一种X射线诊断用椭圆晶体分析器的研制

　　引 言

　　X 射线谱仪是诊断高能量高密度物理实验的一种行之有效的方法，其中包括激光驱动惯性约束聚变内爆实验[1-4]。椭圆弯晶摄谱仪具有令人满意的特性，较宽的光谱覆盖范围、优良的光谱特性，以及最小化信号源展宽。其中，晶体分析器是X 射线光谱分析的一个重要组成部分。近年来，弯晶分析器已广泛应用于X 射线摄谱仪。本文专门介绍弯晶分析器的设计、制造和弯曲晶体摄谱仪的光谱分析。LiF 椭圆弯晶分析器已经在星光激光试验装置上进行了测试，其中，椭圆弯晶焦距长度为1350mm、偏心率为0.9586。椭圆弯晶谱仪可得到覆盖一定波长范围下的高分辨率X 射线光谱。晶体上每一点具有相应的曲率半径R 和X射线的布拉格角 θ，实验使用的软 X 射线摄谱仪如图 1 所示。该分析器覆盖的布拉格角范围从 30～65°。布拉格衍射晶体分析器是椭圆形弯曲的，探测器位于一个平面上。只有在这平面上，分析器的状态才能被正确检测。椭圆形分析器的一个重要优势在于[5-6]，从前焦点发出的光，经椭圆柱面反射后必焦于后焦点，因而布拉格反射的焦点是固定的[7-9]，可以使正入射探测圆位于后焦点的探测位置。为了测量短波长区域的激光等离子体X 射线，根据X 射线衍射原理，LiF 晶体被用作色散元件。研究激光等离子体的X 射线摄谱仪通常采用聚焦晶体分析器来收集辐射区的射线[10-13]。当晶体被适当的弯曲后，探测器位置靠近第二个焦点，覆盖范围更广的布拉格角就可能实现，光源被显著的缩小了，这样可以将 X 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[14-15]。

　　1 弯曲分析器的制作

　　LiF 晶体具有较好的光学特性：它可以通过加热到 500℃左右而弯曲成型，以适应晶体分析器所需要的半径，LiF 晶体通常使用的是沿 200 晶面的剥离，而很少利用 220 晶面。既控制晶面指向又同时控制零点几毫米厚度在工艺上有一定难度，较好的 LiF 晶体通常使用改进型的布里奇曼技术来获得。晶体必须具有相当大的有效尺寸，目前我们国内能够使用的最大尺寸大约在 80mm 左右。晶体本身约有一定的塑性变性能力，但在 0.350°的镶嵌延伸下容易损坏。它相对石墨有更好的韧性，更容易被应用。在使用几个月后，该晶体的性能并无显著退化，运用现代技术制造加工弯晶分析器，可以完好的保持物质的原始结构。椭圆轮廓的分析器采用适合的衬底材料，利用数控铣床或者电火花加工。椭圆的弧形表面长 125mm，宽 8mm。与理论曲线相比较，椭圆形的表面应符合设计的椭圆方程。借助于三座标仪测得的椭圆曲线最大误差为 0.02mm。此外，还必须考虑到材料的机加工特性、表面光洁度、温度膨胀系数。不锈钢、铝、塑料可作为代表性的材料来使用。LiF 晶体按照期望的平面分层，切割成大约 0.2mm 的厚度的薄片，这些薄片置于 400～500℃温度下，在凹凸折弯机上进行塑性弯曲。LiF 晶体片在两块凹凸钢块间进行压缩，一块具有凹面，而另一块具有凸面椭圆轮廓，以使晶体片具有正确的曲率。在凹面钢块表面和 LiF 晶体片之间放置了橡胶垫圈，凹面和凸面钢块精确的决定了 LiF 晶体的曲率半径。将两个凹凸钢块连接成型在一起的压力不能用螺杆直接产生，而是用螺杆和凸块之间的弹簧代替，以减少过大的压力的危险，如果热膨胀或者调节中的偶然事故而带来的小尺寸的改变可能导致晶体的损坏。图 2 是晶体折弯机的工作图。轻微的压力作用于晶体，以使其最终成型。由于晶体材料在高温下容易损坏，这常使人感到担心，但是因为这种原因而导致的晶面方向错误在我们的实验中并没有发生。