摘 要: 提出了一种基于圆柱面石英透射弯晶的晶体谱仪,主要用于诊断10~60 keV范围的硬X射线光谱。石英弯晶的曲率半径为112 mm,晶格常数为0.425 6 nm。实验利用Mo靶X射线管作为点光源,晶体与光源距离700 mm,采用成像板作为记录介质,获得了清晰的光谱图像。Mo的两条特征谱线以光轴为中心线对称分布,谱线的位置与理论计算符合得很好。误差分析表明,实际测量值与理论值的偏差主要来源于瞄准精度。
近年来随着各类实验装置的发展,硬X射线的相关研究越来越受到关注。在直接和间接驱动的激光聚变研究中,激光与等离子体相互作用,通过受激喇曼散射、共振吸收、双等离子体衰变等集体过程会产生大量的超热电子[1],通过测量等离子体辐射的硬X射线轫致辐射光谱,可以获得超热电子能量分布的特性。在电子束等离子阱实验中,利用低能的电子去轰击约束阱区的几乎静止的重离子或原子气体,使其慢慢达到高电荷态[2]。高离化度的中高Z离子发射的辐射有很多是处于几十keV的硬X射线,通过对这些光谱的诊断可以推导出相应的截面。此外,在一些高Z物质的量子电动力学理论及相对论修正和吸收光谱学方面,也常常需要对硬X射线的光谱进行诊断。本文提出了一种基于圆柱面透射弯晶的晶体谱仪,主要用于诊断10~60 keV范围内的硬X射线光谱,并进行了实验与理论的分析。
1 透射弯晶谱仪的结构
晶体作为常用的X射线色散元件,目前广泛地应用于X射线的光谱测量实验[3]。其中,平面反射晶体的应用最普遍,也最为方便。但是由于晶格常数的限制,平面晶体在几十keV的高能区域通常衍射角都很小,近似于掠入射,这不仅给光路屏蔽带来极大的困难,还严重影响了晶体的衍射效率和光谱分辨。曲面弯晶技术的发展,为解决这些问题提供了一个有效的方法。在本文提出的圆柱面透射弯晶中,各晶面间有一定的夹角,从而使衍射线能分得更开,并且由于聚焦可以增大收光效率。实际上,从真正的光学意义上来看,弯曲的晶体并不能使X射线聚焦,但是能够以衍射的方式使X射线汇聚成一条线或一个点。曲面弯晶可以是透射式或反射式的,而且可以弯曲成与圆柱面、球面、环面或对数曲面的一小部分相符合的曲面[4]。
谱仪的组成如图1所示,包括装置前端的入射窗口以及在前面板中心为了标记光轴而开的小孔,作为谱仪核心部件的石英柱面透射弯晶,铅质散射屏蔽片以及铝质的衬底,一个用于记录的成像板暗盒,在某些要求更高的实验中可以改为CCD记录。整套系统的光轴线是光源和晶体中心点的连线,石英晶体和记录面垂直于光轴,且记录面与罗兰圆相切。在这个几何排布下,X光透过晶体发生衍射,然后经过一个狭缝汇聚到罗兰圆上,这个聚焦圆的直径等于晶体的曲率半径。这样,光轴是零级的位置,某一确定波长的光谱线相对于光轴呈对称结构,而光源的小孔像也位于记录面中心。随着波长的增加,对应谱线被记录到逐渐远离中心线的位置上,通过测量光谱线到小孔像点的距离,可以求出该谱线对应的波长。
2 透射弯晶谱仪的理论计算
如图2所示,硬X射线穿过石英透射弯晶,遵从Bragg定律衍射至记录面上。其中O点为光源,AB弧是透射弯晶所在位置,R是透射弯晶的曲率半径,CD是记录面所在的位置,OA和AD为光路,L是光源到晶体的距离,x是晶体中心到衍射线“汇聚”点P的距离,k1为Bragg角,k2为光路与光轴线的夹角。在ΔOAC中,由余弦定理,有
因为距离总是正值,可以取
又在△OAC中,由正弦定理有(L+R)/sin(π-k1) = R/sink2,所以
在△OAP中,由正弦定理有
将式(2),(3)代入式(4),可以求出x关于L,R和k1的关系
由式(5)可知,如果在实验时L,R均取固定值,并且已知某特征谱线的波长,k1为其对应的Bragg角,那么就可以计算出该谱线的聚焦位置x。设记录面上该谱线到中心线的距离为y,根据所求的x与相应的k1的值就可以求出
而文献[5]采用的是相对简单一些的近似公式
式中:d为晶格常数。
3 透射弯晶谱仪的实验与分析
实验采用的源是X射线管,阳极材料选的是Mo,采取点聚焦的方式,对应的特征谱线为17.47 keV的Kα线和19.6 keV的Kβ线。X射线管自带了水冷系统,可以长时间地稳定运行,因而实验可以长时间曝光来增加X射线的辐射通量,利用成像板就可以获得高质量的光谱。透射弯晶谱仪到X射线管的距离为700 mm,在晶体处看可以认为是点光源。瞄准的方式是取靶点、前面板小孔和氦氖光孔三点一线。实验所用的晶体是石英柱面弯晶,曲率半径是112 mm,厚度约0.22 mm,晶面是101-0面,其d值是0.425 6 nm。
在图3的实验结果中,我们可以清晰地看到Mo的特征谱线,其中峰1和峰4是Kα线,而峰2和峰3是Kβ线。两组谱线分布比较均匀,相对中心的孔成对称分布。实验时在聚焦狭缝的两边加了钽滤片,中间没有,所以形成了测谱结果中的亮暗分布。采用不同的滤片就有不同的强度,这也可以作为标定滤片透过率的一种方法。在表1中列出了谱线的实验测量值与理论计算值间的比较,其中y表示该谱线到中心光轴线的距离。从表中可以看到,实验测量值和理论值符合得很好,显示了透射弯晶测谱具有良好的应用前景。而且两组Kα线和Kβ线的距离偏差很相近,估计是由系统的误差引起的。在实际的应用中,只要对整个谱仪系统的数据处理进行小的修正,就可以得到更为精确的结果。
从透射弯晶谱仪的理论计算中可看出,只要光源到谱仪的距离L和谱仪的位置固定,则所记录的谱线也就固定了。关于L的影响,在表2和表3中给出了理论计算值。从中可看到当,虽然L的改变会引起k2和x值的微小改变,但是即使当L的值变化为50 mm时,引起的记录面上的谱线移动Δy也仅约为1μm,而对于成像板来说,最佳的空间分辨即它的一个像素点大小为25.1μm,与CCD的空间分辨差不多,因此可以得出结论:对于该验而言,距离的偏差造成的影响可以忽略不计。
谱仪的精确固定则是一个比较棘手的问题,主要是因为目前没有一个足够精确的实验调整平台。由理论分析可以知道,当光源与理想光轴的偏离值在0.5 mm以内时,谱线的位置偏差也几乎与之相当。在实验时,由于X射线管的内部几何结构不太清楚,具体的靶点发光位置不好瞄准,所以具体瞄准的位置是X射线管的管壁上开的出光小孔。这个出光口半径约5 mm,相对于靶点来说比较大,这就导致整个系统的精度受到影响。因此,实际测量值与理论值的偏差主要来源于瞄准精度。
4 结 论
随着光谱学技术的不断发展,各种新技术也不断涌现[5]。目前,国内对于透射晶体的研究还处于起步阶段。本文提出的基于圆柱面透射弯晶的晶体谱仪是硬X射线诊断的一种有效手段,并首次通过实验获得了清晰的高质量光谱,同时结合理论进行了细致的分析。但由于透射弯晶谱仪还处于摸索研究阶段,实验中也出现了不少问题,如中心孔的像过大位置不好确认、谱仪与光源间的精确定位、谱仪聚焦狭缝对谱线的影响等等,还有待下一步实验更细致地研究。
致谢 感谢重庆大学肖沙里教授提供了石英透射弯晶,并对实验作了有益的指导和讨论。
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本文作者:韦敏习, 杨国洪
