一种平场范围在30~50nm的平焦场光谱仪

　　传统的用于软X射线辐射检测的掠入射谱仪,采用的是等栅距、平行刻线的罗兰圆凹面光栅,其焦面也位于罗兰圆上,很难直接与接收面平直的MCP放 大器或X射线CCD耦合,记录谱线的边缘处存在严重的像散现象。而变栅距凹面光栅刻槽的间距沿光栅表面逐步变化,使不同波长的衍射光均落在一个共同的焦平 面上,且垂直于入射光线。所以变栅距光栅具有像差校正、高分辨率及平焦场等优点。平焦场光栅谱仪采用的基本都是日立公司生产的变栅距凹面光栅 (Hitachi 001-0266)[1~3],曲率半径为5.649m,刻线标称栅距为1/1 200 mm。典型的平焦场谱仪,光线入射角须为87°,入射狭缝到光栅中心的标准距离为237mm,平焦面到光栅的距离为235mm,获得的平场范围在 5~30nm,测量范围在3~42nm[4~7]。但对于更长波段的谱(40nm以上),如我们目前承担的毛细管放电软X射线激光项目中类氖氩 46.9nm激光线附近谱的检测[8],就无法利用这种平场谱仪进行测量。根据毛细管放电实验装置及等离子体辐射的特点,我们委托北京物理所研制了一台平 焦场光栅谱仪,在哈尔滨光电子技术研究所毛细管放电实验装置上完成了谱仪的调试及定标工作。

　　本文从理论上计算了在现有入射距离(747.4 mm)以及不同入射角情况下,日立变栅距凹面光栅的平场范围,确定了平场范围在30~50nm的一组平场谱仪的新的设计参数。对根据新参数研制的平场光谱仪的各项性能进行了实验测试。

    1　平焦场光栅谱仪的结构及参数计算

　　新研制的具有空间分辨能力的平焦场光栅谱仪结构如图1所示。谱仪主要由轮胎镜(超环面镜)、狭缝、变栅距凹面光栅、胶片暗盒或CCD组成。由于 凹面光栅工作在掠入射方式(增加光栅的反射率),引入极大的像散,光栅的弧矢像线和子午像线并不重合,即使是一个点光源也会发散成一定长度、轻微弯曲的线 段,使测得的光谱常常没有空间分辨率,强度也很弱。为了消除像散,通常用一束会聚光射向光栅,会聚光由超环面镜产生。也可以在光栅前放置一个具有两维曲率 半径的轮胎镜,用轮胎镜收集来自于等离子体的辐射,在子午面将其会聚于狭缝上,提高了收集效率;而在弧矢面内轮胎镜将源成虚像于远处(见图中虚像),再经 变栅距凹面光栅成像于焦平面上,获得空间分辨。对给定的波长λ,消像散的条件由下式给出

式中:rs2是源到光栅顶点的距离;R2是光栅的曲率半径;L是谱线焦面到光栅的距离;衍射角β2可以用入射角α2、衍射级次m和名义栅距σ0表示

　　根据(1)、(2)可以确定轮胎镜子午面的曲率半径R1和弧矢面的曲率半径ρ1。毛细管放电类氖氩46.9nm激光线的检测要求平场范围在 30~50nm,在40nm附近消像散。我们下面的计算结果给出,在入射角α2=88°时,在30~50nm范围内有较好的平场。由方程(1),(2)和 r,rs2,r′m1,r′s1之间的关系可知,当轮胎镜在子午面和弧矢面内的曲率半径分别为4.142m和4.0m时,在40nm附近的像散得以纠正, 但对其它波长的谱线仍不可避免地产生像散。在以后的工作中,可以根据Chrisp的波前像差理论对本谱仪的波前像差系数进行计算,以优化谱仪的各个参数。