“窗式”X射线晶体谱仪关键技术研究

摘要

激光等离子体发射的X射线谱中包含着十分丰富的信息，是研究等离子形成、发展并进行状态诊断的有力工具之一。为了获得更高精度激光等离子体的诊断数据、观察到理论所预言的现象和发现新的现象，这就客观上驱使人们不断地展开探究新型、更有效的X射线的成像技术、分光技术和探测技术的工作。新的Johann型、球面型和轮胎型等弯曲晶体谱仪不仅提高了谱仪的光谱分辨率和收集效率，而且不需要狭缝，能实现很高的空间分辨能力，但容易产生像散，晶体加工成型有一定难度。近几年来科研工作者逐渐将重点转移到了椭圆型弯曲晶体谱仪等其它晶体谱仪上，和球面型弯曲晶体谱仪相比，椭圆型晶体谱仪在测量谱范围、工作距离、调整、对准、操作和数据处理等方面有独特优势，另外没有像差。但在实测谱分辨率、信噪比上也存在一些不足，空间分辨还要靠狭缝来实现。本论文从X射线晶体衍射和椭圆自聚焦几何光学原理出发，剖析追究了椭圆型弯曲X射线晶体谱仪在实际应用中产生问题的根源，率先从技术上提出解决目前椭圆型弯曲X射线晶体谱仪存在问题的思路，论证了其相应实施方案的可行性。在此基础上，提出了基于椭圆型分光晶体的“窗式”X射线晶体谱仪，并研制完成了“窗式”X射线晶体谱仪。进一步以此为核心开发出了一种新型的X射线测量与诊断系统，取得了一些新的科研成果，可为王金昌院士、王大珩院士二老倡导研制成的用于国防科研、激光惯性约束聚变(ICF)、强激光与物质相互作用、X射线激光等物理研究的大型钕玻璃高功率“神光Ⅱ”激光装置上的物理实验提供更有效的诊断X射线谱手段，扩充了其应用范围，也对激光等离子体辐射keV以上能区段的X光发射和吸收的原子物理过程与机制、占据动力学、谱形态结构等方面做了深入一步的理论和实验研究。
　　 具体研究内容如下：
　　 (1)针对“神光Ⅱ”激光装置X激光靶室及物理实验研究的特殊需求，利用椭圆自聚焦几何光学原理，对X射线晶体谱仪中的关键参数，诸如椭圆离心率和谱线探测角等，与椭圆型分光晶体的线色散、谱分辨率和聚光度之间的关系进行了建模与数字计算；并采用光线追踪和光路函数方法，从既要提高光谱分辨能力，又要提高空间分辨能力的角度出发，对椭圆型X射线晶体谱仪的结构参数进行了优化、完成了谱仪设计；探讨了椭圆型分光晶体对X射线的聚焦能力问题，提出了基于椭圆型分光晶体的“窗式”X射线晶体谱仪设想。
　　 (2)针对“窗式”X射线晶体谱仪的特点，模拟研究了掠入射镜的镀层材料、分光晶体的积分反射系数和滤波材料膜片衰减的特性，优化设计了前置掠入射镜光学系统，加工制作成了大面积(Φ100mm)掠入射平面镜。依据“窗式”X射线晶体谱仪系统的光学特性，优化了“窗式”X射线晶体谱仪系统的光路，研制完成了“窗式”X射线晶体谱仪系统，定义了系统的线传递函数，并仿真了“能量窗”。
　　 (3)从像差理论出发，建立了“窗式”X射线晶体谱仪系统严格的波长判读误差理论模型，探讨了系统元件对波长判读误差的权重影响，并利用光线追踪程序模拟和定量计算了谱仪系统的波长判读误差，得到了谱仪系统的实际谱分辨本领，从而从理论上论证了“窗式”X射线晶体谱仪系统有高的谱分辨能力(λ/△λ≥1000)；与椭圆型X射线晶体谱仪相比，信噪比提高了约3倍。
　　 (4)基于自行设计研制的“窗式”X射线晶体谱仪、结合X射线CCD相机等设备，建立了“窗式”X射线晶体谱仪配X射线CCD相机的X射线测量与诊断系统，优化了系统的光路准直方案，分别对铝(Al)、钛(Ti)和金(Au)等激光等离子体的发射谱进行了实验测量，获得了清晰干净高信噪比的X射线谱图，并对实验谱图进行了谱线波长定标、辨认和归类，还给出了“窗式”X射线晶体谱仪的实测谱分辨能力，同时也提出了谱线强度校正新方案。
　　 (5)针对自行设计研制的“窗式”X射线晶体谱仪配X射线CCD相机的X射线测量与诊断系统中的应用问题，对晶体的积分反射系数、谱仪几何结构因子、X射线CCD相机的量子响应等进行了初步研究。并基于理论模型及实验结果、探讨了一些诊断激光等离子体状态参数的手段和方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1 X射线晶体谱仪简介

1.2 X射线晶体谱仪研究回顾

1.2.1平面晶体谱仪

1.2.2凸面晶体谱仪

1.2.3凹面弯曲晶体谱仪

1.3课题研究的意义及主要研究内容

1.4本章小结

2椭圆型弯曲晶体谱仪的工作模式、参数优化及分析

2.1椭圆型弯曲晶体谱仪的工作模式

2.2晶体的X射线衍射

2.2.1 X射线衍射强度

2.2.2晶面间距

2.2.3峰值衍射率和积分反射系数

2.2.4表面处理对晶体性能的影响

2.2.5常用的分光晶体及其性能

2.3椭圆型弯曲X射线晶体谱仪

2.3.1椭圆型分光晶体参数模拟

2.3.2探测器位置参数模拟

2.3.3椭圆型弯曲晶体谱仪参数优化

2.4结果分析

2.5本章小结

3“窗式”X射线晶体谱仪的研究

3.1“窗式”X射线晶体谱仪的概念及“虚拟窗”理论

3.2“窗式”X射线晶体谱仪原理

3.3“窗式”X射线晶体谱仪的设计

3.3.1掠入射平面镜的设计

3.3.2“窗式”X射线晶体谱仪光路设计

3.4“窗式”X射线晶体谱仪的线传递函数

3.4.1滤波材料选择

3.4.2分光晶体材料选择

3.4.3线传递函数的模拟

3.5“窗式”X射线晶体谱仪

3.6本章小结

4 “窗式”X射线晶体谱仪特性参数研究

4.1工作能谱(或波长)区

4.2谱仪的谱极限分辨能力

4.2.1建立坐标系

4.2.2诊断谱线加宽

4.2.3谱分辨能力

4.3“窗式”X射线晶体谱仪的信嗓比

4.4本章小结

5研究激光等离子体X射线的相关理论

5.1.激光与靶耦合主要物理过程图像

5.2激光在等离子体中的传播和吸收

5.3激光-X光转换的主要机制

5.4平均原子(离子)模型

5.5束缚电子占据概率Pn方程组的建立

5.6 X射线的发射速率和吸收系数

5.7辐射跃迁几率

5.8 X射线谱线形状与加宽效应

5.9本章小结

6“窗式”X射线晶体谱仪的实验研究

6.1“窗式”晶体谱仪测量与诊断系统的设计

6.1.1 X射线能谱诊断的需求及等离子体几种简化模型

6.1.2“窗式”晶体谱仪测量与诊断系统技术方案分析及设计

6.2“窗式”晶体谱仪测量与诊断系统的应用研究

6.2.1实验条件和结果

6.2.2实验结果处理与分析

6.3空间分辨测量

6.4探索诊断等离子体状态参数的方法

6.4.1谱线强度法确定电子温度(Te)和密度(Ne)

6.4.2级间谱线强度法对离子丰度及电离温度的确定

6.4.3由线谱轮廓测量离子温度和电子密度

6.5本章小结

7总结与展望

7.1主要结论

7.2后续研究工作的展望

致 谢

参考文献

附录 作者攻读博士期间发表的论文目录