摘 要: 在北京同步辐射装置新建4B7B束线没有安装反射率计,且用户空间有限的情况下,利用X光基准点还原的方法建立了一种Dante谱仪固定角度平面镜反射率标定方法。利用三光束瞄准方法完成了束线软X光基准重建,通过准直方法实现了平面镜与X光之间的高定角精度,并采取了相应的角度姿态监测,最终在实验中得到的平面镜标定角不确定度为1.0 mrad。基于固定角度平面镜多次安装和朝各个方向转动后的标定结果,获得了高精度的反射率曲线。
在惯性约束聚变(ICF)物理研究中,辐射温度是黑腔辐射源最重要的特征物理量,是了解激光腔靶能量耦合物理过程以及辐射源应用实验设计的基础。准确地测量黑腔辐射温度是一项重要的实验诊断工作,测量辐射温度的主要设备是Dante谱仪,绝对标定Dante谱仪的响应曲线是进行黑腔诊断的基础。在软X光能区,美国的NOVA,OMEGA和NIF均采用了平面镜进行分光,以截止高能X射线。由于平面镜的截止边与入射光的角度之间的依赖关系较强,因而Dante谱仪标定的难点主要集中于平面镜。以往进行平面镜标定主要是利用反射率计自准直后转动的方法进行定角标定[1-3],这种方法需要将平面镜从平面镜筒内拆出进行单独标定,完成标定后需重新调整恢复安装角度后固定,从而带来平面镜标定前后的安装角度和姿态存在较大的偏差,其复原精度较低。反射率计上采用白光进行自准直的方法,由于反射率计内部空间有限,所以其自准距离较短,从而自准直的精度较低,可靠性也较低,无法从实验获得完整的数据不确定度,在2009年刚建成的北京同步辐射4B7B束线上也暂不具备安装反射率计的条件。2004年美国OMEGA的Dante平面镜的标定采用了一种双针孔X光自准的方法对谱仪固定角度平面镜进行了直接标定[4-6],从其标定原理图可看出,其在X光出射方向使用激光笔进行X光路的还原,这种方法的还原精度受到激光指向和光斑大小的限制,无法保证标定角度与实际应用的角度的一致性。本工作采用三光束瞄准方法完成了X光基准还原,建立了一种新的平面镜标定方法,同时从标定实验中得到了平面镜标定角度不确定度。
1 实验原理
平面镜标定实验采用两个硅光二极管,分别为D1(测量源强)和D2(测量经平面镜反射后光强)。首先将D1放置于光路,测量源强i1,并记录初始时刻和测量结束时刻的电子束流强度。然后将D1移出光路,用D2测量反射后的光强i2,同样记录初始时刻和测量结束时刻的电子束流强度,如图1所示。
实验前期不安装平面镜筒,标定两个探测器的响应一致性,即
式中:η表示探测器的一致性;S1和S2为D1和D2探测器响应因子;I1和I2分别为测量源强和反射光强时X射线总强度,其中,I1=I0(E)+I0(E′), I2=I(E)+I(E′),E是同步辐射X光能量,E′是高次谐波能量。I0(E)和I(E)分别为能点E的X射线源强和反射光强。
平面镜反射率为
考虑标准探测器的响应不一致以及受光源强度变化和高次谐波的影响,平面镜反射率实验值为
式中:χ为高次谐波修正系数,χ=β1/β2,其中β1和β2分别为测量源强和反射光强时的电子束流强度。因此,修正后平面镜的反射率为
式中:a为束流归一系数,a=I0(E′)/I0(E)。
2 实验方法
同步辐射软X光源具有其它光源无法比拟的优点,如高强度、准直性、发散度小、高稳定性和脉冲时间特性等[7]。本次平面镜标定实验是在北京同步辐射装置储存环电子能量为1.5 GeV的模式下进行的。4B7B软X束线提供的束流强度150~350 mA、能量范围50~1 500 eV的软X光,能量分辨优于0.1 eV。实验中采用了新的标定平台,该装置如图2所示。标定靶室放置于5维调节平台上,依次安装滤片架、限束光阑、探测器等。探测器为AXUV-100硅光二极管,其有效探测面为10 mm×10 mm。利用6517A弱电流计进行电流测量。
2.1 建立基准线
4B7B束线站提供的X零级光在荧光屏上有着光斑亮度高的优点,但在实验时发现其尺寸较大、强弱分布不均,所以无法依靠零级光定位X光束中心位置。X单级光照射在荧光屏上光斑亮度较弱,但它具有各个能段的X光对应的光斑具有处于同一位置、尺寸较小、形状统一、强弱分布较为均匀的优势,因此采用X单级光来建立标定光路基准线。
根据两个点确定一条直线的原理,光路基准线的建立至少需要两个标识点。软X光只能在真空中观测,因此实验需要将真空下的基准标识点转到大气环境。两个标识点的获得需要分别抽取真空。由于束线站提供的空间有限,用户前端法兰面到墙壁的距离小于2 m,因此基准建立应在标定靶室安装之前完成。这也是一个重建两个空间点位置的过程。
基准光路建立过程如图3所示。首先在束线用户端接入真空飞行管,待真空度达到束线要求后放出X光。X光轰击飞行管端口的荧光屏从而获得光斑。实测该光斑尺寸为14 mm×7 mm,利用与光斑同尺寸的十字同心刻度板完全贴合光斑位置,其中心位置定义为O1基准点。利用两块反射镜对十字同心刻度板成像,通过双光束即两台经纬仪从正交方向进行观测瞄准,调整经纬仪姿态使十字中心均对准O1基准位置并保持稳定,从而实现O1基准点的空间定位。拆除真空飞行管,在O1基准点放置200μm的金球靶,利用激光器照亮球靶,调整金球靶位置,使金球靶中心位于两个经纬仪的十字叉丝中心,从而实现O1基准点的定位还原。
在束线用户端管路上再次封接荧光屏后抽真空。在达到真空要求后放出X单级光。X单级光照在荧光屏上显出光斑,此时测得其尺寸为12 mm×4 mm。与O1基准点类似,采用与光斑相同尺寸的十字同心刻度板完全贴合光斑位置,其中心点定义为O2基准点。O2基准点与O1基准点(即金球靶)之间的距离为1 456 mm。
利用一条已限束的小发散度激光基准线对此两点进行模拟指示,调整激光姿态,使激光基准线中心轴与两个基准点O1,O2的中心重合,此时即完成了基准线建立,如图4所示。上述基准线的建立方法称为三光束瞄准方法。
2.2 标定靶室自准直与对中
标定靶室安装主要是进行自准直与对中调整,这需要安装平台具有5维调整与紧固标定靶室的功能。如图5所示在安装平面镜筒前,首先利用基准线对靶室上的平面镜筒安装法兰面中心进行自准直调整,然后逐个对探测器D1、滤片架和光阑的中心位置进行定位。在平面镜标定实验前,对于平面镜的安装角度已作相应的精密校准。平面镜固定安装于镜筒内,作为整体安装于标定靶室后端,通过镜筒的安装法兰面与靶室后端面紧密匀配合,从而保证入射光与平面镜之间夹角和校准角度值一致,实现固定角度平面镜反射率精密测量。最后在镜筒后端安装探测器D2。两个探测器的输出电流利用6517A弱电流计进行联机测量记录。
2.3 姿态监测光路
标定靶室工作在真空状态下,其前端采用波纹管与束线站进行连接,在抽真空的过程中及操作滤片架过程中,可能将对标定系统的整体姿态产生影响,从而影响软X光与平面镜之间的入射角。为此建立姿态实时监测光学系统,如图6所示。该监测系统由激光器、安装于平面镜安装法兰上的4号反光镜、3号反光镜及十字同心刻度板组成。其中,激光器和反光镜与基准光路安装于同一平台上。当标定靶室姿态角度发生变化时,即平面镜安装法兰发生偏转,则激光与4号反光镜的相对角度也将发生变化,这个变化量可通过十字同心刻度板上的反射光斑的偏离值进行计算。由于其反射光程长达12 m,所以靶室微小的角度变化都可得到实时的监测。
3 平面镜标定角不确定度分析
标定角度与实际应用安装角之间的偏差是固定角度方法标定平面镜反射率的关键。根据前述实验方法可知,角度不确定性主要来自X光基准线建立(ΔθX)、激光模拟基准线(ΔθL)、镜筒安装法兰面的自准(ΔθF)、平面镜角度定准(ΔθM)和标定靶室抽真空的影响(ΔθV)等方面。由于4B7B束线用户端口距离实验室墙壁较近,所以本次标定的两个X光基准点间距只能达到1·456 m,从而X光基准线建立过程中所带来的不确定度是影响标定角精度的主要来源。
如图7所示,建立O1和O2基准点时,两个光斑的中心点的确定均依据人工判定,其误差直径均为1 mm,由此带来的角度不确定
式中:Φ1=Φ2=1 mm,从而得到Δθ11=0.039 4°。
考虑到两个基准点之间的测量存在偏差,所以利用式(7)求角度变化的时候必须将距离L1考虑进去,其测量偏差为ΔL1=2 mm,这样得到该测量值的不确定度
基准线角度的合成不确定度
影响标定角精度的其它因素带来的不确定度可通过类似的方法计算得到。通过多次测量和合成计算,本实验方法得到的最终标定角不确定度
4 实验结果与分析
在本次标定实验中按前述方法对平面镜反射率进行了重复度测量。测量反射率的重复度主要用于验证不同时间安装平面镜后反射率之间的偏差。在标定实验中对4°Ni平面镜进行了3次重复安装测量,时间间隔大于12 h。在标定前,已对4°Ni平面镜的安装角度进行精密校准,测得其实际安装入射角为3.945°。如图8所示,所测得的各条反射率曲线之间差异较小,同时也反映出安装精度对于标定结果存在一定的影响。对3条反射率曲线进行分析得到各个能点的偏差均小于1%。结果表明固定角度平面镜标定方法的重复精度较高,完全满足物理实验要求。
从4°Ni平面镜反射率标定曲线(图9)看,在280 eV处存在一个尖峰,这对应于C边,在520 eV处存在O边。在860 eV处,存在一个边峰,此处对应为Ni边峰。这几个边峰的位置与理论曲线作对比,表明标定能量点位置精度非常高。标定结果也表明平面镜表面受到的C污染比较严重,而这种污染主要来源于真空室内的油污染。同时从曲线上存在O边可知,镜面亦存在氧化问题,或是油污染带来的O成分。与以往的标定结果相比,标定数据采集点更为密集,充分反映出平面镜的实际状态,因而所得到的反射率曲线的可信度更高。图中2008和2009分别为2008年和2009年测得的实验结果。
对平面镜4个安装方位的反射率测量主要是根据平面镜筒在ICF实验中可能安装于不同方位,由此可能带来的入射角变化对于反射率的影响。在Dante谱仪中,平面镜筒安装于谱仪后端的圆周方向,所以它的安装姿态存在各种形式,最极端的情况即为反射面朝上下和左右,如图10所示。由于镜筒本身具有一定的重量,而且是悬臂结构,所以存在重力作用下挠曲的问题,引起入射光与平面镜之间角度偏差,从而导致四个方位的反射率存在差异。同时由于标定所采用的是固定角度测量的方法,在安装平面镜时可能存在镜筒安装面与X光束准直精度不高的问题,导致在不同方位的反射率存在差异。因此对4°Ni平面镜进行了4个方向的反射率测量,从标定结果图11可看出,朝上与左向的测量结果基本一致,朝下和右向测量结果基本一致,说明基准线建立时和光路有一定的偏差,实际光路偏左上约45°方向,根据此曲线计算得出基准线建立的角度偏差小于±0·05°。
5 结 论
通过建立固定角度平面镜标定方法,实现了X光基准线的重建。固定角度平面镜标定方法原理简单,系统稳定可靠,并具有靶室姿态实时监测系统。通过测量与计算得到该方法能获得的标定角不确定度为1.0mrad,对于4°平面镜而言,其相对角度不确定度为1.25%。从重复度小于1%和4个安装方位的平面镜反射率曲线来看,该方法极大地提高了反射率标定值的置信度,同时也表明通过优化标定方法与改进标定平台可得到更高精度与可信度的反射率标定值。
致 谢 在4B7B束线上进行本次平面镜反射率标定实验中,得到了中国科学院高能物理研究所的各级领导及运行人员的关心、支持和帮助,在此表示衷心感谢。
参与文献:
[1] 孙可煦,易荣清,杨国洪,等.软X射线平面镜不同掠射角下的反射率标定[J].物理学报, 2004,53(4):1099-1104.(Sun Kexu, YiRongqing, Yang Guohong, et al. The reflectance calibration of soft X-ray planar mirror with different grazing angle.Acta Physica Sinica,2004,53(4):1099-1104)
[2] 易荣清,孙可煦,杨国洪,等.掠入射平面镜反射率在同步辐射源上的标定方法研究[J].原子与分子物理学报, 2004,21(1):149-154.(YiRongqing, Sun Kexu, Yang Guohong, et al. The calibration method study of reflectance of grazing mirror in BSRE.Journalof Atomic andMolecular Physics, 2004,21(1):149-154)
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本文作者：杨正华, 陈伯伦, 曹柱荣, 董建军, 侯立飞, 易荣清, 杨家敏, 刘慎业, 江少恩
