激光等离子体X射线椭圆弯晶谱仪的设计

　　1　引　言

　　在激光惯性约束核聚变(ICF)的研究中,高温高密度等离子体辐射出大量包含丰富信息的X射线,X射线光谱诊断为获取激光等离子体的电子温度、密度和平均离化度等特征状态参数提供了一种重要的途径,从而帮助人们更深入地了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[1]。双通道椭圆弯晶谱仪是用于X射线能谱分析的仪器。它利用晶体材料对X射线的衍射作用,采用椭圆柱面弯晶作分光元件,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[2],从而使椭圆弯晶谱仪与平晶谱仪相比[3~5],具有更长的工作距离,谱线展开得更宽,能够获得较高的分辨率和灵敏度,同时也给探测器位置固定带来了很大的方便。

　　2　椭圆弯晶谱仪的原理及结构

　　椭圆弯晶谱仪的工作原理是,从椭圆的一个焦点射出的光线经椭圆面反射必汇聚于椭圆的另一个焦点上。为了同时获得X射线的空间和时间特性参数,在一个通道上使用X射线胶片或CCD相机作空间分辨测量,在另一个通道上用X射线条纹相机作时间分辨测量[6]。波长探测范围为0·2~2nm,设计的空间分辨率λ/Δλ和时间分辨率分别为1000和20 ps。

　　2.1　光学系统

　　光学系统由光源、色散及聚焦系统、接收记录系统组成。图1给出了光学系统简图。在“神光Ⅱ”钕玻璃激光器装置上,聚焦三倍频激光束于真空靶室内的高纯固体微点靶表面(Al,Au或Ti),形成高剥离态等离子体X射线光源,靶直径小于0·6 mm。该谱仪的色散元件为椭圆柱面弯晶,利用晶体对X射线的衍射把谱线展开。为了满足谱仪的工作波长范围0·2~2 nm,采用LiF,PET,MiCa,KAP四种晶体。四种椭圆弯晶分析的波长范围如表1所示。

　　根据晶体布拉格衍射定律: 2dsinθ= nλ(n取1),选取布拉格角覆盖30~67·5°。晶体通过特殊工艺粘贴在椭圆基底上。两个完全相同的椭圆弯晶分析器在空间上错开布置,避免光路重叠。

　　2.2　椭圆弯晶基底的设计参数及结构

　　由椭圆的几何关系可以推导出设计光路的几个关键参数。

　　其中,e为椭圆的离心率。图2是椭圆弯晶参数示意图。图中各参数的含义为:a为椭圆长半轴,b为椭圆短半轴,c为椭圆半焦距,θ为布拉格角,β为谱线探测角,P1为基底左端点,P2为基底右端点,L为基底的弧长。

　　由于分析晶体是粘贴在基底上的,要使工作状态的晶格分布接近理想情况的椭圆轮廓实现光线的自聚焦,除了要求晶体粘贴平整外,作为谱仪的关键部件,椭圆晶体基底的设计参数的选择及加工精度就显得非常重要。综合考虑保证谱仪分辨率的前提下,降低椭圆基底的长度及加工制造难度等因素,选取椭圆焦距2c=1350 mm,e=0·9586,由椭圆方程可以得到a=704·15 mm,b=200·5 mm。在布拉格角为θ=30~67·5°的情况下,由以下公式可以得出弯晶基底的其他参数,如图3所示。