用于诊断激光等离子体X射线的椭圆弯晶谱仪

　　引 言

　　激光惯性约束聚变(ICF)产生大量的高温高密度等离子体，从中辐射出大量的 × 射线，通过 × 射线诊断来获得等离子体的状态，如电子的温度和密度、膨胀速度、离化度等[1-4]。以前一般用光栅谱仪来诊断激光等离子体 X 射线，为了提高光栅的反射率而采用掠入射形式，这极大地降低了谱仪的接收效率，而且只能获得一维空间分辨的 × 射线光谱，测量的波长范围是 2 nm～30nm，而晶体谱仪在测波长范围为 0.1nm～2nm 的 × 射线方面应用较广[5-7]。我们研制的国内第一台双通道椭圆弯晶谱仪(以下简称“弯晶谱仪”)可以诊断 0.2 nm～2nm 的激光等离子体 X 射线，覆盖的布拉格角是 30°～67.5°。该谱仪是将分光晶体弯曲成椭圆形，这样可以将 × 射线在空间上展开得更宽，从而获得比平晶谱仪更高的空间分辨力。除了在上通道用× 射线 CCD 相机作空间分辨测量外，还在下通道用 × 射线条纹相机作时间分辨测量，从而同时获得× 射线的空间和时间分辨特性[8]。

　　1 弯晶谱仪的结构

　　弯晶谱仪的结构如图1。激光打靶产生的× 射线源位于真空靶室的球心上，即位于两个椭圆的同一个前焦点上，来自前焦点的× 射线经椭圆晶体衍射后聚焦于后焦点，在上通道椭圆后焦点的上方用× 射线CCD相机进行空间分辨测量;在下通道椭圆后焦点的下方用× 射线条纹相机进行时间分辨测量。两个椭圆的后焦点处各有一个可调宽度的狭缝，在狭缝前面安放滤光膜来截止 2nm 以上的× 射线并挡住杂散光。在弯晶谱仪的设计中，椭圆的离心率为 0.9586，椭圆的焦距(即靶到狭缝的距离)为 1350mm，椭圆弯晶基底的弧长为 125.64mm，谱线的探测角为 55.4°～134.0°，从靶到谱线探测器的光程为 1456.3mm。如果用 X 射线胶片相机进行空间分辨测量，由于半圆形胶片相机的圆心与椭圆的后焦点重合，所以该谱仪还具有等光程的优点[9]。一张 X 射线胶片在暗盒中用挡光板隔开分成三部分，每打一发靶就移动一次通光孔，这样在不换胶片的情况下，可以接收三发靶的谱线。根据几何光学的原理，来自前焦点 的 X 射线经椭圆弯晶衍射后一定会聚于后焦点，因此该谱仪具有自聚焦的特点。另外，还将两个弯晶基底进行上下对称布置来减小谱仪的尺寸和重量。

　　2 X 射线的Bragg 衍射原理

　　弯晶谱仪采用LiF，PET，Mica 和 KAP 四种晶体作分光元件，当X 射线入射到晶体上时，晶体点阵中的原子(或离子)就成为子波的波源，向各个方向发出散射波，两列散射波经相互干涉后发生衍射。根据 Bragg 衍射原理[10]，得到衍射明条纹的条件是