Z箍缩等离子体X射线椭圆弯晶谱仪

　　1　引　言

　　X射线光谱仪是高温等离子体诊断的关键设备[1]。由于等离子体发射光谱中含有大量的关于等离子体温度、尺寸、密度和电离状态等参量,通过X射线能谱强度及其分布的诊断可推断等离子体的辐射总量、电子温度、电子密度和等离子体不透明度等参数[2]。研究Z箍缩等离子体辐射软X射线能谱分布,有助于加深对该等离子体的物理过程及其辐射特性的理解[3]。自20世纪90年代以来,Z箍缩研究工作取得了重大进展,如美国Sandia国家实验室Z装置驱动的Z箍缩所产生的高强度X射线环境可应用于惯性约束聚变(ICF)和武器物理实验研究[4],驱动电流达20 MA,X射线辐射功率为280±40 TW[5]。

　　Heeter等[6]用邻苯二酸氢铷(RAP)椭圆弯晶在Omega激光装置上获得的光谱分辨为300~500。Lake等[7]利用PET椭圆弯晶在Z装置上测量高能量密度等离子体研究中,光谱分辨率约为800。高洁等[8]用季戊四醇(PET)椭圆弯晶和平面CCD探测器在“神光Ⅱ”靶室上测试了Au靶激光实验,验证了测量光谱与理论波长相吻合。本文在中国工程物理研究院“阳”加速器上完成,对氩喷气Z箍缩辐射的X射线作了测量,选用Si(111)作为色散元件,晶格常数2d=0.6271 nm,设计半径为50 mm的半圆形感光胶片获得了等离子体X射线谱线。光谱分辨率为300~500,适合Z箍缩等离子体诊断。

　　2　椭圆弯晶设计原理及结构

　　椭圆弯晶谱仪的工作特点是从椭圆一个焦点光源发出的光线经椭圆晶体面反射必会聚于另一焦点上。后焦处设置一条狭缝,通过狭缝的射线射到探测胶片上被记录下来。光学系统原理如图1所示。椭圆的几何关系可以推导出设计光路的几个关键数[9]

　　式中a为椭圆长半轴, b为短半轴, c为半焦距, e为离心率。图1中各参数的含义为:θ为布拉格角,β为谱线探测角。这里忽略了晶体折射效应,Bragg方程为

　　由于半圆形胶片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。光线经椭圆后焦点(散射狭缝)在圆形胶片上感光成像,而成像位置与胶片起点的弧长l为

　　这里r为半圆形胶片半径。当β=π/2时,入射光垂直通过后焦点,成像在胶片的正中。当实际光路大于设计光路,即远离椭圆中心时,则X射线经晶体反射后的交点在后焦点上方,光谱在胶片上的间距大;反之,光谱间距小。待标记光谱在胶片上与已知光谱的弧长差Δl= l-l0,由(4)式推出椭圆几何对应的观测角β,再由三角函数关系,推出分析器上θ为

　　椭圆弯晶探测光谱,波长沿探测圆的弥散度与离心率密切相关,如图2所示。从图中可以看出,离心率确定后,对同一种晶体而言,测量的波长随探测角增大而增大,而分辨率随探测角增大而减小[10]。