硬X光在線彎晶譜儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

紀(jì)騰++黎沁++王峰++徐濤++理玉龍++張保漢++江少恩

摘 要：該文介紹了具有定量化測(cè)量能力的硬X光在線彎晶譜儀，其主要結(jié)構(gòu)為透射彎晶、CsI（Tl）閃爍體薄膜、像增強(qiáng)器、可見光CCD，主要功能是定量獲得較高能譜分辨的X光譜，由光譜獲得超熱電子溫度和總能量的數(shù)據(jù)，為大尺度激光等離子體物理實(shí)驗(yàn)研究建立超熱電子定量診斷的有效手段。該文對(duì)其主要光學(xué)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部件參數(shù)做了詳細(xì)闡述。利用Ag靶準(zhǔn)單色射線源作為測(cè)試源，對(duì)譜儀的性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果為Ag的特征譜線能清晰對(duì)稱地呈現(xiàn)在記錄結(jié)果中，譜線均勻無缺失，分辨效果較好，表明譜儀的性能良好。

關(guān)鍵詞：激光聚變 軔致輻射 彎晶 像增強(qiáng)器

中圖分類號(hào)：TH74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）12（c）-0215-04

在間接驅(qū)動(dòng)的激光聚變研究中，激光與等離子體相互作用，會(huì)通過多種非線性過程如受激喇曼散射、共振吸收、雙等離子體衰變等集體過程產(chǎn)生大量超熱電子，超熱電子與靶材料作用將發(fā)射強(qiáng)的軔致輻射，這部分輻射的光子能量一般在10 keV以上。硬X光透射彎晶譜儀的功能是定量獲得較高能譜分辨的X光譜，由光譜獲得超熱電子溫度和總能量的數(shù)據(jù)，為大尺度激光等離子體物理實(shí)驗(yàn)研究建立超熱電子定量診斷的有效手段。

開展硬X光譜定量化診斷，必須確定譜儀對(duì)不同能點(diǎn)X光的絕對(duì)譜響應(yīng)，從而通過譜儀測(cè)量的X光譜推知真實(shí)的X光譜，因此它需要兩個(gè)條件：一是建立具有可定量化測(cè)量的譜儀；二是建立標(biāo)定絕對(duì)譜響應(yīng)的方法?，F(xiàn)階段采用硬X光譜儀使用透射彎晶進(jìn)行衍射配，利用成像板記錄分光結(jié)果，而成像板的讀取易受到環(huán)境光、溫度和時(shí)間衰減的影響，難以實(shí)現(xiàn)定量化測(cè)量和標(biāo)定。所以需要設(shè)計(jì)在線型的彎晶譜儀，使用能直接響應(yīng)測(cè)量結(jié)果和獲取測(cè)量結(jié)果的記錄設(shè)備。

該文闡述的硬X光譜儀利用透射彎晶對(duì)不同能點(diǎn)的硬X光進(jìn)行衍射分光，使分光后的譜線激發(fā)針狀CsI（Tl）薄膜發(fā)出可見光，利用像增強(qiáng)器和可見光CCD對(duì)具有空間譜線分布的結(jié)果進(jìn)行記錄。由于晶體衍射后的不同能點(diǎn)X光譜形成不同位置的衍射線分布，利用針狀CsI（Tl）薄膜可以使激發(fā)出的可見光信號(hào)彌散程度較小，仍保持著與衍射線相近的空間分布，同時(shí)使用光纖面板耦合的像增強(qiáng)器和CCD就能使記錄的譜線具有很好的空間分辨。

1 硬X光彎晶譜儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于晶體中原子間距與X光波長(zhǎng)相近，可作為X光的分光元件。投射到晶體表面的復(fù)色X光束，受到晶體中原子的散射，由于晶體點(diǎn)陣中原子的周期規(guī)則性排列，使得它們散射的X光之間具有一定的相位和光程差關(guān)系，在某一確定方向上會(huì)疊加形成干涉，形成衍射光束，這種衍射會(huì)使得不同入射角的X光在空間不同方向上形成不同波長(zhǎng)單色X光的衍射峰。

晶體分光法是一種經(jīng)典而又精密的X射線譜分析方法，可以用晶體布拉格公式2dsinθ=nλ描述這種衍射，式中：

d——晶體中的相鄰原子層的間距，即晶面間距。

θ——掠射角，入射光線與晶面的夾角，即布拉格角。

λ——X光波長(zhǎng)。

n——衍射級(jí)次。

對(duì)于給定的晶體材料，不同波長(zhǎng)的X光將衍射到空間的不同位置，從而實(shí)現(xiàn)X光譜的測(cè)量。由于平面晶體的效率較低，在X光診斷中常用到的晶體譜儀多采用彎晶。彎晶由平面晶體通過彎曲、剖切成特定的柱面、球面、二次曲面等形狀而形成，一般可分為透射型彎晶和反射型彎晶，其區(qū)別在于剖切加工及分布的方式不同，形成的晶層分布不同。由于布拉格角的差異，兩種彎晶適用于進(jìn)行不同波長(zhǎng)的X光分光，短波長(zhǎng)一般采用透射彎晶。

透射彎晶的晶面與晶體表面為近似垂直關(guān)系，其布拉格角近似等于入射光線與晶體表面的夾角。X光經(jīng)彎晶分光后在羅蘭圓上聚焦，羅蘭圓直徑等于彎晶彎曲半徑。晶體分光后的幾何光學(xué)示意圖如圖1所示，從A點(diǎn)發(fā)出的能量為E的光線，在晶體表面B點(diǎn)發(fā)生衍射，經(jīng)過晶體分光后與光軸的交點(diǎn)為C點(diǎn)，聚焦到羅蘭圓切面的D點(diǎn)上，光軸與羅蘭圓切面的交點(diǎn)為O。由布拉格衍射公式和幾何關(guān)系，可推導(dǎo)得到公式（1）、（2）。

（1）

（2）

由布拉格衍射公式：2dsinθ=λ，以及E=12.398541/λ，對(duì)于低能點(diǎn)的X光，其衍射線分布在離記錄面中心較遠(yuǎn)的位置，通過對(duì)低能點(diǎn)X光分光后幾何位置的計(jì)算，可獲得在當(dāng)前記錄條件下對(duì)晶體幾何形狀的要求。同時(shí)，也可以確定鉛光闌的尺寸和位置。

實(shí)驗(yàn)中，光源總是具有一定的尺寸，導(dǎo)致同一能量的X射線會(huì)在晶體上的一段區(qū)域發(fā)生衍射，從而使得探測(cè)面上出現(xiàn)的譜線具有一定寬度，如圖2所示。設(shè)光源尺寸為2 w，彎晶距離靶點(diǎn)距離為S，記錄面距離羅蘭圓D，記錄面上兩條邊緣衍射光線在記錄面上的位置分別為y1和y2，根據(jù)彎晶衍射原理，則圖2中若干幾何量可由以下幾個(gè)公式描述。

（3）

（4）

（5）

用同樣的方法可以計(jì)算出譜線另一邊緣的位置y2，由此可以得到由于光源尺寸而產(chǎn)生的譜線展寬：dy=y2-y1。

除了光源尺寸外，影響譜線寬度和光譜分辨能力的因素還有探測(cè)器有效空間分辨率dx、晶體厚度T、X射線透射自然展寬、晶體搖擺曲線和幾何散焦。其中晶體搖擺曲線和幾何散焦對(duì)線寬和分辨能力的影響比起其他因素要小得多，通?？梢院雎?，綜合各因素可得到總線寬L和譜分辨能力。

設(shè)定彎晶厚度150 μm，彎曲半徑95 mm，記錄部分有效分辨率10l p/mm，光源尺寸為2 mm，X射線自然展寬較小可忽略，記錄面距離羅蘭圓1 mm，可計(jì)算得到如圖3所示的譜線位置及其分辨率的示意圖。此外，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，影響分辨率的主要因素是記錄部分的空間分辨和光源尺寸。在設(shè)計(jì)譜儀記錄系統(tǒng)時(shí)需保證其記錄系統(tǒng)具有足夠高的空間分辨。

2 關(guān)鍵單元參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬X光在線彎晶譜儀主要分為彎晶分光件、光纖面板耦合CsI（Tl）針狀薄膜、合適口徑光纖面板耦合像增強(qiáng)器、光纖面板耦合可見光CCD幾個(gè)部分，設(shè)備測(cè)試條件控制、數(shù)據(jù)采集、傳輸及處理均可在實(shí)驗(yàn)當(dāng)場(chǎng)完成，既保證測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，也能有效提高實(shí)驗(yàn)效率。除彎晶分光件離后續(xù)幾個(gè)部件較遠(yuǎn)以外，其余均為緊貼式的耦合方法，利用光纖面板具有一定空間分辨能力的特點(diǎn)，保持彎晶分光后X射線衍射線的空間分辨能力，使譜儀具備較高的譜分辨能力。同時(shí)，采用緊貼式的方式耦合，能避免其他耦合方式造成的能量損失，保證X射線較高的傳遞效率。使用像增強(qiáng)器的原因在于為極弱源強(qiáng)條件下的實(shí)驗(yàn)提供足夠的增益，使譜儀具備較高的靈敏度。按照目前設(shè)計(jì)，參考有關(guān)部件的生產(chǎn)能力，確定關(guān)鍵部件的參數(shù)如下。

彎晶分光件：彎晶使用材料為α石英，晶面類型為1011型，晶面間距d為0.334 nm；厚度70 μm，彎曲半徑為95 mm，測(cè)量區(qū)域尺寸為40 mm×6 mm。

CsI（Tl）針狀薄膜：CsI（Tl）薄膜厚度600 μm，光纖面板耦合，分辨率優(yōu)于10l p/mm（單根直徑50 μm），閃爍體有效面積大于40 mm×40 mm。

像增強(qiáng)器：增益大于104，有效通光孔徑Ф40 mm，光纖面板耦合。

可見光CCD：感光面尺寸4096 pixel×4096 pixel，單個(gè)像元大小9 μm，靈敏面尺寸共計(jì)38.86 mm，分辨率40l p/mm。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果如圖4所示。

3 測(cè)試結(jié)果

采用鎢靶金屬陶瓷X射線管發(fā)出的帶有寬軔致輻射譜的X射線作為初級(jí)源，轟擊不同種的金屬單質(zhì)材料產(chǎn)生次級(jí)X射線，即特征輻射熒光X射線，主要組成成分是kα和kβ特征譜線。利用Ag靶作為次級(jí)源，測(cè)試譜儀的測(cè)量能力，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，Ag的特征譜線能清晰對(duì)稱地呈現(xiàn)在記錄結(jié)果中，譜線均勻無缺失，分辨效果較好，表明譜儀達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

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