用于Z-pinch等離子體K層輻射診斷的時空分辨橢圓彎晶譜儀

1、用于Z-pinch等離子體K層輻射診斷的時空分辨橢圓彎晶譜儀 吳 剛，邱愛慈，呂 敏，黑東煒，盛 亮，魏福利蒯 斌，王亮平，叢培天，雷天時，韓娟娟，孫鐵平第第13屆全國等離子體科學(xué)技術(shù)會議，成都，屆全國等離子體科學(xué)技術(shù)會議，成都，2007年年8月月“強光一號”加速器1引言 Z-pinch等離子體ne：0.11keV，Tion：10191022cm-3中低Z元素負載極易電離到內(nèi)(K)殼層，因強烈的特征線發(fā)射成為最有效的keV能區(qū)X射線源：在1-3keV能段，電能-X射線的轉(zhuǎn)換效率2-5%。 “強光一號”加速器：負載電流I1.5-2MA，上升時間80ns，電儲能250kJ。正在開展噴Ne氣和Al絲

2、陣產(chǎn)生K層輻射實驗研究，基于晶體衍射的特征線譜診斷有重要意義。 2系統(tǒng)設(shè)計 基本構(gòu)成彎晶譜儀示意圖：a)衍射光路；b)攝譜系統(tǒng) 狹縫成像-1維空間分辨(軸向) 晶體色散分光-譜分辨 門控MCP-4分幅像-時間分辨(25ns) 配套設(shè)備ns級觸發(fā)同步機ns快門脈沖發(fā)生器kV直流高壓電源真空系統(tǒng)(10-4Pa)圖像采集卡、計算機ms級慢同步觸發(fā)器3系統(tǒng)設(shè)計 晶體選擇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) 晶體參數(shù)：兩片拼接L=245mm=

3、90mmTAP曲率半徑Rmin=73mm譜儀腔室距等離子體源5.5m (與一個X射線8分幅相機共用) 晶架設(shè)計 光路圖e=0.999；橢圓柱面近似為拋物柱面；入射光束為準平行光，衍射后在焦點處會聚18.8248.8攝譜范圍：OHM 4601190eV TAP 11402920eV 衍射角范圍MCP分幅相機斜置4系統(tǒng)實物 X射線像增強器有效區(qū)域40mmAu微帶寬7mm，厚200nm共4條，間隔1.5mm 晶架弧面：9417mm晶片45mm15mm0.2mm兩片拼接 CCD相機(商業(yè)級) 敏通MTV-1881EX黑白攝像頭像元尺寸10um10um圖像陣列768576輸出灰度1255光積分時間20m

4、s5物理分析：譜形和譜強度傳遞 狹縫成像的衰減020()()()B zBLlILlz ll Ll考慮100J、=12.4(1keV）的線輻射設(shè)譜線半寬度為0.1 ( 10eV )等離子體柱長為2cm，輻射脈寬10ns則線輻射度B=41011J(ssrm)-1。=0.1mm，L=4730mm，l=700mm晶面上入射強度I=1107W/(m2)。 薄膜的衰減真空分隔膜：2um Mylar + 0.2um Al濾光片：8um Al；15um 聚乙烯；2.5um Mylar + 0.42um Al等0( )( )exp( )I EIEET10%，I=1106W/(m2)。 6 晶體衍射物理分析：譜形

5、和譜強度傳遞( )2()( )cos sin(2)xF xdIR Earctan( / )2 sin2xx bd積分反射系數(shù)(TAP)對=12.4，I=1106W/(m2)，取 2d=25.76 ( TAP)，R=210-4radF0.5 W/cm2。在12keV范圍，TAP的R基本不變，210-4rad，但因Tl元素在2.4keV處的M層吸收邊， 該能點的鄰域內(nèi)R出現(xiàn)下沖，引起譜形畸變。7 像增強器的光電-電光轉(zhuǎn)換物理分析：譜形和譜強度傳遞( )( )()xF xBY E MKCEC=1.610-19J/eV Y(E) Au陰極后端面量子效率M MCP電子倍增系數(shù)K 熒光屏電光轉(zhuǎn)換效率 板壓

6、V/V8009001000M56016204180對于鋁化P20熒光屏，屏壓4500V時， K2.110-16J/電子 200nm透射型Au陰極量子效率 Yf取Y=0.01，對E=1keV、F=0.5 W/cm2、脈寬10ns的陰極照度，熒光屏發(fā)光亮度的時間積分為260nJ/cm2。Au陰極M邊2.2keV8物理分析：譜形和譜強度傳遞 CCD鏡頭耦合221()0.12 4DJBBL物 光電轉(zhuǎn)換和數(shù)字化 CCD光敏面積分照度為30nJ/cm2。P20熒光時間1100ms，CCD光積分時間20ms，可認為該照度被單次圖像記錄。CCD0TSGNJdtghCCD光敏面量子效率CCD=0.175；S為像

7、元面積， 30nJ/cm2對應(yīng)每個像元上光子數(shù)為8.6104； g為每圖像灰度對應(yīng)的像面光電子數(shù)，g365；則GN=40。小結(jié)：考慮到像增強器和CCD的線性動態(tài)范圍，理論上講，譜儀能探測102104J/的譜強度；X射線譜的定量分析，需要明確T(E)、R(E)、Y(E) 等幾個量的影響；在Al、Tl、Au等元素的吸收邊附近，鄰近譜線的強度比會有明顯畸變。9初步實驗結(jié)果(Al） 無濾光片時，線譜淹沒在非相干散射引起的帶狀圖中，晶片表現(xiàn)得更像凹面漫反射鏡，帶狀圖與軸向分辨的等離子體圖像類似。Shot 07161Al絲陣實驗TAP和OHM攝譜結(jié)果 帶狀圖的中斷與晶片拼接處對應(yīng)，拼接的不連續(xù)使晶體曲率不

8、是連續(xù)變化？10初步實驗結(jié)果(Al）在光路中加入（15um聚乙烯+2.5um Mylar +0.42umAl）作為濾光片，900eV以下X射線基本被完全衰減，1.62keV處透過率也下降為2030%。觀察到銳利的Al等離子體K層譜線。 Shot 07174 Al絲陣實驗TAP晶體攝譜結(jié)果Shot 07174 Al絲陣實驗TAP晶體攝譜圖像微帶2數(shù)字化結(jié)果11初步實驗結(jié)果(Al） 提高MCP兩端電壓到1100V，雙電子復(fù)合伴線和一些高激發(fā)態(tài)譜線變得明顯。微帶2數(shù)字化結(jié)果Shot 07172 Al絲陣實驗TAP晶體攝譜結(jié)果12初步實驗結(jié)果(Ne）噴Ne氣實驗He-(922eV)、Ly-(1022eV)、He-(1073eV)，第4微帶上還出現(xiàn)了He-(1s4p-1s2, 1127eV)線；Ly-(1211eV)線超出測量范圍。 Shot 07178 噴Ne氣實驗OHM晶體攝譜結(jié)果晶體連接處附近的曲率對應(yīng)900eV，He-線容易丟失。氣室中混有空氣，N和O的K殼層發(fā)射很強。13結(jié)語 利用OHM和TAP晶體建立了測量范圍0.52.9keV的時空分辨彎晶譜儀，在“強光一號”加速器噴Ne氣和Al絲陣Z-pinch實驗中初步測得了Ne和Al的K層輻射特征線。 下一步將從以下幾個方面對譜儀做出改進：p 改進光路設(shè)計