硬X光在線彎晶譜儀的設計與實現

紀騰++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量能力的硬X光在線彎晶譜儀，其主要結構為透射彎晶、CsI（Tl）閃爍體薄膜、像增強器、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據，為大尺度激光等離子體物理實驗研究建立超熱電子定量診斷的有效手段。該文對其主要光學結構及關鍵部件參數做了詳細闡述。利用Ag靶準單色射線源作為測試源，對譜儀的性能進行測試，結果為Ag的特征譜線能清晰對稱地呈現在記錄結果中，譜線均勻無缺失，分辨效果較好，表明譜儀的性能良好。

關鍵詞：激光聚變 軔致輻射 彎晶 像增強器

中圖分類號：TH74 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（c）-0215-04

在間接驅動的激光聚變研究中，激光與等離子體相互作用，會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生大量超熱電子，超熱電子與靶材料作用將發射強的軔致輻射，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據，為大尺度激光等離子體物理實驗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，必須確定譜儀對不同能點X光的絕對譜響應，從而通過譜儀測量的X光譜推知真實的X光譜，因此它需要兩個條件：一是建立具有可定量化測量的譜儀；二是建立標定絕對譜響應的方法。現階段采用硬X光譜儀使用透射彎晶進行衍射配，利用成像板記錄分光結果，而成像板的讀取易受到環境光、溫度和時間衰減的影響，難以實現定量化測量和標定。所以需要設計在線型的彎晶譜儀，使用能直接響應測量結果和獲取測量結果的記錄設備。

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

1 硬X光彎晶譜儀的光學結構設計

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

晶體分光法是一種經典而又精密的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。

n——衍射級次。

對于給定的晶體材料，不同波長的X光將衍射到空間的不同位置，從而實現X光譜的測量。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，兩種彎晶適用于進行不同波長的X光分光，短波長一般采用透射彎晶。

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示意圖如圖1所示，從A點發出的能量為E的光線，在晶體表面B點發生衍射，經過晶體分光后與光軸的交點為C點，聚焦到羅蘭圓切面的D點上，光軸與羅蘭圓切面的交點為O。由布拉格衍射公式和幾何關系，可推導得到公式（1）、（2）。

（1）

（2）

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

實驗中，光源總是具有一定的尺寸，導致同一能量的X射線會在晶體上的一段區域發生衍射，從而使得探測面上出現的譜線具有一定寬度，如圖2所示。設光源尺寸為2 w，彎晶距離靶點距離為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，根據彎晶衍射原理，則圖2中若干幾何量可由以下幾個公式描述。

（3）

（4）

（5）

用同樣的方法可以計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線寬和分辨能力的影響比起其他因素要小得多，通常可以忽略，綜合各因素可得到總線寬L和譜分辨能力。

設定彎晶厚度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，計算發現，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。在設計譜儀記錄系統時需保證其記錄系統具有足夠高的空間分辨。

2 關鍵單元參數及結構設計

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器、光纖面板耦合可見光CCD幾個部分，設備測試條件控制、數據采集、傳輸及處理均可在實驗當場完成，既保證測試數據的真實可靠，也能有效提高實驗效率。除彎晶分光件離后續幾個部件較遠以外，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，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，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。使用像增強器的原因在于為極弱源強條件下的實驗提供足夠的增益，使譜儀具備較高的靈敏度。按照目前設計，參考有關部件的生產能力，確定關鍵部件的參數如下。

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，測量區域尺寸為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，單個像元大小9 μm，靈敏面尺寸共計38.86 mm，分辨率40l p/mm。

結構設計的結果如圖4所示。

3 測試結果

采用鎢靶金屬陶瓷X射線管發出的帶有寬軔致輻射譜的X射線作為初級源，轟擊不同種的金屬單質材料產生次級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靶作為次級源，測試譜儀的測量能力，結果如圖5所示。結果表明，Ag的特征譜線能清晰對稱地呈現在記錄結果中，譜線均勻無缺失，分辨效果較好，表明譜儀達到了預期的設計要求。

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