基于等离子体激光的X射线弯晶谱仪研究

　　1　引　言

　　X射线光谱学方法是一种被动式诊断手段,它相对于其他方法的优越性在于:一方面,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;另一方面,X射线光谱的发射强度与等离子体的离化状态、能级布局等具有直接的关系。因此,一旦测量了一些谱线及其附近连续背景后,原则上可以从其波长和强度推导出等离子体中某种元素(或某种离化度离子)存在与否、存在的绝对数量,以及从其光谱线的线型得出发射原子的动力学温度和密度等十分丰富和重要的信息。

　　2　X射线弯晶谱仪的基本原理[1]

　　X射线弯晶谱仪又称椭圆弯晶谱仪,是激光等离子体诊断中非常重要的用于X射线能谱分析的仪器。它的工作特点是从椭圆一个焦点射出的光线经椭圆面反射必会聚于另一焦点上,椭圆柱面的前焦线上是射线源,晶体固定在一个椭圆基底上,其表面构成一个椭圆柱面,X射线经晶体衍射后会聚于后焦线上。后焦线处设置一条狭缝,透过狭缝的射线投射到探测面上被记录下来。并且其特殊的光路系统的设计,可满足同时获得X射线衍射的时间分辨和空间分辨的要求。

　　如图1所示,X射线弯晶谱仪的工作原理是从椭圆一个焦点射出的光线经椭圆面反射必会聚于另一焦点上,椭圆柱面的前焦点上是射线源,P1P2为椭圆弯晶,射向晶体的X射线经过布拉格衍射,其反射线会聚于椭圆的后焦点。在后焦线处置一狭缝,通过狭缝的射线投射到探测面上被记录下来。

　　3　晶体测量的波长范围

　　当X射线入射到晶体上时,晶体点阵中的原子(或离子)就成为子波的波源,向各个方向发出散射波,两列散射波经相互干涉后发生衍射。根据Bragg衍射原理[3],得到衍射明纹的条件是:

在式(1)中,d是晶体的晶面间距,θ是Bragg衍射角,m是Bragg衍射级数,λ是X射线的波长。在弯晶谱仪的设计中,使用一级衍射明纹,即m=1,则式(1)变成:

　　由于X射线弯晶谱仪覆盖的Bragg角是30°～67.5°,利用公式(2)计算出的四种晶体分别测量的软X射线波长范围如表1所示。

　　利用下面的椭圆几何关系和性质可以推导出设计光路的几个关键参数:椭圆方程方程如下

椭圆的离心率为

　　椭圆的性质:

　　(1)椭圆上的点到两定点(即焦点)的距离之和为常数。

　　(2)椭圆上一点M(x0,y0)的切线把点M的两焦点半径间的外角γ(即两倍的布拉格角)平分,并且满足如下方程。

　　在选定椭圆的半焦距c和离心率ε后,计算出椭圆的长半轴a、短半轴b、椭圆弯晶的左端点P₁、椭圆弯晶的右端点P2等几何参数后,进行几何光路设计。