激光等离子体X射线极化光谱研究

　　1　引　言

　　高温等离子体的辐射光谱可用来确定等离子体的总辐射量、电子温度、电离状态、电子能量分布等[1]。在高荷电离子情况下,X射线谱线的极化特别值得关注,因为这些谱线对电子束的极化比低荷电离子发射的谱线更为敏感。研究等离子体发射的极化谱线是等离子体极化光谱学的主题,思路是用等离子体电子速度分布的各向异性解释观测到的离子极化特征。导致高荷电离子中的X射线谱线极化的主要机制是由电子束形成的不同集居的磁M子能级。在等离子体中的这些电子的方向性导致了这些电子所激发的离子成行排列[1],引起磁M子能级的优先集居,这个磁M子能级属于角动量为L的受激原子能级,来自这样的一些能级的谱线发射是极化的和各向异性的。如研究X射线谱线极化的理想源—电子束离子阱(EBIT),测量类氦高荷电Sc19+和Fe24+离子产生的X射线谱线极化[2]等。

　　本文提出了对激光束激发产生的类氢和类氦离子的极化光谱测量方法。物理实验首次在中国工程物理研究院激光聚变研究中心“2×10 J”激光装置上进行,通过使用两个相互垂直的晶体分光极谱仪,获取光谱信号[3]。水平方向采用PET(002)平面晶体作为色散元件,Bragg角为62°。垂直方向采用Mica(002)球面弯曲晶体作为色散元件[4],Bragg角为51°。实验测量证实了Al离子产生的光谱极化,提供了类氦共振线的极化光谱研究价值。实验结果表明,本极化光谱分析仪的光谱空间分辨率和灵敏度较高,适合激光等离子体X射线极化光谱的诊断。

　　2　极化度分析

　　基于X射线衍射在完美晶体中的动力学原理,编制了用于评估晶体的极化性能的模拟仿真程序,假定我们所用的Mica和PET晶体是完美晶体,如图1所示。当辐射分量以其电矢量平行或垂直于电子束方向极化,产生不同强度的I∥和I⊥时,出现了极化现象。对于与束成θ角情况下发射辐射的线性极化度定义如下:

　　极化度可由观测到的4条电子激发的类氦线计算。X射线谱线包括双电子伴线的极化度主要对类氢、类氦和类锂离子进行计算,涉及的跃迁如表1:

　　谱线的极化对等离子体中出现的电子束速度分布十分敏感,极化谱仪所观察的X射线强度为:

　　式中:R⊥和R∥分别是完美晶体中垂直和平行于电子传播平面的反射系数。R⊥/R∥依赖于晶体的Bragg角θ,通常,R⊥/R∥=|cosn(2θ)|,1≤n≤2[1,5],在完美晶体和镶嵌晶体中,n一般取1或2。在研究中,通常把很多晶体视为理想化的完美晶体或镶嵌晶体。

　　因为分析晶体反射极化成份不同,所观察到的强度不同于辐射强度。在θ=45°,I⊥消失,I∥可以观察到。故Bragg角应尽量避开45°,这样才能获取两个方向的信号成份。由于类氢离子的线性极化度不同于I⊥和I∥之比,它们受到Bragg晶体参数分析器的影响,用不同Bragg角的不同晶体分析器可以推算出极化强度。由Henke,Gullikson等[6]计算可知Mica(002)和PET(002)晶体的R⊥/R∥分别为0.435和0.778。Beiers-dorfer等[6]用Si(220)晶体和LiF(220)晶体实验得到Pw=+0.80,也得了磁四级谱线x、互组合线y、禁戒谱线z和q伴线的极化度。