摘 要: 利用神光Ⅱ上激光与等离子体相互作用得到的软X光,建立了基于多层镜的四通道软X光单色器系统。研究了光源的性能,测量了光源强度、单色器系统稳定性、相应通道的一致性。研究表明,采用多层镜作为脉冲光源的分光元件,可以得到具有较好单色性的强脉冲软X光标定源。光源的光子能量为253 eV和820 eV,两能道的光源强度分别为1.8×1019photon/(s·cm2)和3.2×1019photon/(s·cm2)。在该标定源上可以实现XRD、平面镜、多层镜、透射光栅和滤片的标定。
软X射线在光学、材料、生物、天文、微电子学及同步辐射应用等方面具有广阔的应用前景。软X射线源是近十几年发展起来的一种新型光源,为软X波段的光学研究提供了有效的实验设备。同时它又在亚微米X光刻、Liga技术、软X光显微成像技术等方面也具有广阔的应用前景。
目前国际上公认的强软X光源有两类:一类是同步辐射光源[1-3],另一是类强脉冲等离子体源[4-5]。同步辐射光源具有从可见光、软X射线到硬X射线的连续能谱分布,并具有很高的通量和确定的时间结构,尤其同步辐射光源的可精确计算特性,得到标准计量人员的重视,被广泛用作标定光源。激光等离子相互作用产生的强脉冲等离子源具有更高的亮度、极强的瞬时强度、线度小和稳定性好等特点,提供了取代同步辐射光源的一个方案,更利于ICF诊断设备的精密标定。
ICF实验用设备的标定工作主要是在同步辐射光源上进行的,采用的是直流法标定。然而,在ICF实验研究中,大部分诊断设备都是进行脉冲测量,实际测量应用条件与直流法标定实验条件是有差别的。选择强脉冲等离子体光源标定诊断设备,标定实验条件与实际测量应用条件接近,可以提高其测量精度。基于多层镜良好的分光效果,建立多层镜单色标定光源系统,一方面可以研究直流标定与脉冲标定的差别,另一方面可以随时检验系统的状态,同时也可以为研制多层镜谱仪提供良好基础。
1 工作原理
在神光Ⅱ装置上,采用性能基本一致的两块多层镜作色散元件,将激光打靶产生的X光变成相同光子能量的单色光,得到了激光等离子体软X单色光。
激光打靶产生的X光能量主要集中在亚keV (0.1~1.5 keV)范围,脉冲宽度(FWHM)为1 ns,通过多层镜分光,可以获得单色性比较好的X光(带宽20~50 eV),脉宽约为2 ns。单色X光通过XRD探测器变成电流信号,由TDS694示波器记录,如图1所示。光源由几何对称的两路构成,在滤片材料相同,厚度相近,多层镜反射率相近的情况下,两路信号的强度应基本一致。如果滤片和多层镜不变,两束单色光的强度只相差一个比例系数,通过实验,可以给出该比例系数,即可进行标定。
2 多层镜设计
多层膜反射镜在光学领域已经得到广泛应用,早期仅被应用于可见光波段。1972年Spiller[6]发现不同吸收常数的材料交替镀膜,可产生高反射特性,从而多层膜反射镜的使用范围扩展到了软X光波段。
多层镜满足布拉格衍射关系[7]:nλ=2dsinθ,其中n为衍射级次,λ为光子波长,d为多层膜周期厚度,θ为入射光的掠射角。在d值已知(可根据不同能量设计不同d值)时,只要改变单色器入射角度,即可获得相应的能量输出。根据理论计算,多层镜层厚选择为7 nm和8nm,能点选为275 eV与900 eV。设计结果为:材料选W/C;层厚为8 nm和7 nm;角度θ1=17.55°,θ2=6.20°。275 eV能点多层镜配厚0.37μm的C滤片, 900 eV能点多层镜配厚1.05μm的Cu滤片,其响应函数如图2所示。需要注意的是,能点275 eV与900 eV是设计值,多层镜制作误差引起能点漂移,实际上最终得到两个能点的是253 eV与820 eV。
3 光源的性能研究
3.1 实验条件与实验装置
实验在神光Ⅱ上进行,8路激光三倍频注入标准腔,每路激光能量为260 J。单色器位于激光入口方位,与靶腔轴向夹角为30°。实验总体布局见图3,多层镜与XRD的具体安排见表1。XRD加偏压2 kV,获得的信号均采用TDS694示波器记录。
3.2光源的强度测量
光强计算公式
式中:I为每个脉冲对应的光子数;Q为测量信号的电荷量;S为XRD灵敏度;hν为光子能量;V(t)为电压信号;R为示波器阻抗。
图4所示为示波器的测量信号。根据公式(1),(2),结合光源脉宽(约为2 ns)与XRD灵敏面(直径为10 mm)面积,得到820 eV与253 eV能道XRD处光强为3.2×1019photon/(s·cm2)与1.8×1019photon/(s·cm2)。与同步辐射光源强度(1014~1015photon/(s·cm2))及文献[4]的标定光源强度(1019photon/(s·cm2))相比可知,本单色器光源强度满足标定需要。
3.3 系统的稳定性测量
单色器系统的稳定性是一个重要的技术指标。系统的稳定性决定了标定源的稳定性。系统稳定性不能保证,标定就无法进行。单色器的稳定性取决于系统中的多层镜、滤片、XRD等元件的稳定性。表2列出了单色器对应的标定道与监测道两个通道的信号电荷量不同发次的变化情况。从表2可以得出,单色器820 eV能道（ch1与ch3)XRD互换前后变化率分别约为4.0%,1.3%,253 eV能道(ch2与ch4)XRD互换后变化率分别约为1.6%,2.8%。单色器820 eV与253 eV两组通道的信号积分比值随发次的变化均较小,稳定性都比较好。因此,单色器稳定性能够满足标定需要。
3.4 通道的一致性测量
根据(1)式,同一能点两通道,满足
XRD互换前
XRD互换后
而
则
两通道的一致性
根据(6),(7)式,利用表2中的数据计算得到820 eV(ch1)与820 eV(ch3)通道的一致性比为0.31,探测器灵敏度之比为0.81;253 eV(ch2)与253 eV(ch4)通道的一致性之比为0.85,探测器灵敏度之比为1.53。在通道一致性方面,253 eV能道要优于820 eV能道。
4 结 论
通过光源性能研究实验,得到光源的光子能量为253 eV和820 eV;对应的光源强度分别为1.8×1019photon/(s·cm2)与3.2×1019photon/(s·cm2);系统的稳定性好;低能道的光源一致性好,高能道差一些。实验结果表明:基于多层镜的激光等离子体脉冲软X光标定源是一台强度高,单色性好,性能稳定的脉冲光源,目前能提供四种光子能量。在该光源上可以实现XRD、平面镜、多层镜、透射光栅和滤片的标定。而且,通本次实验获得的经验,将有助于多层镜能谱仪的优化设计。但是该单色器系统在机械结构等方面还有待进一步改进,以完善该标定源。
参考文献:
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[7] X-ray data booklet. Center for X-ray optics and advanced light source[EB/OL]. Lawrence Berkeley National Laboratory. 2001. https://xdb.lbl.gov/.
本文作者：侯立飞, 易荣清, 刘慎业, 周琴琴, 廖 强, 杜华冰, 王传珂, 赵宗清
