用于激光等离子体X射线诊断的椭圆弯晶谱仪研究

【摘要】：在激光惯性约束核聚变(ICF)中，激光等离子体发射的X射线谱中包含了丰富的信息。在极紫外、X射线发射激光、连续高阶谱产生中，激光作用的X射线谱研究是很重要的课题，其潜在运用是X射线光源、逆光小球聚爆等。定量分析千电子伏(KeV)范围X射线光谱是用来获得电子温度、密度、离化态和等离子体速度的信息，同样它的谱特征也用作其它用途。在惯性约束聚变中激光等离子体发射的X射线包含了大量信息。通过不同的晶体谱仪，可以获取离子温度、密度的信息。为了获取这些有用的信息，基于椭圆几何学的原理，我们设计研制了620～6200 ev能区X射线椭圆弯曲晶体谱仪。 椭圆晶体谱仪的光学系统设计利用了椭圆聚焦几何理论。其基本原理是从椭圆的一个焦点射出的光线经椭圆面反射必会聚于另一焦点上，椭圆柱面的前焦点上是射线源，晶体弯曲固定在一个椭圆基底上，其表面构成椭圆柱面，射线源发出的X射线经晶体衍射后会聚于后焦线上，后焦线处放置一狭缝，通过狭缝的射线投射到探测面上被记录下来。 在本论文中我们介绍了用于在激光聚变实验室等离子体诊断的椭圆弯曲晶体谱仪的理论分析，利用物理模型验算了弯曲晶体的衍射性质。并介绍了双通道椭圆弯晶谱仪的光学系统的基本组成和特性参数。在椭圆弯晶分析器的参数选择及制造工艺方面进行了探索性的研究。 论述了激光等离子体X射线产生机理和X射线晶体衍射的理论基础，通过应用于X射线诊断的平晶谱仪、凸晶谱仪和凹面弯晶谱仪的基本光学特性比较，给出椭圆面弯晶谱仪的优点。分析了几种晶体特性参数对衍射质量的影响。论文介绍了谱仪的结构设计基本组成。提出将上下两个通道的分光晶体作为整体进行调整。通过两种瞄准对中方案的比较，得到更优的方案。从波长沿探测圆的弥散度、光度参数dβ／dx与散射角β的关系、以及影响分辨率的谱线位置误差三个方面对影响谱仪摄谱精度的因素进行了深入分析。 我们研制的椭圆弯晶谱仪装备在上海神光以及绵阳星光激光装置上。同光栅谱仪相比较，晶体谱仪使用简单方便，有较高的收集效率以及较好的分辨能力。在0.2～2nm谱范围内用不同的2d值晶体分析器来获取光谱信息。文中分析了椭圆弯晶分析器的分光原理及系统设计方案。 在打靶实验前，利用谱仪自带真空系统对谱仪进行了真空实验，证明谱仪内部真空度可以达到6×10~(-3)Pa的真空度，满足条纹相机的工作要求；利用模拟点光源进行了谱仪的瞄准对中实验，证明瞄准对中方案切实有效、方便快捷，达到靶 重庆大学博士学位论文 室的应用要求。 为了决定X射线的产额，我们需要精确的测量各种源的X射线产出量。光谱 的变化不仅仅是由靶的材料而且也与激光参数如波长、脉冲能量、聚焦特性等相 关。利用弯曲的KAP、PET、LIF、Mica晶体分析器，谱仪记录了相对激光中心 轴90度和相对于靶45度的光谱信息。普林斯登公司的v盯sArray 1 3 ooF cCD被用 来作为高分辨的探测器，探测器采用前向照明的CCD芯片，在探测的光谱范围内 具有很好的探测灵敏度。为获取这些范围光谱信息，CCD直接存储的实验数据格 式可以马上进行实验结果分析，而不像胶片记录方式那样繁琐，通过微密度计处 理来获取信息。这是利用CCD的一大优点。 实验打靶是在神光和星光激光装置上进行的，等离子体由波长为35Inm的泵 浦激光束垂直照射盘靶产生。浦泵激光束通过蝇眼透镜阵列进行光束匀滑。匀滑 后的激光在靶面的最大功率密度为1.6*10’4w/clnZ。所用靶型主要有An盘靶、Al 盘靶和Ti盘靶。实验结果其分辨率为0.oonlun。