摘要：在惯性约束聚变(ICF)中，激光等离子体产生的 X 射线包含了丰富的信息。为了获取这些有用的信息用于诊断电子的温度和密度，本文基于椭圆几何原理研制了布拉格散射角为30～65°区域的椭圆弯晶分析器，论述了等离子体诊断谱仪的弯晶分析器加工及其性能评价。LiF 晶体被用作X 射线散射元件，晶体是椭圆弯曲的粘贴在偏心率为0.9586、焦距为1350mm 的不锈钢衬底上。激光功率为1.6×1014W/cm2，脉宽为800～900ps，并以钛作为靶材。实验结果表明，该弯晶分析器具有比平晶分析器更好的灵敏度，光谱分辨率达到500(λ/ λ)。
引 言
X 射线谱仪是诊断高能量高密度物理实验的一种行之有效的方法，其中包括激光驱动惯性约束聚变内爆实验[1-4]。椭圆弯晶摄谱仪具有令人满意的特性，较宽的光谱覆盖范围、优良的光谱特性，以及最小化信号源展宽。其中，晶体分析器是X 射线光谱分析的一个重要组成部分。近年来，弯晶分析器已广泛应用于X 射线摄谱仪。本文专门介绍弯晶分析器的设计、制造和弯曲晶体摄谱仪的光谱分析。LiF 椭圆弯晶分析器已经在星光激光试验装置上进行了测试，其中，椭圆弯晶焦距长度为1350mm、偏心率为0.9586。椭圆弯晶谱仪可得到覆盖一定波长范围下的高分辨率X 射线光谱。晶体上每一点具有相应的曲率半径R 和X射线的布拉格角 θ，实验使用的软 X 射线摄谱仪如图 1 所示。该分析器覆盖的布拉格角范围从 30～65°。布拉格衍射晶体分析器是椭圆形弯曲的，探测器位于一个平面上。只有在这平面上，分析器的状态才能被正确检测。椭圆形分析器的一个重要优势在于[5-6]，从前焦点发出的光，经椭圆柱面反射后必焦于后焦点，因而布拉格反射的焦点是固定的[7-9]，可以使正入射探测圆位于后焦点的探测位置。为了测量短波长区域的激光等离子体X 射线，根据X 射线衍射原理，LiF 晶体被用作色散元件。研究激光等离子体的X 射线摄谱仪通常采用聚焦晶体分析器来收集辐射区的射线[10-13]。当晶体被适当的弯曲后，探测器位置靠近第二个焦点，覆盖范围更广的布拉格角就可能实现，光源被显著的缩小了，这样可以将 X 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[14-15]。
1 弯曲分析器的制作
LiF 晶体具有较好的光学特性：它可以通过加热到 500℃左右而弯曲成型，以适应晶体分析器所需要的半径，LiF 晶体通常使用的是沿 200 晶面的剥离，而很少利用 220 晶面。既控制晶面指向又同时控制零点几毫米厚度在工艺上有一定难度，较好的 LiF 晶体通常使用改进型的布里奇曼技术来获得。晶体必须具有相当大的有效尺寸，目前我们国内能够使用的最大尺寸大约在 80mm 左右。晶体本身约有一定的塑性变性能力，但在 0.350°的镶嵌延伸下容易损坏。它相对石墨有更好的韧性，更容易被应用。在使用几个月后，该晶体的性能并无显著退化，运用现代技术制造加工弯晶分析器，可以完好的保持物质的原始结构。椭圆轮廓的分析器采用适合的衬底材料，利用数控铣床或者电火花加工。椭圆的弧形表面长 125mm，宽 8mm。与理论曲线相比较，椭圆形的表面应符合设计的椭圆方程。借助于三座标仪测得的椭圆曲线最大误差为 0.02mm。此外，还必须考虑到材料的机加工特性、表面光洁度、温度膨胀系数。不锈钢、铝、塑料可作为代表性的材料来使用。LiF 晶体按照期望的平面分层，切割成大约 0.2mm 的厚度的薄片，这些薄片置于 400～500℃温度下，在凹凸折弯机上进行塑性弯曲。LiF 晶体片在两块凹凸钢块间进行压缩，一块具有凹面，而另一块具有凸面椭圆轮廓，以使晶体片具有正确的曲率。在凹面钢块表面和 LiF 晶体片之间放置了橡胶垫圈，凹面和凸面钢块精确的决定了 LiF 晶体的曲率半径。将两个凹凸钢块连接成型在一起的压力不能用螺杆直接产生，而是用螺杆和凸块之间的弹簧代替，以减少过大的压力的危险，如果热膨胀或者调节中的偶然事故而带来的小尺寸的改变可能导致晶体的损坏。图 2 是晶体折弯机的工作图。轻微的压力作用于晶体，以使其最终成型。由于晶体材料在高温下容易损坏，这常使人感到担心，但是因为这种原因而导致的晶面方向错误在我们的实验中并没有发生。
为了达到精确的光学对准，光学分析器用磨光的镜面椭圆衬底代替，它能够显示出衬底是否和目标靶精确的成为一条直线。晶体分析器具有三个自由度的调节系统。这种设计使分析器容易对准并用于激光等离子体装置。分器的对准分三个步骤进行。首先，摄谱仪机构的角度和距离按照规定的椭圆几何尺寸设定。然后，整个校准通过 He-Ne 激光器进行核查，用一些模拟可见光替代 X 射线的反射。一个可见的点光源被放在 X 射线源的位置。最后，在探测器平面上要获得尽可能狭窄的光线。一个清晰的线性图像出现在沿着散射孔的中心线上，我们可以看到晶体分析器的反射图像。探测圆的光照均匀度显示出晶体分析器表面工作情况。如图3 所示。
2 实验结果
实验在绵阳星光Ⅱ靶室进行，厚度为100μm 的钛平面靶东偏南50°方向放置。三倍频激光由东向西入射，激光束与靶面法线夹角约为40°，入射的激光波长为0.35μm，激光功率约为1.6 × 1014W/cm2，激光脉宽约800ps，焦斑直径约Φ250μm。弯晶分析器安装在靶室外面的正北方向上;狭缝宽度 1mm;滤光片选用铍膜，粘贴在狭缝安装座的膜架上;记录系统采用美国PI 公司的1340×1300 面阵软 X 射线 CCD 在空间分辨通道上进行接收，CCD 相机每个像素的大小为20μm×20μm。实验系统如图4 所示。
在已进行的实验中，LiF 晶体获得了相当好的效果，我们已经获取的谱线清晰、整齐，它的强度也已经超过我的预期想象，LiF 晶体获取的谱线图像如图5 所示。谱线的强度分布如图6 所示。
利用WinView32 软件对图进行数据处理，得到沿X 方向的截面图，图6 反映的是像素与光子数之间的关系，图6 利用Microcal Origin 6.0 进行寻峰处理，得到谱线峰值的像素位置，最后利用 Matlab7.0 软件，并根据已知共振线的波长，推算峰值像素点对应的谱线波长，如表1 所示。
3 结 论
目前椭圆弯晶分析器的实验研究结果表明：该谱仪具有光谱空间分辨率和灵敏度高，摄谱范围宽、无像差等优点，还具有等光程而便于空间分辨测量的突出特点。在同样的距离条件下比平晶分析器高一个数量级的收光效率。因此，特别适用于激光等离子体 X 射线的光谱学研究，该研究工作率先在国内开展了宽摄谱范围(30～65°)X 光光谱诊断，对激光等离子体诊断科研领域具有重要意义。
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基金项目：国家高技术 863(863-416)及国家自然科学基金 NSAF 联合基金资助(10576041)
作者简介：肖沙里(1953-)，男(汉族)，重庆人，教授，博导，主要从事光电技术，信号处理方面的研究。E-mail: xiaoshali@cqu.edu.cn
