摘 要: 介绍了用于阳加速器上Z箍缩内爆实验诊断的Dante谱仪的结构和通道配置,详细讨论了X射线二极管、掠入射平面反射镜和滤片等主要元器件的标定结果,分析了标定结果与理论计算发生偏差的原因,给出了喷气Z箍缩等离子体辐射的测量结果,X光辐射功率30~40 GW,能量约0.8 kJ,并与闪烁体光电管测量结果进行了比较,差异约20%。
软X射线辐射能谱的测量是Z箍缩诊断的关键技术之一,在软X射线能谱绝对强度测量中,多通道滤片-反射镜Dante谱仪至今仍然为首选诊断设备[1-3]。其中X射线二极管(XRD)与测量软X射线的光导探测器、热电探测器相比,其灵敏度介于两者之间,约10-5A/W,既可以用于低通量X射线测量,又可以用于较高通量X射线测量,且具有体积小、响应快、使用方便等优点[4]。本文详细介绍了用于阳加速器Z箍缩内爆等离子体物理诊断中软X射线能谱测量的多通道Dante谱仪的结构设计、参数配置,以及光学探测元器件标定结果,并给出了Z箍缩内爆物理实验中等离子体X射线辐射的测量波形曲线及解谱结果。
1 软X射线Dante谱仪测谱原理及结构
Dante谱仪的通道主要由分光器件与X射线二极管组成。分光器件包括滤片、平面镜及多层镜。其中滤片利用不同材料的K吸收边和L吸收边对X射线能谱进行分割;平面镜在掠入射条件下使用,配置在低能通道发挥衰减X射线辐射高能尾部的作用,平面镜与相应的滤片相配合能够实现X射线能量的窄带选通。如:在0.8μm Al滤片出射端使用表面粗糙度为2.5μm的Ti平面镜,那么通道响应计算图线就如图1所示。可见,使用“滤片+平面镜”的形式分光可以很好地进行窄带选通和抑制高次谐波。实际应用中要求根据待测能谱的范围以及通道个数合理选择滤片组材料与厚度,要能够保证整个待测能量范围都被覆盖,并且尽可能地减少透过率曲线之间的重合。
XRD是谱仪的光电转换器件,具有100 ps量级的响应速度,可用于ns级快信号的收集。XRD的内部结构如图2所示[4]。入射的X射线经由NI网(80%以上透过率)后撞击在光阴极上产生光电子(可能还有部分俄歇电子及荧光),光电子一部分会直接在极间强电场作用下向阳极迅速运动,另外大部分的光电子的能量会以光电子动能的形式沉积在光阴极表面区域内,并产生大量低能的次级电子,次级电子被阳极收集的过程中,形成XRD信号电流。逸出光阴极的次级电子数量远远大于初级电子,所以,XRD信号电流主要由次级电子贡献[5]。XRD等效电路如图3所示。XRD信号电流所携带的电荷量与X射线光子在阴极上沉积的能量成正比,所以,只要测出该探头输出的总电荷量,即可以获得X射线入射的总能量。
Dante谱仪主要用于获取X射线辐射能谱。根据Z箍缩内爆的特点,谱仪共由8个通道组成,覆盖的能量范围是50~1500 eV,考虑到Z箍缩等离子体光源本身的长度远小于光源到探测器的距离,因此将光源当成点光源处理。为了方便结果处理,探测器位于以光源为球心的同一个球面上。单通道光路示意图如图4所示,主要由偏转磁铁、准直光阑、X射线滤片、掠入射平面反射镜和XRD探测器组成,其中偏转磁铁主要起偏转带电粒子作用,准直光阑为铅,起准直作用,并防止高能X射线散射。
2 谱仪元器件的标定
要做好软X射线元器件能量响应绝对标定工作,一个好的标定用光源(单色性好、强度高、能区宽、能点连续可调)、一套精度较高的光强监测系统(灵敏度高、动态范围宽、系统误差小)、一套完善的标定装置(使用简便、灵活、通用性好、更换标定元件方便、可节省用光时间、提高标定效率、可以提高标定精度等)是必不可少[6]。光学器件标定工作在北京同步辐射装置(BSRF)-3W1B实验站进行,同步辐射光源作为软X射线探测器标定源,它具有其他标定源无法比拟的优点,如强度高,准直性好,发散角小,稳定性高,还具有脉冲时间特性等特点。到目前为止,在软X射线能区,国内还没有正式计量标准。1998年,软X射线电离室在美国标准和技术研究所(NIST)的BNC实验室做了量子效率比对,同时,对美国IRD公司生产的AXUV-100也做了能量响应绝对标定[7]。实验站就采用这种绝对标定过的AXUV-100硅光二极管作源强监测的次级标准探测器。
标定内容包括滤片透过率、平面镜在不同角度下的反射率和XRD的量子效率。XRD和平面镜标定光路如图5所示。
从束线单色器(柱面镜M、变间距光栅VSGP等构成)出来的X射线不可避免的带有不同程度的高次谐波,因此有必要对经过束线光学系统单色化的X射线再进行单色化处理。在标定靶室前设计了前置滤片,XRD和平面镜标定的前置滤片配置见表1。
图6是部分平面镜标定结果。图6(a),(c),(d)分别给出了1#,2#Au平面镜在3°掠射角条件下、1#,2#Ni平面镜在4°掠射角条件下、1#Ti平面镜在3°掠射角条件下的反射率能量响应的实际标定值与理论计算值,是Au,Ni,Ti平面反射镜反射率能量响应的实际标定值与理论计算值,由此可估计Au镜和Ni镜的表面粗糙度较好(<2.5μm),Ti镜的粗糙度范围在2.5~5.0μm之间。Ni镜在300~600 eV之间反射率明显低于理论值,而Ti镜在400~500 eV之间的反射率要高于理论值。而同步辐射光束的质量在350~600 eV这一段较差,且光子通量较低,不宜使用滤片,以至高次谐波很严重。Ni镜对高次谐波基本不反射,而Ti镜在450~850eV之间有一个小的反射窗,部分高次谐波会产生反射。另外,平面镜与光束的准直也是平面镜标定中必须考虑的问题,从不同掠射角条件下反射率的标定结果不难看出:平面镜的反射率对角度相当敏感,如图中(b),(3)角度的偏差会造成较大误差,甚至有可能令反射光斑部分移出探测器灵敏面造成测量值降低。从标定的Al阴极XRD和Au阴极XRD结果来看,同种阴极材料的XRD之间量子效率一致性较好,Au阴极的量子效率略高于Al阴极。部分结果见图7。
滤片透过率的实际标定值与理论计算值的偏差与滤片的厚度及标定能段光束的单色性有关,标定过程中我们发现,较厚的滤片标定值与理论计算值符合得更好,滤片用单色性较好的光束标定时所得到的结果也更接近理论值。
3 实验应用及结果分析
实验在阳加速器上进行,工作状态下驱动电流为500~800 kA,脉宽80~120 ns。利用八通道X射线Dante谱仪对氩气等离子体辐射的X射线功率及能谱进行了测量。实验中喷气负载阴极端出口处外直径15 mm,内直径9 mm,喉部尺寸0.4 mm,负载长度均为15 mm。阳极端采用直径约100μm直径的铜丝绕制而成。实验中各通道的配置如表2所示,通道响应曲线见图8。图8中定义通道响应曲线为该通道滤片透过率、平面镜反射率与X射线探测器响应曲线的乘积。
图9给出了实验中获得的各通道软X射线波形。为了由测量信号推出X射线的辐射功率随时间的变化曲线,以及各个时刻X射线能谱的大致轮廓,我们对测量数据进行解谱处理。使用基函数展开法,应用B样条曲线作为基函数进行解谱。计算结果表明,对于温度在20~180 eV间的黑体辐射谱,由该方法反解出的能谱与总功率具有极高的精度(解谱误差小于1.4%,辐射功率求解误差不超过1%),非常适用于在Z箍缩等离子体诊断中进行多通道X射线谱仪测量数据的分析。图10给出了分别运用基函数展开法,直接求解法和迭代法计算的X射线辐射功率随时间的变化曲线,图11为峰值功率谱解谱结果。3种方法分别计算出的峰值功率结果相对误差范围在20%以内。将同一发实验中由软X射线闪烁体功率计直接计算的峰值功率结果与Dan-te谱仪计算的结果进行了比较,发现二者之间的误差接近35%。为此,利用Dante谱仪计算峰值功率谱解谱结果修正软X射线闪烁体功率计中闪烁体在各能段的响应效率所占比例后,其计算的结果(图12)与Dante谱仪计算的结果之间的误差缩小到20%以内,且在不同的实验发次中测量计算结果具有较好的一致性。
4 结 论
本文详细叙述了八通道X射线Dante谱仪的结构,标定实验布局及相关X射线元器件的标定结果,并开展了Z箍缩等离子体辐射功率及辐射能谱测量研究工作,验证了谱仪的性能,获得了X射线辐射功率随时间变化曲线和峰值时刻功率谱解谱结果,并与闪烁体功率计测得的辐射峰值功率结果进行了比较,相对误差达到20%左右。对于Z箍缩等离子体辐射能谱测量而言,其辐射能谱并非完全的黑体辐射谱,而是近黑体辐射谱。从实验结果分析表明,软X射线Dante谱仪的通道数较少,限制了解谱尤其是峰值时刻功率谱解谱结果的一致性,因此可以增加谱仪的通道数来进一步提高测量精度。
在对谱仪元器件的标定实验中,高次谐波严重影响了某些标定能段(如350~600 eV)的结果,在这些能段上高次谐波的响应要成倍地高于测试能点,尽管标定实验中利用滤片进行了相应的抑制,但效果仍不是很理想,直接使用标定数据会给实验结果带来很大误差,所以这些能区内的响应在后续结果处理中采用理论计算进行拟合的方法获得。
致 谢:在软X光元器件标定实验中,得到了中国科学院高能物理研究所相关人员的悉心支持和帮助,在此表示衷心感谢。
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本文作者：张思群, 黄显宾, 李 晶, 杨礼兵, 崔明启, 赵屹东2
