CN117870867A - 全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪及成像光谱方法 - Google Patents
全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪及成像光谱方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117870867A CN117870867A CN202410090636.3A CN202410090636A CN117870867A CN 117870867 A CN117870867 A CN 117870867A CN 202410090636 A CN202410090636 A CN 202410090636A CN 117870867 A CN117870867 A CN 117870867A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- slit
- solar
- main mirror
- global
- extreme ultraviolet
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 59
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 36
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 10
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims description 9
- 238000000701 chemical imaging Methods 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 18
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 3
- 241001354471 Pseudobahia Species 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 2
- 238000011045 prefiltration Methods 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102100025490 Slit homolog 1 protein Human genes 0.000 description 1
- 101710123186 Slit homolog 1 protein Proteins 0.000 description 1
- 102100027340 Slit homolog 2 protein Human genes 0.000 description 1
- 101710133576 Slit homolog 2 protein Proteins 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 229940028444 muse Drugs 0.000 description 1
- GMVPRGQOIOIIMI-DWKJAMRDSA-N prostaglandin E1 Chemical compound CCCCC[C@H](O)\C=C\[C@H]1[C@H](O)CC(=O)[C@@H]1CCCCCCC(O)=O GMVPRGQOIOIIMI-DWKJAMRDSA-N 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
Abstract
本发明涉及光谱仪技术领域，提供了一种全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪及成像光谱方法，所述光谱仪包括前置滤光片，主镜，狭缝组件，凹面光栅以及探测器；前置滤光片位于最前端，用于滤除可见光和红外光；主镜用于接收太阳极紫外光束并实现极紫外光束的反射聚焦；狭缝组件位于主镜的焦面位置，由多条等间隔的狭缝组成；凹面光栅用于接收来自于狭缝组件的光束，实现色散分光及不同波长光束的重新聚焦；探测器用于实现不同视场、不同波长的光束的同时接收记录。本发明可以快速探测太阳高层大气瞬时爆发活动（耀斑、日冕物质抛射）的辐射、密度、速度等物理参数两维分布及其时间演化，对太阳物理研究和空间天气监测预报具有重要价值。
Description
技术领域
本发明涉及光谱仪技术领域，特别涉及一种全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪及成像光谱方法。
背景技术
日冕物质抛射(CME)和耀斑等剧烈太阳活动是太阳高层大气中最重要的瞬时爆发现象，也是灾害性空间天气事件的源头。太阳爆发机理、太阳爆发事件的源头特性及行星际传播过程等不仅是太阳物理和空间物理重大科学难题，也是空间天气预报精度提升的基础。
上述科学和应用难题的解决离不开先进探测设备。日冕层温度从几万度上升到两千万度，其中等离子体发射线覆盖极紫外波段（λ= 10-120 nm）。以CME为例，爆发持续时间数十分钟，CME起源与初始传播规律的探测研究需要快速获得日冕光谱信息随空间和时间的演化，对应成像光谱探测的时间分辨率需要达到分钟量级，才能比较完整、精确地对其演变过程进行探究。从空间天气监测角度，需要全日面视场进而监测到日盘不同位置的爆发现象。
目前日冕层成像光谱信息通过极紫外成像光谱仪观测获得，主要有四种探测方案：第一种是单狭缝扫描成像光谱仪，如HINODE 卫星携带的极紫外成像光谱仪（EUVImaging Spectrometer，EIS），该结构由主镜、狭缝、凹面光栅和探测器组成，单狭缝成像光谱观测的曝光时间约30 s，二维视场狭缝扫描在小时量级，时间分辨率太差无法对CME的演变过程进行完整的探究；此外，狭缝视场没有覆盖全日面，难以诊断日盘不同位置同时发生的活动现象；第二种是无狭缝成像光谱探测方案，如2006年美国的探空火箭多级太阳极紫外光谱仪（Multi-Order Solar EUV Spectrograph，MOSES），该结构采用仅由一面凹面光栅和探测器组成的沃茨沃尔（Wartworth）光谱成像***，同时记录0级宽带像和±1级色散后的混合谱像图，该方案极大的提升了时间分辨率，但是谱像混合严重，少数衍射级次信息，出现病态反演；第三种是单狭缝快速扫描成像光谱仪，2016年美国的探空火箭快速成像光谱装置（RapidAcquisition Imaging Spectrograph Experiment，RAISE），该方案选择远紫外最强辐射线Ly α 121.6nm，大口径主镜（200 mm）增加有效面积，高帧频CMOS，缩短单次曝光时间(几十毫秒)，实现单狭缝快速扫描，但是该方案无法快速探测辐射较弱的日冕谱线，较大观测视场仍需要数小时扫描时间；第四种是多狭缝快速扫描成像光谱探测方案，如2019年美国工程立项的多缝极紫外光谱仪（ Multi-slit Approach to CoronalSpectroscopywith the Multi-slit Solar Explorer，MUSE），该方案拟采用37条狭缝快速扫描，针对非常小的观测视场 (170’’ ×170’’)，同时选择独立的谱线，减小谱像混合；当观测视场较大且不是独立谱线时，密集的多条狭缝会使得相邻狭缝的谱线重叠范围增大，出现严重的谱像混叠，物理参数反演精度极大降低，因此该不适合探测CME等大尺度爆发事件。
可以看出，现有的探测方案中：第一种方案单狭缝扫描大视场需要较多时间；第二种方案谱像混叠严重，病态反演；第三种方案不适用辐射较弱的区域；第四种方案只适用于独立谱线，光谱范围增大时，狭缝数量太多，会导致相邻狭缝的光谱重叠范围变大，需要注意的是第四种方案可行性没有得到实验验证。
目前还缺少一种创新的探测方案，同时兼顾大视场（全球尺度），一定光谱范围且包含多条谱线，高时间分辨率，成像和光谱信息精确探测。
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪及成像光谱方法，通过在主镜焦面处放置多条狭缝组件，可以同时获得不同区域的全日面线源辐射，通过凹面光栅进行色散使得不同波长的光束得以分离并重新聚焦在探测器不同位置，通过主镜和光栅多层膜堆获得超窄带光谱辐射，以此同时获得多个区域的、纯净的日冕成像光谱信息，随着主镜快速视场扫描，全日面不同位置的空间结构信息和光谱信息被依次记录，通过数据拼接获得二维全日面空间信息和一维光谱信息。通过选择合适目标谱线，设置合适的狭缝数量，配置高量子效率和快速读出探测器，并优化整体结构参数，时间分辨率成倍提升，观测视场覆盖全日面，同时避免谱像混叠现象，实现全球极紫外成像光谱信息的快速探测。
本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪，依次包括前置滤光片，主镜，狭缝组件，凹面光栅以及探测器；
所述前置滤光片，位于最前端，用于滤除可见光和红外光；
所述主镜，位于所述前置滤光片的后端，用于接收太阳极紫外光束，并实现所述极紫外光束的反射聚焦；所述主镜的基底上设置多层膜堆；
所述狭缝组件，位于所述主镜的焦面位置，由多条等间隔的狭缝组成；所述狭缝的数量及间隔设置使得相邻狭缝的谱线不出现混叠；
所述凹面光栅，用于接收来自于所述狭缝组件的光束，实现色散分光及不同波长光束的重新聚焦；所述凹面光栅的基底上设置多层膜堆；
所述探测器，用于实现不同视场、不同波长的光束的同时接收记录。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述主镜为离轴抛物面反射镜，口径D = 100 –200 mm，曲率半径R = 1000–3000 mm，所述离轴抛物面反射镜基底上设置多层膜堆。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述凹面光栅为矩形槽形，口径D2=50–100mm，曲率半径R2=500–3000mm，光栅周期p=200–1000nm，占空比Г =0.4–0.6，所述凹面光栅基底上设置多层膜堆。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述多层膜堆由高原子序数、低原子序数的两种或多种材料周期***替组成，每个周期的厚度d = 5 nm–50nm，多层膜周期数N = 10–40；所述高原子序数材料包括Al、Zr、Mg、Mo、和Sc；所述低原子序数材料包括B4C、Si和SiC。
多层膜堆的优化规则：在观测波段提升效率，同时减小旁带，减弱多余辐射带来的
混叠。本申请经过大量实验，得到客观有效的评价标准：1，尽可能提升观测波段的反射率，
观测波段的反射率平均值>30%；2，反射率曲线的半高全宽ΔλMLs尽可能和观测波段Δλ
接近，两者差值的绝对值|Δλ-ΔλMLs|<0.5，实验证明，满足该标准的多层膜堆可达到较好
的实际效果。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述主镜后面连接压电传动装置，利用主镜对垂直狭缝方向太阳视场的特定间隔、快速扫描，扫描步进间隔δ=1’’–6’’，每次扫描之后，等待探测器曝光并记录。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述狭缝组件是在金属薄片上等间隔的开通狭缝，狭缝宽度a = 0.010–0.100 mm，狭缝长度b=3–20 mm，狭缝数量n=2–10，将整个日冕均分为n个区域；相邻狭缝间隔B=R tan(Ф)/2(n-1)，其中Ф为太阳全球观测视场，R为主镜曲率半径；狭缝数量n满足关系式：dλ = F×tan (Ф/n) ×σ >Δλ；dλ为相邻狭缝的光谱间距，F为光学***的有效焦距，σ为倒数线性色散，Δλ为观测波段范围大小。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述探测器为背照式sCMOS科学级相机或快速读出CCD相机，面阵规模2k × 2k，帧频大于每秒10帧，单帧读出时间与视场扫描结构响应时间相近，进而提高扫描效率，也就是时间分辨率，曝光时间t =0.1 s – 2 s；由此可知所述全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪的时间分辨率T = t×(Ф/(n-1)/δ)，Ф为太阳全球观测视场，δ为扫描步进间隔。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述太阳全球观测视场Ф为40’，观测波段λ=10–120 nm。
另一方面，本发明还提供了一种全球快速扫描极紫外太阳成像光谱的方法，所述方法使用了上述的全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪，所述方法包括：
S1、根据太阳全球观测视场Ф及观测波段λ确定所述光谱仪的参数；
S2、所述光谱仪的主镜位于起始位置，太阳光经前置滤光片后，滤除可见光和红外光；主镜接收通过前置滤光片过滤的太阳极紫外光束，并实现极紫外光束的反射聚焦；聚焦后的极紫外光束通过位于主镜焦面处的狭缝组件，得到不同视场的多个线光束；凹面光栅接收通过狭缝组件的多个线光束，实现色散分光及不同视场、不同波长光束的重新聚焦；探测器对不同视场、不同波长光束同时接收记录；
S3、主镜旋转一个步进间隔，重复步骤S2，探测器再次记录不同视场、不同波长的光束；随着主镜快速扫描旋转，全日面不同位置的空间结构信息和光谱信息被依次记录；
S4、分别对不同视场、不同波长的光斑进行统计并进行空间分辨率和光谱分辨率计算。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1中，所述光谱仪的参数包括：主镜口径、主镜曲率半径、凹面光栅口径、凹面光栅曲率半径、光栅周期、光栅占空比、多层膜堆材料及周期厚度、狭缝组件的狭缝数量、狭缝宽度、狭缝长度、主镜扫描步进间隔。
本发明的有益效果为：
1、目前已有的单狭缝成像光谱探测方案探测较大视场时需要较长的扫描时间；已有的多狭缝成像光谱探测方案密集地设置多条狭缝，当观测视场较大且不是独立谱线时相邻狭缝的谱线重叠范围增大，因此不能兼顾大视场探测和高时间分辨率。本发明通过合理设置狭缝数量和间隔，大幅减弱相邻狭缝的谱线重叠程度，保证探测精度，同时分别记录不同区域的太阳辐射信息，使得全日面探测的时间分辨率成倍提升。
2、相对于无狭缝成像光谱探测方案，本发明通过优化狭缝数量，优化整体结构参数，有效减弱谱像混叠效应，获得高质量的空间结构和光谱信息，满足CME随时间演化的精确探测。
3、本发明利用多条狭缝同时对不同区域的太阳进行成像和光谱信息探测，克服了单狭缝扫描全日面太阳视场时间过长的缺点，成倍的提高面源成像光谱仪的时间分辨率；利用多层膜堆实现窄带滤光，进而大大减少不同视场光谱和狭缝像混叠对反演物理参数的影响。本发明可以快速探测太阳高层大气瞬时爆发活动（耀斑、日冕物质抛射）的辐射、密度、速度等物理参数两维分布及其时间演化，对太阳物理研究和空间天气监测预报具有重要价值。
附图说明
图1所示为本发明实施例一种全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪的结构示意图。
图2中（a）所示为实施例中ZEMAX软件光线追迹获得不同狭缝视场的不同波长在探测器的光斑位置分布结果；图2(a)中狭缝1-5对应的太阳视场依次为-20’，-10’，0’，10’，20’，计算的波长依次为18.3 nm，19.0 nm，19.8 nm。
图2中（b）所示为实施例中多层膜设计优化实现该成像光谱仪窄带有效面积曲线，多层膜设计的中心波长为19 nm, 计算的波长范围为17 nm – 21 nm，同时展示每条狭缝在探测器表面的有效面积分布；有效面积 =主镜集光面积×滤光片透过率×主镜多层膜反射率×多层膜光栅衍射效率×探测器量子效率。
图3中（a）所示为实施例中不同狭缝视场的在色散方向（Y方向）的空间分辨率统计结果。
图3中（b）所示为实施例中不同狭缝视场的在色散方向（Y方向）的光谱分辨率统计结果。
图中：1-前置滤光片，2-主镜，3-狭缝组件，4-凹面光栅，5-探测器。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。
针对现有技术的缺陷，本发明通过以下两种方式来克服已有方案的不足：
1.通过光学***设计来调控不同狭缝的光谱分布，合理设置狭缝数量，使得相邻狭缝的光谱信息分别记录在探测器不同位置，避免重叠；相邻狭缝的光谱间距dλ取决于光学***的有效焦距F、观测视场Ф、狭缝数量n和倒数线性色散σ，关系如下：
dλ = F×tan (Ф/n) ×σ >Δλ。
当相邻狭缝的光谱间距dλ大于观测波段范围Δλ时，相邻狭缝之间光谱没有重叠；同时扫描时间相对于单狭缝方案提升n倍。
2. 通过多层膜结构参数设计来限制有效光谱范围，选择合适的材料，优化结构参数，使得多层膜反射率曲线在观测波段尽可能提高，同时尽可能减小旁带，消弱其他波段的光谱辐射进入探测器。本发明将多层膜反射率曲线的半高全宽ΔλMLs作为约束条件，使得ΔλMLs尽可能接近观测波段范围大小Δλ。
如图1所示，本发明实施例一种全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪，依次包括前置滤光片1，主镜2，狭缝组件3，凹面光栅4以及探测器5；
所述前置滤光片1，位于最前端，用于滤除可见光和红外光；
所述主镜2，位于所述前置滤光片1的后端，用于接收太阳极紫外光束，并实现所述极紫外光束的反射聚焦；所述主镜2的基底上设置多层膜堆；
所述狭缝组件3，位于所述主镜2的焦面位置，由多条等间隔的狭缝组成；所述狭缝的数量及间隔设置使得相邻狭缝的谱线不出现混叠；
所述凹面光栅4，用于接收来自于所述狭缝组件3的光束，实现色散分光及不同波长光束的重新聚焦；所述凹面光栅4的基底上设置多层膜堆；
所述探测器5，用于实现不同视场、不同波长的光束的同时接收记录。
在一个具体实施例中，所述主镜2为离轴抛物面反射镜，口径D = 100 –200 mm，曲率半径R = 1000–3000 mm，所述离轴抛物面反射镜基底上设置多层膜堆。
在一个具体实施例中，所述凹面光栅4为矩形槽形，口径D2=50–100mm，曲率半径R2=500–3000mm，光栅周期p=200–1000nm，占空比Г = 0.4–0.6，所述凹面光栅4基底上设置多层膜堆。
在一个具体实施例中，所述多层膜堆由高原子序数、低原子序数的两种或多种材料周期***替组成，每个周期的厚度d = 5 nm–50 nm，多层膜周期数N = 10–40；所述高原子序数材料包括Al、Zr、Mg、Mo、和Sc；所述低原子序数材料包括B4C、Si和SiC。
在一个具体实施例中，所述多层膜堆观测波段的反射率平均值>30%，所述多层
膜堆的反射率曲线的半高全宽ΔλMLs与观测波段Δλ差值的绝对值|Δλ-ΔλMLs|<0.5。
在一个具体实施例中，所述主镜2后面连接压电传动装置，利用主镜2对垂直狭缝方向太阳视场的特定间隔、快速扫描，扫描步进间隔δ= 1’’–6’’，每次扫描之后，等待探测器5曝光并记录。
在一个具体实施例中，所述狭缝组件3是在金属薄片上等间隔的开通狭缝，狭缝宽度a = 0.010–0.100 mm，狭缝长度b=3–20 mm，狭缝数量n=2–10，相邻狭缝间隔B=R tan(Ф)/2(n-1)，其中Ф为太阳全球观测视场，R为主镜曲率半径；狭缝数量n满足关系式：dλ =F×tan (Ф/n) ×σ >Δλ；dλ为相邻狭缝的光谱间距，F为光学***的有效焦距，σ为倒数线性色散，Δλ为观测波段范围大小。
在一个具体实施例中，所述探测器5为背照式sCMOS科学级相机或快速读出CCD相机，面阵规模2k × 2k，帧频大于每秒10帧，单帧读出时间与视场扫描结构响应时间相近，进而提高扫描效率，也就是时间分辨率，曝光时间t =0.1 s – 2 s；所述全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪的时间分辨率T = t×(Ф/(n-1)/δ)，Ф为太阳全球观测视场，δ为扫描步进间隔。
在一个具体实施例中，所述太阳全球观测视场Ф为40’，观测波段λ=10–120 nm。
本发明实施例一种全球快速扫描极紫外太阳成像光谱的方法，使用了上述的全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪，所述方法包括：
S1、根据太阳全球观测视场Ф及观测波段λ确定所述光谱仪的参数；
S2、所述光谱仪的主镜2位于起始位置，太阳光经前置滤光片1后，滤除可见光和红外光；主镜2接收通过前置滤光片1过滤的太阳极紫外光束，并实现极紫外光束的反射聚焦；聚焦后的极紫外光束通过位于主镜2焦面处的狭缝组件3，得到不同视场的多个线光束；凹面光栅4接收通过狭缝组件3的多个线光束，实现色散分光及不同视场、不同波长光束的重新聚焦；探测器5对不同视场、不同波长光束同时接收记录；
S3、主镜2旋转一个步进间隔，重复步骤S2，探测器5再次记录不同视场、不同波长的光束；随着主镜2快速扫描旋转，全日面不同位置的空间结构信息和光谱信息被依次记录；
S4、分别对不同视场、不同波长的光斑进行统计并进行空间分辨率和光谱分辨率计算。
在一个具体实施例中，步骤S1中，所述光谱仪的参数包括：主镜口径、主镜曲率半径、凹面光栅口径、凹面光栅曲率半径、光栅周期、光栅占空比、多层膜堆材料及周期厚度、狭缝组件的狭缝数量、狭缝宽度、狭缝长度、主镜扫描步进间隔。
实施例
本实施例针对18.3nm–19.8nm波段设计全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪结构，具体设计方法包括以下步骤：
1）设定太阳全球观测视场Ф为40’，观测波段λ=18.3nm–19.8nm。
2）主镜2为离轴抛物面反射镜，口径D=150mm，曲率半径R=1800mm；
3）凹面光栅4为矩形槽形，口径D2=70mm，曲率半径R2=605.8 mm，光栅周期为p=278.16 nm，占空比为Г=0.5；
4）针对18.3nm–19.8nm波段和应用工作角度，选用Al/Zr为多层膜材料组合，依据前述多层膜优化准则，确定对应入射波长和角度的平面多层膜参数，其多层膜周期厚度d为10nm，考虑应力和反射率的平衡，确定多层膜每个周期内吸收层厚度比0.5，饱和膜对数N为20；
5）狭缝数量n=5，根据公式狭缝间隔B=R tan(Ф)/2(n-1)可得，相邻狭缝间隔为2.62mm，狭缝宽度a=0.015mm，狭缝长度b=15mm；五条狭缝位置分别对应太阳观测视场为：-20’，-10’，0’，10’，20’。
6）通过ZEMAX软件进行光线追迹，可以获得不同狭缝视场的不同波长在探测器的
光斑位置分布，如图2(a)所示，每条狭缝中心波长为19.0nm，18.3nm–19.8nm的光斑依次分
开，同时可以看到相邻狭缝的光斑分布没有混叠，如狭缝1中19.8nm的光斑和狭缝2中
18.3nm的光斑没有重叠。利用严格耦合波理论设计多层膜结构，实现观测波段的反射率平
均值约为42%，效率曲线的半高全宽ΔλMLs和观测波段Δλ差值的绝对值|Δλ-ΔλMLs|约
为0.21；设计的中心波长为19 nm, 计算的波长范围为17 nm – 21 nm；同时计算各光学元
件的效率，获得该成像光谱仪的有效面积（有效面积 =主镜集光面积×滤光片透过率×主
镜多层膜反射率×多层膜光栅衍射效率×探测器量子效率），每条狭缝在探测器表面的有
效面积分布如图2(b)所示，可以看到每条狭缝中心位置（中心波长19 nm）的有效面积最高，
相邻狭缝重叠部分辐射强度几乎为零，不会影响重点观测的谱线。因此该成像光谱仪结构
在多狭缝同时扫描测试过程中可以避免谱像混叠，保证成像和光谱探测纯度。
7）分别对不同视场不同波长的光斑进行统计并进行空间分辨率和光谱分辨率计算，获得该成像光谱仪结构不同视场的光学性能。图3(a)为色散方向不同狭缝视场的空间分辨率统计结果，可以看到整体视场的空间分辨率小于5.5’’，其中-20’–10’的视场范围内的空间分辨率小于4’’。图3(b)为不同狭缝视场的光谱分辨率统计结果，可以看到整体视场的光谱分辨率小于0.015nm，对应的光谱分辨本领则大于1266，进一步的-10’–10’的视场范围内的光谱分辨率小于0.011nm，对应的光谱分辨本领则大于1727。因此该极紫外成像光谱仪可以获得高质量的成像和光谱信息。
8）狭缝宽度对应的视场约为4’’，因此设定主镜快速扫描步进δ=4’’，每次旋转之后，等待探测器曝光并记录；探测器为可以快速读出的硅基sCMOS，采用背照式方式以获得更高量子效率，面阵规模2k × 2k；曝光时间t=2s，读出和视场扫描机构响应时间记为0.5s，根据公式T=t×(Ф/(n-1)/δ)，可知该太阳全球快速扫描极紫外成像光谱仪的时间分辨率T为330s。如果选择更强的目标谱线，相应曝光时间缩短，时间分辨率更高。因此该极紫外成像光谱仪结构在全日面尺度日冕层探测的时间分辨率远高于相比目前已有探测方案。
本发明利用多条狭缝同时对不同区域的太阳进行成像和光谱信息探测，克服了单狭缝扫描全日面太阳视场时间过长的缺点，成倍的提高面源成像光谱仪的时间分辨率；利用多层膜堆实现窄带滤光，进而大大减少不同视场光谱和狭缝像混叠对反演物理参数的影响。本发明可以快速探测太阳高层大气瞬时爆发活动（耀斑、日冕物质抛射）的辐射、密度、速度等物理参数两维分布及其时间演化，对太阳物理研究和空间天气监测预报具有重要价值。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
Claims (10)
1.一种全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪，其特征在于，所述光谱仪依次包括前置滤光片，主镜，狭缝组件，凹面光栅以及探测器；
所述前置滤光片，位于最前端，用于滤除可见光和红外光；
所述主镜，位于所述前置滤光片的后端，用于接收太阳极紫外光束，并实现所述极紫外光束的反射聚焦；所述主镜的基底上设置多层膜堆；
所述狭缝组件，位于所述主镜的焦面位置，由多条等间隔的狭缝组成；所述狭缝的数量及间隔设置使得相邻狭缝的谱线不出现混叠；
所述凹面光栅，用于接收来自于所述狭缝组件的光束，实现色散分光及不同波长光束的重新聚焦；所述凹面光栅的基底上设置多层膜堆；
所述探测器，用于实现不同视场、不同波长的光束的同时接收记录。
2.如权利要求1所述的全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪，其特征在于，所述主镜为离轴抛物面反射镜，口径D = 100 –200 mm，曲率半径R = 1000–3000 mm，所述离轴抛物面反射镜基底上设置多层膜堆。
3.如权利要求1所述的全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪，其特征在于，所述凹面光栅为矩形槽形，口径D2=50–100mm，曲率半径R2=500–3000mm，光栅周期p=200–1000nm，占空比Г = 0.4–0.6。
4.如权利要求2或3所述的全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪，其特征在于，所述多层膜堆由高原子序数、低原子序数的两种或多种材料周期***替组成，每个周期的厚度d =5 nm–50 nm，多层膜周期数N = 10–40；所述高原子序数材料包括Al、Zr、Mg、Mo、和Sc；所述低原子序数材料包括B4C、Si和SiC；所述多层膜堆观测波段的反射率平均值>30%，所述多层膜堆的反射率曲线的半高全宽ΔλMLs与观测波段Δλ差值的绝对值|Δλ-ΔλMLs|<0.5。
5.如权利要求1所述的全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪，其特征在于，所述主镜后面连接压电传动装置，利用主镜对垂直狭缝方向太阳视场的特定间隔、快速扫描，扫描步进间隔δ= 1’’–6’’，每次扫描之后，等待探测器曝光并记录。
6.如权利要求1所述的全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪，其特征在于，所述狭缝组件是在金属薄片上等间隔的开通狭缝，狭缝宽度a = 0.010–0.100 mm，狭缝长度b=3–20mm，狭缝数量n=2–10，相邻狭缝间隔B=R tan(Ф)/2(n-1)，其中Ф为太阳全球观测视场，R为主镜曲率半径；狭缝数量n满足关系式：dλ = F×tan (Ф/n) ×σ >Δλ；dλ为相邻狭缝的光谱间距，F为光学***的有效焦距，σ为倒数线性色散，Δλ为观测波段范围大小。
7.如权利要求1所述的全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪，其特征在于，所述探测器为背照式sCMOS科学级相机或快速读出CCD相机，面阵规模2k × 2k，帧频大于每秒10帧，单帧读出时间与视场扫描结构响应时间相近，进而提高扫描效率，也就是时间分辨率，曝光时间t =0.1 s – 2 s；所述全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪的时间分辨率T = t×(Ф/(n-1)/δ)，Ф为太阳全球观测视场，δ为扫描步进间隔。
8.如权利要求6所述的全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪，其特征在于，所述太阳全球观测视场Ф为40’，观测波段λ=10–120 nm。
9.一种全球快速扫描极紫外太阳成像光谱的方法，其特征在于，所述方法使用了如权利要求1-8任一项所述的全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪，所述方法包括：
S1、根据太阳全球观测视场Ф及观测波段λ确定所述光谱仪的参数；
S2、所述光谱仪的主镜位于起始位置，太阳光经前置滤光片后，滤除可见光和红外光；主镜接收通过前置滤光片过滤的太阳极紫外光束，并实现极紫外光束的反射聚焦；聚焦后的极紫外光束通过位于主镜焦面处的狭缝组件，得到不同视场的多个线光束；凹面光栅接收通过狭缝组件的多个线光束，实现色散分光及不同视场、不同波长光束的重新聚焦；探测器对不同视场、不同波长光束同时接收记录；
S3、主镜旋转一个步进间隔，重复步骤S2，探测器再次记录不同视场、不同波长的光束；随着主镜快速扫描旋转，全日面不同位置的空间结构信息和光谱信息被依次记录；
S4、分别对不同视场、不同波长的光斑进行统计并进行空间分辨率和光谱分辨率计算。
10.如权利要求9所述的全球快速扫描极紫外太阳成像光谱的方法，其特征在于，步骤S1中，所述光谱仪的参数包括：主镜口径、主镜曲率半径、凹面光栅口径、凹面光栅曲率半径、光栅周期、光栅占空比、多层膜堆材料及周期厚度、狭缝组件的狭缝数量、狭缝宽度、狭缝长度、主镜扫描步进间隔。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410090636.3A CN117870867A (zh) | 2024-01-23 | 2024-01-23 | 全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪及成像光谱方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410090636.3A CN117870867A (zh) | 2024-01-23 | 2024-01-23 | 全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪及成像光谱方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117870867A true CN117870867A (zh) | 2024-04-12 |
Family
ID=90577220
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410090636.3A Pending CN117870867A (zh) | 2024-01-23 | 2024-01-23 | 全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪及成像光谱方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117870867A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9416223D0 (en) * | 1994-08-11 | 1994-10-05 | Ridyard Andrew W | Radiation detector |
| CN101963529A (zh) * | 2010-09-03 | 2011-02-02 | 北京理工大学 | 极远紫外扫描成像光谱仪 |
| CN108680253A (zh) * | 2018-04-11 | 2018-10-19 | 北京卫星环境工程研究所 | 全日面多级太阳极紫外光谱成像方法 |
| CN112945380A (zh) * | 2019-11-26 | 2021-06-11 | 中国科学院国家空间科学中心 | 一种紧凑型高分辨率宽波段紫外光谱仪 |
| CN113405657A (zh) * | 2021-05-11 | 2021-09-17 | 中国科学院云南天文台 | 一种高采样效率积分视场光谱仪光学***及其设计方法 |
| CN116793492A (zh) * | 2023-05-29 | 2023-09-22 | 北京理工大学 | 具有二维色散的太阳极紫外三级次无狭缝成像光谱仪 |
-
2024
- 2024-01-23 CN CN202410090636.3A patent/CN117870867A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9416223D0 (en) * | 1994-08-11 | 1994-10-05 | Ridyard Andrew W | Radiation detector |
| CN101963529A (zh) * | 2010-09-03 | 2011-02-02 | 北京理工大学 | 极远紫外扫描成像光谱仪 |
| CN108680253A (zh) * | 2018-04-11 | 2018-10-19 | 北京卫星环境工程研究所 | 全日面多级太阳极紫外光谱成像方法 |
| CN112945380A (zh) * | 2019-11-26 | 2021-06-11 | 中国科学院国家空间科学中心 | 一种紧凑型高分辨率宽波段紫外光谱仪 |
| CN113405657A (zh) * | 2021-05-11 | 2021-09-17 | 中国科学院云南天文台 | 一种高采样效率积分视场光谱仪光学***及其设计方法 |
| CN116793492A (zh) * | 2023-05-29 | 2023-09-22 | 北京理工大学 | 具有二维色散的太阳极紫外三级次无狭缝成像光谱仪 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 刘壮;巩岩;: "太阳极紫外成像光谱仪光学***设计", 光谱学与光谱分析, vol. 32, no. 3, 31 March 2012 (2012-03-31), pages 834 - 838 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kunze | Introduction to plasma spectroscopy | |
| Den Herder et al. | The reflection grating spectrometer on board XMM-Newton | |
| Mende et al. | Far ultraviolet imaging from the Image Spacecraft. 3. Spectral Imaging of Lyman-∝ and OI 135.6 nm | |
| Arnaud et al. | Handbook of X-ray Astronomy | |
| US6522403B2 (en) | Computed tomography imaging spectrometer (CTIS) with 2D reflective grating for ultraviolet to long-wave infrared detection especially useful for surveying transient events | |
| JP2020521971A (ja) | 高効率多重化 | |
| US8743457B2 (en) | Astrometry and photometry with coronagraphs | |
| Dinh et al. | Evaluation of a flat-field grazing incidence spectrometer for highly charged ion plasma emission in soft x-ray spectral region from 1 to 10 nm | |
| Brown et al. | Wavelengths and intensities of spectral lines in the 171-211 and 245-291 Å ranges from five solar regions recorded by the extreme-ultraviolet imaging spectrometer (EIS) on Hinode | |
| Goto et al. | Passive Spectroscopy in Visible, VUV, and X-Ray Ranges for LHD Diagnostics | |
| WO1996026418A1 (en) | Method and apparatus for providing astigmatism-reduced images with spectroscopic instruments | |
| CN117870867A (zh) | 全球快速扫描极紫外太阳成像光谱仪及成像光谱方法 | |
| Koike et al. | Performance of laminar-type holographic grating for a soft x-ray flat-field spectrograph in the 0.7–6 nm region | |
| Yamaguchi et al. | Space‐resolving flat‐field vacuum ultraviolet spectrograph for plasma diagnostics | |
| Sagar | Importance of small and moderate size optical telescopes | |
| De Oliveira et al. | The brazilian tunable filter imager for the soar telescope | |
| Fabricius et al. | VIRUS-W: an integral field unit spectrograph dedicated to the study of spiral galaxy bulges | |
| Gorbunov et al. | Hyperspectral apparatus for remote probing of the earth | |
| Sims et al. | Simultaneous multielement atomic-emission spectrometry with a charge-injection device detector | |
| Volin et al. | Midwave-infrared snapshot imaging spectrometer | |
| McCandliss et al. | Long-slit imaging dual-order spectrograph: LIDOS | |
| Zhitnik et al. | Extreme vacuum ultraviolet solar spectra obtained during the SPIRIT experiment aboard CORONAS-F: a catalog of lines in the range 280–330 Å | |
| Oakley et al. | Results from the Extended X-ray Off-plane Spectrometer (EXOS) sounding rocket payload | |
| Krabbe et al. | 3D: a new generation imaging spectrometer | |
| Van Gorp et al. | Polarization and stray light considerations for the Portable Remote Imaging Spectrometer (PRISM) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |