椭圆弯晶谱仪分析器研制

　　1　引　　言

　　激光惯性约束核聚变[1-2]中,多路强大的激光束从四面八方同时照射到处于中心位置的微型氘氚靶球,聚变形成高温高密度的等离子体[3],辐 射出大量高能量X射线。因X射线光谱信息可以提供关于等离子体的电子密度、电子温度、等离子体运动、电荷分布、离子温度和离子输运参数等重要信息 [4-6],并且X射线极易从等离子体内部逃逸而不受等离子体中产生大的电场和磁场影响,同时X射线光谱学是一种被动式诊断手段,其优越性主要是:采用等 离子体自身发射的X射线作为诊断工具,不会对被测对象产生干扰; X射线光谱的发射强度与等离子体离化状态、能级等具有直接的关系,故一旦测得谱线及其附近的连续谱背景,就可以从其波长和强度推导出等离子体中某种元素存 在与否或某种离化度,离子存在与否以及存在的绝对数量,能够从其光谱线的线型得出发射原子的动力学温度和密度[7]。在此,依据椭圆聚焦原理,设计的弯晶 分析器采用LiF材料,测试能量范围为3.5~6 keV。实验证明,该弯晶分析器符合设计要求,谱仪对波长范围为0. 2 nm~0.35 nm的X射线其谱线分辨率可达900以上,同样工作条件下,相对于平晶分析器聚光效率高一个数量级,能够用来对激光等离子体X射线的光谱进行诊断。

　　2　椭圆弯曲晶体分析器

　　椭圆弯晶分析器的工作原理[8]如图1所示。位于靶室内的金属靶,处于椭圆的一个前焦点,其发射的X射线经椭圆面反射后会聚于另一焦点。衍射晶 体通过粘结法固化在金属椭圆基底上,其表面构成一椭圆柱面,X射线经晶体衍射后会聚于后焦线上。在后焦线处放置一滤光膜以隔离杂散光影响,消除低能区X射 线。通过滤光膜的X射线投射到CCD探测面,以便记录空间分辨或时间分辨的有用信息。光源到狭缝的距离(即椭圆的焦距)2c为1 350 mm,椭圆的离心率e为0.958 6。

　　2.1　晶体分析器的几何参数

　　依据椭圆方程、椭圆焦距及离心率的数据可计算得椭圆长半轴a=704.15 mm,短半轴b=200.5 mm。椭圆几何关系式有:

　　故波长沿探测圆弥散度为:

　　2.2　弯晶分析器的积分反射率

　　在聚焦弯曲晶体中,晶体的积分反射率可以改变。Bragg反射与平常可见光反射不同,它发生在晶体内部,而不是表面。晶体体积尺寸由完美晶体的X射线动力学理论和镶嵌晶体的动力学理论[10]决定,晶体反射率取决于双电子磁化系数傅里叶分量的基本参量。

　　依据动力学理论,完美晶体积分反射率公式为:

　　完美晶体积分反射率值最小,而晶体晶格的非完整性变形和晶体弯曲通常会导致积分反射率增加,故反射率最大值一般出现在镶嵌晶体结构中。积分反射 率通常有两种极端表现,光电吸收极其微弱,而低结构幅值则有很强吸收。弯曲晶体介于这两个极限之间,取决于晶体弯曲的半径、磁化系数、波长和布拉格角度。