用于激光等离子体诊断的滤波-差分硬X光谱仪

0　引言

在间接驱动ICF(惯性约束核聚变)中超热电子的特性是一直被关注的重要问题[1,2]。产生超热电子是激光在等离子体中能量沉积的一种形式,它影响靶对激光能量的正常吸收和分配,尤其对靶丸造成有害预热,降低内爆效率。因此,为了提高辐射场干净性和X光转换效率,研究不同激光参数、不同靶型下超热电子产生份额,是ICF研究中的重要诊断项目。

在激光等离子体发射的X射线中,包含大量的连续谱成分。在不同激光波长和不同激光器输出功率下,产生的硬X光谱能区范围不同,最大能区范围在1.5～300keV。通过连续谱测量,可以获得许多重要的等离子体参数,例如:由X光谱可推断等离子体冕区的电子温度Te、超热电子温度Tb和总能量Ehe,为激光与靶耦合的能量吸收机制提供有用的信息。采用滤波-荧光谱仪(FF谱仪)测量硬X光谱[3],由于X光经过两次立体角衰减后进入探测器,其探测效率≤10-9数量级,因而在大的激光能量实验中,谱仪探头必须进行严密的铅屏蔽才能确保信噪比,这样使谱仪结构显得很笨重,每次实验运输和安装都很费体力。为了提高灵活性和方便性,建立一台轻便K边滤波谱仪是很必要的。对于K边滤波谱仪(K·F谱仪),由于X光只经过一次立体角衰减后进入探测器,其探测效率为10-5～10-6数量级,比FF谱仪提高三个量级左右,因而铅屏蔽显得并不重要。我们新近建立的7道滤波-差分硬X光谱仪结构简单,使用方便灵活。由于每个能道除了采用K滤片外,还选择串联两个灵敏区的Si半导体探测器进行差分分光,使得对窗口内能量响应较窄,能量分辨率可能比单纯KF谱仪要好得多。由于Si半导体探测器灵敏度比NaI(Tl)探测器低3～4量级,因此由Si半导体探测器组成超热道KF谱仪只适用于高通量硬X光谱测量。

1　激光-差分谱仪工作原理

激光等离子体发射的硬X光连续谱具有单调下降和存在时间短的特点,因此可以采用滤波-差分法分光测量硬X光谱。

滤片加两个Si半导体探测器差分组合能道选通原理,选择两个Si半导体探测器串联联接,连接电路图如图1。滤波-差分硬X光谱仪工作原理见图2。

两个Si半导体探测器前面加相同厚度K滤片,首先利用K滤片物质对X光的吸收在K边能量EK,1处吸收系数突然变化的特点(见图2b),使连续X光(见图2a)经K吸收滤片作用后滤成的X光谱形如图2c,然后再进入两个Si半导体探测器差分输出。两个Si半导体探测器的几何排列是前(g1)后(g2)同心串接安装在探测器外壳里的,并以胶木板作为隔离电极。当图2c中的滤波X光谱进入Si半导体探测器时,其前峰能量低一些的X光基本被前面g1 Si探测器灵敏层吸收而记录下来,而前峰后沿和后峰能量高些的X光有一部分被g1 Si半导体探测器灵敏层吸收记录,而剩下的另一部分透过g1而被g2探测器灵敏层吸收而记录。由于探测器工作时,同时加幅值大致相同的两个极性相反的电压(见图1),g1和g2探测器产生相同厚度的灵敏层,以上综合结果即使两个Si半导体探测器对于窗口外的能量响应基本一致,对窗口内能量响应相差很大(图2d、f)。由于电路中两个探测器电流方向相反,两个探测器差分结果(d谱形与f谱形相减),从而获得窄能带能道选通性能,再用迭代法解谱,可以去除窗口外剩余能量响应。用一组具有不同K边能量的滤片及不同厚度Si半导体探测器差分组合,可组合成4～50keV能区硬X光能谱仪,各能道的能区范围、探测器灵敏度和所加高压值见表1。