用于Z-pinch等离子体K层辐射诊断的时空分辨椭圆弯晶谱仪

1、用于Z-pinch等离子体K层辐射诊断的时空分辨椭圆弯晶谱仪 吴 刚，邱爱慈，吕 敏，黑东炜，盛 亮，魏福利蒯 斌，王亮平，丛培天，雷天时，韩娟娟，孙铁平第第13届全国等离子体科学技术会议，成都，届全国等离子体科学技术会议，成都，2007年年8月月“强光一号”加速器1引言 Z-pinch等离子体ne：0.11keV，Tion：10191022cm-3中低Z元素负载极易电离到内(K)壳层，因强烈的特征线发射成为最有效的keV能区X射线源：在1-3keV能段，电能-X射线的转换效率2-5%。 “强光一号”加速器：负载电流I1.5-2MA，上升时间80ns，电储能250kJ。正在开展喷Ne气和Al丝

2、阵产生K层辐射实验研究，基于晶体衍射的特征线谱诊断有重要意义。 2系统设计 基本构成弯晶谱仪示意图：a)衍射光路；b)摄谱系统 狭缝成像-1维空间分辨(轴向) 晶体色散分光-谱分辨 门控MCP-4分幅像-时间分辨(25ns) 配套设备ns级触发同步机ns快门脉冲发生器kV直流高压电源真空系统(10-4Pa)图像采集卡、计算机ms级慢同步触发器3系统设计 晶体选择2 sinnd在0.53keV能段OHM (2d=63.5)KAP(2d=26.63 )TAP(2d=25.76 )Mica(2d=19.84)PET(2d=8.742)Quartz(2d=8.52) 晶体参数：两片拼接L=245mm=

3、90mmTAP曲率半径Rmin=73mm谱仪腔室距等离子体源5.5m (与一个X射线8分幅相机共用) 晶架设计 光路图e=0.999；椭圆柱面近似为抛物柱面；入射光束为准平行光，衍射后在焦点处会聚18.8248.8摄谱范围：OHM 4601190eV TAP 11402920eV 衍射角范围MCP分幅相机斜置4系统实物 X射线像增强器有效区域40mmAu微带宽7mm，厚200nm共4条，间隔1.5mm 晶架弧面：9417mm晶片45mm15mm0.2mm两片拼接 CCD相机(商业级) 敏通MTV-1881EX黑白摄像头像元尺寸10um10um图像阵列768576输出灰度1255光积分时间20m

4、s5物理分析：谱形和谱强度传递 狭缝成像的衰减020()()()B zBLlILlz ll Ll考虑100J、=12.4(1keV）的线辐射设谱线半宽度为0.1 ( 10eV )等离子体柱长为2cm，辐射脉宽10ns则线辐射度B=41011J(ssrm)-1。=0.1mm，L=4730mm，l=700mm晶面上入射强度I=1107W/(m2)。 薄膜的衰减真空分隔膜：2um Mylar + 0.2um Al滤光片：8um Al；15um 聚乙烯；2.5um Mylar + 0.42um Al等0( )( )exp( )I EIEET10%，I=1106W/(m2)。 6 晶体衍射物理分析：谱形

5、和谱强度传递( )2()( )cos sin(2)xF xdIR Earctan( / )2 sin2xx bd积分反射系数(TAP)对=12.4，I=1106W/(m2)，取 2d=25.76 ( TAP)，R=210-4radF0.5 W/cm2。在12keV范围，TAP的R基本不变，210-4rad，但因Tl元素在2.4keV处的M层吸收边， 该能点的邻域内R出现下冲，引起谱形畸变。7 像增强器的光电-电光转换物理分析：谱形和谱强度传递( )( )()xF xBY E MKCEC=1.610-19J/eV Y(E) Au阴极后端面量子效率M MCP电子倍增系数K 荧光屏电光转换效率 板压

6、V/V8009001000M56016204180对于铝化P20荧光屏，屏压4500V时， K2.110-16J/电子 200nm透射型Au阴极量子效率 Yf取Y=0.01，对E=1keV、F=0.5 W/cm2、脉宽10ns的阴极照度，荧光屏发光亮度的时间积分为260nJ/cm2。Au阴极M边2.2keV8物理分析：谱形和谱强度传递 CCD镜头耦合221()0.12 4DJBBL物 光电转换和数字化 CCD光敏面积分照度为30nJ/cm2。P20荧光时间1100ms，CCD光积分时间20ms，可认为该照度被单次图像记录。CCD0TSGNJdtghCCD光敏面量子效率CCD=0.175；S为像

7、元面积， 30nJ/cm2对应每个像元上光子数为8.6104； g为每图像灰度对应的像面光电子数，g365；则GN=40。小结：考虑到像增强器和CCD的线性动态范围，理论上讲，谱仪能探测102104J/的谱强度；X射线谱的定量分析，需要明确T(E)、R(E)、Y(E) 等几个量的影响；在Al、Tl、Au等元素的吸收边附近，邻近谱线的强度比会有明显畸变。9初步实验结果(Al） 无滤光片时，线谱淹没在非相干散射引起的带状图中，晶片表现得更像凹面漫反射镜，带状图与轴向分辨的等离子体图像类似。Shot 07161Al丝阵实验TAP和OHM摄谱结果 带状图的中断与晶片拼接处对应，拼接的不连续使晶体曲率不

8、是连续变化？10初步实验结果(Al）在光路中加入（15um聚乙烯+2.5um Mylar +0.42umAl）作为滤光片，900eV以下X射线基本被完全衰减，1.62keV处透过率也下降为2030%。观察到锐利的Al等离子体K层谱线。 Shot 07174 Al丝阵实验TAP晶体摄谱结果Shot 07174 Al丝阵实验TAP晶体摄谱图像微带2数字化结果11初步实验结果(Al） 提高MCP两端电压到1100V，双电子复合伴线和一些高激发态谱线变得明显。微带2数字化结果Shot 07172 Al丝阵实验TAP晶体摄谱结果12初步实验结果(Ne）喷Ne气实验He-(922eV)、Ly-(1022eV)、He-(1073eV)，第4微带上还出现了He-(1s4p-1s2, 1127eV)线；Ly-(1211eV)线超出测量范围。 Shot 07178 喷Ne气实验OHM晶体摄谱结果晶体连接处附近的曲率对应900eV，He-线容易丢失。气室中混有空气，N和O的K壳层发射很强。13结语 利用OHM和TAP晶体建立了测量范围0.52.9keV的时空分辨弯晶谱仪，在“强光一号”加速器喷Ne气和Al丝阵Z-pinch实验中初步测得了Ne和Al的K层辐射特征线。 下一步将从以下几个方面对谱仪做出改进：p 改进光路设计