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

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13届全国等离子体科学技术会议，成都，2007年8月“强光一号”加速器第13届全国等离子体科学技术会议，成都，2007年8月2/15引言•Z-pinch等离子体ne：0.1~1keV，Tion：1019~1022cm-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η~2-5%。•“强光一号”加速器：负载电流I~1.5-2MA，上升时间~80ns，电储能~250kJ。正在开展喷Ne气和Al丝阵产生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。第13届全国等离子体科学技术会议，成都，2007年8月3/15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(2~5ns)•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级慢同步触发器第13届全国等离子体科学技术会议，成都，2007年8月4/15系统设计•晶体选择2sinnd在0.5~3keV能段OHM(2d=63.5Å)KAP(2d=26.63Å)TAP(2d=25.76Å)Mica(2d=19.84Å)PET(2d=8.742Å)Quartz(2d=8.52Å)晶体参数：两片拼接L=2×45mm=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：OHM460~1190eVTAP1140~2920eV衍射角范围MCP分幅相机斜置第13届全国等离子体科学技术会议，成都，2007年8月5/15系统实物•X射线像增强器有效区域Φ40mmAu微带宽7mm，厚200nm共4条，间隔~1.5mm•晶架弧面：94×17mm晶片45mm×15mm×0.2mm两片拼接•CCD相机(商业级)敏通MTV-1881EX黑白摄像头像元尺寸10um×10um图像阵列768×576输出灰度1~255光积分时间20ms第13届全国等离子体科学技术会议，成都，2007年8月6/15物理分析：谱形和谱强度传递•狭缝成像的衰减020()()()BzBLlILlzllLl考虑100J、λ=12.4Å(~1keV）的线辐射设谱线半宽度为0.1Å(~10eV)等离子体柱长为2cm，辐射脉宽10ns则线辐射度Bλ=4×1011J·(s·Å·sr·m)-1。δ=0.1mm，L=4730mm，l=700mm晶面上入射强度Iλ=1×107W/(Å·m2)。•薄膜的衰减•真空分隔膜：2umMylar+0.2umAl•滤光片：8umAl；15um聚乙烯；2.5umMylar+0.42umAl等0()()exp[()]IEIEET~10%，Iλ’=1×106W/(Å·m2)。第13届全国等离子体科学技术会议，成都，2007年8月7/15•晶体衍射物理分析：谱形和谱强度传递()2()()cossin(2)xFxdIREarctan(/)2sin2xxbd积分反射系数(TAP)对λ=12.4Å，Iλ’=1×106W/(Å·m2)，取2d=25.76Å(TAP)，Rθ=2×10-4radF~0.5W/cm2。在1~2keV范围，TAP的Rθ基本不变，~2×10-4rad，但因Tl元素在~2.4keV处的M层吸收边，该能点的邻域内Rθ出现下冲，引起谱形畸变。第13届全国等离子体科学技术会议，成都，2007年8月8/15•像增强器的光电-电光转换物理分析：谱形和谱强度传递()'()()xFxBYEMKCEC=1.6×10-19J/eVY(E)Au阴极后端面量子效率MMCP电子倍增系数K荧光屏电光转换效率板压V/V8009001000M56016204180对于铝化P20荧光屏，屏压4500V时，K~2.1×10-16J/电子200nm透射型Au阴极量子效率Yf取Y=0.01，对E=1keV、F=0.5W/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~2.2keV第13届全国等离子体科学技术会议，成都，2007年8月9/15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1~100ms，CCD光积分时间20ms，可认为该照度被单次图像记录。CCD0TSGNJdtghCCD光敏面量子效率ηCCD=0.175；S为像元面积，30nJ/cm2对应每个像元上光子数为8.6×104；g为每图像灰度对应的像面光电子数，g~365；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102~104J/Å的谱强度；X射线谱的定量分析，需要明确T(E)、Rθ(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。第13届全国等离子体科学技术会议，成都，2007年8月10/15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。Shot07161Al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是连续变化？第13届全国等离子体科学技术会议，成都，2007年8月11/15初步实验结果(Al）•在光路中加入（15um聚乙烯+2.5umMylar+0.42umAl）作为滤光片，900eV以下X射线基本被完全衰减，1.6~2keV处透过率也下降为20~30%。观察到锐利的Al等离子体K层谱线。Shot07174Al丝阵实验TAP晶体摄谱结果Shot07174Al丝阵实验TAP晶体摄谱图像微带2数字化结果第13届全国等离子体科学技术会议，成都，2007年8月12/15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Shot07172Al丝阵实验TAP晶体摄谱结果第13届全国等离子体科学技术会议，成都，2007年8月13/15初步实验结果(Ne）•喷Ne气实验He-α(922eV)、Ly-α(1022eV)、He-β(1073eV)，第4微带上还出现了He-γ(1s4p-1s2,1127eV)线；Ly-β(1211eV)线超出测量范围。Shot07178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-α线容易丢失。气室中混有空气，N和O的K壳层发射很强。第13届全国等离子体科学技术会议，成都，2007年8月14/15结语利用OHM和TAP晶体建立了测量范围0.5~2.9keV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：改进光路设计，测得Ne和Al的K层辐射全部谱线；优化吸收滤光片，抑制低能光子，提高keV能区透过率；在衍射光束会聚点配置挡光薄膜，降低杂散光干扰；用大动态范围的科学级CCD代替现有商业CCD；对晶体、像增强器-CCD进行绝对标定，进而做谱线的定量分析。第13届全国等离子体科学技术会议，成都，2007年8月15/15请不吝指教！[e-mail]