摘要：研制了一种新型的双通道椭圆弯晶谱仪，椭圆的离心率和焦距分别为 0.9586 和 1350mm。利用晶体作色散元件，布拉格角为 30°～67.5°，谱线探测角为 55.4°～134°。在两个通道上用 CCD和条纹相机同时测量 × 射线的空间和时间分辨光谱。在“神光Ⅱ”激光装置上进行了首次摄谱实实验，实验结果表明该谱仪的光谱分辨力为 0.002nm。

　　引 言

　　激光惯性约束聚变(ICF)产生大量的高温高密度等离子体，从中辐射出大量的 × 射线，通过 × 射线诊断来获得等离子体的状态，如电子的温度和密度、膨胀速度、离化度等[1-4]。以前一般用光栅谱仪来诊断激光等离子体 X 射线，为了提高光栅的反射率而采用掠入射形式，这极大地降低了谱仪的接收效率，而且只能获得一维空间分辨的 × 射线光谱，测量的波长范围是 2 nm～30nm，而晶体谱仪在测波长范围为 0.1nm～2nm 的 × 射线方面应用较广[5-7]。我们研制的国内第一台双通道椭圆弯晶谱仪(以下简称“弯晶谱仪”)可以诊断 0.2 nm～2nm 的激光等离子体 X 射线，覆盖的布拉格角是 30°～67.5°。该谱仪是将分光晶体弯曲成椭圆形，这样可以将 × 射线在空间上展开得更宽，从而获得比平晶谱仪更高的空间分辨力。除了在上通道用× 射线 CCD 相机作空间分辨测量外，还在下通道用 × 射线条纹相机作时间分辨测量，从而同时获得× 射线的空间和时间分辨特性[8]。

　　1 弯晶谱仪的结构

　　弯晶谱仪的结构如图1。激光打靶产生的× 射线源位于真空靶室的球心上，即位于两个椭圆的同一个前焦点上，来自前焦点的× 射线经椭圆晶体衍射后聚焦于后焦点，在上通道椭圆后焦点的上方用× 射线CCD相机进行空间分辨测量;在下通道椭圆后焦点的下方用× 射线条纹相机进行时间分辨测量。两个椭圆的后焦点处各有一个可调宽度的狭缝，在狭缝前面安放滤光膜来截止 2nm 以上的× 射线并挡住杂散光。在弯晶谱仪的设计中，椭圆的离心率为 0.9586，椭圆的焦距(即靶到狭缝的距离)为 1350mm，椭圆弯晶基底的弧长为 125.64mm，谱线的探测角为 55.4°～134.0°，从靶到谱线探测器的光程为 1456.3mm。如果用 X 射线胶片相机进行空间分辨测量，由于半圆形胶片相机的圆心与椭圆的后焦点重合，所以该谱仪还具有等光程的优点[9]。一张 X 射线胶片在暗盒中用挡光板隔开分成三部分，每打一发靶就移动一次通光孔，这样在不换胶片的情况下，可以接收三发靶的谱线。根据几何光学的原理，来自前焦点的 X 射线经椭圆弯晶衍射后一定会聚于后焦点，因此该谱仪具有自聚焦的特点。另外，还将两个弯晶基底进行上下对称布置来减小谱仪的尺寸和重量。

　　2 X 射线的Bragg 衍射原理

　　弯晶谱仪采用LiF，PET，Mica 和 KAP 四种晶体作分光元件，当X 射线入射到晶体上时，晶体点阵中的原子(或离子)就成为子波的波源，向各个方向发出散射波，两列散射波经相互干涉后发生衍射。根据 Bragg 衍射原理[10]，得到衍射明条纹的条件是

式中d 是晶面间距，θ 是 Bragg 衍射角，m 是衍射级数，λ是X 射线的波长。在弯晶谱仪的设计中，使用一级衍射明条纹，即m=1，则式(1)变成

弯晶谱仪覆盖的Bragg 角是30°～67.5°，利用公式(2)可以计算出四种晶体测量的 X 射线波长范围，如表1。

　　3 物理实验及波长标定

　　3.1 物理实验

　　在上海“神光Ⅱ”激光装置上进行了首次打靶实验。聚焦波长为0.35μm, 能量为 260J、脉宽为 960ps 的三倍频激光束于真空靶室内的点背光 Au 靶表面，产生等离子体 X 射线源。用粘贴有 PET 晶体的椭圆分析器作色散元件，采用 X 射线 CCD 相机进行空间分辨测量，该 CCD 相机为 1340 像素×1300 像素的二维接收器件，每个像素的大小为20μm×20μm。由 X 射线 CCD 相机摄取的光谱照片如图2。

　　3.2 波长标定

　　对图2 进行数据处理，得到 X 射线的谱线图，如图3。由CCD 相机摄取的光谱图反映的是强度与像素之间的关系，经过波长标定得到谱线的波长，如表2。从表2可以看出，该谱仪能够将0.6454nm和0.6474nm的两条谱线分开，表明其谱分辨力能达到 0.002nm。

　　结束语

　　我们研制的弯晶谱仪是一种新型的能够同时进行X射线空间和时间分别测量的诊断仪器。利用PET 椭圆晶体分析器和 X 射线CCD 相机首次成功地获取了激光等离子体 X 射线的图像，实验结果表明该谱仪的谱分辨力能达到0.002nm;如果换用不同的椭圆晶体分析器，就可以诊断不同的波长范围。谱仪安装在靶室外面，条纹相机的阴极面距离靶心太远，由于真空梯度的存在，当靶室内的真空度已达到3×10-3Pa 时，而阴极面的真空度只有9.6×10-2Pa，为防止条纹相机的阴极面被烧坏，所以没有进行时间分辨测量。

　　参考文献：

　　[1] AXECHI H, MIYANAGA N, STAPF R O, et al. Experimental determination of fuel density-radius product of inertialconfinement fusion targets using secondary nuclear fusion reactions [J]. Applied Physics Letters, 1986, 49(10): 555-557.

　　[2] BUREK A J. Calibrated high-energy x-ray continuum crystal spectrometer for ICF diagnostics [J]. Review of ScientificInstruments, 1990, 61(10): 2798-2800.

　　[3] RENNER O, KOPECKY M, KROUSKY E, et al. New methods of X-ray spectroscopy of laser-produced plasmas withone-dimensional spatial resolution [J]. Laser and Particle Beams, 1994, 12(3): 539-548.

　　[4] TURNER R E, AMENDT P A, LANDEN O L, et al. Role of laser beam geometry in improving implosion symmetry andperformance for indirect-drive inertial confinement fusion [J]. Physics of Plasmas, 2003, 10(6): 2429-2432.

　　[5] HE S T, CHEN Y, CHUNYU S T, et al. New method of adjusting and aligNIng a grazing incidence grating spectrometer [J].Review of Scientific Instruments, 1993, 64 (7): 2031-2032.

　　[6] 钟先信，陈守谊，周 辛，等. 用于低能 X 射线段的掠入射光栅摄谱仪[J]. 光电工程，1995，22(3)：9-14.

　　[7] 范品忠，FILL E，关铁堂. 软 X 射线晶体谱仪[J]. 光学学报，1995，15(7)：923-926.

　　[8] 熊先才，钟先信，肖沙里，等. 双通道椭圆弯晶谱仪的传递效率分析[J]. 光学精密工程，2002，10(6)：592-596.

　　[9] ZHONG X X, XIONG X C, XIAO S L, et al. Analysis and calculation on transmission efficiency of two-channel ellipticalcrystal spectrograph [A], Proceedings of 2nd International Symposium on Instrumentation Science and Technology[C], Harbin,China: Harbin Institute of Technology Press, 2002.

　　[10] 王英华. X 光衍射技术基础. 第二版[M]. 北京：原子能出版社，1993.

　　作者简介：熊先才(1973-)，男(汉族)，重庆人，博士生，主要从事光电精密仪器研究。E-mail: xiongxc@cqu.edu.cn

上一篇 : 暂无             下一篇 : 烤地瓜机 烤地瓜机烤地瓜的原理