一種變包含角單色器的光譜標定方法
2023-06-03 22:17:26
專利名稱：一種變包含角單色器的光譜標定方法
技術領域：
本發明涉及變包含角單色器技術領域，尤其涉及一種變包含角單色器的光譜標定方法。
背景技術：
單色器是一種能夠將光源發出的光分離為所需單色光的光學器件，其中，變包含角單色器能夠在較寬的工作能量範圍下較好的滿足聚焦條件，因此在大型科學工程(如大型同步輻射光束線分光系統)中獲得日益廣泛的應用。
如圖1所示，對變包含角單色器的原理和結構加以簡要介紹該變包含角單色器由入光狹縫S1、球面鏡SM、平面鏡PM、變線距光柵VSPG和出光狹縫S2組成；其中，球面鏡SM用於單色器內部的聚焦；平面鏡PM置於光柵之前，通過轉動平面鏡PM來改變光柵的包含角，使光柵可以工作在較寬的能量範圍；變線距光柵VSPG作為變包含角單色器的關鍵元件，具有色散特性、消相差和自聚焦功能。上述變包含角單色器的具體工作原理請參見文獻「Design of a variable-included-angle Monk±Gillieson monochromator withvaried-line-spacing gratings，J.Synchrotron Rad.(2004).11，171-176」。
對於某一單色光，隨著變包含角單色器中包含角的變化，相應存在很多組能夠滿足光分離條件的匹配關係；在多組匹配關係中，存在最佳的匹配關係，能夠達到像差最小，聚焦最好，以及變包含角單色器的單色性最好。為了尋找這一最佳的匹配關係，需要進行變包含角單色器的光譜定標。
但是，作為建造上述變包含角單色器的關鍵技術，現有的變包含角單色器光譜標定方法(即現有的尋找最佳匹配關係的方法)卻並不盡如人意，主要有以下兩種方案 (1)高精度雷射幹涉儀標定方法；由於雷射幹涉儀具有使用條件苛刻、操作複雜等缺點，因此僅能進行離線標定，安裝之後精度較差，存在實際定位能點漂移等缺陷； (2)自準直平臺標定方法，請參見申請號為CN200610017219.8的中國發明專利申請「一種變包含角單色器光譜調諧角度標定的方法」，其能夠實現現場對於單色器調諧角度的精確標定； 本領域技術人員可以了解，該自準直平臺標定方案僅針對變包含角單色器光譜的局部標定，即工程技術人員仍需依據經驗計算或者通過實驗來測試所需的轉角度數，再藉助自準直平臺標定該計算或測試獲得的轉角；顯然，該自準直平臺標定方案不但存在前後兩次的累積誤差，而且對於轉角以外的參數，仍是通過離線標定獲得，同樣存在總體標定精度不高，安裝後實際定位能點漂移的缺陷。
發明內容
本發明的實施例旨在克服上述現有技術中所存在的定位精度差的缺陷，提供一種變包含角單色器的光譜標定方法，通過反向測定變包含角單色器參數，實現變包含角單色器的在線光譜標定。
為實現上述目的，本發明的實施例提供了一種變包含角單色器的光譜標定方法，適用於由入光狹縫、球面鏡、平面鏡、變線距光柵以及出光狹縫構成的變包含角單色器；在所述出光狹縫後設置一電離室以採集該電離室中工作氣體的特徵吸收譜； 在選擇一種所述電離室的工作氣體後執行以下步驟 步驟S11固定所述變包含角單色器的包含角，轉動光柵直至所述電離室採集到該工作氣體的指定吸收譜線，記錄相應吸收譜線下所述變包含角單色器的光柵位置x以及所述變包含角單色器對應當前包含角的平面鏡位置y； 步驟S12改變所述變包含角單色器的包含角，重複執行上述步驟S11； 對於上述步驟獲得的數據，執行以下步驟 步驟S21根據光柵和光柵正弦推桿的關係式x＝X0-TX sin(γ+β)，線性擬合光柵打平位置X0和光柵正弦推桿長度TX，根據平面鏡和平面鏡正弦推桿的關係式y＝Y0+TYsin(Θ-γ)，線性擬合平面鏡打平位置Y0和平面鏡正弦推桿長度TY，完成變包含角單色器參數的反向測定；其中，β為衍射角，γ為光柵打平時法線方向和出射光線方向的夾角，2Θ為光柵包含角； 步驟S22對于波長為λ的單色光，根據變線聚光柵聚焦方程和反向測定結果，計算實際的光柵位置x和平面鏡位置y，完成對所述變包含角單色器中波長為λ的單色光光譜的標定。
較佳的，所述電離室為流氣式電離室，腔體內包括加偏壓的偏壓電極筒、收集極以及用於均勻收集極邊緣電場的保護極；所述收集極通過電流表接地，用於測量正比於入射光子能量的電流。
較佳的，所述電離室的入射窗採用玻璃毛細管陣列或者氮化矽窗製成。
較佳的，所述指定吸收譜線包括+1級譜線、0級譜線及-1級譜線。
較佳的，所述步驟S12之後還包括選擇另外一種或多種工作氣體，重新執行步驟S11～S12進行數據採集。
較佳的，所述工作氣體包括氬氣Ar、氮氣N2、氖氣Ne和氪氣Kr。
較佳的，所述步驟S21中線性擬合光柵打平位置X0和光柵正弦推桿長度TX的步驟包括處理獲得的數據得到x與衍射角β的對應關係，繪製x與sin(γ+β)的線性關係圖，得到的斜率為TX，得到的偏差值為X0。
較佳的，所述步驟S21中線性擬合光柵打平位置X0和光柵正弦推桿長度TX的步驟還包括以線性擬合獲得的TX對衍射角β進行修正後重新進行擬合，直至TX和X0的均方差小於預設的閾值。
較佳的，所述步驟S21中線性擬合平面鏡打平位置Y0和平面鏡正弦推桿長度TY的步驟包括處理獲得的數據得到y與包含角Θ的對應關係，繪製y與sin(Θ-γ)的線性關係圖，得到的斜率為TY，得到的偏差值為Y0。
由上述技術方案可知，本發明的實施例利用電離室反向測定變包含角單色器的參數數值，具有以下有益效果 1、實現變包含角單色器光譜的在線整體標定； 2、標定準確，簡單易行。
通過以下參照附圖對優選實施例的說明，本發明的上述以及其它目的、特徵和優點將更加明顯。
圖1為現有技術中變包含角單色器的結構示意圖； 圖2為變包含角單色器中光柵及光柵正弦推桿的關係示意圖； 圖3為本發明提供的變包含角單色器的光譜標定方法一實施例的流程圖； 圖4為自製流氣式電離室的結構示意圖； 圖5為電離室測定的Ar的吸收譜示意圖； 圖6為一光柵數據線性擬合示意圖。
具體實施例方式 下面將詳細描述本發明的具體實施例。應當注意，這裡描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本發明。
本發明的主要構思在於通過在出光狹縫後設置電離室，利用氣體的特徵吸收譜來實現變包含角單色器的整體在線標定；該技術方案適用於由入光狹縫S1、球面鏡SM、平面鏡PM、變線距光柵VSPG以及出光狹縫S2構成的變包含角單色器，步進電機分別控制平面鏡正弦推桿和光柵正弦推桿帶動平面鏡PM和光柵VSPG轉動，利用光柵尺對推桿位置進行讀數； 其中，平面鏡PM和平面鏡正弦推桿、光柵VSPG和光柵正弦推桿都滿足正弦關係；如圖2所示，為變包含角單色器中光柵及光柵正弦推桿的關係示意圖，其中，光柵打平位置為X0，光柵正弦推桿長度為TX，α為入射角，β為衍射角，γ為光柵打平時法線方向和出射光線方向的夾角，2Θ＝α-β為光柵包含角； 則光柵與光柵正弦推桿的關係式為x＝X0-TX sin(γ+β)； 類似的，平面鏡與光柵正弦推桿的關係式為y＝Y0+TY sin(Θ-γ)，其中，平面鏡打平位置為Y0，平面鏡正弦推桿長度為TY； 本領域技術人員可以了解，機械加工和安裝定位並不能夠完全保證成品與設計完全吻合；比如，設計光柵正弦推桿長度TX和平面鏡正弦推桿長度TY分別為500mm時，從機械角度而言，必須容忍其存在2mm的誤差，即ΔTX≤2mm，ΔTY≤2mm； 現有技術中對於變包含角單色器的標定都是從設計參數出發，離線標定或者局部標定，必然導致標定不準確的問題，本發明正是從這一思路著手，首先反向測定變包含角單色器參數，在進行光譜標定。
如圖3所示，示出了本發明提供的變包含角單色器的光譜標定方法一實施例的流程圖。
首先，本發明在入光狹縫S1前設置X光源，在出光狹縫S2後設置一電離室，以利用電離室檢測X光源通過變包含角單色器的光子能量；其中，電離室沿變包含角單色器出光方向設置在該出光狹縫S2的外側，且電離室擺放方向與衍射方向(即光柵中心和出光狹縫縫連線方向)一致；理論上講，電離室與出光狹縫S2的距離越近越好，但一般情況下，將電離室設置在能夠全部吸收到變包含角單色器光線的位置即可滿足要求(比如，將電離室設置在出光狹縫S2外側1m之內，即可滿足本發明技術方案的要求)； 具體的，該電離室可以採用自製流氣式電離室，如圖4所示 該電離室腔體內包括一個用於加偏壓的偏壓電極筒、兩個收集極B和C、兩個保護極A和D；其中，保護極直接接地以均勻收集極邊緣電場，收集極經電流表後接地； 上述電流表一般才用弱電流計實現對於收集極的電流信號的測量，比如採用6517 Keithley型電流計最低可測量0.1pA的弱電流信號，且偏差小於3％，±1σ；這樣，能夠較為精確的檢測到通過變包含角單色器的、正比於入射光子能量的電流； 進一步的，變包含角單色器的入射床可以採用氮化矽窗，即傳統的薄膜窗；但由於變包含角單色器工作的光子能量範圍較低(40eV-1540eV)，為避免電離室入射窗材料對該能區光子的強烈吸收，本發明中的自製流氣式電離室可以採用無窗工作模式；比如，可以使用玻璃毛細管陣列替代氮化矽窗，在實現真空差分的同時增加光強的透過比，以及能夠減少因薄膜窗材料的吸收對測量精度造成的影響；作為一個具體的實施例，使用的毛細玻璃管陣列的單管直徑為140μm，光闌開口為Φ＝1.5mm，共有97根，長度取5mm，這種情況下，毛細玻璃管的理論透過比為60％，差分能力約為氮化矽窗的15000倍； 此外，流氣式電離室必須填充工作氣體，根據工作氣體對於X光的吸收實現檢測，這就要求進行工作氣體的壓強控制和流量控制；作為一具體的實施例，工作氣體的壓強控制可以選用工作範圍為0.2Pa-200Pa、精度千分之五的薄膜真空計，工作氣體的進氣流量控制可以選擇D08-2A/Z004D型質量流量控制器； 這樣，根據薄膜真空計和質量流量控制器的檢測結果，調節位於電離室前端的進氣口，以及結合調節電離室後端連接分子泵機組的排氣閥角閥，達到控制電離室內氣體的壓強，使其保持動態穩定的目的；較佳的，為了保證測量的高精確度和束線的真空度，氣體壓強優選在2Pa-150Pa範圍內； 可以看出，當電離室中填充某工作氣體後，就能夠通過電流表採集到變包含角單色器出射的X光線通過電離室後產生的特徵吸收譜，從而實現對於變包含角單色器參數的反向標定，具體如下 步驟S10選擇一種電離室的工作氣體，比如氬氣Ar；當然，也可以選擇其他的工作氣體，比如氮氣N2、氖氣Ne或者氪氣Kr，等等； 步驟S11選擇所述變包含角單色器的一個包含角並固定(即先固定平面鏡在一個位置y並保持不動)，轉動光柵(即改變x)直至所述電離室採集到該工作氣體的指定吸收譜線；記錄相應吸收譜線下所述變包含角單色器的光柵位置x以及所述變包含角單色器對應當前包含角的平面鏡位置y； 舉例來說，固定y為-7mm，由於機械精度和光柵尺精度問題，實際測得y為-6.9995mm，以光柵尺的實際測得量為準； 轉光柵掃Ar吸收譜，即改變x讀相應的電離室電流信號，我們可以得到很多組相互對應的電流值與x； 以電流值I(A)為縱坐標，以x為橫坐標，繪製Ar的吸收譜，如圖5所示； 從圖5中的譜形，我們可以判斷為左側為-1級譜線，右側為+1級譜線，中間峰值為零級光； 這些峰值對應的光柵正弦推桿位置x分別為(單位mm)右側+1級9.9875；左側-1級-14.1996；0級-2.0933； 上述數據對應於氬氣Ar的能點244.39ev，以及，對應於先前固定的平面鏡正弦推桿位置y＝-6.9995，得到如下一組數據 Energy 平面鏡y+1級x 0級x -1級x 244.39ev-6.99959.9875-2.0933 -14.1996 上面的操作完成了利用電離室進行的變包含角單色器數據的一次採集，接下來，執行步驟S12改變所述變包含角單色器的包含角，重複執行上述步驟S11，即轉動平面鏡到另一個包含角處重新採集吸收譜線；從而，能夠得到多組能點、平面鏡正弦推桿位置以及各級譜線的光柵正弦推桿位置的對應關係數據； 較佳的，在得到某一工作氣體的多組對應關係數據後，為了提高精度，還可以優選包括步驟S13選擇另外一種或多種工作氣體，重新執行步驟S11～S12進行數據採集，比如氮氣N2、氖氣Ne或者氪氣Kr，等等； 可以看出，步驟S12是對步驟S11在不同包含角下的重複執行，步驟S13是對步驟S11～S12在不同工作氣體狀態下的重複執行；雖然更多次的重複雖然能夠提高最終的擬合精度，但卻會耗費更多的時間和人力成本，因此具體選擇多少種工作氣體，以及選擇多少個包含角進行重複執行，可以根據實際情況加以設置。
通過上述步驟S11～步驟S13，標定者能夠根據電離室的掃光柵獲得一系列的數據，接下來通過對這些數據的處理，完成變包含角單色器的反向測定，具體如下 步驟S21根據光柵和光柵正弦推桿的關係式x＝X0-TX sin(γ+β)，線性擬合光柵打平位置X0和光柵正弦推桿長度TX，根據平面鏡和平面鏡正弦推桿的關係式y＝Y0+TYsin(Θ-γ)，線性擬合平面鏡打平位置Y0和平面鏡正弦推桿長度TY，完成變包含角單色器參數的反向測定； 1、首先線性擬合光柵打平位置X0和光柵正弦推桿長度TX，包括以下步驟 ①處理獲得的數據得到x與衍射角β的對應關係 具體來說，安裝設計可以保證γ≈86°，|Δγ|≤0.02°，80°＜Θ＜89°，79°＜α＜90°，79°＜-β＜90°； 光柵的包含角為2Θ＝α-β，光柵方程d(sinα+sinβ)＝mλ，二者聯立，得到2dcosΘsin(Θ+β)＝mλ；則該包含角下光柵的+1級，-1級譜線分別為 +1級譜線2dcosΘsin(Θ+β+1)＝λ； (1) 0級譜線-β0＝Θ； (2) -1級譜線2dcosΘsin(Θ+β-1)＝-λ；(3) 根據光柵與光柵正弦推桿的關係式x＝X0-TX sin(γ+β)，當轉動光柵時，根據已知參數範圍，0.9925＜cos(γ+β)＜1，數值穩定且變化較小，暫取 聯立(1)、(2)和(4)，得到 聯立(2)、(4)和(5)，得到其中波長λ是跟據能量換算出來的，其換算公式為
類似的，聯立(2)、(3)和(4)，能夠得到-1級譜線下的Θ值，進而得到β-1； 可以看出，經過上述處理後，得到了不同光柵位置下的β值； ②繪製x與sin(γ+β)的線性關係圖，得到的斜率為TX，得到的偏差值為X0； 作為一個具體實施例，如圖6所示，為一個光柵數據線性擬合示意圖，在取值γ＝86°的情況下，得到斜率502.26即為TX，得到偏差值-9.4465即為X0； ③為了獲得更加精確的數值，較佳的實施例還包括以線性擬合獲得的TX對衍射角β進行修正後重新進行擬合，直至TX和X0的均方差小於預設的閾值；包括 聯立和(5)，得到 進而，用β+1和擬合得到的TX對上面的Θ，β+1作修正，得到修正後的
重新進行擬合x＝X0-TX sin(γ+β)得到
循環上敘步驟，直至均方差值|ΔTX|，|ΔX0|最小；在本實施例中，最終擬合得到TX＝502.09，X0＝-9.43 04，均方差|ΔTX|≤0.014，|ΔX0|≤0.017； 2、其次，線性擬合平面鏡打平位置Y0和平面鏡正弦推桿長度TY，包括以下步驟 ①處理獲得的數據得到y與包含角Θ的對應關係 在對x的擬合過程中，獲得了Θ值；當改變包含角即改變平面鏡位置，掃該氣體的吸收譜線，或大範圍內掃Kr(91.2eV)，Ar(244.4eV)，N2(400.8eV)，Ne(868eV)氣體的特徵吸收譜線，得到多組(Θ，y)； ②繪製y與sin(Θ-γ)的線性關係圖，得到的斜率為TY，得到的偏差值為Y0； 作為一個具體實施例，最終擬合得到TY＝-501.257，Y0＝-14.3171，且誤差|ΔTY|≤0.012，|ΔY0|≤0.015； 本領域技術人員可以理解，經過上述測量和計算所獲得的是在線變包含角單色器的實際物理參數；基於上述物理參數，可以很容易的實現光譜標定，如步驟S22對于波長為λ的單色光，根據變線聚光柵聚焦方程和反向測定結果，計算實際的光柵位置x和平面鏡位置y，完成對所述變包含角單色器中波長為λ的單色光光譜的標定； 具體的，當需要波長λ的單色光時，由變線聚光柵聚焦方程 sinα+sinβ＝n10mλ 解得α＝arc sin(ρ)，β＝arcsin(n10λ-ρ)， 其中 將TX，X0，Y0，TY，α，β代入光柵和光柵正弦推桿的關係式x＝X0-TX sin(γ+β)、平面鏡和平面鏡正弦推桿的關係式y＝Y0+TY sin(Θ-γ)，得到在該變包含角單色器實際物理參數條件下的x，y，將正弦杆走到相應位置，就能得到相應的單色光。
可以看出，本發明提供的變包含角單色器的光譜標定方法是從變包含角單色器的實際參數出發，直接進行光譜在線標定；即區別於現有技術中的離線標定，也區別於現有技術中僅針對調諧角度進行標定，其標定準確且簡單易行，在實驗中實際定位精度優於0.05ev。
雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限於任何前述的細節，而應在隨附權利要求所限定的精神和範圍內廣泛地解釋，因此落入權利要求或其等效範圍內的全部變化和改型都應為隨附權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種變包含角單色器的光譜標定方法，適用於由入光狹縫、球面鏡、平面鏡、變線距光柵以及出光狹縫構成的變包含角單色器；其特徵在於，在所述出光狹縫後設置一電離室以採集該電離室中工作氣體的特徵吸收譜；
在選擇一種所述電離室的工作氣體後執行以下步驟
步驟S11固定所述變包含角單色器的包含角，轉動光柵直至所述電離室採集到該工作氣體的指定吸收譜線，記錄相應吸收譜線下所述變包含角單色器的光柵位置x以及所述變包含角單色器對應當前包含角的平面鏡位置y；
步驟S12改變所述變包含角單色器的包含角，重複執行上述步驟S11；
對於上述步驟獲得的數據，執行以下步驟
步驟S21根據光柵和光柵正弦推桿的關係式x＝X0-TX sin(γ+β)，線性擬合光柵打平位置X0和光柵正弦推桿長度TX，根據平面鏡和平面鏡正弦推桿的關係式y＝Y0+TY sin(Θ-γ)，線性擬合平面鏡打平位置Y0和平面鏡正弦推桿長度TY，完成變包含角單色器參數的反向測定；其中，β為衍射角，γ為光柵打平時法線方向和出射光線方向的夾角，2Θ為光柵包含角；
步驟S22對于波長為λ的單色光，根據變線聚光柵聚焦方程和反向測定結果，計算實際的光柵位置x和平面鏡位置y，完成對所述變包含角單色器中波長為λ的單色光光譜的標定。
2.根據權利要求1所述的變包含角單色器的光譜標定方法，其特徵在於，所述電離室為流氣式電離室，腔體內包括加偏壓的偏壓電極筒、收集極以及用於均勻收集極邊緣電場的保護極；所述收集極通過電流表接地，用於測量正比於入射光子能量的電流。
3.根據權利要求2所述的變包含角單色器的光譜標定方法，其特徵在於，所述電離室的入射窗採用玻璃毛細管陣列或者氮化矽窗製成。
4.根據權利要求1所述的變包含角單色器的光譜標定方法，其特徵在於，所述指定吸收譜線包括+1級譜線、0級譜線及-1級譜線。
5.根據權利要求1所述的變包含角單色器的光譜標定方法，其特徵在於，所述步驟S12之後還包括選擇另外一種或多種工作氣體，重新執行步驟S11～S12進行數據採集。
6.根據權利要求1或5所述的變包含角單色器的光譜標定方法，其特徵在於，所述工作氣體包括氬氣Ar、氮氣N2、氪氣Kr和氖氣Ne。
7.根據權利要求1所述的變包含角單色器的光譜標定方法，其特徵在於，所述步驟S21中線性擬合光柵打平位置X0和光柵正弦推桿長度TX的步驟包括處理獲得的數據得到x與衍射角β的對應關係，繪製x與sin(γ+β)的線性關係圖，得到的斜率為TX，得到的偏差值為X0。
8.根據權利要求7所述的變包含角單色器的光譜標定方法，其特徵在於，所述步驟S21中線性擬合光柵打平位置X0和光柵正弦推桿長度TX的步驟還包括以線性擬合獲得的TX對衍射角β進行修正後重新進行擬合，直至TX和X0的均方差小於預設的閾值。
9.根據權利要求1所述的變包含角單色器的光譜標定方法，其特徵在於，所述步驟S21中線性擬合平面鏡打平位置X0和平面鏡正弦推桿長度TY的步驟包括處理獲得的數據得到y與包含角Θ的對應關係，繪製y與sin(Θ-γ)的線性關係圖，得到的斜率為TY，得到的偏差值為Y0。
全文摘要
本發明公開了一種變包含角單色器的光譜標定方法，在所述出光狹縫後設置一電離室以採集該電離室中工作氣體的特徵吸收譜；固定所述變包含角單色器的包含角，轉動光柵直至所述電離室採集到該工作氣體的指定吸收譜線，記錄相應吸收譜線下所述變包含角單色器的光柵位置x以及所述變包含角單色器對應當前包含角的平面鏡位置y；改變所述變包含角單色器的包含角，重複執行上述步驟併線性擬合獲得數據，完成變包含角單色器參數的反向測定；對于波長為λ的單色光，根據變線聚光柵聚焦方程和反向測定結果，計算實際的光柵位置x和平面鏡位置y。本發明能夠實現變包含角單色器光譜的在線整體標定，且標定準確，簡單易行。
文檔編號G01J3/28GK101750145SQ20091024121
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月2日 優先權日2009年12月2日
發明者唐坤, 趙屹東, 鄭雷, 馬陳燕, 韓勇, 郭志英, 鞠在強 申請人:中國科學院高能物理研究所