摘 要: 理论上计算了入射距离747.4 mm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设计参数。在原入射距离的情况下,新研制的平场谱仪在入射狭缝前加了一个轮胎镜,使谱仪具有空间分辨能力,且提高了收集效率,。利用一种真空紫外光谱灯对He气放的特征谱线对平场谱仪进行了标定。在入射狭缝为0.1mm时,实验上测得30.38nm谱线的宽度约为0.04mm,在30nm附近的分辨率为0.001,在消像散波长40nm附近,分辨率将优于0.001。最后,利用标定后的平场谱仪对毛细管放电不同气体等离子体辐射进行了初步的测谱实验。
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。
平焦场凹面光栅的平场范围的确定是从像差的角度进行分析的。在此利用了T.Harada等人的理论结果,通过改变入射角和入射距离,确定了平场范围在30~50nm的一组新的设计参数。设P(w,l)是从光栅凹球面顶点起第n条栅线上的一点,T.Harada等人的理论结果给出通过凹面光栅的光路函数[1,2]
式中:O(w5)是比w5更高阶的像差项;F10与光栅的色散有关;F20与光谱方向聚焦条件有关;F02与像散性有关;F30与彗型像差有关;其它Fij项与高阶像差有关,可以写为Fij=Cij[(mλ)/σ0]Mij,其中Cij是传统像差项,Mij为球差校正项。为了获得完整的点聚焦成像,必须满足条件Fij=0。
针对现有的日立变栅距凹面光栅,某一入射距离条件下,比较平焦场随入射角的变化,从而确定30~50nm平焦场对应的入射角度。研究了与光谱方向聚焦条件有关的项F20,它的两个系数分别为C20=0·5[(cos2α/s-cosα/R)+(cos2β/s-cosβ/R)],M20=-20/R。在毛细管放电实验装置上,入射距离r=747·4 mm,由此便给出了入射角从87.5°~88.5°的范围内每隔0.25°的聚焦曲线,如图2所示。从图中可以看出,对于747.4mm的入射距离,当α2=88°时,在30~50nm有较好的平场范围,此时焦平面到光栅中心的距离L=227·8mm,各焦点到焦平面最大偏移不超过0.9mm。而其它入射角情况下,聚焦曲线在30~50nm范围内的弯曲程度均大于88°。表1中将我们研制的平场谱仪的参数与原有的平场谱仪的参数进行了比较。
2 谱仪的标定及毛细管放电测谱实验
该平场光栅谱仪内的轮胎镜、狭缝、变栅距凹面光栅和限光光阑等全部零件都固定在一个基板上,可以在真空室外的光学平台上对各部分进行安装、调试,然后连同基板固定在谱仪内部。调试过程中的准直是通过使用氦氖激光器进行的,操作过程简单有效。采用一种真空紫外空心阴极气体放电灯作为光源对谱仪进行了标定,该放电灯是一种稳定的气体放电光源,由筒状阳极、空心阴极及差分室三部分组成,可以对He, Ne, Ar,N2, H2, CO等多种气体放电,在20~200nm波段能够产生丰富的原子和离子谱线。工作时气体压强为1 000~10Pa,放电电流为200~400mA。记录系统采用的是上海SIOFM-5FW胶片。用胶片记录虽然不能获得实时结果,但其接收面积大,一次就能够获得平场谱仪的一个全谱,而且该胶片分辨率高,反差高,动态范围大。图3给出了标定平场谱仪的实验装置示意图,该真空紫外光谱灯对He气放电,在平场谱仪狭缝为100μm时,获得的软X射线波段的谱如图4所示。HeII为He二价离子,HeI为He一价离子。
在入射狭缝为100μm时,实验上测得30.38nm谱线的宽度约为40μm,在30nm附近的分辨率Δλ/λ≈0·001,在消像散波长40nm附近,分辨率将优于0.001。在60nm附近的谱,如HeI的58.43nm谱线展宽,主要是由于该波段谱的像偏离焦平面较远。还有一些因素也造成了谱线的展宽,如谱仪系统的畸变;狭缝具有的一定宽度;整套装置的空间分辨率(胶片的颗粒大小(5μm)和黑度计步进电机的扫描步长(0.1mm))等,而在我们所考虑的波长范围内由有限的孔径导致的衍射可忽略不计。在10~30nm波段谱仪具有更高的效率。
利用该平场谱仪,对毛细管放电10~60nm的软X射线辐射进行了测量。分别充入Ar, N2和He,气压为80Pa,放电电流峰值为37kA,第一个电流脉冲上升沿为40ns,胶片5炮曝光,实验结果如图5所示。从图中可以看出,具有空间分辨能力的该平场谱仪能在30~50nm范围内将谱线清晰地成像在焦面上,其测谱范围延伸到10~60nm。由于目前毛细管放电实验装置固有的预脉冲过高(幅值为7kA),管壁和电极烧蚀严重,测得的软X射线辐射主要来源于管壁和电极烧蚀物质,不同气体的谱线基本相同。目前正在进行预脉冲改造,以及改造后氩的软X射线辐射谱测量。
3 结 论
本文通过改变入射角并在入射距离为747.4 mm的条件下,使平场光栅谱仪的平场范围从通常的10~30nm转变到30~50nm,测谱范围延伸到10~60nm,实现了日立变栅距凹面光栅在其它波段的平场效果。实验上测得的30.3nm谱线的宽度约为40μm,在30nm附近的分辨率Δλ/λ≈0.001,在消像散波长40nm附近,分辨率将优于0.001。实验测量证明通过改变入射角和入射距离获得30~50nm平场范围的设计方案是可行的。
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本文作者：程元丽, 赵永蓬, 宋健伟, 汪八零, 王 骐
