氟化锂椭圆弯晶分析器的特性及应用

　　1　引　言

　　在激光产生等离子体领域中,X射线辐射起着重要的作用[1,2]。由于X射线很容易从等离子体内部逃逸而不受等离子体中产生的极大的电场和磁场影响,尤其是在激光驱动内爆过程中出现不透明的高密度区域,只有X射线是一种重要的信息源。X射线也是研究高密度聚爆热稠密芯子的有用诊断工具。高温等离子体中的电子温度与离子温度大于108K,压力大于1.01×1016Pa,辐射温度大于3.5×106K,根据X射线连续谱的斜率、谱线强度和谱线强度比可以确定等离子体的电子温度、电子密度、温度与密度梯度以及喷射速度等参数。与激光光谱学成像方法相比,X射线光谱学诊断方法可以获得更高密度区的等离子体状态参数。X射线光谱学方法是一种被动式诊断手段,其优越性在于:采用等离子体自身发射的X射线作为诊断工具不会对被测等离子体产生干扰,X射线光谱的发射强度与等离子体的离化状态、能级布居等具有直接关系。因此,激光等离子体X射线探测方法对核聚变研究具有重要而深远的影响。本文设计的谱仪利用椭圆自聚焦原理,晶体分析器材料为氟化锂,X射线经位于椭圆一焦点的靶丸辐射出来后,通过椭圆弯曲晶体衍射,滤光膜透射,最后经过位于椭圆另一焦点的狭缝到达CCD探测器。实验结果证明,本光谱分析仪的光谱空间分辨率和灵敏度很高,摄谱范围宽、无像差,同时还具有等光程便于空间分辨测量的突出特点,在同样的距离条件下,收光效率比平晶分析器高一个数量级,故特别适合于对高温等离子体辐射的X射线进行诊断。

　　2　椭圆弯晶谱仪设计

　　ICF激光实验研究中平晶谱仪的特殊等离子体形状———大纵横比的线状结构,使其应用受到很大的限制[3,4]。有些情况下,无法同时得到高的谱分辨率、空间分辨率和灵敏度,特别是在利用X射线谱进行激光等离子体的参数诊断中,由于灵敏度低和光源加宽的影响,使掺杂等诊断技术的应用受到很大限制,还使得对一些十分重要的伴线、互组合线、共振线及其谱线形状不易分辨,影响了对其中物理过程的深入了解和研究。一种解决方法就是用弯晶分析器代替平晶分析器,这样在弱源、长探测距离情况下特别适合于X射线的光谱研究,可以提高光信号的聚集作用,增加光谱测量范围。

　　2.1　椭圆弯曲晶体分析器

　　为适应软x射线诊断的要求,实验利用了椭圆弯曲晶体分析器[528],其光路几何关系如图1所示。X射线从靶丸辐射出来之后,经椭圆晶体衍射,滤光膜透射,最后通过狭缝到达CCD探测器。

　　式中,d是晶面间距,λ是X射线的波长,θ是Bragg衍射角,β是谱线的探测角,ε是椭圆的离心率。