X射線連續(xù)譜法診斷鋁絲陣Z箍縮等離子體溫度*

蒙世堅(jiān) 李正宏 秦 義 葉 繁 徐榮昆

(核物理與化學(xué)研究所，綿陽 621900)

(2010年4月19日收到;2010年6月7日收到修改稿)

X射線連續(xù)譜法診斷鋁絲陣Z箍縮等離子體溫度*

蒙世堅(jiān) 李正宏 秦 義 葉 繁 徐榮昆

(核物理與化學(xué)研究所，綿陽 621900)

(2010年4月19日收到;2010年6月7日收到修改稿)

用球面石英彎晶衍射、CCD記錄測量鋁絲陣Z箍縮中的時(shí)間積分X射線連續(xù)能譜，并由連續(xù)譜斜率擬合出電子溫度.該法獲得的擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)多，能有效篩除含線輻射的數(shù)據(jù)，減弱線輻射的影響，求得更可靠的等離子體核心高溫區(qū)的溫度.以發(fā)次09076為例，核心溫度約為250 eV，在95%的置信度范圍里，其變化范圍約241—258 eV.

球面彎晶，連續(xù)譜，電子溫度，Z箍縮

PACS:52.70.La，32.30.Rj

1.引 言

將X射線輻射譜作為有力的診斷手段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于激光聚變［1，2］、Z 箍縮［3，4］等慣性約束聚變(ICF)研究中.通過等離子體自身輻射出的X射線的連續(xù)譜求電子溫度不依賴于電子密度，且適用于高密度等離子體診斷.測量X射線連續(xù)譜的方法主要有吸收法［5］和衍射法.吸收法時(shí)間分辨高，但能量分辨率低，數(shù)據(jù)點(diǎn)少，2006年國內(nèi)采用羅斯濾片法測得0.28—1.56 keV范圍內(nèi)的5個(gè)連續(xù)能量段［6］.美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室曾用金剛石光電導(dǎo)探測器(diamond photoconducting detectors，PCD)測量鋁絲陣Z箍縮高能連續(xù)輻射并擬合電子溫度［7］，主要看重 PCD能量響應(yīng)平坦、響應(yīng)穩(wěn)定、不易老化［8］，但只得到5個(gè)能量段的強(qiáng)度，即只有5個(gè)數(shù)據(jù)用于擬合電子溫度［7］，如果某個(gè)能段落在線輻射上，引起的誤差很大.衍射法主要通過色散元件使不同能段X射線分布到空間不同位置，實(shí)現(xiàn)能譜測量.常用的色散元件包括光柵［9］、晶體［10］和多層反射膜.診斷鋁等離子體溫度的X射線連續(xù)譜的波長一般小于1 nm.美國研制的Chandra X射線望遠(yuǎn)鏡中的高能透射光柵刻線密度達(dá)5000 l/mm，周期為200 nm［11］.2008年國內(nèi)中科院微電子所研制的透射光柵周期為300 nm［11］.而晶體或反射鏡由于面間距為納米級(jí)［12］，故比光柵更適合測量高能輻射譜.

本文采用球面石英彎晶測得鋁絲陣Z箍縮等離子體X射線輻射譜，獲得大量數(shù)據(jù)點(diǎn)，有效篩除了含強(qiáng)線輻射的數(shù)據(jù)，求得更為可靠的電子溫度.

2.測量原理及裝置

球面彎晶的衍射如圖 1所示.晶面間距為d，曲率半徑為R，曲率中心為O點(diǎn).r為源的尺寸，X射線波長為λ，源與晶體距離為p，O點(diǎn)與聚焦點(diǎn)距離為f，O點(diǎn)與源距離為s，掠射角為θ，反射角為φ=π/2－θ.

衍射滿足布拉格(Bragg)方程 nλ=2dsinθ，n是衍射階次.f與 λ 滿足［17，18］

圖1 球面彎晶衍射示意圖［17］

實(shí)驗(yàn)裝置如圖 2，等離子輻射出 X射線，經(jīng)過Be膜(用于遮擋可見光)和狹縫后入射到球面彎晶上，色散到薄膜閃爍體上轉(zhuǎn)換為可見光，經(jīng)一維陣列傳像束進(jìn)入像增強(qiáng)器，CCD拍攝后傳入計(jì)算機(jī).

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

發(fā)次09276的負(fù)載為32根直徑20 mm，長20 mm的鋁絲陣，單根絲直徑為8 mm，負(fù)載電流為1.3 MA.拍攝圖像見圖3(a)，中間白色條狀區(qū)即為光纖陣列端面，尺寸為30 mm×2 mm，從左到右，X射線能量逐漸增高.結(jié)合(1)式和實(shí)驗(yàn)條件求得相對(duì)能譜如圖3(b).

實(shí)驗(yàn)用的Be膜濾片厚度為15 μm，其對(duì)能譜的影響見圖4(a).實(shí)線為消除Be影響前的能譜，虛線為消除后的.薄膜閃爍體的能量響應(yīng)、球面彎晶的積分衍射效率尚未標(biāo)定，可假設(shè)在關(guān)注能段內(nèi)與射線波長無關(guān).能量段2174—2365 eV的線性較好，扣除線輻射附近的數(shù)據(jù)點(diǎn)后進(jìn)行擬合，如圖 4(b).擬合得電子溫度為Te=249.2 eV.在95%的置信度范圍里，電子溫度的變化范圍為241.2—257.8 eV，擬合數(shù)據(jù)的線性相關(guān)系數(shù)為－0.945.北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所用磁流體力學(xué)模型(MHD)模擬計(jì)算得發(fā)次09276在內(nèi)層5，20，50網(wǎng)格中的平均電子溫度分別為260，201，189 eV.可見實(shí)驗(yàn)溫度與內(nèi)層5網(wǎng)格的平均溫度符合得較好.

解譜時(shí)沒考慮晶體高階衍射影響.對(duì)能量為hν附近的能譜，二階衍射來自于2hν，在關(guān)注的能段內(nèi)，2hν的能段里只有連續(xù)輻射，故二階與一階強(qiáng)度比約為 exp(－h(huán)ν/kTe)，由于 kTe<300 eV，hν>2100 eV，故二階的影響小于0.09%，可忽略不計(jì).高于二階的衍射影響更小，故解譜時(shí)不需要考慮高階衍射.

連續(xù)輻射主要來自箍縮等離子體中心的高溫區(qū)，且被周圍環(huán)繞的低溫區(qū)等離子體吸收的程度小，故連續(xù)輻射的溫度反映中心高溫區(qū)的溫度［19］.實(shí)驗(yàn)溫度與理論模擬不同區(qū)域溫度的比較也說明了這點(diǎn).而高溫區(qū)產(chǎn)生線輻射在低溫區(qū)被強(qiáng)烈吸收并再輻射，故線輻射比的溫度反映中心高溫區(qū)與周圍低溫區(qū)的平均溫度.本文的測量方法補(bǔ)充了線輻射比法的不足，為認(rèn)識(shí)鋁絲陣Z箍縮中核心區(qū)的等離子體狀態(tài)提供了電子溫度參量.

本研究利用壓電加速度傳感器將采集到的振動(dòng)信號(hào)通過放大、濾波處理, 然后進(jìn)行A /D轉(zhuǎn)換, 將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入DSP, 按照編寫的數(shù)字濾波程序和采樣校準(zhǔn)算法進(jìn)行運(yùn)算處理, 然后輸出并保存和顯示處理后的數(shù)據(jù)。測振系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖3 發(fā)次09276實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (a)CCD拍攝到的X射線色散圖;(b)X射線相對(duì)能譜圖

圖4 (a)經(jīng)15 μm厚的Be膜衰減前后的 X射線相對(duì)能譜;(b)取對(duì)數(shù)后的相對(duì)能譜，并利用2175—2365 eV能段的數(shù)據(jù)擬合直線，扣除了含主要線輻射的數(shù)據(jù)點(diǎn)

4.結(jié) 論

在強(qiáng)光一號(hào)裝置上，利用球面石英彎晶測量了能譜范圍在2.17—2.4 keV的時(shí)間積分輻射譜.根據(jù)連續(xù)譜估算得等離子體核心溫度約為250 eV，在95%的置信度范圍里，其變化范圍約241—258 eV，而MHD模擬得內(nèi)層溫度約260 eV.與PCD測溫法比較，該法用于擬合溫度的數(shù)據(jù)點(diǎn)多，且能有效減弱線輻射引起的誤差.

［1］ Li S W，Yi R Q，Jiang X H，He X A，Cui Y L，Liu Y G，Ding Y K，Liu S Y，Lan K，Li Y S，Wu C S，Gu P J，Pei W B，He X T 2009 Acta Phys.Sin.58 3325(in Chinese)［李三偉、易榮清、蔣小華、何小安、崔延莉、劉永剛、丁永坤、劉慎業(yè)、藍(lán) 可、李永升、吳暢書、古培俊、裴文兵、賀賢土 2009物理學(xué)報(bào) 55 3325］

［2］ Dewald E L，Landen O L，Suter L J，Holder J，Campbell K，Glenzer S H，McDonald J W，Niemann C，Mackinnon A J，Schneider M S，Haynam C，Hinkel D，Hammel B A 2006 Phys.Plasmas 13 056315

［3］ Deeney C，Apruzese J P，Coverdale C A，Whitney K G，Thornhill J W，Davis J 2004 Phys.Rev.Lett.93 155001

［4］ Jones B，Deeney C，Mckenney J L，Ampleford D J，Coverdale C A，Lepell P D，Shelton K P，Safronova A S，Kantsyrev V L，Osborne G，Sotnikov V I，Ivanov V V，F(xiàn)edin D，Nalajala V，Yilmaz F，Shrestha I 2008 Phys.Rev.Lett.100 105003

［5］ Wang D 2010 Acta Phys.Sin.59 443(in Chinese)［王 棟2010物理學(xué)報(bào)59 443］

［6］ Zou X B，Wang X X，Zhang G X，Han M，Luo C M 2006 Acta Phys.Sin.55 1289(in Chinese)［鄒曉兵、王新新、張貴新、韓 旻、羅承沐 2006物理學(xué)報(bào) 55 1289］

［7］ Sanford T W L，Nash T J，Mock R C，Spielman R B，Seamen J F，McGurn J S，Whitney K G，Thornhill J W，Pulsifer P E，Apruzese J P 1997 Rev.Sci.Instrum.68 852

［8］ Spielman R B 1995 Rev.Sci.Instrum.66 867

［9］ Liu Y Q，Zhang J，Chen Z L，Peng X Y 2004 Acta Phys.Sin.53 1433(in Chinese)［劉運(yùn)全、張 杰、陳正林、彭曉昱2004物理學(xué)報(bào) 53 1433］

［10］ Lazarchuk V P，Muntyan A N，Murugov V M，Petrov S I，Senik A V，Taran S S 2008 Instrum.Exp.Tech.51 226

［11］ Zhu X L，Ma J，Xie C Q，Ye T C，Liu M，Cao L F，Yang J M，Zhang W H 2008 Acta Opt.Sin.28 1026(in Chinese)［朱效立、馬 杰、謝常青、葉甜春、劉 明、曹磊峰、楊家敏、張文海2008光學(xué)學(xué)報(bào) 28 1026］

［12］ Sun J W 2003 High Temperature Plasma X-ray Spectroscopy(Beijing:National Defense Industry Press)p157(in Chinese)［孫景文2003高溫等離子體X射線譜學(xué)(北京:國防工業(yè)出版社)第157頁］

［13］ HuddlestoneR H， Leonard S L 1965 Plasma Diagnostic Techniques(New York:Academic Press)p362

［14］ Fujimoto T 2004 Plasma Spectroscopy(Oxford:Clarendon Press)p205

［15］ Gross B，Grycz B，Miklóssy K(translated by Guo Z Y，F(xiàn)u W B)1980 Plasma Technology(Beijing:Science Press)pp136—145(in Chinese)［格羅斯B、格力滋B、米格羅希 K 1980等離子體技術(shù)(北京:科學(xué)出版社)第136頁］

［16］ Griem H R 1964 Plasma Spectroscopy(New York:McGraw-Hill Book Company)pp114

［17］ Ye F，Li Z H，Xue F B，Qin Y，Xu R K，Jin Y J 2009 High Power Laser and Particle Beams 21 307(in Chinese)［葉 凡、李正宏、薛飛彪、秦 義、徐榮昆、金永杰2009強(qiáng)激光與粒子束21 307］

［18］ Sinars D B，Chandler G A，Bailey J E，Mancini R C，Rochau G A，Wenger D F，Adams R G，Adams M L，Scott H A，F(xiàn)aenov A Y，Pikuz T A，Pikuz S A 2006 J.Quant.Spectrosc.Radiat.Transfer 99 595

［19］ Whitney K G，Thornhill J W，Pulsifer P E，Apruzese J P，Sanford T W L，Nash T J，Mock R C，Spielman R B 1997 Phys. Rev.E 56 3540

PACS:52.70.La，32.30.Rj

X-ray continuum spectra for diagnosing plasma temperature in aluminum wire array Z-pinches*

Meng Shi-Jian Li Zheng-Hong Qin Yi Ye Fan Xu Rong-Kun
(Institute of Nuclear Physics and Chemistry，Mianyang 621900，China)(Received 19 April 2010;revised manuscript received 7 June 2010)

Time-integrated X-ray continuum spectra measured with spherical bent quartz crystal and CCD in aluminum wire array Z-pinches，provide electron temperature by fitting the continuum slope.More data obtained for fitting and markedly reduced influence of line radiation by removing the data superimposed with line spectra，make the temperature in hot core region of plasma more reliable.In experiment of shot No.09076，the core temperature is around 250 eV，ranging from 241 eV to 258 eV at a 95%confidence level.

spherical bent crystal，continuum，electron temperature，Z-pinch

*國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):10635050)資助的課題.

E-mail:mengsj04@163.com

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.10635050).

E-mail:mengsj04@163.com