1 引 言
电磁驱动的快Z箍缩[1~3]等离子体是一个具有广阔应用前景的强X射线辐射源。由于等离子体X射线光谱中含有大量的关于等离子体温度、密度、尺寸和电离状态等信息,研究Z箍缩等离子体辐射软X射线能谱分布,有助于加深对该等离子体的物理过程及其辐射特性的理解[3]。自20世纪80年代以来,先后建成了俄罗斯的Angara-5-1装置(6 MA)、美国Sandia实验室的Saturn装置(10 MA),以及PBFA-Z (18~20 MA,1996年改成Z装置)装置。20世纪80年代后期,出现了丝阵内爆负载新物理思想,1992~1994年美俄通过联合实验验证。1997年美国Sandia实验室在脉冲功率装置PBFA-Z的丝阵实验中,取得了18 MA电流,X光功率290 TW,X光能量1.8 MJ,能量转换效率大于15%,黑腔辐射场温度高于155 eV的新水平。国内有中国工程物理研究院“阳”加速器(0.5~1.0 MA),西北核技术所强光一号装置(1~2 MA)。利用Z箍缩内爆等离子体物理研究,可创造更好的实验室环境,有利于开展武器库存管理计划、高能密度物理、动力学材料特性、辐射输运及辐射效应和惯性约束聚变(ICF)等研究。
Lake等[4]利用季戊四醇(PET)椭圆弯晶在Sandia实验室Z装置上测量高能密度等离子体研究中,光谱分辨率约为800,信噪比大于10。熊先才等[5]用PET椭圆弯晶和CCD在“神光Ⅱ”靶室上测试了Au靶激光实验,谱分辨达到了0.002 nm,此外熊先才等还上下对称布置KAP椭圆晶体测量。本实验在中国工程物理研究院“阳”加速器上完成,在水平和垂直相互正交的方向,安装PET(002)椭圆弯晶对金丝内爆辐射的X射线做了两次测量,其弯晶晶格常数2d= 0.8742 nm,采用半径为50 mm的半圆型感光胶片获得了等离子体X射线谱线。光谱分辨率为300~600,适合丝阵Z箍缩等离子体诊断。
2 测量原理
2.1 设计原理及结构
椭圆弯晶谱仪的工作特点是从椭圆一个焦点光源发出的光线经椭圆晶体面反射必会聚于另一焦点上[6]。弯晶谱仪的光路布置如图1所示。软X射线源位于真空靶室的球心上(即两个椭圆的同一个前焦点),在软Χ射线入射到相互正交的两个通道的椭圆晶体上发生衍射,并分别会聚到两个椭圆的后焦点,最后经胶片盒的滤光膜(如80μm铝膜),截止2 nm以上的软Χ射线并挡住杂散光,通过狭缝到达软Χ射线胶片相机,这样在两个通道上分别进行软X射线的空间分辨测量。
2.2 晶体分光法
晶体分光法是一种经典而又精密的分解X射线谱的方法。在高温等离子体X射线能谱诊断过程以及闪光X射线频谱的测量过程中,用晶体作为分光元件是相当方便的,因为晶体中原子间距与X射线波长相近,故可作为X射线谱的分光光栅。投射到晶体上的多色X射线束,受到晶体中原子的散射,由于晶体点阵中原子的排列规则有周期,因而它们所散射的X射线之间具有一定的相位和光程差关系,在某一确定方向上便会产生相加的干涉,形成衍射光束。这种干涉的结果使得不同入射角的连续谱在不同方向上形成不同波长的单色X射线。在某一给定方向的衍射光束也可以定义为相互加强的大量同波长平行散射光线所组成的光束。由此可见,衍射在实质上仍是一种分立的而非均匀分布的特定方向上的散射现象,可由晶体布拉格(Bragg)衍射定律描述,满足条件[7]
式中n为衍射阶数(正整数,满足n≥1),λ为被衍射的波长,d为晶面的面距离,θ为入射X射线与晶面的夹角。给定结构的晶体,不同的θ角对应不同的波长。
根据分析器θ与观察角β的几何关系,可以推出
式中e是椭圆晶体的离心率。运用(2)式和(3)式可以根据已知谱线和对应位置(观测角)推导出其他谱线的波长或者光子能量。
3 实验数据及分析
3.1 实 验
“阳”加速器是一台大电流脉冲功率装置,其主要部件包括Marx发生器、布鲁姆林(Blumlein)脉冲形成线、主开关、传输线、磁绝缘传输线(MITL)和负载区。其最大短路电流约1 MA ,上升时间85 ns ,匹配阻抗0.5Ω,可作为快Z箍缩实验脉冲驱动源[8,9]。实验中设计了3丝的金丝负载,如图2所示。金属丝阵平行地安装在阴阳电极上,以减小负载初始电感和阻抗。另外,在负载的阳极端设计了可自调节的压簧片,很好地解决了实验中金属丝弯曲或折断问题,使各金属丝能够平行地紧绷在阴阳电极之间,保证了平行面多金属丝负载的初始一致性。
实验用PET(002)(2d= 0.8742 nm)椭圆晶体分析器作色散元件,只有满足(1)式的射线才能发生掠入衍射,得到对应的波长λ。为了保证固定
椭圆基底上的分析晶体弯曲半径接近理想的椭圆半径,实现X射线的自聚焦,除了要求晶体粘贴平整外,作为谱仪的关键部件,椭圆晶体基底的设计参数的选择及加工精度就显得非常重要。采用微米级误差精度的数控机床加工处理椭圆不锈钢基底,表面粗糙度Ra=1.6,其参数2c=1348 mm,e=0.9480,a=711 mm,b=226 mm。在常温下将PET薄片(125 mm×7.8 mm×0.2 mm)弯曲后,用环氧树酯平整粘贴在椭圆基底上,保证晶体与椭圆基座同面。
谱仪安装在“阳”加速器上如图3所示,Bragg角θ=30°~67. 5°,β= 54°~ 120°,探测波长λ范围为0.44~0.81 nm。在水平方向采用PET晶体,丝阵内爆后取出胶片显影,再将晶体谱仪旋转90°,即晶体谱仪由沿X射线水平方向变成垂直方向,然后再进行金丝内爆实验。两次都用X射线胶片接收信号,记录水平和垂直方向的丝爆等离子体X射线的光谱图像如图4所示。
3.2 实验结果分析
实验结果利用WinView32软件对图谱进行数据处理,得到沿X方向的截面图。图5反映的是PET弯晶获取的谱线光子能量与光强的关系,波长范围为0.6~0.8 nm。进行寻峰处理,得到谱线峰值的像素位置。图5(a)为金等离子体X射线的水平的光谱分布图,最高峰值为148,信噪比高于垂直方向的信号,半峰全宽(FWHM)较低,光谱分辨率[10]为λ/Δλ=580。而图5(b)为等离子体垂直方向的信号,由于胶片显影时间不一致,胶片图像存在背光干涉,信噪比差。利用最小二乘法拟合算法[11],先将谱线的基底拟合一条曲线,然后将光谱信号减去这条曲线得到光谱的实际曲线,最后计算其光谱分辨率(λ/Δλ=315),比水平方向的光谱分辨率低,见表1。
由于两次打靶实验时金丝内爆箍缩的驱动能量、真空环境、光程长等参数视为不变,因此产生的等离子体参数不变,发出的X射线范围一致。通过实验后比对,两者对应的光子能量位置相符。从光源经晶体到胶片的光程长为1475 mm,扫描步进精度35μm,可以计算得到其空间分辨率[12]为0.018 nm。此外,可以根据水平和垂直方向的光强,以及对应的Bragg角,计算箍缩等离子体X射线的极化度参数[13]。
4 结 论
由于Z箍缩能量转换效率高,可达15%~20%,可进行大样品(mm,cm)和较长持续时间的惯性约束聚变研究,因此Z箍缩研究是开展高能密度物理研究的重要手段。研制的椭圆晶体谱仪能够用于测量激光、箍缩等离子体X射线的光谱分辨,是一种新型、价廉、适用的箍缩实验研究的诊断仪器[14,15]。用PET(002)椭圆晶体分析器和配备的半圆型胶片在“阳”加速器靶室上成功地获取了波长范围在0.6~0.8 nm的金丝内爆等离子体X射线的谱线,分辨率λ/Δλ达300~600,实验结果表明该谱仪的实测主要谱线波长与理论值相吻合。如果在两通道同时诊断箍缩等离子体X射线,可用于等离子体射线极化光谱学研究。
致谢 感谢中国工程物理研究院流体物理研究所108室电磁内爆及阳加速器运行组的大力协助。
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作者简介:王洪建(1976—),男,博士研究生,主要从事光学精密仪器、测试及控制等方面的研究。E-mail: whj_cqu@163.com
导师简介:肖沙里(1953—),男,博士,教授,博士生导师,主要从事光学精密仪器、测试及控制等方面的研究。E-mail: xiaoshali@cqu.edu.cn
