【摘要】：X射線光柵光譜儀除了實(shí)現(xiàn)對同步輻射設(shè)施或自由電子激光裝置等先進(jìn)光源的推動(dòng)和快速發(fā)展,還被廣泛用于探索各種有趣的研究課題。其中采集效率和分辨能力是光柵光譜儀最重要的兩個(gè)參數(shù)指標(biāo)。凹面變線距光柵作為一個(gè)高性能光譜儀的核心,通過配合不同的前置鏡或前置鏡組合便能實(shí)現(xiàn)像散的消除和分辨能力的提升。本文在軟X射線的“水窗”波段設(shè)計(jì)了兩款光柵光譜儀,實(shí)現(xiàn)了像散的消除和分辨能力的提升,主要工作包括:1.為了消除像散,首先在凹面變線距光柵的基礎(chǔ)上通過優(yōu)化光柵子午半徑和變線距系數(shù)D_1實(shí)現(xiàn)子午方向聚焦曲線的控制;對聚焦曲線的“平坦”程度進(jìn)行量化,實(shí)現(xiàn)子午方向的平場和優(yōu)化。在目標(biāo)分辨能力不變的前提下,得到光柵入射角和光柵物距之間的對應(yīng)關(guān)系,并由此找到不同光柵物距條件下對應(yīng)的最佳子午“平場”的傾角;以消除光譜成像中的像散為目的對光柵的弧矢聚焦進(jìn)行優(yōu)化。先是提出了光柵子午、弧矢方向光源分離的概念,證明了在光柵弧矢虛光源的前提下,可以通過同時(shí)優(yōu)化光柵弧矢虛物距和光柵弧矢半徑來實(shí)現(xiàn)弧矢聚焦曲線和子午聚焦曲線的重合,消除像散。2.在消像散型光譜儀的實(shí)際設(shè)計(jì)中,將一面凹柱面鏡放在凹面變線距光柵上游,構(gòu)成類似K-B聚焦鏡的結(jié)構(gòu),來實(shí)現(xiàn)光柵弧矢虛光源的條件。通過計(jì)算得到了四個(gè)不同子午物距條件下的系統(tǒng)參數(shù),將每個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行像差分析,并考察了包括光源尺寸,初級像差(離焦、慧差和球差)和傾斜誤差幾個(gè)因素對分辨能力的影響。將追跡軟件得到分辨能力與根據(jù)像差理論計(jì)算得到的分辨能力進(jìn)行比較,得到了良好的驗(yàn)證。通過觀察SHADOW追跡結(jié)果,弧矢方向?qū)挾冉Y(jié)果均勻等大,并符合系統(tǒng)的弧矢放大率,證明了光譜成像中的像散得到消除。3.為了增強(qiáng)分辨能力,首先比較了四個(gè)不同光柵光譜儀系統(tǒng)的理想分辨能力,包括了單凹面光柵系統(tǒng)、前置凹面鏡-光柵實(shí)光源系統(tǒng)、前置凹面鏡-光柵虛光源系統(tǒng)和前置凸面鏡-光柵實(shí)光源系統(tǒng),并比較驗(yàn)證了凸面鏡前置是提升系統(tǒng)分辨能力更好的選擇。還研究了當(dāng)前置鏡被插入到系統(tǒng)中時(shí),光程函數(shù)考慮它帶來的像差影響的方法。另外還提出使用點(diǎn)列圖中光線子午坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差與對應(yīng)波長的理想線寬的商來表示成像質(zhì)量,并且根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的定義,這個(gè)商值越大,表示成像光束越離散,像差越大,成像越差;引入支持向量機(jī)SVM進(jìn)行數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和預(yù)測方程的重構(gòu),配合上非線性規(guī)劃算法,探索具有良好成像質(zhì)量的最優(yōu)光譜儀系統(tǒng)參數(shù)。4.在分辨能力增強(qiáng)型光譜儀的實(shí)際設(shè)計(jì)中,根據(jù)優(yōu)化結(jié)果計(jì)算了凸面鏡前置光譜儀系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)。針對優(yōu)化后的系統(tǒng)同樣進(jìn)行了像差分析,考察了包括光源尺寸,初級像差(離焦、慧差和球差)和傾斜誤差幾個(gè)因素對分辨能力的影響;提出了實(shí)現(xiàn)光譜儀超高分辨能力傾斜誤差需要滿足的條件。提出了像差分布中連續(xù)光學(xué)鏡面的傾斜誤差貢獻(xiàn)的疊加方法。同樣將SHADOW追跡軟件的結(jié)果和像差理論計(jì)算得到的分辨能力進(jìn)行比較和驗(yàn)證,在“水窗”波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了100,000~200,000的分辨能力。還考察了當(dāng)光源發(fā)生位置抖動(dòng)和發(fā)射角抖動(dòng)時(shí)對光譜儀性能的影響。5.利用兩塊獨(dú)立的,能實(shí)現(xiàn)不同目的的提前放置鏡,在0.6~1.5keV能量范圍設(shè)計(jì)了光譜儀,同時(shí)實(shí)現(xiàn)像散消除和分辨能力的提升。追跡驗(yàn)證了在弧矢虛光源的條件下,光柵基底采用子午凹柱面的可行性;給出了多塊前置鏡的傾斜誤差在色散方向上積累的計(jì)算方法;計(jì)算并比較了在不同尺寸的系統(tǒng)中前置凸面鏡提升分辨能力的效果的差別。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH744.1
【圖文】：

高分辨 X 射線光譜儀原理與設(shè)計(jì)一直延伸到氧的 K 吸收邊 533eV（2.33nm）的電磁波譜范圍，這個(gè)范圍內(nèi)的 X射線無法被氧原子吸收，所以對于水（H2O）是透明的，但對碳（有機(jī)分子）是吸收的(Spielmann et al., 1997)。因此這個(gè)能量范圍內(nèi)的 X 射線可用于在 X 射線顯微鏡中觀察活體標(biāo)本，其出色的性質(zhì)可用于（或在未來可用于）體外成像和生物細(xì)胞或微結(jié)構(gòu)分析。另外，“水窗”光譜學(xué)也是研究材料特性和電子能態(tài)的新型探針。

高分辨 X 射線光譜儀原理與設(shè)計(jì), 1985；Saha, 1988)，關(guān)于 Wolter 型聚焦系統(tǒng)的像差特性很少被人們研究刻而清晰的認(rèn)識。而受到 Wolter III 型結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，基于之前的工作積累第 4 章中在“水窗”波段設(shè)計(jì)了一個(gè)精巧的高分辨能力平場光譜儀結(jié)構(gòu)一個(gè)在上游前置發(fā)散的凸柱面鏡和下游的凹柱面 VLS 光柵，并證明了可以讓分辨能力獲得明顯提升，同時(shí)在整個(gè)光譜成像范圍內(nèi)保持低像的平場。

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本文編號：2721799