双通道椭圆弯晶谱仪的传递效率分析

　　1　引　言

　　在激光惯性约束核聚变(ICF)研究中,强功率、空间和时间高度集中的激光束从各个方向均衡地照射在含有热核燃料的小靶球上,巨大的脉冲功率密度使靶球在很短的时间内高度压缩并加热,在靶球还来不及飞散之前就产生一次热核爆炸,产生大量高温等离子体。由于空间和时间尺度分别以微米和皮秒计,因此产生的高温等离子体密度特别高。高温等离子体辐射出大量的Χ射线,Χ射线测量不仅可用于测量电子和离子的温度、电子能量的时空分布、等离子体定向运动;还可用于测量和分析超热和逃逸电子,以及等离子体的不稳定性[1_2,8]。目前正在设计的双通道椭圆弯晶谱仪是Χ射线非常重要的诊断仪器,TCECS的测量波长范围是0.2~2nm;Bragg角是30~67.5°;空间和时间分辨率分别是1000和20ps。在一个通道上用Χ光胶片或Χ_CCD作空间分辨测量,在另一个通道上用Χ光条纹相机作时间分辨测量,从而同时获得Χ射线的空间和时间特性,光路布置如图1所示。

　　然而,TCECS传递效率的高低将影响摄谱效果,本文从理论上分析了TCECS传递效率的影响因素,这对今后TCECS的结构设计将具有重要的指导作用。

　　2　TCECS传递效率的影响因素

　　Χ射线经柱面镜反射之后,通过光阑,然后经椭圆晶体衍射,最后通过滤光膜和狭缝到达探测器,因此谱仪的传递效率取决于柱面镜的反射率、晶体的积分衍射率、滤光膜的透射率和光谱相对孔径。

　　2.1　柱面镜的反射率

　　TCECS采用镀金膜的柱面镜,掠入射角为3.7°,进行X射线的高能截止。Χ射线以掠入射角θ入射到柱面镜上发生全反射,但有一部分会被反射材料吸收,对非极化入射光束而言,垂直和平行于反射面的入射电场两个极化分量的反射光强[3_4]分别是:

　　则,柱面镜反射的总光强和反射率分别是:

　　式中,θ是掠入射角,γ是光学常数,ρ是特征参数。柱面镜的反射率由镀膜材料、掠入射角、Χ射线的波长决定,柱面镜的反射率曲线如图2所示。从图2可以看出,在波长0.71~2.17nm之间,柱面镜的反射率随Χ射线的波长增大而增大;波长越短,反射率下降得越快。

　　2.2　晶体的积分衍射率

　　晶体具有嵌镶结构,即晶体由一些小块组成,小块的尺度为100nm左右,每个小块都是理想的完整晶体。具有嵌镶结构的晶体,其衍射强度是各个嵌镶块衍射强度之和,积分衍射强度就是衍射的总强度[3]。Χ射线入射到晶体上之后,在晶面上发生反射。但是,只有沿镜式反射方向反射的射线强度最大,满足Bragg条件时,就会发生衍射。根据嵌镶晶体模型[3,5,9],晶体的积分衍射率为: