1 引 言
在激光惯性约束核聚变(ICF)的研究中,高温高密度等离子体辐射出大量包含丰富信息的X射线,X射线光谱诊断为获取激光等离子体的电子温度、密度和平均离化度等特征状态参数提供了一种重要的途径,从而帮助人们更深入地了解惯性约束聚变中的能量耦合和不稳定性增长等物理过程[1]。双通道椭圆弯晶谱仪是用于X射线能谱分析的仪器。它利用晶体材料对X射线的衍射作用,采用椭圆柱面弯晶作分光元件,充分利用了椭圆几何光学具有自聚焦性且焦点固定和等光程的优良特性[2],从而使椭圆弯晶谱仪与平晶谱仪相比[3~5],具有更长的工作距离,谱线展开得更宽,能够获得较高的分辨率和灵敏度,同时也给探测器位置固定带来了很大的方便。
2 椭圆弯晶谱仪的原理及结构
椭圆弯晶谱仪的工作原理是,从椭圆的一个焦点射出的光线经椭圆面反射必汇聚于椭圆的另一个焦点上。为了同时获得X射线的空间和时间特性参数,在一个通道上使用X射线胶片或CCD相机作空间分辨测量,在另一个通道上用X射线条纹相机作时间分辨测量[6]。波长探测范围为0·2~2nm,设计的空间分辨率λ/Δλ和时间分辨率分别为1000和20 ps。
2.1 光学系统
光学系统由光源、色散及聚焦系统、接收记录系统组成。图1给出了光学系统简图。在“神光Ⅱ”钕玻璃激光器装置上,聚焦三倍频激光束于真空靶室内的高纯固体微点靶表面(Al,Au或Ti),形成高剥离态等离子体X射线光源,靶直径小于0·6 mm。该谱仪的色散元件为椭圆柱面弯晶,利用晶体对X射线的衍射把谱线展开。为了满足谱仪的工作波长范围0·2~2 nm,采用LiF,PET,MiCa,KAP四种晶体。四种椭圆弯晶分析的波长范围如表1所示。
根据晶体布拉格衍射定律: 2dsinθ= nλ(n取1),选取布拉格角覆盖30~67·5°。晶体通过特殊工艺粘贴在椭圆基底上。两个完全相同的椭圆弯晶分析器在空间上错开布置,避免光路重叠。
2.2 椭圆弯晶基底的设计参数及结构
由椭圆的几何关系可以推导出设计光路的几个关键参数。
其中,e为椭圆的离心率。图2是椭圆弯晶参数示意图。图中各参数的含义为:a为椭圆长半轴,b为椭圆短半轴,c为椭圆半焦距,θ为布拉格角,β为谱线探测角,P1为基底左端点,P2为基底右端点,L为基底的弧长。
由于分析晶体是粘贴在基底上的,要使工作状态的晶格分布接近理想情况的椭圆轮廓实现光线的自聚焦,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。综合考虑保证谱仪分辨率的前提下,降低椭圆基底的长度及加工制造难度等因素,选取椭圆焦距2c=1350 mm,e=0·9586,由椭圆方程可以得到a=704·15 mm,b=200·5 mm。在布拉格角为θ=30~67·5°的情况下,由以下公式可以得出弯晶基底的其他参数,如图3所示。
由以上公式,可以计算得到基底长度L=126mm;谱线探测角范围β=55·4~133·0°。
基底材料采用不锈钢,切割加工后用三坐标测量机检验相对于理想椭圆轮廓的误差。椭圆工作面未经表面处理,用环氧树酯作粘结剂。将解理、定向切割后的厚度为0·08~0·2 mm不等的晶体薄片与基底粘贴牢固,根据不同的晶体种类控制粘结的时间、温度、湿度及压力等条件,保证粘贴晶体后的椭圆分析器工作面平整、无裂纹、无气泡。分析器通过定位销及螺钉与安装板连接,谱仪瞄准对中时分析器可绕销钉小范围转动。
3 谱线位置误差分析
影响椭圆弯晶谱仪分辨率的因素有很多,这里重点分析了当X射线源与椭圆前焦点不重合,射线源几何尺寸不能忽略时,未通过椭圆前焦点的X射线由理想椭圆面反射在椭圆后焦点附近造成的位置误差,从而可以对探测器上接收到的相对于理想情况有位移误差的谱线位置进行矫正,得到正确的波长分辨率。在θ角一定的情况下,上述位置误差的计算过程如下。
由基底上点的坐标
线L2与x轴的交点,从而得出后焦点F2附近偏离值k。对以上的计算结果分析得出,光源在y方向(如图4)的偏离值越大,在椭圆后焦点附近造成的位置误差就越大,它们之间的关系见图5。由于谱仪的工作距离很长,光源在x方向和z方向的偏离在探测器上引起的谱线位置误差很小。因此,在进行瞄准对中时要特别注意在y方向的精确对中。
4 实验结果及分析
实验是在中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理国家实验室的“神光Ⅱ”靶室上进行的。聚焦8路三倍频激光束(260 J)于真空靶室内的双点背光Au靶表面,产生激光等离子体X射线光源。谱仪在相对于靶面法线成20°的方向上进行观测。分析晶体为PET,采用1340×1300面阵软X射线CCD在空间分辨通道上进行接收。在8路超短脉冲激光辐照下,由X射线CCD记录的Au靶X射线发射谱信号见图6,图中谱线条纹清晰可见。
图7(a)和(b)是用Microcal Origin软件处理过的谱线数据,采用三点外推法将像素与强度之间的关系转换为波长与强度之间的关系,图7(b)标示出了波长范围在0·6~0·7 nm范围内的部分峰值波长。计算结果表明实测值与理论值吻合得较好。
5 结 论
设计了用于激光等离子体X射线诊断的椭圆弯晶谱仪,给出了弯晶谱仪的设计参数,分析了光源偏离椭圆轴线造成的误差。通过在“神光Ⅱ”靶室上进行打靶实验,利用X射线CCD相机和PET椭圆晶体分析器获取了谱线图,实验结果表明实测谱线波长与理论值相吻合。
该椭圆弯晶谱仪不但具有谱分辨率高、空间分辨率和灵敏度高、摄谱范围宽、无像差等优点,还具有等光程而便于空间分辨测量的突出特点。因此,特别适用于激光等离子体X射线的光谱学研究,该仪器填补了国内0.2~2 nm X光光谱诊断的空白,对我国能源利用领域和国防领域具有重要贡献。
参考文献
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3 Fan Pinzhong, Zhang Zhengquan. Dispersion curve andwavelength determination in flat2crystal X2ray spectrograph [J].Chinese J. Lasers,1991,18(2):88~93
范品忠,张正泉. X射线平晶谱仪色散曲线和波长的确定[J].中国激光,1991,18(2):88~93
4 Yang Guohong, Zhang Jiyan, Zhang Baohanet al..Analysis offine structure of X2ray spectra from laser2irradiated gold dot [J].Acta Physica SiNIca,2000,49(12):2389~2393
杨国洪,张继彦,张保汉等.金激光等离子体X射线精细结构谱研究[J].物理学报,2000,49(12):2389~2393
5 Liu Zhi, Li Ruxin, Jia Tianqinget al..New planar crystal X2rayspectrometer with independent wavelength calibration ability[J].Chinese J. Lasers,2003,30(2):167~170
刘 智,李儒新,贾天卿等.平晶谱仪谱线波长的直接标定[J].中国激光,2003,30(2):167~170
6 Xiong Xiancai, Zhong Xianxin, Xiao Shaliet al..Analysis of thetransmission efficiency of a two2channel elliptical crystalspectrometer [J].Optics and Precision Engineering,2002,10(6):592~596
熊先才,钟先信,肖沙里等.双通道椭圆弯晶谱仪的传递效率分析[J].光学精密工程,2002,10(6):592~596
作者简介:高 洁(1980—),女,河北人,重庆大学硕士研究生,主要研究方向为光电精密仪器E2mail:gaojie8016@163.com
