金丝Z箍缩等离子体X射线椭圆弯晶谱仪研究

　　1　引　　言

　　电磁驱动的快Z箍缩[1~3]等离子体是一个具有广阔应用前景的强X射线辐射源。由于等离子体X射线光谱中含有大量的关于等离子体温度、密度、尺寸和电离状态等信息,研究Z箍缩等离子体辐射软X射线能谱分布,有助于加深对该等离子体的物理过程及其辐射特性的理解[3]。自20世纪80年代以来,先后建成了俄罗斯的Angara-5-1装置(6 MA)、美国Sandia实验室的Saturn装置(10 MA),以及PBFA-Z (18~20 MA,1996年改成Z装置)装置。20世纪80年代后期,出现了丝阵内爆负载新物理思想,1992~1994年美俄通过联合实验验证。1997年美国Sandia实验室在脉冲功率装置PBFA-Z的丝阵实验中,取得了18 MA电流,X光功率290 TW,X光能量1.8 MJ,能量转换效率大于15%,黑腔辐射场温度高于155 eV的新水平。国内有中国工程物理研究院“阳”加速器(0.5~1.0 MA),西北核技术所强光一号装置(1~2 MA)。利用Z箍缩内爆等离子体物理研究,可创造更好的实验室环境,有利于开展武器库存管理计划、高能密度物理、动力学材料特性、辐射输运及辐射效应和惯性约束聚变(ICF)等研究。

　　Lake等[4]利用季戊四醇(PET)椭圆弯晶在Sandia实验室Z装置上测量高能密度等离子体研究中,光谱分辨率约为800,信噪比大于10。熊先才等[5]用PET椭圆弯晶和CCD在“神光Ⅱ”靶室上测试了Au靶激光实验,谱分辨达到了0.002 nm,此外熊先才等还上下对称布置KAP椭圆晶体测量。本实验在中国工程物理研究院“阳”加速器上完成,在水平和垂直相互正交的方向,安装PET(002)椭圆弯晶对金丝内爆辐射的X射线做了两次测量,其弯晶晶格常数2d= 0.8742 nm,采用半径为50 mm的半圆型感光胶片获得了等离子体X射线谱线。光谱分辨率为300~600,适合丝阵Z箍缩等离子体诊断。

　　2　测量原理

　　2.1　设计原理及结构

　　椭圆弯晶谱仪的工作特点是从椭圆一个焦点光源发出的光线经椭圆晶体面反射必会聚于另一焦点上[6]。弯晶谱仪的光路布置如图1所示。软X射线源位于真空靶室的球心上(即两个椭圆的同一个前焦点),在软Χ射线入射到相互正交的两个通道的椭圆晶体上发生衍射,并分别会聚到两个椭圆的后焦点,最后经胶片盒的滤光膜(如80μm铝膜),截止2 nm以上的软Χ射线并挡住杂散光,通过狭缝到达软Χ射线胶片相机,这样在两个通道上分别进行软X射线的空间分辨测量。

　　2.2　晶体分光法

　　晶体分光法是一种经典而又精密的分解X射线谱的方法。在高温等离子体X射线能谱诊断过程以及闪光X射线频谱的测量过程中,用晶体作为分光元件是相当方便的,因为晶体中原子间距与X射线波长相近,故可作为X射线谱的分光光栅。投射到晶体上的多色X射线束,受到晶体中原子的散射,由于晶体点阵中原子的排列规则有周期,因而它们所散射的X射线之间具有一定的相位和光程差关系,在某一确定方向上便会产生相加的干涉,形成衍射光束。这种干涉的结果使得不同入射角的连续谱在不同方向上形成不同波长的单色X射线。在某一给定方向的衍射光束也可以定义为相互加强的大量同波长平行散射光线所组成的光束。由此可见,衍射在实质上仍是一种分立的而非均匀分布的特定方向上的散射现象,可由晶体布拉格(Bragg)衍射定律描述,满足条件[7]