摘 要: 提出了透射光栅谱仪整体标定的建议,并在北京同步辐射源上首次对ICF实验中所用的透射光栅谱仪进行了整体标定,获得了与分别标定基本一致的结果。与分别标定相比,整体标定具有实验步骤少、实验数据处理简单、标定结果使用更加直接等优点。
由透射光栅配接X光CCD构成的透射光栅谱仪,在ICF实验当中有很重要的应用[1~4]。相应的实验标定工作已在北京同步辐射源上完成[5,6]。分别标定了X光CCD和透射光栅,综合可以获得透射光栅谱仪的能谱响应规律,可以对ICF试验中获得的透射光栅谱仪测量谱解谱。基于此,本文提出透射光栅谱仪整体标定的方案:将谱仪当成一个整体,通过一次标定实验直接获得整个谱仪对X光的响应。透射光栅的整体标定实验步骤少,实验数据处理简单,标定结果使用更加直接,理论上较分别标定更有优势。在北京同步辐射源上我们对实验中使用的透射光栅谱仪进行了整体标定,获得了与分别标定近乎一致、使用上更加直接的结果。
1 实验布局及实验方案
图1给出了整体标定实验的实验布局。其中样品室内的4个样品台通过转动可以实现位置全同互换。我们任取两个,其中一个放置透射光栅与限光狭缝组合,另一个放置限光狭缝的全同狭缝。图中的探测器实际上是一个硅光电二极管,可以对前方辐照过来的X光进行光电转换,将光信号转换为电信号,通过模数转换输入计算机。实验中,该探测器是我们的X光计量标准。前方的可变换能点的单射X光由北京同步辐射源软X光实验站低能X光束线提供。
标定过程分两步进行:第一步,将样品台上的全同狭缝、探测器置于光路之中,探测前方提供的单能X光的光强;第二步将全同狭缝、探测器移开,将透射光栅狭缝组合、X光CCD置入光路,用X光CCD记录透射光栅的衍射图样。依次改变前方提供的单色X光的能点,重复上面的实验步骤即可完成对透射光栅谱仪的标定。
标定实验结果的数据处理非常简单:(1)由输入计算机的探测器的读数计算出单色X光的光强Iλ;(2)由通过X光CCD获得的透射光栅衍射图样及曝光时间获得透射光栅各级衍射在单位时间内感应的X光CCD计数Nm;(3)将获得的光强Iλ与计数Nm相除即可获得针对某单色X光的透射光栅谱仪的各级的能谱响应:Rm=Iλ/Nm。
利用这样的标定实验结果使透射光栅谱仪测量谱的解谱过程非常直接。在ICF实验中,我们利用透射光栅谱仪获得的激光等离子体(连续谱的复合X光源)的测量谱是以波长为自变量、以X光CCD计数为因变量的一条曲线。这条曲线是由透射光栅谱仪的各级衍射叠加而成的,我们仅需利用标定结果列简单方程即可方便的实现解谱:首先假设一个未知向量作为复合X光源的实际发射谱,利用标定结果计算各级衍射在X光CCD上感应出的以CCD读数为因变量的谱,各级谱叠加即等于实际测量谱。这是一个简单的多元线性一次方程,可以简单求解。这样的解谱过程比文献[7]中介绍的方法简单直接得多。
2 实验结果及与分别标定结果的比较
我们对ICF实验中使用的1#光栅配接X光CCD构成的透射光栅谱仪做了整体标定。实验中透射光栅的限光狭缝和全同狭缝的宽度为0.1mm,透射光栅标称值为1 050(l/mm)、栈空比a/d=0.5。对北京同步辐射提供的单色性较好的250~270eV,600~1200eV能段的共19个能点进行了标定。图2给出了一个由透射光栅谱仪获得的典型数据。图3是最终获得的透射光栅谱仪的响应。
文献[5,6]分别介绍了对X光CCD和1#透射光栅分别在同样的能点的标定。综合获得的CCD的响应函数和透射光栅谱仪的衍射效率可以得到透射光栅谱仪各级衍射的响应函数。图4给出了透射光栅分别标定的结果可以看出与整体标定获得的结果基本一致
需要说明的是,分别标定实验中对透射光栅的标定的实验数据利用光栅的矩形栅线模型进行了拟合处理。本文引用的是处理后的结果,所以图4当中我们看到了两种结果有一定差异。在实际光栅制作的过程中光栅的栅线往往不能保证为真正的矩形,往往有可能做成了梯形或准梯形。由于不同能段的X光对光栅材料的穿透能力不同,梯形或准梯形光栅对不同波长X光表现出了不同的栈空比。这种情况下,用矩形栅线模型拟合实验结果往往高中低三个能段不能兼顾。关于栅线模型对透射光栅衍射谱的影响有文献专门讨论,这里不再赘述。
3 讨 论
同分别标定相比,透射光栅谱仪的整体标定,需要的实验步骤较少,数据处理现对简单,标定结果的使用更加直接。尤其在同步辐射源能够提供更多单色性良好的能点的时候人们应当采用整体标定的方法。为了能够获得透射光栅更为准确地标定结果,人们的努力方向是尽可能的提高标定源的品质,包括单色性、稳定性,尽可能的拓宽可以标定的能谱范围等。在北京同步辐射源提供的可资利用的单色能点有限的情况下,研究光栅的栅线模型对衍射的影响是有意义的。
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本文作者：曹磊峰, 江少恩, 杨家敏, 成金秀, 郑志坚, 温天舒,崔明启, 朱佩平, 赵屹东, 黎 刚
