用于激光等离子体硬X射线诊断的透射式弯晶谱仪研究

摘要

受控热核聚变可以为人类带来持久且清洁的能源，是世界科学研究的一个重点，激光惯性约束聚变(ICF)是它实现的一个有效途径。有望实现激光惯性约束聚变的方式有很多，其中―快点火‖模型显示出了很多优势并迅速成为一个研究热点。激光等离子体相互作用产生的超热电子对热核材料的点燃非常重要，因此对超热电子的研究具有非常重大的意义。激光等离子体辐射出来的轫致辐射谱中含有很多超热电子的信息，因此可以通过对轫致辐射能谱的诊断推导出超热电子的行为特性。在K壳层光谱诊断技术中，需要测量的谱线能量通常都在几十keV范围，通过这些硬X光谱诊断可以理解超强激光脉冲产生等离子体中的激光能量分布，电离分布以及X射线转化效率等。随着国内各种激光装置的不断建造和升级，对硬X射线诊断变得越来越重要。与其他诊断方式（如单光子计数型CCD）相比，透射式弯晶谱仪具有测谱范围宽、分辨能力高等优点，目前已广泛运用于强激光等离子体相互作用产生的硬X射线测量当中。本文将根据星光Ⅲ激光装置实验对硬X射线能谱诊断的需要设计和研制一台透射式弯晶谱仪。以下是本文主要内容：
　　首先介绍了透射式弯晶谱仪的基本理论。包括晶体的X射线衍射理论，透射式弯晶谱仪的基本原理和结构组成等。透射式弯谱仪采用的是Cauchois-Johann型结构，属于聚焦型光谱仪器。谱线在罗兰圆上聚焦，因此谱仪的探测面通常置于晶体后晶体曲率半径R处。
　　其次，利用谱仪的几何光学结构对谱仪的各个设计性能参数进行了分析研究。分析了谱仪使用的分光晶体的晶格常数，晶体曲率半径，以及光源到晶体的距离对测谱范围和分辨能力的影响情况。研究了探测器位置，光源尺寸和探测器有效空间分辨对能谱分辨能力的影响。探讨了引起探测面上谱线偏移的原因。这些理论分析对透射式弯晶谱仪的系统设计和研制提供了理论指导，奠定了基础。
　　然后，根据理论分析方法，结合激光装置的实际情况对透射式弯晶谱仪进行具体设计，包括光学设计和机械结构设计。本文将透射式弯晶谱仪分为分光系统，探测记录系统和瞄准对中系统三个系统分别进行设计。给出了各个系统内各元件的选择原因。研制完成的透射式弯晶谱仪可以实现12～60keV范围的硬X射线能谱测量，在低能段的能谱分辨能力E/ΔE≥300。谱仪可以实现真空中实时在线的瞄准和测量。瞄准光源是通过一个真空光纤激光系统将靶室外的光束引入真空靶室内部。
　　最后利用阳极为Mo的X射线管实验和500TW激光装置实验对研制的谱仪进行测试。对实验结果进行了分析，结果表明谱仪对能量在20keV以下的谱线的分辨能力E/ΔE≥377，满足设计要求。同时也证明了瞄准对中系统设计的合理性和正确性。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 激光等离子体X射线

1.3 透射式硬X射线弯晶谱仪国内外研究现状

1.4 本文主要任务

2 透射式弯晶谱仪的基本理论

2.1 光谱仪器的基本组成、分类及特性

2.2 晶体谱仪

2.3 透射式弯晶谱仪工作模式

2.4 本章小结

3 透射式弯晶谱仪的设计参数

3.1 透射式弯晶谱仪的几何光学结构及理论计算

3.2 不同设计参数对谱仪性能指标的影响情况

3.3 光源偏离及探测器位置偏离对谱线位置的影响

3.4 本章小结

4 透射式弯晶谱仪设计方案

4.1 透射式弯晶谱仪总体设计

4.2 分光系统设计

4.3 探测和记录系统设计

4.4 瞄准对中系统

4.5 谱仪集成与调试

4.6 本章小结

5 实验测试及结果分析

5.1 X射线管实验

5.2 500TW激光装置实验

5.3 本章小结

6 总 结

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间已录用的论文目录