用改进的透射光栅谱仪定量测量X射线能谱

　　0　引　言

　　通过诊断激光与等离子体相互作用辐射的X射线谱的特征,可以研究激光与物质的相互作用、等离子体中的原子物理过程及高温物质的特性。国内外最初对软X射线辐射谱的诊断主要是采用多道X射线能谱仪,其具有一定的时间分辨,但谱仪的谱分辨太差。随着高线对透射光栅元件的出现,透射光栅谱仪开始广泛地应用于软X射线能谱的测量[1-5]。为了更好地研究ICF试验中高能量激光与等离子体相互作用的过程,需要不断地改进已有的诊断设备,研制便于移动的具有高谱分辨和高空间分辨能力的透射光栅谱仪。

　　为了满足ICF实验的需求,研制了一台新型透射光栅谱仪。新型谱仪在光栅前面布置了一个狭缝阵列,通过该狭缝阵列可以使谱仪视场在靶平面上实现无缝拼接,从而可以对光源进行二维空间分辨和谱分辨的测量,同时进一步提高了谱仪的谱分辨能力。利用此透射光栅谱仪成像系统,在“神光Ⅲ”原型实验装置上对激光与金腔靶作用时在激光注入口产生的X射线进行测量,利用透射光栅谱仪解谱方法,获得了真实的X射线能谱。经过理论计算,可得新型透射光栅谱仪的谱分辨达0.1 nm,比传统透射光栅谱仪的0.19 nm提高了很多[3]。

　　1　透射光栅谱仪结构

　　实验所用的新型透射光栅谱仪是在透射光栅和X射线CCD结构的基础上,加一个有空间分辨功能的狭缝阵列Ta片组成,谱仪具体结构如图1所示。与传统透射光栅谱仪相比,本谱仪的尺寸要小得多,具体参数如下:传统透射光栅谱仪中,光源与狭缝阵列的距离为1 000 mm,透射光栅分别与狭缝阵列和CCD记录面的距离为2 750 mm和1 380 mm;在新型透射光栅谱仪系统中,光源与狭缝阵列的距离为500 mm,透射光栅与狭缝阵列和X射线CCD记录面分别为1 000 mm和732.3 mm。

　　由于新型透射光栅谱仪在大小上是传统透射光栅谱仪的1/2,且在透射光栅谱仪成像系统中谱仪尺寸与谱分辨能力是相互制约成正比的关系,因此要考虑谱仪尺寸的降低带来的X射线谱分辨下降的问题。为了解决这一难题,在光栅前面布置了一个狭缝阵列,该狭缝阵列使谱仪视场在靶平面上实现了无缝拼接,这样从光栅上只能看到光源的部分区域,等效于光源尺寸减小。而谱仪谱分辨能力随着光源尺寸的减小而提高,因此狭缝阵列提高了谱仪的谱分辨能力,弥补了由于谱仪尺寸的减小造成谱分辨能力的下降,甚至可以使谱仪的谱分辨能力好于传统的谱仪。同时,由于采用视场拼接技术,进一步降低了信号强度,解决了“神光Ⅲ”原型上谱仪小型化与信号饱和之间的矛盾。

　　新型谱仪的透射光栅狭缝宽度为50μm,透射光栅为2 000 p/mm(1 p/mm为每毫米包含光栅线对)的无底衬金自支撑光栅;记录用CCD是2 048×2 048的大面阵软X射线CCD。