专利名称：电磁波/粒子束分光方法和电磁波/粒子束分光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电磁波/粒子束分光方法和电磁波/粒子束分光装置。
背景技术：
具有预设能量分辨率的传统分光法采用由电磁波、粒子束产生的固体电子激励或 光干扰效应。基于这些原理，业界早已经实际利用脉冲高度分析器、超导检测器、分光晶体、 衍射光栅。目前为止开发出来的能量识别法利用现有的半导体检测器等装置，在其回路系 统的一个识别期内接收最多一个光子或粒子并将所接收的光子或粒子的能量转化为电子 脉冲，以此检测其波的高度值。即，在脉冲高度分析时，波高识别回路的处理能力决定计数 率。在实际中，决定能量分辨率的波高精度和计数率相互平衡；利用最新的高计数率数字 波高度分析器，最高计数率设定为250k计数/每秒，而分辨率在5keV时是150Ev。在评估 传输重元素杂质或磁场约束高温等离子体的电子温度的情况下，250k计数的计数率相当于 20ms的时间分辨率。另一方面，在超导电检测器的情况下，一个光子的能量级转换为温度的 上升，所以计数率和脉冲高度分析的情况一样受到限制。进一步地，在X射线光谱测量技术中，通过更精确地形成如一个波长那么小的微 细结构，或者通过利用作为受光元件的低激励能量级物质进行超低温冷却以减少噪声热噪 声，来提高能量分辨率。现有技术检索没有发现与本发明的电磁波/粒子束分光方法和装置等同的传统 技术，因为它们和传统技术的原理不相同。
发明内容
由于上述原因，在脉冲高度分析和超导检测器的情况下，有不易实现高计数率的 问题。另外，衍射光栅和分光晶体具有高分散能力以及良好的能量分辨率，但是反过来测量 范围非常窄，并发现要捕获由一种原子放射出的全部特征X射线是困难的。传统的分光方法和装置中也有其分光能力容易变劣的问题，除非它们屏蔽检测装 置以抵抗辐射暴露，并阻断电磁噪声、振动、大的响声、热量以及所关心的特定粒子束、电磁 波以外的粒子束、由电磁波产生的电噪声、机械破坏、以及固体构成原子反冲，因为它们对 这些没有耐受性。本发明的一个目的在于提供一种电磁波/粒子束分光方法，其不用限制测量目标 的电磁波或者受光元件上的入射粒子束的数量，而能捕获高计数率和能量级的宽测量范 围。本发明的另一目的在于提供一种电磁波/粒子束分光方法，其分光能力不易变劣且对 电磁噪声、振动、大的响声、热量以及所关心的特定粒子束、电磁波以外的粒子束、由电磁波 产生的电噪声、机械破坏、以及固体构成原子反冲具有耐受性，而且也比传统的能量分解技 术对加在检测装置的辐射暴露具有更好的耐受性。 本发明的再一目的是提供一种电磁波/粒子束分光装置，其能够达成电磁波或粒子束的入射光谱的高计数率以及捕获宽测量范围的能量级别。本发明的另一目的是提供一 种电磁波/粒子束分光装置，其分光能力不易变劣且对电磁噪声、振动、大的响声、热量以 及所关心的特定粒子束、电磁波以外的粒子束、由电磁波产生的电噪声、机械破坏、以及固体构成原子反冲具有耐受性，而且也比传统的能量分解技术对加在检测装置的辐射暴露具 有更好的耐受性。为了达到上述目的，本发明的第一个方面是提供一种电磁波/粒子束分光方法， 包括第一步骤，令入射光谱进入拉普拉斯变换过滤器对入射光谱的强度进行拉普拉斯变 换；第二步骤，接收通过上述拉普拉斯变换过滤器而经拉普拉斯变换的光谱，从而利用检测装置检测该光谱的透射强度；以及第三步骤，对被检测的光谱透射强度进行逆拉普拉斯变 换，从而计算出入射光谱在进入拉普拉斯变换过滤器时的强度。本发明的电磁波/粒子束分光方法的操作与那些传统的现有分光方法完全不同。首先，在第一步骤中，利用作为硬件的拉普拉斯变换过滤器对入射光谱的强度进 行拉普拉斯变换。接着，在第二步骤中，用检测装置对经过拉普拉斯变换的入射光谱的透射 强度进行检测。在第三步骤中，对检测装置检测到的透射强度进行逆拉普拉斯变换，从而计 算进入拉普拉斯变换过滤器的入射光谱的强度。具体地，拉普拉斯变换过滤器包含用于入射光谱的衰减体，从而用检测装置进行测量，即，随着沿该衰减体的入射光谱的光轴连续变化衰减体的质量时，检测穿过衰减体的 入射光谱的透射强度。传统的X射线光谱测量技术通过更精确地形成如一个波长那么小的微细结构，或者利用低激励能量级的物质作为受光元件通过超低温冷却减少噪声热噪声，来提高能量分 辨率。相反，在本发明的分光方法的能量分辨率是依据拉普拉斯变换的积分精度以及透射 强度的统计误差。因此，采用本发明的分光方法，如果将拉普拉斯变换过滤器即一种光学元 件放大使质量的变化更缓和，就可以提高能量分辨率。即，作为其主要特征，如果将光学元 件的大小增大，它就容易制造，反过来其分光精度就能更好从而提高能量分辨率。例如，与 半导体X射线检测器比较，本发明的方法随着光源强度增强而提高能量分辨率。因此，本方 法对大强度光源是有利。本分光方法以完全相同的原理对全范围区域内的电磁波，即从无线电波到X射线再到、射线的区域，以及由基本粒子、电子、原子核、原子、分子的流组成的粒子束区域进 行分光。该粒子包含反物质，如正电子、反质子、以及反中子。如果令电磁波或粒子束入射于一种物质中，其光轴透射强度较之其入射强度有所衰减。其衰减率取决于构成衰减体的物质以及电磁波或粒子束的类型与能量。由于本分光 方法能够利用其依赖性的差别，选择性地从检测装置上只提取出由所关心的电磁波或粒子 束产生的信号，所以本方法对任何由所关心的电磁波和粒子束以外因素产生的干扰信号具 有耐受性。衰减体与入射在衰减体上的电磁波或粒子束的物理相互作用包括构成衰减体 的原子及分子的光电吸收，以及由于构成衰减体的原子、分子、原子核、电子而产生的散射； 如果是在衰减体构成成分的原子核及电磁波的情况下，包括由电子电场而产生对生成，如 果是在粒子束的情况下，则包括被衰减体构成成分原子核捕获。另外，如果是在粒子束是正 电子、反质子等反物质的情况下，包括由于衰减体构成成分原子核或电子的粒子对湮灭。图18是铜作为衰减体的吸收系数的图表，以垂直轴代表铜的衰减系数、以水平轴代表光子的能量。上述水平轴和垂直轴是对数标度。如图中所示，入射光衰减情况的原因 包括各种情况，诸如由于原子核电场的对生成、由于电子电场的对生成、光电吸收、非相干 散射以及相干散射。而且，衰减的理由根据光的能量级别而不同。例如，对于铜的吸收系数，其光电吸收相当于在能量级范围IO3 105eV之间的一 个总和。即，在该能量级附近时，吸收系数取决于光电吸收。另一方面，超过IO7eV能量级 时，铜的吸收系数更多地取决于由原子核电场产生的对生成。(本发明的原理)以下，参照图2说明本发明的电磁波/粒子束分光方法的数学原理和物理学原理。根据本发明的电磁波/粒子束分光方法，用于测量入射电磁波或粒子束能量总和的检测装置设置在拉普拉斯变换过滤器的后面以测量透射强度。假设单色光的入射光能 量为E，衰减体200的厚度为t，从衰减体200出来的输出信号I (t)以入射光的入射强度 I。(E)、衰减体200的吸收系数α (E)、以及检测器的检测效率f (E)由表达式(1)给出。该 检测装置包括，例如，半导体检测器。因此，入射的电磁波或粒子束是光谱时，可以表达式(2)表示。另外，如果在X射 线区域内衰减体200的吸收系数α (E)如表达式(4)所给出的那样高度精确，则因而还原 为一个可用以a、b为常数的能量函数取近似值的物理因子(fact)，如果检测器的检测效率 f(E)等于E，表达式(2)还原为表达式(3)所给出的拉普拉斯变换。f(E) =E在半导体检 测器的例子中为真。衰减体包括，例如，金属。常数a和b是对于拉普拉斯变换过滤器的衰 减体是特殊的。因此，衰减体200的吸收系数α (E)对于衰减体也是特殊值。因此可以从数学上证实，入射光谱的强度，即入射强度，由逆拉普拉斯变换表达式 (5)唯一地求出。在该表达式中，i是虚数单位，c是随机正实数。但是，尽管表达式(5)在 数学上是精确解却不能使用。因为测量值I (t)是关于实数厚度t的函数的实数值，而表达 式(5)要求的是关于复数厚度t的复数值I (t)。由于在积分区间c士i c 内查找一个随机 的I(t)的函数式(form)时不能保证高精度，所以，如表达式(6)所指明的对所测量的值直 接进行积分来获得解。[数1]I(t) = I。(E) f (E)e-a(E)t(1)[数2]外)二]巡/0(五)/(￡>“￡)f⑵
0[数3]
b+2
2 βο— y/(Z)=A^1 paa I XaYta
0[数4]·/ a (E) = aE"b(4)[数5]
2
n b U ^+2 c+imfH(a) = —\dtl(ty
2 瓜·c_i(5)
S卩，表达式(6)和表达式⑶是逆变换的实用表达式。特别的是，表达式(8)是所谓的麦林变换，一次性将测量值变换为复数值的波束。 表达式(6)是表达式(2)的数学精确解，它是由发明人唯一推出的积分表达式，通过积分将 波束再次求和构成入射光谱。不止可以由麦林变换从实数测量值求出入射光谱，还可以由 作为表达式(2)的数学精确解的吸收系数α (E)来表达入射光谱。表达式(6)是发明人在物理学领域首次发现并提供了实际应用成为本分光方法 的重要基础。表达式(9)中的Γ表示一个伽马函数。另外，表达式(6)的积分与只求波数 0的傅立叶分量是相同值。以表达式(9)定义的G(S)的物理涵义为，通过衰减体的能量E之级别的单位强度 线光谱的波束。因此，表达式(6)的积分记号内的除法运算意指计算入射光谱的能量E的强度。[数6]
<formula>formula see original document page 7</formula>
-[数7]<formula>formula see original document page 7</formula>[数 8]<formula>formula see original document page 7</formula>
[数 9]<formula>formula see original document page 7</formula>从实用表达式(6)、(7)、⑶和(9)可以导出本分光方法的特性。首先，表达式(8) 说明所求出的光谱精度随着测量误差减小而提高，而且所测到的衰减体200的厚度t的变 化更加微小。另外，如图2所示，当衰减体200的厚度t变大，I(t)衰减而变小，因而增加 统计误差。“S”是从c_i⑴变化至c+⑴的积分变数。但是，因为t3—1项的s是复数，所以，如果衰减体200的厚度t变得更大，在高频率 积分时将使正负逆转，所以，统计误差给g(s)的贡献比衰减体200的厚度t较小的时候还 要少。表达式(7)和表达式(6)表示在衰减体200的吸收系数α (E)相对于能量变化的区 域内光能够被分散。必须注意在吸收系数α (E)相对于能量变化不是单调的能量区域。首先，在吸收 变化大的位置，吸收系数α (E)的微分值在某个吸收边际剧烈变化，所以为避免计算精度 下降，需要高度精确的吸收系数α (E)的数据。还有，有存在出现不能分光的区域的可能 性。对于具有不同能量级的η个无限窄线光谱[能量Ei(i = 1，2，···!!)、强度Ii(i = 1， 2，…n)]，通过将表达式(6)变形就可以得到表达式(10)。δ是指一个德尔塔(DELTA)函 数。[数 10]<formula>formula see original document page 7</formula>
即，计算结果在具有这样一个相等吸收系数的不同能量级之间进行反复核对， 这胜过建立 δ (E-Ei)、δ (In (α (E))-In (α (Ei)) d/dE (In ( α (E))-In (α (Ei))以给出 α (Ei) = α (Ej) (i Φ j)。换一句话说，在这种情况下，存在一个排他性分光区域，所以有 必要只禁止任一光谱分量进入。如后面给出的图3所示，靠近吸收边际存在一个实际的排 他性分光区域。另外，尽管是明显的，在以拉普拉斯变换过滤器进行一次分光的时间内光源 光谱强度必须保持恒定。图3显示镍的情况，其中光可以在靠近IkeV的X射线区域内的L吸收边和M吸 收边的0. 8 8. OkeV之间被分光。镍的吸收系数在0. 8 8. OkeV区间根据函数aEb(a = 8. 29X 1012、b = 2. 63)变化，因而可知光可以被分光。但是，在获得更广范围的分光区域时， 吸收系数与靠近吸收边的相等的能量带(图中，Al和A2的区域)为排他性的分光区域。因 此，有必要禁止任一光谱分量进入。这里，衰减体的质量沿入射光谱的光轴的连续变化包括，质量沿入射光谱的光轴 随时间连续变化的情况，以及在同一时间段内，衰减体形状变化而质量不变的情况。衰减体 的质量沿入射光谱的光轴随时间的变化，例如，是以单个或多个检测装置检测入射光谱的 透射强度(来确定的)衰减体的质量沿入射光谱光轴的线性连续变化的情况。另一方面，在同一时间段内质量不变而形状变化是这样一种情况，例如，衰减体的 厚度，当它是固体时，被设置成连续线性地变化并且多个检测装置被设置在沿着它的厚度 变化方向，从而同时检测通过衰减体的透射光的强度，即在每个厚度变化的位置的透射光 强度。优选地，该衰减体根据电磁波波长和粒子束类型选自于固体、液体或气体。这里，固体衰减体可以为铜、镍、铝等。液体衰减体可以为镓。气体衰减体可以为 Μ,ο这里，假定衰减体是固体。在使衰减体的质量沿入射光谱的光轴连续变化时，例如，在该固体厚度连续变化的情况下，拉普拉斯变换进行变换的变数对应于用于衰减体的 厚度轴与光谱能量轴之间相互变换的变数。还假定衰减体是液体。当其深度连续变化时，拉普拉斯变换进行变换的变数对应于用于衰减体的深度轴和光谱能量轴之间相互转换的变数。还有，假定衰减体是气体，在其密度连续变化时，拉普拉斯变换进行变化的变数对应于用于衰减体的密度轴和光谱能量轴 之间相互转换的变数。优选地，拉普拉斯变换过滤器包括一个根据其自身质量衰减入射光谱的衰减体，在第二步骤中，最好在衰减体的质量沿该入射光谱的光轴连续变化的条件下，利用检测装 置来检测该入射光谱的透射强度。由此，在衰减体的质量沿该入射光谱的光轴连续变化的 条件下，通过利用检测装置检测入射光谱的透射强度，就可以对入射光谱进行拉普拉斯变化。另外，在第二步骤中优选的是，为了令衰减体的质量沿入射光谱的光轴随时间连续变化，通过采用质量变化装置，使衰减体的质量沿入射光谱的光轴的变化。通过这样做，该质量变化装置可用于使衰减体的质量沿入射光谱光轴随时间连续变化，从而可以对入射光谱进行拉普拉斯变换。例如，如衰减体为固体，则该质量变化装置是通过使衰减体的质量沿入射光谱的光轴随着时间而连续地变化这样的方式来移动衰减体而实现。如果衰减体是液体，则只需 要随时间连续改变衰减体的深度，使衰减体的质量沿入射光谱的光轴连续地变化。如果衰 减体是气体，则只需要随时间连续改变衰减体的密度，即，使气体压力连续性地变化，使衰 减体的质量沿入射光谱的光轴连续地变化。另外，如是液体或气体时，可在容器内设置一个 可沿光轴方向移动的检测器，从而可以连续地改变通过液体或气体的光轴的长度。另外，优选的是，衰减体的沿入射光谱的光轴的质量设置为以与该光轴相交的方向线性地变化、即线性地连续变化，并且该质量变化装置令拉普拉斯变换过滤器或检测装 置中的至少一个以与该光轴相交的方向相对地移动。相对移动其中的至少一个，包括只移动拉普拉斯变换过滤器或只移动检测装置， 或令它们两个都移动。这样，衰减体的沿入射光谱光轴的质量被设置为以与该光轴相交的方向线性地变 化，并且因为质量变化装置令拉普拉斯变换过滤器和检测装置以与光轴相交的方向相对移 动，所以可以对入射光谱进行拉普拉斯变换。另外，优选的是该拉普拉斯变换过滤器包括一个含有以根据其自身密度而衰减光 谱的气体所制成之衰减体的腔室，并且质量变化装置令该衰减体的压力在对着检测装置的 拉普拉斯变换过滤器的位置上连续地变化，从而使气体的密度连续地变化。如上所述，如衰 减体是气体时，为了使其质量沿入射光谱的光轴变化，只需改变腔室中的气体压力从而改 变其密度。通过这样做，令拉普拉斯变换过滤器中设有一个含有以根据其自身密度衰减光谱 的气体所制成之衰减体的腔室，因而在第二步骤中，在拉普拉斯变换过滤器的对着检测装 置的位置连续地改变衰减体的压力。其结果是，通过连续地改变气体密度，可以对入射光谱 进行拉普拉斯变换。另外，优选的是，第一步骤中的衰减体是铁磁体，从而使入射光谱以这样一种状态 进入磁场以相对于入射光谱的光轴预定方向被加在衰减体上，并且还设有第四步骤以基 于在第三步骤中获得的入射光谱强度计算偏振光谱的强度。S卩，在衰减体的吸收系数显现对电磁波或粒子束有依赖性的情况下，如衰减体为 铁磁体且以相对于入射光谱的光轴形成预定方向被施加磁场而磁化，在第四步骤中可以求 出每一个偏振分量。这里，如果磁化的铁磁体被用来作为衰减体，该衰减体的吸收系数显现 出对电磁波和粒子偏振的依赖性。表达式(11)至表达式(14)中，“ + ”和“_”表示偏振。另外，Ii(E)指示偏振光谱 而J±(t)指的是通过拉普拉斯变换过滤器的透射强度。特别是在X射线的偏振光分光时，不 仅可以在吸收边际利用磁圆二色性，而且还有由于离散激励状态和内层电子的连续激励状 态之间的干扰所产生的Fano效应而在即使远离吸收边际的区域中也残留磁圆二色性的这 一效应。尽管在一些情况下，约有100%的磁圆二色性出现在吸收边际，还有5%或更少由 于Fano效应而残留。但是，如果是高度偏振的高亮度光或恒定光源，就可以用表达式(11) 评估各偏振光分量的光谱。但是，在一些情况下，磁圆二色性在吸收边际反转极性。如果一 能量级的值穿过极性反转的区域，最好禁止光谱入射这些区域中的任一个。[数11]<formula>formula see original document page 10</formula>
这样就能够提供一种电磁波/粒子束分光方法，在衰减体的吸收系数对电磁波/ 粒子束的偏振显示依赖性时，可分别求出各偏振的分量。本发明的第二方面提供一种电磁波/粒子束分光装置，包括接收入射光谱并对该 入射光谱的强度进行拉普拉斯变换的拉普拉斯变换过滤器；用于接收经拉普拉斯变换的光 谱的检测装置，从而检测出该光谱的透射强度；以及用于对被检测到的光谱强度进行逆拉 普拉斯变换，从而计算出在入射拉普拉斯变换过滤器的入射光谱强度的逆拉普拉斯变换装置。这样就能够对电磁波或粒子束的入射光谱给予高计数率，而同时，捕获大测量范 围的能量级。还可以提供一种分光能力不易变劣的电磁波/粒子束分光装置，并对电磁噪 声、振动、大的响声、热量以及所关心的特定粒子束、电磁波以外的粒子束、由电磁波产生的 电气性噪声、机械破坏和固体构成原子反冲具有耐受性，而且对检测装置的辐射暴露也比 传统的能量分解技术具有更强的耐受性。另外，本装置极其可望成为应用于将来要做的高 温等离子体聚变实验的电磁波/粒子束分光方法，因为即使在传统半导体检测器、超导电 检测器与晶体、以及衍射光栅的操作或性能不能得到保证的环境中也可以确保其性能稳定 而不需要维护。该拉普拉斯变换过滤器最好包含根据其自身质量而衰减光谱的衰减体，而且优选 的是，提供一种电磁波/粒子束分光装置，其包括质量变化装置，用于使衰减体的质量沿入 射光谱的光轴上随时间连续地变化。举例来说，如果衰减体是固体，该质量变化装置可以通过令衰减体的质量沿入射 光谱的光轴随时间连续变化的方式移动衰减体来实现。如果衰减体是液体，该质量变化装置可以通过令衰减体的深度随时间连续地变 化，而使衰减体的质量沿入射光谱的光轴随时间连续地变化。举例来说，如果衰减体是气体，该质量变化装置可以通过令衰减体的密度随时间 连续地变化的方式，即，连续改变气体的压力，来使衰减体的质量沿入射光谱的光轴连续地 随时间而变化。另外，如果衰减体是液体或气体，可在容器内安装一个可以在光轴方向上移动的检测器，以便连续地改变穿过该液体或气体的光轴的长度，从而使衰减体的质量沿入射光 谱的光轴随时间连续地变化。这样，质量变化装置可以用来令衰减体的质量沿入射光谱光 轴随时间连续变化，从而提供一种能够对入射光谱进行拉普拉斯变换的电磁波/粒子束分 光装置。另外，该拉普拉斯变换过滤器包括根据其自身质量衰减光谱的衰减体，该衰减体 可被制成其质量沿着与入射光谱的光轴相交叉的方向上变化，该检测装置可设置在穿过这 个与入射光谱的光轴相交叉的方向上。这样，该拉普拉斯变换过滤器包括根据其自身质量衰减光谱的衰减体，该衰减体 可被制成其质量沿着与入射光谱的光轴相交叉的方向变化，该检测装置被设置在穿过这个 与入射光谱的光轴相交叉的方向上，从而提供一种能够对入射光谱进行拉普拉斯变换的电 磁波/粒子束分光装置。另外，优选的是，在该电磁波/粒子束分光装置中，衰减体沿着入射光谱的光轴的 质量设置为以与该光轴相交叉的方向线性地变化，该质量变化装置以与该光轴相交叉的方 向相对地移动该拉普拉斯变换过滤器和检测装置。利用这样构造，该衰减体的沿入射光谱的光轴的质量被设置为以与该光轴相交叉 方向线性地变化，并且质量变化装置令拉普拉斯变换过滤器和检测装置以与光轴相交叉的 方向相对移动，从而提供能够对入射光谱进行拉普拉斯变换的电磁波/粒子束分光装置。另外，优选的是在电磁波/粒子束分光装置中，该拉普拉斯变换过滤器包括一个 腔室，所述腔室含有由根据其自身密度衰减光谱的气体制成的衰减体，且该质量变化装置 在接收经拉普拉斯变换的光谱时，令腔室中的气体随时间连续地变化。利用这样构造，该拉普拉斯变换过滤器包括一个腔室，所述腔室含有根据其自身 密度衰减光谱的气体制成的衰减体，并在拉普拉斯变换过滤器的对着检测装置的位置，连 续地改变衰减体的压力。其结果，通过设置使气体密度连续变化的压力可变装置，可以提供 一种能够对入射光谱进行拉普拉斯变换的电磁波/粒子束分光装置。另外，优选的是在电磁波/粒子束分光装置中，该衰减体以铁磁体制成，该装置还 包括磁场产生装置，以通过将相对于入射光谱光轴形成预定方向的磁场加在该铁磁体上进 行磁化，以及偏振光谱强度计算装置，基于由逆拉普拉斯变换装置获得的入射光谱强度，来 计算偏振光谱强度。另外，这样可在电磁波/粒子束分光装置中，在衰减体的吸收系数对电磁波/粒子 束的偏振显示出依赖性时，能够求出偏振的各个分量。另外，优选的是在检测装置和衰减体之间设有针孔，使光谱的透射光在该检测装 置上形成图像。通过这种做法，透射光通过针孔在检测装置上形成图像，因而使所成形的图像可 以被检测装置检测到。另外，优选的是该检测装置为非冷却型。具有这种结构，因为可以非冷却型检测装 置来检测透射光，而不需要冷却装置，这样可以降低成本并减小分光装置的大小和重量。根据本发明，可以捕获电磁波或粒子束入射光谱高计数率及能量级的宽的测量范 围，可以提供一种其分光能力不易变劣的电磁波或粒子束分光方法，对电磁噪声、振动、大的响声、热量及所关心的特定粒子束、电磁波以外的粒子束、由电磁波产生的电气性噪声、机械破坏和固体构成原子反冲具有耐受性，并对检测装置的辐射暴露比传统的能量分解技 术具有更强的耐受性。 其理由是因为拉普拉斯变换过滤器的体结构比X射线波长无比地大，所以它对机 械破坏和变形具有相对可观的耐受性，并可进一步接收大量的能量，因为由于多光子检测 而令入射量可能很大。因此，拉普拉斯变换过滤器之后由检测装置检测到关于高强光源或 高强度粒子源的信号，比电气噪声大很多。另外，作为检测装置，可以使用具有重原子核的重金属或半导体化合物，这种情况 下，高速中子的反冲比和Si(Li)或Ge所产生的影响�。蚨芙肷种频奖冉系偷乃� 平。本发明使用的检测装置中和半导体检测器与超导电检测器不同，不需要冷却，所以，除 非由于检测装置持续暴露于辐射的放射性外，无需要求更换维护。另外，由于其尺寸得以减 小重量得以减轻，所以可以降低更换和抛弃处理的成本。尽管在利用传统分光晶体和衍射光栅测量时也不需要冷却，但由振动产生微小的 分光角偏移很可能影响测量结果的问题。这是因为分散的能力极大。另外，传统的分光晶 体和衍射光栅对放射线的耐受性低。原因是对于X射线进行分光的传统分光晶体和衍射光 栅的固体结构要求以1个原子至10原子为单位构成，所以很可能直接收到检测装置的辐射 暴露和反冲的影响。相对于此，在本发明不受这样的振动的影响。另外，本发明不太受到辐 射的影响。以这种方式，即使在传统的半导体检测器、超导电检测器与晶体、衍射光栅的操作 或运行环境下，本发明也能保证传统的半导体检测器、超导电检测器与晶体、衍射光栅可以 在无需维护的条件下可靠运行。因此，本发明极为有望成为在将来要进行的高温等离子体 聚变实验中使用的电磁波/粒子束分光方法。
图1为根据一个实施例的分光装置的示意图；图2为电磁波/粒子束透射通过物质的示意图；图3为镍的吸收光谱的图示；图4为表示σ = 0. 01时的分析区域的示意图；图5为通过拉普拉斯变换过滤器进行分光的图表；图6为图5的放大图；图7为加大ο时显示分析结果的分光图表；图8为测量装置的示意布置图，以通过等离子体X射线的分光以及杂质粒子的传 输评估示出应用实例；图9为显示氩的特征X射线的发射半径分布图；图10为显示等离子体发射的X射线光谱；图11为实测氩到达时间的半径分布图；图12为制作拉普拉斯变换过滤器的装置的示意图；图13为用比较例中的典型的CXD通过硬X射线摄取的图像；图14为对X射线光谱进行拉普拉斯变换获得的图像；图15为第三实施例的电磁波/粒子束分光装置的示意图16为第四实施例的电磁波/粒子束分光装置的示意图；图17为第五实施例的电磁波/粒子束分光装置的示意图； 图18为显示铜的吸收系数的图表；图19为在线性偏振中的垂直偏振和水平偏振的示意图；图20为在圆偏振中的顺时针和逆时针旋转的示意图；图21为在粒子上旋及下旋的示意图；图22为磁圆二色性时施加磁场的示意图；以及图23为磁线二色性时施加磁场的示意图。
具体实施例方式(第一实施例)以下，将参照图1来说明第一实施例，本发明的电磁波/粒子束分光方法和电磁波 /粒子束分光装置具体实施于其中。以下将电磁波/粒子束分光装置简称为分光装置。如图1所示地，分光装置10包括一个拉普拉斯变换过滤器11、一个作为检测装置 的检测元件15、一个作为逆拉普拉斯变换装置的运算装置17，以及作为显示装置的显示装 置18。检测元件15设置在拉普拉斯变换过滤器11的相对于光源的另一侧。在本实施例 中，检测元件15能够检测X射线。拉普拉斯变换过滤器11包括圆筒状基体12以及气相沉积于该基体12的半圆周 面的衰减体14。举例来说，基体12的两端由轴承(未图示)支撑，以绕与该轴承的中心轴 同心的旋转轴13旋转。另外，基体12可操作地连接至电动机19和减速机20，并且在由电 动机19驱动时，围绕旋转轴13以恒定的速度旋转。衰减体14由固体金属制成并气相沉积于基体12的半个圆周表面。衰减体14不必 限定于气相沉积形成于基体12上，也可以由其它方法形成。所述金属的类型则根据所要测 量的电磁波或粒子束的波长和种类来选择。例如，金属可以为铜，但不限于此。以过渡金属 作为衰减体时，最厚的气相沉积厚度是IOOym单位。测量过渡金属的特征X射线光谱时， 在IkeV至9eV之间没有吸收边际的铜是最佳的衰减体气相沉积材料。气相沉积厚度即衰减体14的层厚设置为具有恒定的倾斜度。拉普拉斯变换过滤 器11由电动机19以恒定的角速度旋转。其结果是，该过滤器每旋转一周，即360°，光分散 两次，因为层厚最厚的点与层厚最低的点在衰减体上相互分开180°。当拉普拉斯变换过滤器11如此围绕旋转轴13以恒定的角速度旋转时，衰减体14 在光轴16上的层厚线性地变化。具体地，衰减体14设置为，随着拉普拉斯变换过滤器11的 旋转，其层厚沿入射光谱的光轴16，即其质量沿与光轴16相交叉的方向线性地连续变化。电动机19对拉普拉斯变换过滤器11的旋转驱动相当于质量变化装置。另外，在本 实施例中，电动机19用作质量变化装置，但并不限于此，也可以用任何其它驱动源来替换。 尽管拉普拉斯变换过滤器11可以由电动机19以恒定速度或可变速度旋转，为了简化后序 的运算处理，以恒定速度旋转为较佳。 另外，如图1所示，于衰减体14内在旋转轴13及光轴上设有一针孔21。从光源 (未图示)入射的X射线光谱作为一种电磁波缩小通过该针孔21并入射在检测元件15上。 制作这个针孔21是为了在检测元件15上形成图像。如不需要形成图像、可以省略针孔21。
例如，检测元件15由半导体检测器构成，具体为作为一种典型的X射线检测器的 电荷耦合器(CCD)。在本实施例中，检测元件15相当于不设冷却器的非冷却检测装置。在 本实施例中与传统的能量分解技术不同之处在于检测装置不包括冷却器。例如，传统技术的超导电检测器将光子的能量转换为温度上升。因此，为了避免热 噪声，传统超导电检测器必须将环境温度设成超低温。因此，传统超导电检测器要求用液化 氦等冷却装置。相反，在本实施例的特征在于不需要大型的冷却器。运算装置17由计算装置成，并且接收检测到的入射光谱的透射强度，即，由检测 元件15测量的。在本实施例中，旋转轴13旋转一次即360°所延续的时间被设为一个分光 时间，即检测时间。因此，本实施例的分光装置，在分光时间旋转一次，可以分光两次。运算装置17在该分光时间内对检测到的入射光谱的透射强度进行逆拉普拉斯变 换，从而利用实用表达式(6)计算出入射于拉普拉斯变换过滤器11上的入射光谱的入射强 度Itl(E)。入射光谱强度的计算结果显示于显示装置18。另外，在本实施例的情况下，在计算特征X射线光谱的强度时，预先通过键盘(未 图示)等输入装置将吸收系数α (E)和能量E输入至运算装置17中。对于能量E的级别， 具体地，可以随机选择任何值，并从对应与能量E的具有已知吸收系数α (E)的能量区域输 入，例如，在用铜以IOeV为步进从IkeV至9keV的范围对特征X射线进行分光时，输入E = {1010、1020、1030……,9000} 0这样，预先输入所要测量的光谱能量E的区域。如上述所构成的分光方法和分光装置具有下列特征。(1)跟据本实施例的分光方法，在第一步骤中，令特征X射线的入射光谱进入拉普 拉斯变换过滤器对该入射光谱的强度进行拉普拉斯变换。在接下来的第二步骤中，接收已 通过拉普拉斯变换过滤器11而经拉普拉斯变换的入射光谱，从而用检测元件15 (检测装 置)来检测该入射光谱的透射强度。在后续的第三步骤中，对检测到的光谱透射强度进行 逆拉普拉斯变换，从而计算出已入射拉普拉斯变换过滤器11的的入射光谱的入射强度其结果是，本实施例的分光方法捕获特征X射线的宽范围入射光谱。另外，有利的 是，本实施例的分光方法的分光能力不易变劣，并对电磁噪声、振动、大的响声、热量以及所 关心的特定粒子束、电磁波以外的粒子束、由电磁波产生的电气性噪声、机械破坏和固体构 成原子反冲具有耐受性，并且还对检测装置的辐射暴露比传统的能量分解技术具有更强的 耐受性。(2)根据本实施例的分光方法，拉普拉斯变换过滤器11形成为包括衰减体14，根 据其自身质量衰减，即吸收入射光谱。另外，在第二步骤中，衰减体14的质量通过电动机 (质量变化装置)沿入射光谱的光轴16变化，这令衰减体14的质量沿入射光谱的光轴16 随时间连续变化。其结果是，利用电动机19使得拉普拉斯变换过滤器11随时间连续而且相对于检 测装置15进行移动，可以令衰减体14的质量沿入射光谱的光轴16连续而且线性地变化。 通过这样连续而线性地改变衰减体14的质量，可以对入射光谱进行拉普拉斯变换。(2)根据本实施例的分光方法，衰减体14的厚度即质量沿入射光谱光轴16随时间 连续地变化，藉此对入射光谱进行拉普拉斯变换。(3)根据本实施例的分光方法，衰减体14沿入射光谱光轴16的层厚即质量设为以 与该光轴16相交叉的方向线性地即连续地变化。然后，电动机19 (质量变化装置)使拉普拉斯变换过滤器11以与光轴16相交叉的方向相对于检测元件15 (检测装置)移动。其结 果是，可以随入射光谱适合地进行拉普拉斯变换。(4)本实施例的分光装置10包括对入射光谱强度进行拉普拉斯变换的拉普拉斯变换过滤器11、和测量该入射光谱的透射强度的检测元件15、以及计算入射到拉普拉斯变 换过滤器11的入射光谱的入射强度Itl的运算装置17。其结果是，本实施例的分光方法可以捕获特征X射线的宽范围入射光谱。另外，有 利的是，本实施例的分光方法的分光能力不易变劣，对电磁噪声、振动、大的响声、热量及所 关心的特定粒子束、电磁波以外的粒子束、由电磁波产生的电气性噪声、机械破坏和固体构 成原子反冲具有耐受性，并且还对检测装置的辐射暴露比传统的能量分解技术具有更强的 耐受性。(5)本实施例的分光装置10可以捕获特征X射线的宽范围入射光谱，尤其是不同 物质的特征X射线。另外，有利的是，本实施例的分光装置10提供了一种分光功能变劣的 电磁波/粒子束分光装置，对电磁噪声、振动、大的响声、热量及所关心的特定粒子束、电磁 波以外的粒子束、由电磁波产生的电气性噪声、机械破坏和固体构成原子反冲具有耐受性， 并且还对检测装置的辐射暴露比传统的能量分解技术具有更强的耐受性。(6)本实施例的分光装置10利用电动机19 (质量变化装置)令衰减体14的层厚 即质量沿入射光谱光轴16随时间连续地变化，从而提供一种能够对入射光谱进行拉普拉 斯变换的电磁波/粒子束分光装置。(7)本实施例的分光装置10这样设置衰减体14的沿入射光谱光轴16的层厚即 质量，以与光轴16相交叉的方向线性地变化，电动机19 (质量变化装置)使拉普拉斯变换 过滤器11以与光轴16相交叉的方向相对于检测元件15(检测装置)相对移动。因此，本 实施例的分光装置10提供了能够对入射光谱进行拉普拉斯变换的电磁波/粒子束分光装置。(8)在本实施例的分光装置10中，透射光穿过针孔21在检测元件15(检测装置) 上形成图像，因而使检测元件15可以检测到成像的图像。(9)本实施例的分光装置10可以在无需冷却检测元件15的情况下检测透射光，所 以不必具有冷却装置，从而能降低分光装置10的成本并且减小其大小和重量。(10)在本实施例中，拉普拉斯变换过滤器11由电动机19-即驱动源-使之旋转， 这样每当它旋转一次就进行两次分光。因此，由控制旋转速度，即控制角速度，可以提高时 间分辨率。另外，作为拉普拉斯变换过滤器11的分光性能，可以同时保证能够识别元素的 特征χ射线的时间分辨率和能量分辨率这两者。现说明一个实际的计算实例。(计算实例)如上所述，一入射光谱可以用表达式(6)来求出，这是一个数学精确表达式。但 是，因为实际分析是用计算机运算有限区域中的数值，所以，不能进行表达式(6)中的无限 区域的积分。因此，为了实现在有限区域中的数值分析，用能提供有限积分区域的表达式 (15)来取代表达式(6)。如表达式(16)所指出的，表达式(6)和表达式(15)在数ο为0 时在数学上相等。“σ ”是用于确定运算区域的参数，σ =0意味着运算区域是无限的。[数15]
<formula>formula see original document page 16</formula>[数 16]I0(E)= Iimitr(E)(16)如果由德尔塔(DELTA)函数δ (E-E0)给出入射光谱F(E)，就可以得到表达式 (17)。如果用光谱已知的入射光获得分析结果的σ依赖性，就得到表达式(18)。[数17]F(E) = dE0F{E0)S{E -E0){17)[数18]<formula>formula see original document page 16</formula>(18)[数19](...XElna(E)-Ina(Etl))(19)如果将运算区域的参数α设成为0，就可以从表达式(18)得到表达式(20)。[数 20]<formula>formula see original document page 16</formula>(20)另外，如果X单调减少或增加，还可以从表达式(20)得到表达式OlhItl(E)与表 达式(17)所示的F(E)相等。[数21]<formula>formula see original document page 16</formula>如上所述，尽管ο = 0意味着运算区域无限，但可以用表达式(18)来对由提供有 限运算区域而产生的分析结果Itl(E)与入射光谱F(E)的偏移进行求值。关系式σ =0.01 给出的运算区域为士500(见图4)。图5显示了用普通个人计算机在假定σ = 0. 01的基础上做的分析结果。图6是 图5靠近5000eV位置的放大图。假定所要用的入射光谱为两条线宽无限窄且强度相同的 5010eV和7010eV线光谱。从图6可知，作为将ο设为有限值而提供一有限运算区域的结 果，分析后的线宽呈现为有限。该线宽之所以为有限归因于表达式(18)中的exp[-(X/c02] 项。表达式(18)的eXp(X/c)项显示，如果将运算区域的参数σ设为太大的值，则分析结 果将不能再现入射光谱的能量或强度(见图7)。分析结果中的线宽和能量位置与吸收系数的关系可以从表达式(18)得出。将表 达式(18)的被积分函数设定为Κσ (E)并在E-Etl周围对X进行泰勒展开，就可以得到表达 式(23)。
[数 22]<formula>formula see original document page 17</formula>[数 23]
<formula>formula see original document page 17</formula>假定由有限分析所产生的线宽读取误差为ΔΕ，从表达式(23)的高斯函数项就可 获得表达式(24)。[数24]<formula>formula see original document page 17</formula>
在本计算实例中，在X射线区域中的物质的吸收系数为α (E) = aEb，在镍选为衰 减体时，b = 2.63。这就导出<formula>formula see original document page 17</formula>，所以，假定σ = 0.01、就给出Ε/ΔΕ = 263。 因此，可以从吸收系数相对于能量的相对变化以及-个进行数值运算的范围得到读取的相 对误差。但是，由于数值运算，表达式(24)中的相对读取误差是有限值。为实现该有限值， 优选的是使用光谱宽极窄的高分辨率单色光源进行校正实验。传统的能量连续可变单色光源的分辨率是E/ΔΕ = 8000左右，比由一般的个人计 算机将由本计算实例产生的分析进行数值运算时的分辨率还大一位，这样就能实际进行校 正实验。图5所示为基于假定以拉普拉斯变换过滤器11对一个光子的入射光谱进行拉普 拉斯变换时的计算实例。在该图中，水平轴代表光子能量，垂直轴代表光谱强度。该计算实例是关于两个在5010eV与7010eV之间具有相等无限窄强度的线光谱。 艮口，在图5中，对应于分辨率40eV的线宽度。因此，由于假定检测元件15测量光子的数量， 检测效率f(E)设为1。在实际计算中，积分提供一个有限和。因此，有些强度残留于没有线 光谱的区域内的情况，严格来讲由于完全的干扰而必须消失。这个计算实例的计算条件包括，将区间OkeV至10. OkeV平均分为100份，并将过 滤器中的衰减体的层厚平均分为10000份。(第二实施例)由于本实施例采用与第一实施例的几乎相同的硬件结构，所以对相同元件给予相 同的标号。第二实施例包括在衰减体的吸收系数呈现出对电磁波/粒子束的偏振的依赖性 时，求得入射光谱的偏振分量。直线偏振光相对于光前进方向，S卩，相对于图19所示的光轴，有垂直偏振和水平 偏振，并且其分量可被测量为偏振。另外，在圆偏振光情况下，如图20所示，相对于光的前 进方向，即围绕光轴，有顺时针偏振和逆时针偏振，其顺时针分量和逆时针分量可被测量为 偏振。在粒子束情况下，如图21所示，在对入射粒子250加上磁场的条件下，可以评估入射 粒子250向上旋转和向下旋转的概率。磁场生成装置可以用永磁铁或电磁铁构成。图22和图23显示了入射光子的例子。
如图22所示，磁场生成装置设置成使所形成的磁场的入射侧为N极而出射侧为S 极，并且以与入射光谱的光轴16相同的方向施加。另外，如图23所示，磁场生成装置设置成N极和S极垂直于入射光谱的光轴16，藉 此施加垂直于光轴16的磁场。磁场(即稳定磁场)施加于光轴的方向，，也就是与光轴16相同的方向以及与光 轴16垂直的方向，分别对应于权利要求5及10中预先确定的方向。因此，在第二实施例中，镍作为一种对电磁波/粒子束的偏振显示出依赖性的铁磁体，在基体12上进行气相沉积成为衰减体14。该衰减体14所形成的层厚与第一实施例 的相同。除了镍，可以用钆等作为铁磁体，然而，当然，镍和钆以外的其它铁磁体也可以被采 用。在第二实施例中，运算装置17基于由检测元件15检测的透射强度J± (t)，用表达 式(11)计算出偏振光谱。运算装置17相当于偏振光谱强度运算装置。表达式(11)是基于表达式(12) 表达式(14)进行逆拉普拉斯变换，即，，表达式 (11)实际上是进行麦林变换。另外，透射强度J±(t)是入射强度的拉普拉斯变换式，如表 达式(14)所示。还有在第二实施例中，和第一实施例一样，先通过输入装置(未示)在运算装置17 输入吸收系数α (E)和所要测量光谱的能量E的区域。(关于偏振测量的极性反转方法)现说明偏振测量的极性反转的方法。在入射光子的前进方向，即图22所示与光轴16相同的方向，或图23所示垂直于 光轴16的方向加上稳定磁�。翘盘宓乃ゼ跆�14被磁化，然后进行第一次拉普拉斯变 换。此后，在磁场强度保持恒定的条件下，通过将该稳定磁场的方向反转180°，进行第二次 的拉普拉斯变换。这导致了反转的极性，可得到表达式(14)的J±(t)。此时，入射光子是 指除了例如粒子束、X射线以外的任何光子。如果在与入射光子的光轴的相同方向上加上 磁场，如图22所示，可以通过磁圆二色性来识别圆偏振光。这里，极性反转是指180°磁场 反转。第一次和第二次分光中的入射光谱强度必须是恒定的。另外，如果在垂直于入射光 子光轴的方向加上稳定磁�。梢酝ü�23所示的磁线二色性来识别直线偏振光。为检查垂直偏振光和水平偏振光之间的比例，进行下面的运算作为磁场反转的例 外。(磁场反转的例外)可以利用磁线二色性区别垂直偏振光和水平偏振光来进行分光。如图19所示，这 些垂直偏振光和水平偏振光的偏振光平面转了 90°。首先，在垂直于入射光谱的前进方向(即如图23所示的光轴方向)的方向施加稳 定磁�。允翘盘宓乃ゼ跆褰写呕纱私械谝淮卫绽贡浠�。此后，在保持磁场 强度稳定的情形下，将稳定磁场的方向以光轴为中心旋转90°，从而进行第二次拉普拉斯 变换。这导致反转的极性，可以得到表达式(14)的J±(t)。第一次和第一次分光中的入射 光谱强度必须是恒定的。这样，作为衰减体14，利用铁磁体镍可基于磁圆二色性或磁线二色性来识别偏振光。
上述构造的分光方法和分光装置10具有下述特征。(1)根据第二实施例的分光方法，如果在第四步骤中，衰减体14的吸收系数α (E)显示出对电磁波、粒子束偏振的依赖性，则可分别求出偏振分量。因此，如果在电磁波/粒 子束偏振观察到依赖性时，就可以分别求出偏振分量。 (2)在第二实施例中，可提供一种电磁波/粒子束分光装置，如果衰减体14的吸收 系数α (E)对电磁波/粒子束偏振显示出依赖性时，可分别求出偏振分量。(应用实例)下面参照图8 11来说明一个应用实例。该应用实例包括在国家聚变科学研究所的大型螺旋装置中的X射线的测量。图8 是为了评估杂质粒子的传输的分光装置10的布局示意图。与第一实施例相同的组件给予 相同的标号。在该应用实例中，采用一维半导体阵列，即采用一维多元件型检测器作为检测 元件15。图中的标号22是指连接至运算装置17的储存装置。大型螺旋装置(未图示)中的等离子体具有高放射性的特征X射线，所以如果检 测元件15的一维多元件型检测器作为分光装置10，就可有同时有能量分辨率、空间分辨率 和时间分辨率，因而可以进行传输评估。在图8中，大型螺旋装置(未图示)设有一个杂质 入射装置25，用于将例如氩等杂质注入到由加热装置26加热的等离子体P中。在该应用实例中，分光装置10可测量X射线光谱空间分布的时间变化，其结果可 以在评估杂质传输中得以利用。等离子体P的形状为圆环状，所以可以从截面中心向最外 壳的半径方向评估传输分布。图9 11显示的是由传统方法得到的数据。图9示出了从大型螺旋装置内的典型等离子体放射的氩特征X射线(3. 2keV)的 放射性半径分。其水平轴表示标准化的等离子体半径座标，其中0相当于等离子体中心，1 相当于等离子体最外壳。在1. 5秒时间内在一点上入射到等离子体P中的氩气从等离子体 P的最外壳慢慢向等离子体P的中心扩散。在测量中，电子温度分布是恒定的，X射线强度 与氩的绝对量成正比。“半径”是指从圆环状等离子体P的截面中心向最外壳的座标。如图 9所示，强度最大时，X射线的放射性接近IO12光子/cm7s，能量分辨率为150eV，而时间分 辨率为IOms左右。图10显示的是大型螺旋装置中典型等离子体放射出的X射线光谱，是以传统的半 导体X射线脉冲波高分析器测量得到的。K表示从在大型螺旋装置中发生的等离子体放射的2. 5keV至IOkeV X射线光谱。 除了由电子发射的轫致辐射产生的连续光谱以外，还测量作为杂质被包含于等离子内的氩 和过渡金属的特征X射线。特别是，原子序数相差二的两种过渡金属Cr、Fe的特征X射线 相互隔开IkeV左右。传统地，以半导体X射线脉冲波高分析器为检测器，其计数率有限，所以，由将Imm 厚的铍平板过滤器和具有0. 5mm直径针孔的板相互隔开地在光轴上串联起来作为准直仪 使用，显著地降低入射光强度。图10中，FL表示铍平板过滤器的透射率。如果以铍平板过 滤器的吸收系数来修正，氩的实际特征X射线强度比Fe (铁)就要大至少2位。在图10的 情况下，足以以500eV的能量分辨率来辨别具有相邻原子序数的过渡金属的特征X射线。图11显示了例子从等离子体P最外壳传输到达等离子体P的各径向位置的定量评估的到达所需时间的分布。在该图中，水平轴是空间轴，垂直轴是时间轴，因此可知，测量 装置在能量分辨率以外，必须同时有空间分辨率和时间分辨率。如图11所示，在等离子体 P的直径上可观察到抛物线型的依赖性。越接近等离子体P的最外壳，电子温度越低，特征 X射线强度越弱。因而，测量精度下降。这里，传输评估系指根据到达时间的斜率指求出扩散系数和对流速度，所以，有必 要设定大量的如图11所示的空间和时间上的测量点。传统地，因为使用X射线脉冲波高分析器进行传输评估，而不能同时提高时间分 辨率和空间分辨率，因此，将同样放电条件下的等离子体，实施10次左右，测量到达时间的 半径分布。在X射线脉冲波高分析器的情况下，因计数率的限制，必须以铍平板过滤器来降 低电子能量低的一侧的光谱强度，而那里的轫致辐射强度特别高。如图10所示，氩特征X 射线具有3. 2keV的低能量级，强度下降2位。实际上，图11的信噪(SN)比，由于X射线脉 冲波高分析器的计数率不足而下降为1/10、即1/100的平方根。该应用实例中的分光装置10使用拉普拉斯变换过滤器，所以，不需要至少降低入 射强度的平板过滤器，从而可以以X射线脉冲波高分析器的10(即100的平方根)倍的信 噪(SN)比来进行传输评估。特别是，在等离子体周边的传输分析精度较高。另外，利用高时间分辨率的多元件 型检测器，可以仅在一次放电中进行传输评估。(拉普拉斯变换过滤器的产生方法)接着，参照图12说明拉普拉斯变换过滤器的产生方法。如图12所示，这个拉普拉斯变换过滤器采用圆盘形气相沉积基盘31作为其基底。超真空室100在其上部设有基体冷却支持器110，该基体冷却支持器110由电动机 (未示)旋转驱动，能够抽真空达到超高真空。另外，超高真空室100还设有能够从其内部 取出物品的空气锁室120。该超高真空是指达到例如IO-8Pa的真空。圆盘形气相沉积平台31由超高真空室100中的基体冷却支持器110支持，其半圆 部分被遮罩40覆盖。在这种情况下，操作者驱动电动机(未示)以恒定的速度使基板冷却 支持器110绕圆盘形气相沉积平台31的中心半旋转。此时，电动机的旋转驱动由气相沉积 用驱动控制装置150进行控制。在这个半旋转中，来自设在超高真空室100内的电子束蒸镀炉130的蒸镀过渡金 属被气相沉积在未被遮罩40覆盖的部分，由此制成气相沉积膜厚度在旋转方向上连续变 化的拉普拉斯变换过滤器。即，在圆盘形气相沉积基盘31的半圆部分，形成气相沉积厚度 在旋转方向上连续变化的膜。在所完成拉普拉斯变换过滤器上衰减体层厚最薄的点和最厚的点在旋转方向上 相隔180°，所以，这一拉普拉斯变换过滤器每旋转一次，即旋转360°，可以分光两次。在 采用过渡金属为所述材料情况下，最厚的气相沉积厚度为100 μ m单位。作为气相沉积材料，铜在IkeV至9keV之间没有吸收边际，是最适合测量过渡金属的特征X射线光谱，然而，本发明不限于铜。(拉普拉斯变换过滤器的实例)以下将说明拉普拉斯变换过滤器的一个实例。图13是在以符合对20keV或以上硬射线敏感的帕尔贴(Peltier)冷却标准的一般硬X射线作为X射线检测器所摄取的一个图像。用大型螺旋装置的等离子体为X射线光 源对一个物体进行拍摄，由此提供一个比较例。图14是通过拉普拉斯变换过滤器对和比较例相同的物体进行拍摄得到的图像。
在该例子中的等离子体光源的至少20keV以上的硬X射线强度本来很弱，数据显 示随着过滤器厚度增加透射强度减弱。但是，可以观察到，即使相反地是以强度低的信号， 也可以稳定测量到X射线光谱，还仍然具有足够空间分辨率，即使完全没有对抗电磁噪声 和振动的措施。在这个例子中，所测量的拉普拉斯变换过滤器大小为50 X 30mm2，衰减体是用铝切 削制成。此时，衰减体厚度是50 500 μ m。在图13和图14中，横向拍摄出来的两侧垂直线是用视觉检查等离子体的窗口的 框。(第三实施例)接着，参照图15说明第三实施例。下列包含本实施例的下列多个实施例，具有不 同的拉普拉斯变换过滤器结构，所以，和第一实施例相同的元件给予相同的参考号，并省略 对相同元件的重复性说明。在下列包含本实施例的多个实施例中，图15 图17中的显示 装置18为了便于说明而省略。拉普拉斯变换过滤器60包括一个封装体62，内含液体64作为衰减体。优选的是， 封装体62的形状为长方体、立方体或圆柱体等高度方向上的截面相同的形状。然后，液体 64能够通过泵66以稳定的每秒流量流入封装体62内。作为衰减体，液体64可以为镓等，但不限于此。在本实施例中，分光时间定义为液体64倒入封装体62内而从高度0直至达到预 定高度的一段持续时间。在该持续时间内，对入射光谱的强度进行拉普拉斯变换。在第三 实施例中，泵66相当于质量变化装置。由运算装置17运行的数学计算，和第一实施例的一 样，所以省略重复说明。此时，实用表达式(6)、(7)、⑶和(9)中，“t”读数不是作为衰减 体的厚度，而是读为衰减体的液体深度。(第四实施例)接着，参照图16说明第四实施例。拉普拉斯变换过滤器70包括封装体72，其内部密封地包含作为衰减体的气体74。 该封装体72具有一个平板底面并且其高度方向的截面形状相同，例如长方体、立方体或圆 柱体。封装体72相当于腔室。然后，作为衰减体的气体74能够通过泵76以稳定的每秒流 量流入封装体72内。泵76相当于压力可变装置。作为衰减体，气体74可以是氩气等，但本发明不限于此。本实施例定义了分光时间为封装体72内的气体74的压力从低压达到一个预设高 压的一段持续的时间，在这段时间。在这段持续时间内，对入射光谱的强度进行拉普拉斯变 换。在第四实施例中，泵76相当于质量变化装置。另外，由运算装置17运行的数学计算， 和第一实施例一样，所以省略重复说明。此时，“t”读数不是作为衰减体的厚度，而是读为 衰减体的质量，即实用表达式(6)、(7)、(8)和(9)中的密度。(第五实施例)接着，参照图17说明第五实施例。在本实施例中，假定光源强度在一维空间方向上是一致的。具体地，可以将能量轴变换为衰减体14的厚度尺寸轴，即使该衰减体14具有三角 形的截面，因而其质量可以如图17中所示的在一维方向上连续变化，即，即使制成静止型 光学元件。另外，在本实施例中，基体12是由电磁波/粒子束能够通过的材料制成的平板。另外，检测装置由在一维方向上设置的一维半导体阵列组成。与第一实施例相反， 这样构成的分光装置10不旋转拉普拉斯变换过滤器11，所以可在最短的分光时间内测量 光谱强度。上述实施可以做如下修改。第一实施例采用一个检测装置15。但是如果在拉普拉斯变换过滤器11的后面设 置很多个检测元件15，就可以将第一实施例的(10)中所描述的所有时间分辨率和能量分
辨率合并。另外，在拉普拉斯变换过滤器11的后方设置很多个检测元件15的，如果光源具有 与第一实施例相等的强度，则能量分变率与时间分辨率就能相互平衡。另外，例如，如果大型螺旋装置中产生等离子体，并且等离子体X射线光源的放射 性为IO12光子/Cm3/S，在假设0. 5mm直径的检测元件15提供1. OX 10_6球面角度的视角时， 则等离子体赤道面上的视域相当于12mm。然后，安装直径为150mm的圆盘形拉普拉斯变换过滤器，并由电动机(未示)使之 绕该圆盘的中心旋转，从而以令其层厚线性变化的方式将衰减体气相沉积于该圆盘的半圆 面上。然后，通过令该拉普拉斯变换过滤器以每20ms为一周期旋转，即以过滤器每旋转一 次时进行两次分光的方式旋转，其能量分辨率变为150eV，这就可以每次持续IOms的时间 分辨率进行光谱的测量。尽管在图1的实施例中，拉普拉斯变换过滤器11旋转而检测元件15为固定，但也 可以固定拉普拉斯变换过滤器11而让检测元件15及光源(未示)以恒定的角速度相互同 步地旋转。图1的实施例已经参照分光装置10进行X射线光谱分光进行了描述。但是，要令 它能作为对中子线之类粒子束进行分光的分光装置，衰减体的材料就需要改变。例如，如果 衰减体是固体、就使用硼，或如果衰减体是气体、就使用氢，从而可以对诸如中子线等的粒 子束进行分光。在这种情况下电磁波/粒子束分光方法不需要限制入射光谱的强度，所以可以达 成高计数率。另外，有利的是，本方法不易在分光能力上变劣，并对电磁噪声、振动、大的响 声、热量以及所关心的特定粒子束、电磁波以外的粒子束、由电磁波产生的电气性噪声、机 械破坏和固体构成原子的反冲具有耐受性，还对检测装置的辐射暴露比统的能量分解技术 具有更强的耐受性。 尽管图1的实施例中的检测元件15没有设置冷却装置，可以采用符合典型帕尔贴 (Peltier)冷却标准的CCD来作为X射线检测器。但是，不需要大型的冷却装置作为冷却装置。尽管第三实施例中的泵66是被驱动来增加封装体62内的液体64量，封装体62 可先装入液体64达到一预设高度，并且液体64也可以通过泵66以稳定的每秒流速排出。尽管第四实施例中的泵76是被驱动来为封装体72内的气体74增压，可在封装体72先填充气体74达到一预设压力，并且气体74也可以通过泵76以稳定的每秒流速排出， 以此对封装体减压。11、60、70拉普拉斯变换过滤器，12基体、13旋转轴、14衰减体，15检测元件(检测装置、非冷却检测装置)、16光轴，17计算装置(逆拉普拉斯变换装置、偏振光谱强度计算装置)，
18显示设备(显示装置)，19电机(质量变化装置)、60拉普拉斯变换过滤器，66泵(质量变化装置)、70拉普拉斯变换过滤器，72封装体(腔室)、76泵(压力可变装置)。
权利要求
一种电磁波/粒子束分光方法，其特征在于第一步骤，令入射光谱进入拉普拉斯变换过滤器以对所述入射光谱的强度进行拉普拉斯变换；第二步骤，接收通过所述拉普拉斯变换过滤器而经拉普拉斯变换的入射光谱，从而利用检测装置检测所述入射光谱的透射强度；以及第三步骤，对所述检测到的光谱透射强度进行逆拉普拉斯变换，从而计算进入所述拉普拉斯变换过滤器的所述入射光谱的强度。
2.如权利要求1所述的电磁波/粒子束分光方法，其特征在于，所述拉普拉斯变换过滤 器包括根据其自身质量衰减所述入射光谱的衰减体；其中，在所述第二步骤中，在所述衰减体的质量沿着所述入射光谱的光轴连续变化的 条件下，由所述检测装置检测所述入射光谱的透射强度。
3.如权利要求2所述的电磁波/粒子束分光方法，其特征在于，在所述第二步骤中，所 述衰减体沿所述入射光谱光轴的质量是由使质量随时间变化的质量变化装置改变的。
4.如权利要求3所述的电磁波/粒子束分光方法，其特征在于，所述衰减体沿所述入射 光谱光轴的质量被设置为在与所述光轴相交的方向上线性变化，其中所述质量变化装置以与该光轴相交的方向使得所述拉普拉斯变换过滤器及所述 检测装置中的至少一个相对移动。
5.如权利要求3所述的电磁波/粒子束分光方法，其特征在于，所述拉普拉斯变换过滤 器中设有包含衰减体的腔室，所述衰减体由根据其自身密度而衰减所述光谱的气体制成；其中，所述质量变化装置，在面对所述检测装置的拉普拉斯变换过滤器的位置，连续改 变所述衰减体的压力，从而连续改变所述气体的密度。
6.如权利要求2 4中任意一项所述的电磁波/粒子束分光方法，其特征在于，第一步 骤中的所述衰减体是由铁磁体制成，并且所述入射光谱是在将磁场以相对于所述入射光谱 光轴的预定方向施加在所述衰减体上的条件下进入；所述方法还包括第四步骤，基于第三步骤所得到的所述入射光谱强度，计算偏振光谱 的强度。
7.—种电磁波/粒子束分光装置，其特征在于，包含拉普拉斯变换过滤器，其接收入射光谱并对所述入射光谱的强度进行拉普拉斯变换；检测装置，其接收所述经拉普拉斯变换的光谱，从而检测到所述光谱的透射强度；以及逆拉普拉斯变换装置，其对所述检测到的光谱透射强度进行逆拉普拉斯变换，从而计 算进入所述拉普拉斯变换过滤器的所述入射光谱的强度。
8.如权利要求6所述的电磁波/粒子束分光装置，其特征在于，所述拉普拉斯变换过滤 器包括根据其自身质量而衰减所述光谱的衰减体；所述装置还包括质量变化装置，其令所述衰减体的质量沿着所述入射光谱的光轴随时 间连续变化。
9.如权利要求7所述的电磁波/粒子束分光装置，其特征在于，所述拉普拉斯变换过滤 器包括根据自身质量衰减所述光谱的衰减体；其中所述衰减体设置成其质量变化的方向与所述入射光谱的光轴相交；以及其中所述检测装置被放在与所述入射光谱光轴相交的方向。
10.如权利要求8所述的电磁波/粒子束分光装置，其特征在于，所述衰减体沿入射光 谱光轴的质量被设置为在与所述光轴相交的方向上线性变化，其中所述质量变化装置使得所述拉普拉斯变换过滤器和所述检测装置以与所述光轴 相交的方向相对移动。
11.如权利要求8所述的电磁波/粒子束分光装置，其特征在于，所述拉普拉斯变换过 滤器设有包含衰减体的腔室，所述衰减体由根据其自身密度衰减所述光谱的气体制成；其中所述质量变化装置在接收所述经拉普拉斯变换的光谱时，使得所述腔室中的压力 随时间连续变化。
12.如权利要求8 10中任意一项所述的电磁波/粒子束分光装置，其特征在于，所述 衰减体由铁磁体制成，所述装置还包括磁场产生装置，其以相对于所述入射光谱光轴的预定方向施加磁�。顾鎏盘宕� 化；以及偏振光谱强度计算装置，其基于由所述逆拉普拉斯变换装置所获得的所述入射光谱强 度来计算偏振光谱的强度。
13.如权利要求8 12中任意一项所述的电磁波/粒子束分光装置，其特征在于，在所 述检测装置与所述衰减体之间设有针孔，所述针孔令所述光谱的透射光在所述检测装置上 形成图像。
14.如权利要求7 13中任意一项所述的电磁波/粒子束分光装置，其特征在于，所述 检测装置为非冷却装置。
全文摘要
本发明提供一种分光功能不易变劣的电磁波/粒子束分光装置，其对电磁噪声、振动、大的响声、热量及所关心的特定粒子束以外的粒子束、电磁波之外的粒子束、由电磁波产生的电子噪声、机械破坏、以及固体组成原子的反冲具有耐受性，并且比传统的能量分解技术对检测装置的辐射暴露具有更强的耐受性。分光装置10包括拉普拉斯变换过滤器11，对入射光谱强度进行拉普拉斯变换；检测元件15，检测入射光谱的透射强度；以及运算装置17，对检测到的入射光谱的透射强度进行逆拉普拉斯变换，从而计算进入拉普拉斯变换过滤器11的入射光谱的入射强度。
文档编号G01T1/36GK101802646SQ200980000345
公开日2010年8月11日 申请日期2009年3月12日 优先权日2008年3月13日
发明者武藤贞嗣 申请人:大学共同利用机关法人自然科学研究机构
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