一种新型的椭圆弯晶谱仪及其应用

　　激光聚变,也称惯性约束核聚变(ICF)是在上世纪60年代第一台激光器问世不久国际上一批知名物理学家相继提出并引起高度重视的一种可控核聚变方案。由于激光聚变具有原料比单位质量U235裂变所放出的能量更多、储量极为丰富和放射性环境污染不严重等优点,使聚变核能源成为一种非常理想的潜在新能源,因此引起了科学界的极大兴趣,受到了世界各国的广泛重视。为了深入理解惯性约束聚变中的能量耦合和不稳定性增长等物理过程,研究激光等离子体中电子温度、电子密度和平均离化度等特征状态参数具有重要意义,X射线光谱学诊断为获得这些特征参数提供了一种重要途径[1]。与一般的激光光谱光学成像方法相比,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,而且,由于它采用等离子体自身发射的X射线作为诊断工具,因此可以避免对等离子体产生干扰。目前对激光等离子体X射线谱的高分辨测量主要采用晶体谱仪,其原理是利用晶体材料对X射线的衍射作用[2]。作者为探测0.2~2 nm波长范围的X射线谱,采用椭圆柱面弯晶作为分光元件,充分利用了椭圆几何光学具有自聚焦性且焦点固定和等光程的优良特性,因此椭圆弯晶谱仪与平晶谱仪相比,具有更长的工作距离,谱线展开更宽,能够获得较高的分辨率和灵敏度,是一种特别适合于X射线激光研究的新型诊断工具[3-4]。

　　1　原理及结构设计

　　1.1　谱仪光学原理

　　当X射线入射到晶体上时,在同一晶面上,各原子散射线只有按反射定律所确定的方向上强度最大。而不同晶面所散射的X射线彼此也发生相干叠加,其强度的大小由相邻两束反射线的光程差决定。由图1可知,此光程差为AC+CB =2dsinθ,显然,当θ满足下列条件:2dsinθ= kλk =1,2,…时,相邻晶面的反射线都将互相加强而形成亮点[1]。上式就是著名的布拉格(Bragg)公式,式中,d是晶体的晶面间距,θ是Bragg衍射角,k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k=1,则前式变成:2dsinθ=λ。由于弯晶谱仪设计的Bragg角范围是30~67.5°,选取LiF、PET、Mica和KAP4种晶体作为谱仪的色散元件。晶体设计为宽8 mm长125 mm厚度0.2 mm。利用布拉格公式计算出的4种晶体分别测量的软X射线波长范围如表1所示。

　　椭圆弯晶谱仪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。后焦线处置一条狭缝,通过狭缝的射线投射到探测面上被记录下来。光学系统原理图见图2。由椭圆的几何关系可以推导出设计光路的几个关键参数。