喷气箍缩等离子体X射线椭圆弯晶谱仪研究

　　0　引言

　　X射线光谱仪在诊断高温、高密物质特征中扮演非常重要的作用.通过X射线能谱强度及其分布的诊断可推断等离子体的辐射总量、电子温度、电子密度、电子密度梯度和等离子体不透明度等参量[1].20世纪80年代,脉冲大电流和快脉冲加载需求,加速了脉冲功率技术发展,如俄罗斯的Angara-5-1装置(6 MA)、美国Sandia实验室的Saturn装置(10 MA),以及PBFA-Z装置(20 MA).国内主要包括闪光Ⅱ号电流(1 MA)和强光一号电流(1.5~2.5 MA)以及“阳”加速器(1 MA),可开展质量较轻(μg量级)的多金属丝负载和喷气负载箍缩实验研究[2].诊断光谱的有效方法是利用晶体测量,美国Sandia国家实验室P.W.Lake等[3]人利用PET椭圆弯晶在Z装置上测量高能密等离子体研究中,光谱分辨率约为800.美国Livermore国家实验室S.G.Anderson等人[4]设计了PET和RAP椭圆晶体,焦距f=3 500 mm,离心率e=0.975 39研究ICF中Ti和Si靶等离子体的高能密度,测量中低密度光谱的分辨率为500~600,而测量高密时,分辨率大约为300.本实验室熊先才等[5]利用e=0.958的LiF(220)弯晶谱仪配平面X光CCD相机在星光Ⅱ激光(80J)装置上摄取了Ti平面靶发射的X射线光谱,光谱分辨误差为0.001 nm.

　　为克服Z箍缩高能量产生强溅射和平面CCD光谱分布不均,本实验设计的椭圆弯晶分别选用Si(111)、Mica(002)作为色散元件,光谱信号利用半径为50 mm的半圆形感光胶片获取,率先在中国工程物理研究院“阳”加速器上对喷气负载箍缩辐射的X射线做了测量,获得了氩喷气箍缩等离子体X射线谱线.实验表明该谱仪的测量光谱波长与理论值相符,光谱分辨最大误差为0.000 6 nm,其中Mica椭圆弯晶谱仪的光谱分辨率(λ/Δλ=500~700)高于Si椭圆弯晶谱仪的光谱分辨率(λ/Δλ=200~300),适合喷气箍缩等离子体诊断.

　　1　椭圆弯晶设计原理及结构

　　椭圆的极坐标基本方程如下形式

　　式中u是物距,l是椭圆的半焦距,a是长半轴,e是离心率,是从光源辐射的X射线与长半轴的夹角,光路如图1.用椭圆作为诊断工具,X射线的Bragg角θ可由式(2)推断

　　d为晶格常量,观察角β为X射线经晶体反射后过后焦点与椭圆长半轴的夹角,与φ的关系满足

　　2　实验数据及分析

　　2.1　实验

　　“阳”加速器是一台太瓦级的脉冲功率装置,在±50 kV的工作电压下,负载电流约500~650 kA,从10%上升到90%的时间约为85 ns[8-9],靶室的真空度为1.2×Pa.实验用Si(111)、Mica(002)椭圆晶体分析器作色散元件,从光源到胶片的光路长为1 430 mm,离心率e=0.948 0,设计的参量详见表1,由于Mica的衍射级次较多,选择n=3.在θ=45°,晶体的积分反射率都很低(RSi=0.044 5,RMica=0.028 6),只有满足式(5)的X射线才能发生掠入衍射,得到对应的波长λ.将Si和Mica薄片(125×7.8×0.2 m)弯曲后,用环氧树酯分别紧贴在已设计好的椭圆形不锈钢基底上,然后安装在“阳”加速器上.