用于激光等离子体测量的X光量热计

　　在间接驱动惯性约束聚变(ICF)实验研究中,高功率激光注入高Z材料如金制成的腔靶,激光能量大部分被腔壁吸收转化为X光来驱动腔内的充氘氚 材料的靶丸内爆。在目前的打靶情况下,约90%的X光能量处于0.1~1.5 keV能区[1],因此在间接驱动ICF研究中,研究亚千电子伏X光有着十分重要的意义,因为它直接关系到靶丸能否获得均匀辐照、对称压缩而实现内爆。其 中,X光定量测量是必不可少的,它为研究激光等离子体相互作用中X光转换效率提供了直接的物理信息和数据,为如何创造辐射驱动条件提供了依据。

　　由于软X光辐射量子具有波动性和粒子性,不象硬X光那样具有典型的粒子性,也不象紫外光和可见光那样具有典型的波动性,所以准确测量X光量比较 困难。在实验中,常用的测量X光能谱的探测器有XRD阵列谱仪(SXS)和透射光栅谱仪,但上述探测器对滤片和光栅加工要求极其苛刻,解谱复杂,不能进行 角分布测量。平响应X光二极管可测量X光角分布和总量[2],但由于其前置滤片是按面积比组合的滤片,虽在装配之前各分滤片的厚度能方便地标定,可经组合 后就难以标定了,尤其在多次使用中,大量等离子体会喷射到很薄的前置滤片上,这将给实验带来极大的误差,因此有必要研究和发展新的X光探测器测量X光总量 的技术。

　　本文X光量热计用SXS进行标定,实现了X光量的绝对测量。量热计不用滤片,对能量在10 keV以下的X光具有平坦的响应,能量沉积率约为100%;其金属吸收体对可见光和紫外光反射率较高。该X光量热计体积小、重量轻,可实现X光的角分布和 总量测量。探头本身具有对入射能量线性响应、抗电磁干扰能力强和不用加偏压等优点,在激光等离子体实验中成为强有力的诊断工具[3~5]。

     1　量热计原理与结构

　　量热计简要原理是:吸收体接收X光能量后,在瞬时内温度迅速上升,同时又通过热传导或辐射而损失能量。当热交换很小时(即满足准绝热条件时),吸收体的温度变化T(t)遵从牛顿冷却定律:

式中:K为吸收体与环境的热交换系数,T0为环境温度。吸收体的温升与输入能量有下式关系

式中:c为吸收体质量热容;m为吸收体质量。由此可见,吸收能量与温升是等价的,测量吸收能量可转化为测量吸收体温升。　　热电偶是精确的温度探测 元件,把它与吸收体配置后,即成为量热计。由(2)式可知,为了提高吸收体温升以利探测,除了应尽量减小吸收体质量外,还必须选择质量热容小的材料,因此 我们选用铝片作为吸收体材料,其厚度为0.5 mm,直径d为16 mm。量热计的结构主要由4个部分组成[6,7]:吸收体、热电堆、恒温体和外壳。吸收体接收X光的能量并迅速转化为内能;热电堆对内能变化引起的温差作 出响应,产生相应热电动势;恒温体用来保持热电堆冷端的温度不变;外壳起屏蔽作用。图1为X光量热计结构简图,采用差分结构,以消除环境温度对量热计的影 响。