelle等人[2]发展了可以聚焦在平面上的全息栅距凹面光栅。随后Fonck等人[3]又利用这种全息光栅技术发展了一种用于等离子体诊断的平焦场掠入射摄谱仪。该谱仪提供了两个可以互换的象差校正圆环面光栅,测量波长范围分别是10~110nm和16~170nm。但是,聚焦平面的位置和光谱成象的分辨率受到全息刻线排列的限制。1974年,T.Harada等人利用数控刻线机床开发了机械刻线的变栅距凹面光栅,并用于对激光等离子体的光谱测量[4,5]。数控的机械刻线方法除具有全息刻线方法的特点外,还具有更大的自由来选择栅距变化范围的优点。因此,其性能更为优越[6,7]。

    目前,在使用这种变栅距光栅的平场光谱仪时存在的主要问题是:(1)要求入射狭缝到光栅中心以及光栅中心到平焦面的距离一定。以曲率半径为5649mm,刻线标称栅距为(1/1200)mm的光栅为例;其入射狭缝到光栅中心的距离须为237mm,入射角须为87°;而光栅中心到平焦面的距离须为235mm。这极大地限制了摄谱仪使用的灵活性和光栅性能的充分发挥。(2)由于入射狭缝的存在,大幅度降低了对X射线的接收效率。针对以上问题,我们对这种变栅距凹面光栅的平焦场光谱仪在理论上进行了进一步的研究。提出了光谱仪使用上的可变入射距离方案。并在此基础上取消了入射狭缝,增加了光通量,提高了平场摄谱仪的接收效率。当然,这仅适合光源尺寸很小的情况。

   1  基本方程

    我们以光栅中心为坐标原点建立矩形坐标系。其中,α为入射角,β为衍射角,坐标原点在凹面光栅球形面的顶点O;x轴垂直于光栅,而y轴和z轴分别垂直和平行于在O点的刻线,如图1所示。利用T.Harada等人[4]的结果,通过凹面光栅的光路函数可以写为

这里的o(w5)是比w5更高阶的项。式中,F10与光栅的色散有关,F20与光谱方向聚焦条件有关,F02与象散性有关,F30与慧型象差有关,而其它Fij项与高阶象差有关。且Fij可以被表示为

这里,Cij是与传统等间距直线刻线相关的项;而Mij是与变间距曲线刻线相关的象差修正项;