CN105510955B - 椭圆弯晶谱仪的离线精密装调及在线精确复位准直的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种椭圆弯晶谱仪的离线精密装调及在线精确复位准直的方法。该方法包括椭圆弯晶谱仪离线精密装调和椭圆弯晶谱仪在线精确复位准直，本发明采用“所有反射光束共焦+共轭式靶点瞄准定位”和“光源、椭圆弯晶、椭圆几何光学成像像面三者间的精密耦合转换成离线精密装调及在线精确复位”的技术，解决椭圆弯晶谱仪***在“神光II”激光装置上的精确准直。本发明有效地解决了发光源（椭圆弯晶上游焦点，即前焦点）、椭圆弯晶、椭圆几何成像像面（椭圆弯晶下游焦点，即后焦点）三者之间要满足既定椭圆方程参数问题，该方法还具有调节方便、可视性好、谱仪调节准直精度高的特点，并能实现椭圆弯晶谱仪与“神光‑II”靶室高效率高精度耦合目的。
Description
技术领域
本发明涉及弯晶谱仪离线装调及在线准直技术，尤其涉及椭圆弯晶谱仪离线精密装调及在线精确复位准直的方法。
背景技术
等离子体辐射与等离子体状态密切相关，因此诊断等离子体辐射X射线能谱信息对激光与物质相互作用、X射线激光、惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion, 简称ICF）、天体物理和激光等离子体X射线光源等方面研究有着重要作用。
椭圆弯晶谱仪主要功能是测量X射线光谱。随着精密物理实验对等离子体状态和能量流时空演化特性实验数据的高精度需求，对建立对激光等离子体辐射X射线能谱线精细轮廓时空演化的实验观测能力是非常有必要，但需要谱仪***必须具备有高的实测能谱分辨能力作为支撑。
不过，尽管椭圆弯晶谱仪***在设计过程中已尽量考虑过使各个光学元件，尤其是分光元件-椭圆弯晶，减小其对***性能影响程度，但谱仪在实际的装调与准直过程中，总难免有误差。如果光源偏离椭圆弯晶前焦点对谱仪***的实测能谱分辨能力、光通量，以及成像差具有强烈的影响效应。因为椭圆弯晶谱仪工作原理：是位于椭圆弯晶前焦点上的光源发出的光，经椭圆晶体按布拉格衍射定律选谱后汇聚在椭圆另一焦点（后焦点）上，但X射线在晶体表面只有满足布拉格衍射条件，才有可能有被利用的积分衍射系数，也只有满足椭圆几何光学成像，才有可能使谱仪***造成的能谱线加宽程度最小。
显然，为了尽可能地降低色散角，使椭圆弯晶谱仪***有很好的实测能谱分辨能力，提高谱仪***的准直精度是关键之一。目前国内关于椭圆弯晶谱仪装调与准直的方法资料较小，尤其是椭圆弯晶精确准直的方法几乎处于零位置。因而开展椭圆弯晶谱仪的离线精密装调及在线精确复位准直的关键技术方法研究，对于提高椭圆弯晶谱仪X射线能谱高分辨能力测量有着特别重要意义。
椭圆弯晶谱仪原理及坐标系如图1所示：点光源在椭圆弯晶前焦点位置上，光源发出的光经成像狭缝后辐照在椭圆弯晶上，经该椭圆弯晶衍射分光后，所有光束都汇聚在椭圆弯晶后焦点上，再经过狭缝衰减膜组合件记录在探测器记录面上，实现光谱分辨测量，图1中θ为布拉格（Bragg）衍射角。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种椭圆弯晶谱仪的离线精密装调及在线精确复位准直的方法，能够解决目前椭圆弯晶谱仪获得高精度准直难，并且又调节极其复杂繁琐的问题，还可以大大缩短谱仪的调节时间。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种椭圆弯晶谱仪的离线精密装调及在线精确复位准直的方法，该方法包括椭圆弯晶谱仪的离线精密装调和椭圆弯晶谱仪在线精确复位准直：
所述椭圆弯晶谱仪的离线精密装调包括以下步骤：
第一步，建立坐标系OXYZ，
第二步，在椭圆弯晶盒体的内部下方固定设置三维调节装置，所述三维调节装置包括Y向平动调节机构、Z向平动调节机构和X向一维转动调节机构，所述X向一维转动调节机构包括设置在三维调节装置上的调节环，所述调节环上设有调节螺杆和弹簧，在调节环上固定设置椭圆弯晶，所述椭圆弯晶盒体的前端面和后端面上分别设有左定位孔和右定位孔，所述椭圆弯晶盒体的顶部开设有探测窗口，
第三步，建立长轴线在y轴向的椭圆标准方程：，椭圆两个焦点分别为椭圆弯晶的前焦点F1和后焦点F2，在前焦点F1上设置点光源，利用第一台平行光管建立装调时观察***的基准线ab，并借助于激光测距仪确定后焦点F2的位置，然后，目视将椭圆弯晶盒体中的探测窗口中心位置放在后焦点F2附近，通过调节椭圆弯晶盒体，使点光源、左定位孔和右定位孔的两孔径中心，以及焦点F2均处在基准线ab上，
第四步，通过Y向平动调节机构实现椭圆弯晶在Y向平移，直到使在椭圆弯晶侧向壁的细直刻度线（针对布拉格衍射角=450时制作的刻线，图2中未标出）与后焦点F2对齐，
第五步，在前焦点F1位置搁上扩束光纤灯，在后焦点F2上放置毛玻璃片，开启扩束光纤灯，通过Z向平动调节机构实现椭圆弯晶Z向平移，通过调节螺杆和弹簧使椭圆弯晶在X向一维转动，当椭圆弯晶处于调整好时，在毛玻璃片上观察到有细直线像，而且其线宽应小于500μm，最后锁死三维调节装置的调节维机构，完成椭圆弯晶谱仪的离线精密装调；
所述椭圆弯晶谱仪在线精确复位准直包括以下步骤：
步骤（1），将离线精密装调好的椭圆弯晶盒体置于靶室中的五维调节架上，所述五维调节架固定在靶室法兰窗口的连接支杆上，以所述第一步中的OXYZ为坐标系，所述靶室中目标靶球的位置为椭圆弯晶的前焦点F1，靶室法兰窗口，以前焦点F1、靶室法兰窗口中心的连线作为建立在y轴上的椭圆标准方程长轴线，
步骤（2），利用椭圆弯晶前焦点F1、靶室法兰窗口中心，利用第二台平行光管搭建椭圆弯晶谱仪的在线精确复位准直基线cd，由于第二台平行光管视场具有一定范围，将第二台平行光管视场中的十字刻线交点调至在基线cd上，通过五维调节架对椭圆弯晶盒体的俯角、仰角、摆角，以及Y、Z向平移进行调整，使左定位孔和右定位孔两孔径中心与第二台平行光管视场中的十字刻线交点重合，再通过五维调节架在Y轴方向的平移使椭圆弯晶的后向焦点满足F2的坐标值要求，不过，其误差可允许在2mm之内，最后锁死五维调节架的调节维机构，
步骤（3），在探测窗口上搁置探测器记录***，由于探测窗口在Y轴向有一定的移动范围，沿Y轴方向移动探测器，直至当布拉格衍射角=450时经椭圆弯晶衍射的光线落在探测器记录面中心。
所述点光源经离线精密装调后，点光源光辐照在椭圆弯晶上，经该椭圆弯晶的所有衍射光束都汇聚在后焦点F2上，所述布拉格衍射角为：22°≤θ≤60°，从而可确保点光源发出的光到所述椭圆弯晶上能够产生最有效的衍射分光。
本发明为了克服光源、椭圆弯晶、椭圆几何成像面三者之间要严格满足椭圆方程参数，以及分光晶体到光源距离又长等不利因素，本发明是建立“ 所有反射光束共焦+共轭式靶点瞄准定位”和“椭圆弯晶和光源之间的精密耦合转换离线精密装校及在线准直精确复位”的技术方法；本发明全面分析了椭圆弯晶谱仪调节环境及对象，以及各元件的安装调试流程。利用椭圆两个焦点、椭圆长轴线、反射光束共焦、靶室能够提供用于瞄准对中的目标靶球，以及椭圆弯晶几何成像具有实像点特点，采用由光纤灯、光阑、平行光管（或经纬仪）、激光测距仪等元件，提出用“所有反射光束共焦+共轭式靶点瞄准定位”和“椭圆弯晶和光源间的精密耦合调试”的组合方式技术，解决椭圆弯晶在离线精密装调过程中的多自由度问题。基于谱仪在“神光-II”激光装置上X射线能谱测量靶室能够提供用于瞄准对中的目标靶球，提出了由目标靶球、平行光管、5维调整支架等元件建立椭圆弯晶谱仪***在靶场的调节机构，实现“椭圆弯晶谱仪在线准直精确复位”的技术方案。
与现有技术相比，本发明的有益效果：①本发明采用“所有反射光束共焦+共轭式靶点瞄准定位”和“椭圆弯晶和光源之间的精密耦合转换离线精密装调及在线精确复位”的方法，对椭圆弯晶谱仪进行离线装调和在线精确复位准直，调试后的弯晶谱仪可进行打靶物理实验，可用于激光打靶X射线光谱高分辨测量；②本发明不仅有利于椭圆弯晶的离线精密装调，为在线准直工作做好充分准备，而且解决了椭圆弯晶工作距离长（分光晶体离光源远）在线高精度准直难的问题，同时也有效解决了椭圆弯晶谱仪由于光源、椭圆弯晶、椭圆几何成像像面三者间要严格满足既定椭圆方程参数问题，并且可以大大缩短了弯晶谱仪的调节时间；③本发明中还可以将成像狭缝、椭圆弯晶、狭缝衰减膜组合件和探测器***按光学设计布局进行合理整合，起到既可以提高谱仪***的信噪比，又能够起到减小晶体不必要的损伤，保护好椭圆弯晶；④本发明的离线装调和在线的调节方法还具有调节方便、可视性好、调节精度高等特点。
附图说明
图1是椭圆弯晶谱仪原理及坐标系示意图。
图2是本发明椭圆弯晶谱仪的离线精密装调示意图。
图3是本发明椭圆弯晶谱仪的在线精确复位准直示意图。
图中：1、椭圆弯晶盒体，2、三维调节装置，3、Y向平动调节机构，4、Z向平动调节机构，5、调节环，6、调节螺杆，7、弹簧，8、椭圆弯晶，9、左定位孔，10、右定位孔，11、探测窗口，12、点光源，13、第一台平行光管，14、靶室，15、五维调节架， 16、靶室法兰窗口，17、第二台平行光管，18、连接支杆。
图4是本发明实施例1中IP（Imaging Plate）记录的氯离子谱线原始光谱图。
图5为图4氯离子谱线轮廓分布图。
图6是本发明实施例2中CCD记录的铝离子谱线原始光谱图。
图7为图6铝离子谱线轮廓分布图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明， 但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
如图2和图3所示，本实施例椭圆弯晶谱仪的离线精密装调及在线精确复位准直的方法，该方法包括椭圆弯晶谱仪的离线精密装调和椭圆弯晶谱仪在线精确复位准直：
所述椭圆弯晶谱仪的离线精密装调包括以下步骤：
第一步，建立坐标系OXYZ，
第二步，在椭圆弯晶盒体1的内部下方固定设置三维调节装置2，所述三维调节装置2包括Y向平动调节机构3、Z向平动调节机构4和X向一维转动调节机构，所述X向一维转动调节机构包括设置在三维调节装置2上的调节环5，所述调节环5上设有调节螺杆6和弹簧7，在调节环5上固定设置椭圆弯晶8，所述椭圆弯晶盒体1的前端面和后端面上分别设有左定位孔9和右定位孔10，所述椭圆弯晶盒体1的顶部开设有探测窗口11，
第三步，建立长轴线在y轴向的椭圆标准方程：，椭圆两个焦点分别为椭圆弯晶8的前焦点F1和后焦点F2，在前焦点F1上设置点光源12，利用第一台平行光管13建立装调时观察***的基准线ab，并借助于激光测距仪确定后焦点F2的位置，然后，目视将椭圆弯晶盒体1中的探测窗口11中心位置放在后焦点F2附近，通过调节椭圆弯晶盒体1，使点光源12、左定位孔9和右定位孔10的两孔径中心，以及焦点F2均处在基准线ab上，
第四步，通过Y向平动调节机构3实现椭圆弯晶8在Y向平移，直到使在椭圆弯晶8侧向壁的细直刻度线与后焦点F2对齐，
第五步，在前焦点F1位置搁上扩束光纤灯，在后焦点F2上放置毛玻璃片，开启扩束光纤灯，通过Z向平动调节机构4实现椭圆弯晶8Z向平移，通过调节螺杆6和弹簧7使椭圆弯晶8在X向一维转动，当椭圆弯晶处于调整好时，在毛玻璃片上观察到有细直线像，而且其线宽应小于500μm，最后锁死三维调节装置的调节维机构，完成椭圆弯晶谱仪的离线精密装调；
所述椭圆弯晶谱仪在线精确复位准直包括以下步骤：
步骤（1），将离线精密装调好的椭圆弯晶盒体1置于靶室14中的五维调节架15上，所述五维调节架15固定在靶室法兰窗口16的连接支杆18上，以所述第一步中的OXYZ为坐标系，所述靶室14中目标靶球的位置为椭圆弯晶的前焦点F1，靶室法兰窗口16，以前焦点F1、靶室法兰窗口16中心的连线作为建立在y轴上的椭圆标准方程长轴线，
步骤（2），利用椭圆弯晶前焦点F1、靶室法兰窗口16中心，利用第二台平行光管17搭建椭圆弯晶谱仪的在线精确复位准直基线cd，由于第二台平行光管17视场具有一定范围，将第二台平行光管17视场中的十字刻线交点调至在基线cd上，通过五维调节架15对椭圆弯晶盒体1的俯角、仰角、摆角，以及Y、Z向平移进行调整，使左定位孔9和右定位孔10两孔径中心与第二台平行光管17视场中的十字刻线交点重合，再通过五维调节架15在Y轴方向的平移使椭圆弯晶的后向焦点满足F2的坐标值要求，最后锁死五维调节架的调节维机构，
步骤（3），在探测窗口11上搁置探测器记录***，由于探测窗口11在Y轴向有一定的移动范围，沿Y轴方向移动探测器，直至当布拉格衍射角=450时经椭圆弯晶衍射的光线落在探测器记录面中心。
本实施例中所述点光源12经离线精密装调后，点光源12光辐照在椭圆弯晶8上，经该椭圆弯晶8的所有衍射光束都汇聚在后焦点F2上，所述布拉格（Bragg）衍射角θ为22°、45°、50°、60°或（22°-60°）中任一角度数值。
本实施例中椭圆标准方程：，其中：a=310mm，b=78mm，椭圆两个焦点分别为椭圆弯晶前焦点F1和后焦点F2， F1和F2间距2c= 600mm，靶室内半径750mm，外半径860mm，F2处在真空靶室内，适应条件，激光能量的功率密度相对较低，光源发光强度相对弱的情况下。
实施例1的实验结果如图4和图5所示，图4是本发明实施例1中IP（Imaging Plate）记录的氯离子谱线原始光谱图；图5为图4氯离子谱线轮廓分布图。
本实施例中第一台平行光管和第二台平行光管均可以采用经纬仪代替。
实施例2
如图2和图3所示，本实施例椭圆弯晶谱仪的离线精密装调及在线精确复位准直的方法，该方法包括椭圆弯晶谱仪的离线精密装调和椭圆弯晶谱仪在线精确复位准直：
所述椭圆弯晶谱仪的离线精密装调包括以下步骤：
第一步，建立坐标系OXYZ，
第二步，在椭圆弯晶盒体1的内部下方固定设置三维调节装置2，所述三维调节装置2包括Y向平动调节机构3、Z向平动调节机构4和X向一维转动调节机构，所述X向一维转动调节机构包括设置在三维调节装置2上的调节环5，所述调节环5上设有调节螺杆6和弹簧7，在调节环5上固定设置椭圆弯晶8，所述椭圆弯晶盒体1的前端面和后端面上分别设有左定位孔9和右定位孔10，所述椭圆弯晶盒体1的顶部开设有探测窗口11，
第三步，建立长轴线在y轴向的椭圆标准方程：，椭圆两个焦点分别为椭圆弯晶8的前焦点F1和后焦点F2，在前焦点F1上设置点光源12，利用第一台平行光管13建立装调时观察***的基准线ab，并借助于激光测距仪确定后焦点F2的位置，然后，目视将椭圆弯晶盒体1中的探测窗口11中心位置放在后焦点F2附近，通过调节椭圆弯晶盒体1，使点光源12、左定位孔9和右定位孔10的两孔径中心，以及焦点F2均处在基准线ab上，
第四步，通过Y向平动调节机构3实现椭圆弯晶8在Y向平移，直到使在椭圆弯晶8侧向壁的细直刻度线与后焦点F2对齐，
第五步，在前焦点F1位置搁上扩束光纤灯，在后焦点F2上放置毛玻璃片，开启扩束光纤灯，通过Z向平动调节机构4实现椭圆弯晶8Z向平移，通过调节螺杆6和弹簧7使椭圆弯晶8在X向一维转动，当椭圆弯晶处于调整好时，在毛玻璃片上观察到有细直线像，而且其线宽应小于500μm，最后锁死三维调节装置的调节维机构，完成椭圆弯晶谱仪的离线精密装调；
所述椭圆弯晶谱仪在线精确复位准直包括以下步骤：
步骤（1），将离线精密装调好的椭圆弯晶盒体1置于靶室14中的五维调节架15上，所述五维调节架15固定在靶室法兰窗口16的连接支杆18上，以所述第一步中的OXYZ为坐标系，所述靶室14中目标靶球的位置为椭圆弯晶的前焦点F1，靶室法兰窗口16，以前焦点F1、靶室法兰窗口16中心的连线作为建立在y轴上的椭圆标准方程长轴线，
步骤（2），利用椭圆弯晶前焦点F1、靶室法兰窗口16中心，利用第二台平行光管17搭建椭圆弯晶谱仪的在线精确复位准直基线cd，由于第二台平行光管17视场具有一定范围，将第二台平行光管17视场中的十字刻线交点调至在基线cd上，通过五维调节架15对椭圆弯晶盒体1的俯角、仰角、摆角，以及Y、Z向平移进行调整，使左定位孔9和右定位孔10两孔径中心与第二台平行光管17视场中的十字刻线交点重合，再通过五维调节架15在Y轴方向的平移使椭圆弯晶的后向焦点满足F2的坐标值要求，最后锁死五维调节架的调节维机构，
步骤（3），在探测窗口11上搁置探测器记录***，由于探测窗口11在Y轴向有一定的移动范围，沿Y轴方向移动探测器，直至当布拉格衍射角=450时经椭圆弯晶衍射的光线落在探测器记录面中心。
本实施例中所述点光源12经离线精密装调后，点光源12光辐照在椭圆弯晶8上，经该椭圆弯晶8的所有衍射光束都汇聚在后焦点F2上，所述布拉格（Bragg）衍射角为22°、45°、50°、60°或（22°-60°）中任一角度数值。
本实施例中椭圆标准方程：，其中：a= 513.28mm，b= 168.02mm，椭圆两焦点分别为椭圆弯晶前焦点F1和后焦点F2， F1和F2间距2c= 970mm，靶室内半径750mm，外半径860mm，F2是处在真空靶室壁外端。适应条件，驱动激光能量大，光源发光强度相对强，可用电子探测器（如CCD相机，条纹相机）记录情况。因为椭圆弯晶远离靶点（光源），可避免激光打靶碎片溅射对晶体会造成损伤以及韧致辐射背景和光源空间尺寸对诊断有用信息的影响。
本实施例中靶室中目标靶球的位置和靶室法兰窗口的位置均为固定位置，距离为定值，即靶室中心（光源）和靶室外侧面间距为860mm。
实施例2的实验结果如图6和图7所示，图6是本发明实施例2中CCD记录的铝离子谱线原始光谱图；图7为图6铝离子谱线轮廓分布图。
本实施例中第一台平行光管和第二台平行光管均可以采用经纬仪代替。
Claims (2)
1.一种椭圆弯晶谱仪的离线精密装调及在线精确复位准直的方法，其特征在于，该方法包括椭圆弯晶谱仪的离线精密装调和椭圆弯晶谱仪在线精确复位准直：
所述椭圆弯晶谱仪的离线精密装调包括以下步骤：
第一步，建立坐标系OXYZ，
第二步，在椭圆弯晶盒体（1）的内部下方固定设置三维调节装置（2），所述三维调节装置（2）包括Y向平动调节机构（3）、Z向平动调节机构（4）和X向一维转动调节机构，所述X向一维转动调节机构包括设置在三维调节装置（2）上的调节环（5），所述调节环（5）上设有调节螺杆（6）和弹簧（7），在调节环（5）上固定设置椭圆弯晶（8），所述椭圆弯晶盒体（1）的前端面和后端面上分别设有左定位孔（9）和右定位孔（10），所述椭圆弯晶盒体（1）的顶部开设有探测窗口（11），
第三步，建立长轴线在y轴向的椭圆标准方程：，椭圆两个焦点分别为椭圆弯晶（8）的前焦点F1和后焦点F2，在前焦点F1上设置点光源（12），利用第一台平行光管（13）建立装调时观察***的基准线ab，并借助于激光测距仪确定后焦点F2的位置，然后，目视将椭圆弯晶盒体（1）中的探测窗口（11）中心位置放在后焦点F2附近，通过调节椭圆弯晶盒体（1），使点光源（12）、左定位孔（9）和右定位孔（10）的两孔径中心，以及焦点F2均处在基准线ab上，
第四步，通过Y向平动调节机构（3）实现椭圆弯晶（8）在Y向平移，直到使在椭圆弯晶（8）侧向壁的细直刻度线与后焦点F2对齐，
第五步，在前焦点F1位置搁上扩束光纤灯，在后焦点F2上放置毛玻璃片，开启扩束光纤灯，通过Z向平动调节机构（4）实现椭圆弯晶（8）Z向平移，通过调节螺杆（6）和弹簧（7）使椭圆弯晶（8）在X向一维转动，当椭圆弯晶处于调整好时，在毛玻璃片上观察到有细直线像，而且其线宽应小于500μm，最后锁死三维调节装置的调节维机构，完成椭圆弯晶谱仪的离线精密装调；
所述椭圆弯晶谱仪在线精确复位准直包括以下步骤：
步骤（1），将离线精密装调好的椭圆弯晶盒体（1）置于靶室（14）中的五维调节架（15）上，所述五维调节架（15）固定在靶室法兰窗口（16）的连接支杆（18）上，以所述第一步中的OXYZ为坐标系，所述靶室（14）中目标靶球的位置为椭圆弯晶的前焦点F1，靶室法兰窗口（16），以前焦点F1、靶室法兰窗口（16）中心的连线作为建立在y轴上的椭圆标准方程长轴线，
步骤（2），利用椭圆弯晶前焦点F1、靶室法兰窗口（16）中心，利用第二台平行光管（17）搭建椭圆弯晶谱仪的在线精确复位准直基线cd，由于第二台平行光管（17）视场具有一定范围，将第二台平行光管（17）视场中的十字刻线交点调至在基线cd上，通过五维调节架（15）对椭圆弯晶盒体（1）的俯角、仰角、摆角，以及Y、Z向平移进行调整，使左定位孔（9）和右定位孔（10）两孔径中心与第二台平行光管（17）视场中的十字刻线交点重合，再通过五维调节架（15）在Y轴方向的平移使椭圆弯晶的后向焦点满足F2的坐标值要求，最后锁死五维调节架的调节维机构，
步骤（3），在探测窗口（11）上搁置探测器记录***，由于探测窗口（11）在Y轴向有一定的移动范围，沿Y轴方向移动探测器，直至当布拉格衍射角 =450时经椭圆弯晶衍射的光线落在探测器记录面中心。
2.根据权利要求1所述的椭圆弯晶谱仪的离线精密装调及在线精确复位准直的方法，其特征在于，所述点光源（12）经离线精密装调后，点光源（12）光辐照在椭圆弯晶（8）上，经该椭圆弯晶（8）的所有衍射光束都汇聚在后焦点F2上，所述布拉格衍射角为：22°≤θ≤60°。
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