高分辨X射线光谱仪原理与设计

发布时间：2020-06-20 03:30

【摘要】：X射线光栅光谱仪除了实现对同步辐射设施或自由电子激光装置等先进光源的推动和快速发展,还被广泛用于探索各种有趣的研究课题。其中采集效率和分辨能力是光栅光谱仪最重要的两个参数指标。凹面变线距光栅作为一个高性能光谱仪的核心,通过配合不同的前置镜或前置镜组合便能实现像散的消除和分辨能力的提升。本文在软X射线的“水窗”波段设计了两款光栅光谱仪,实现了像散的消除和分辨能力的提升,主要工作包括:1.为了消除像散,首先在凹面变线距光栅的基础上通过优化光栅子午半径和变线距系数D_1实现子午方向聚焦曲线的控制;对聚焦曲线的“平坦”程度进行量化,实现子午方向的平场和优化。在目标分辨能力不变的前提下,得到光栅入射角和光栅物距之间的对应关系,并由此找到不同光栅物距条件下对应的最佳子午“平场”的倾角;以消除光谱成像中的像散为目的对光栅的弧矢聚焦进行优化。先是提出了光栅子午、弧矢方向光源分离的概念,证明了在光栅弧矢虚光源的前提下,可以通过同时优化光栅弧矢虚物距和光栅弧矢半径来实现弧矢聚焦曲线和子午聚焦曲线的重合,消除像散。2.在消像散型光谱仪的实际设计中,将一面凹柱面镜放在凹面变线距光栅上游,构成类似K-B聚焦镜的结构,来实现光栅弧矢虚光源的条件。通过计算得到了四个不同子午物距条件下的系统参数,将每个系统进行像差分析,并考察了包括光源尺寸,初级像差(离焦、慧差和球差)和倾斜误差几个因素对分辨能力的影响。将追迹软件得到分辨能力与根据像差理论计算得到的分辨能力进行比较,得到了良好的验证。通过观察SHADOW追迹结果,弧矢方向宽度结果均匀等大,并符合系统的弧矢放大率,证明了光谱成像中的像散得到消除。3.为了增强分辨能力,首先比较了四个不同光栅光谱仪系统的理想分辨能力,包括了单凹面光栅系统、前置凹面镜-光栅实光源系统、前置凹面镜-光栅虚光源系统和前置凸面镜-光栅实光源系统,并比较验证了凸面镜前置是提升系统分辨能力更好的选择。还研究了当前置镜被插入到系统中时,光程函数考虑它带来的像差影响的方法。另外还提出使用点列图中光线子午坐标的标准偏差与对应波长的理想线宽的商来表示成像质量,并且根据标准差的定义,这个商值越大,表示成像光束越离散,像差越大,成像越差;引入支持向量机SVM进行数据的学习和预测方程的重构,配合上非线性规划算法,探索具有良好成像质量的最优光谱仪系统参数。4.在分辨能力增强型光谱仪的实际设计中,根据优化结果计算了凸面镜前置光谱仪系统的详细参数。针对优化后的系统同样进行了像差分析,考察了包括光源尺寸,初级像差(离焦、慧差和球差)和倾斜误差几个因素对分辨能力的影响;提出了实现光谱仪超高分辨能力倾斜误差需要满足的条件。提出了像差分布中连续光学镜面的倾斜误差贡献的叠加方法。同样将SHADOW追迹软件的结果和像差理论计算得到的分辨能力进行比较和验证,在“水窗”波段内实现了100,000~200,000的分辨能力。还考察了当光源发生位置抖动和发射角抖动时对光谱仪性能的影响。5.利用两块独立的,能实现不同目的的提前放置镜,在0.6~1.5keV能量范围设计了光谱仪,同时实现像散消除和分辨能力的提升。追迹验证了在弧矢虚光源的条件下,光栅基底采用子午凹柱面的可行性;给出了多块前置镜的倾斜误差在色散方向上积累的计算方法;计算并比较了在不同尺寸的系统中前置凸面镜提升分辨能力的效果的差别。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH744.1
【图文】：

示意图,电磁波谱,硬X射线,红外

高分辨 X 射线光谱仪原理与设计一直延伸到氧的 K 吸收边 533eV（2.33nm）的电磁波谱范围，这个范围内的 X射线无法被氧原子吸收，所以对于水（H2O）是透明的，但对碳（有机分子）是吸收的(Spielmann et al., 1997)。因此这个能量范围内的 X 射线可用于在 X 射线显微镜中观察活体标本，其出色的性质可用于（或在未来可用于）体外成像和生物细胞或微结构分析。另外，“水窗”光谱学也是研究材料特性和电子能态的新型探针。

示意图,聚焦系统,示意图,平场

高分辨 X 射线光谱仪原理与设计, 1985；Saha, 1988)，关于 Wolter 型聚焦系统的像差特性很少被人们研究刻而清晰的认识。而受到 Wolter III 型结构的启发，基于之前的工作积累第 4 章中在“水窗”波段设计了一个精巧的高分辨能力平场光谱仪结构一个在上游前置发散的凸柱面镜和下游的凹柱面 VLS 光栅，并证明了可以让分辨能力获得明显提升，同时在整个光谱成像范围内保持低像的平场。

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