硬X射线透射弯晶谱仪

　　近年来随着各类实验装置的发展,硬X射线的相关研究越来越受到关注。在直接和间接驱动的激光聚变研究中,激光与等离子体相互作用,通过受激喇曼散射、共振吸收、双等离子体衰变等集体过程会产生大量的超热电子[1],通过测量等离子体辐射的硬X射线轫致辐射光谱,可以获得超热电子能量分布的特性。在电子束等离子阱实验中,利用低能的电子去轰击约束阱区的几乎静止的重离子或原子气体,使其慢慢达到高电荷态[2]。高离化度的中高Z离子发射的辐射有很多是处于几十keV的硬X射线,通过对这些光谱的诊断可以推导出相应的截面。此外,在一些高Z物质的量子电动力学理论及相对论修正和吸收光谱学方面,也常常需要对硬X射线的光谱进行诊断。本文提出了一种基于圆柱面透射弯晶的晶体谱仪,主要用于诊断10~60 keV范围内的硬X射线光谱,并进行了实验与理论的分析。

    1　透射弯晶谱仪的结构

　　晶体作为常用的X射线色散元件,目前广泛地应用于X射线的光谱测量实验[3]。其中,平面反射晶体的应用最普遍,也最为方便。但是由于晶格常数的限制,平面晶体在几十keV的高能区域通常衍射角都很小,近似于掠入射,这不仅给光路屏蔽带来极大的困难,还严重影响了晶体的衍射效率和光谱分辨。曲面弯晶技术的发展,为解决这些问题提供了一个有效的方法。在本文提出的圆柱面透射弯晶中,各晶面间有一定的夹角,从而使衍射线能分得更开,并且由于聚焦可以增大收光效率。实际上,从真正的光学意义上来看,弯曲的晶体并不能使X射线聚焦,但是能够以衍射的方式使X射线汇聚成一条线或一个点。曲面弯晶可以是透射式或反射式的,而且可以弯曲成与圆柱面、球面、环面或对数曲面的一小部分相符合的曲面[4]。

　　谱仪的组成如图1所示,包括装置前端的入射窗口以及在前面板中心为了标记光轴而开的小孔,作为谱仪核心部件的石英柱面透射弯晶,铅质散射屏蔽片以及铝质的衬底,一个用于记录的成像板暗盒,在某些要求更高的实验中可以改为CCD记录。整套系统的光轴线是光源和晶体中心点的连线,石英晶体和记录面垂直于光轴,且记录面与罗兰圆相切。在这个几何排布下,X光透过晶体发生衍射,然后经过一个狭缝汇聚到罗兰圆上,这个聚焦圆的直径等于晶体的曲率半径。这样,光轴是零级的位置,某一确定波长的光谱线相对于光轴呈对称结构,而光源的小孔像也位于记录面中心。随着波长的增加,对应谱线被记录到逐渐远离中心线的位置上,通过测量光谱线到小孔像点的距离,可以求出该谱线对应的波长。

    2　透射弯晶谱仪的理论计算