椭圆弯晶谱仪波长分辨能力的改进

　　1　引　言

　　椭圆弯晶谱仪除具有无像差、背景辐射小、分辨率高和通光量可调等优点外,还有等光程和实像点等优势,非常有利于实现谱线波长的精确定标与时间分辨测量,因此,该谱仪目前被广泛应用于各种光谱诊断中,如激光等离子体[1-2]、托卡马克等离子体[3]、EBIT[4-5]、ECR、同步辐射源等。波长分辨本领在光谱诊断中至关重要,一直是仪器研制者追求的目标之一。

　　在波长色散中,晶体谱仪的分辨本领一般定义为谱线的波长(λ)与其半高全宽(Δλ)的比值[6],即:R=λ/Δλ,其中Δλ是由光的波动性和色散元件的物理性质所决定的分辨极限。在这种情况下,波长相差为Δλ的两条谱线刚好可以分开,也就是说,其中的一条谱线的强度最大值刚好落在另一条谱线强度的最小值上时,两条谱线刚好可以分开[7]。对于布拉格衍射晶体,决定晶体性能的参数主要包括晶体扭摆曲线的半高全宽(W),峰值衍射效率(p),以及积分衍射系数(Rρ)。晶体扭摆曲线的半高全宽是描述X光谱线晶体加宽的重要参量,它表明即使是单一入射光线,经过晶体衍射后在记录面上也不是一条单一的线,而是围绕布拉格衍射角的一个角分布。

　　因此,影响波长分辨本领的主要因素是布拉格角和色散角[7]。对应于一定的色散角,布拉格角越大,分辨本领越高;对于一定的布拉格角,色散角越小分辨本领就越高。由于特定实验条件的限制,布拉格角的提高是有限的,所以为了提高分辨本领,就要尽可能地降低色散角。但色散角与很多因素有关。在椭圆弯晶谱仪中除有谱仪外在的因素所引起的谱线展宽(例如自然展宽、多普勒展宽、场致展宽、碰撞展宽等),还有晶体谱仪内在的因素所引起的谱线展宽(如由于晶体的衍射特性和分光晶体结构本身的缺陷引起的展宽、晶体的晶格常数随着温度的变化引起的展宽、探测器的空间分辨本领引起的展宽、还有晶体和光源空间尺寸引起的几何像差所引起的展宽,等等)。本文主要研究分光晶体结构本身的缺陷以及光源空间尺寸对谱仪波长分辨本领的影响。

　　2　建　模

　　椭圆弯晶谱仪的工作原理以及几何结构[8-10]是以椭圆焦点上的光源射出的光线必汇聚于另一焦点上为基础的。由此可见,发光源空间尺寸和分光晶体缺陷对椭圆弯晶X射线谱仪性能指标的影响通过在另一焦点上光线离散程度来体现。讨论分光晶体缺陷和光源的空间尺寸对波长分辨能力影响的方法有很多。本文选择分类建模仿真法对主要影响因素进行建模和分析、讨论。

　　2.1　结构光系统

　　描述晶体反射面的椭圆参数方程为: