双通道椭圆弯晶谱仪摄谱技术与实验研究

摘要

在惯性约束聚变(ICF)实验研究中,激光打靶会产生高温等离子体。要真实的了解高温等离子体的内部状态及变化过程,就必须通过一定的实验手段对等离子体中电子温度、密度、电离分布、电流和电磁场的时空分布以及输运、波动和不稳定性等状态参数进行实验测量,即等离子体诊断。为了诊断激光等离子体在空间上的分布和在时间上的演变过程,就必须发展具有X射线空间分辨和时间分辨的关键诊断技术。在国家863高技术项目(No.863-804-3)的资助下,成功研制出国内首台双通道椭圆弯晶谱仪,并在“神光—Ⅱ”和“星光—Ⅱ”高功率激光装置上进行了激光打靶实验研究。从晶体对X射线的衍射原理出发,分析了影响X线衍射方向与强度的因素。双通道椭圆弯晶谱仪的基本原理是从椭圆前焦点发出的X射线被椭圆弯晶分析器衍射后聚焦于椭圆的后焦点,通过在后焦点设置一狭缝,利用在狭缝后的探测器来接收谱线。为了使弯晶谱仪能够测量波长范围在0.2～2nm之间的激光等离子体X射线,并结合分光晶体的选择要求与原则,确定利用LiF、PET、Mica和KAP四种晶体作为双通道椭圆弯晶谱仪的分光元件,晶体覆盖的布拉格角为30～67.5°。本文重点针对在激光打靶实验中出现的两种情况:厚度为1mm表面经过研磨、抛光处理的氟化锂弯晶分析器未能获得谱线及丹巴天然云母弯晶分析器获得的谱线之间出现相互混叠、扭曲现象开展了深入的研究。由于激光打靶实验是否成功主要决定于弯晶分析器的制作,而对弯晶分析器的检测以前没有先例,本文创新地提出了利用岛津XRD-6000型平晶衍射仪对椭圆弯晶分析器进行检测,并提出了在平晶衍射仪上对弯晶分析器进行检测所必需满足的条件。制作弯晶分析器首先要对平面分光晶体的衍射特性进行检测。通过检测发现厚度为1mm表面经过研磨、抛光的氟化锂分光晶体最大衍射强度只有7000CPS,因此不适合作为分光晶体。为了提高其衍射强度,结合特殊处理对晶体性能的影响理论,对氟化锂晶体进行了研磨、煅烧、清洗等一些列实验。通过实验表明,采用600＃SiC金相砂对氟化锂分光晶体进行研磨对其衍射强度的提高最明显,但是研磨表面的一致性对衍射强度的提高影响很大,对大块晶体不易操作。最后决定采用金刚砂(3FeO.Al2O3.3SiO2)磨粒进行研磨,这样既能提高衍射强度,又能保证大块分光晶体衍射强度提高的一致性。通过X射线衍射特性实验,发现采用丹巴天然云母不能获取理想谱线的原因是云母自身出现的多级衍射以及晶体存在的缺陷和吸附。对印度云母的X射线衍射特性实验还表明印度云母对X射线的衍射具有很强的方向性,越偏离这个方向,衍射强度越低。另外,新获得的云母还必须进行重新解理,才能保证获得满意的衍射强度。在完成了平面晶体的X射线衍射特性实验以后,分别重新制作了氟化锂、印度云母和雅安云母弯晶分析器各两块。并在XRD-6000型衍射仪上成功地进行了弯晶分析器的检测实验。最后,介绍了激光打靶实验前的瞄准对中实验,并分析了椭圆弯晶分析器在X与Y轴上的位置误差对摄谱精度的影响。阐述了在“神光-Ⅱ”和“星光-Ⅱ”激光装置上进行激光打靶实验的情况,并重点分析了采用厚度为1mm的氟化锂弯晶分析器及丹巴天然云母弯晶分析器的激光打靶实验。对今后实验参数进行了优化,并提出了后继实验的实验条件。双通道椭圆弯晶谱仪的成功研制,对我国开展ICF实验研究具有重要的国防意义,具有自主知识产权,填补了我国在该诊断仪器领域中的空白,达到有国际先进水平。

目录

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 引言

1.1.1 研究惯性约束聚变的必要性

1.1.2 惯性约束聚变的基本原理

1.2 激光等离子体 X射线辐射和光谱分析

1.2.1 激光等离子体的X射线辐射

l.2.2 X射线的光谱分析

1.3 激光等离子体 X射线谱仪的国内外研究现状

1.3.1 激光等离子体 X射线谱仪

1.3.2 国外光栅谱仪

1.3.3 国外晶体谱仪

1.3.4 国内光栅谱仪

1.3.5 国内晶体谱仪

1.4 课题的来源及意义

1.5 本文研究的主要内容

1.6 本章小结

2 晶体对 X射线的衍射理论

2.1 晶体对 X射线的衍射原理

2.1.1 X射线在物质中的散射

2.1.2 晶体对 X射线衍射的原理

2.2 晶体对 X射线的衍射方向

2.3 晶体对 X射线的衍射强度

2.3.1 一个理想小晶体的散射

2.3.2 实际小晶体的衍射强度

2.3.3 影响理论强度的因素

2.4 决定晶体性能的基本参数

2.4.1 晶面间距

2.4.2 半高宽、峰值衍射率和积分反射系数

2.5 本章小结

3 双通道椭圆弯晶谱仪及其分光晶体

3.1 双通道椭圆弯晶谱仪的基本原理及结构

3.1.1 双通道椭圆弯晶谱仪的基本原理

3.1.2 双通道椭圆弯晶谱仪的结构

3.2 双通道椭圆弯晶谱仪的特性

3.2.1 双通道光谱检测系统的设计

3.2.2 双通道椭圆弯晶谱仪的特性

3.3 双通道椭圆弯晶谱仪的分光晶体

3.3.1 分光晶体的基本要求及选择原则

3.3.2 常用的分光晶体及其特性

3.3.3 双通道椭圆弯晶谱仪的分光晶体

3.4 本章小结

4 双通道椭圆弯晶谱仪弯晶分析器及提高 X射线衍射特性的实验研究

4.1 弯晶分析器的检测方案

4.1.1 X射线衍射特性检测的实验平台

4.1.2 XRD-6000衍射仪的结构原理

4.1.3 对弯晶分析器进行检测所必须满足的条件

4.2 氟化锂平面晶体 X射线衍射特性实验

4.2.1 氟化锂晶体的基本特征

4.2.2 厚度分别为1mm与2mm的氟化锂晶体 X射线衍射特性的对比实验

4.2.3 研磨对氟化锂分光性能的影响机理

4.2.4 对厚度为1mm的氟化锂分光晶体的研磨实验

4.2.5 新购的氟化锂分光晶体的X射线衍射特性

4.2.6 对新购的氟化锂分光晶体的研磨实验

4.2.7 对新购的氟化锂分光晶体的煅烧实验

4.2.8 对新购的氟化锂分光晶体的表面清洗实验

4.3 云母平面晶体 X射线衍射特性实验

4.3.1 云母晶体的基本特征

4.3.2 丹巴天然云母 X射线衍射特性实验

4.3.3 印度云母 X射线衍射特性实验

4.3.4 雅安云母 X射线衍射特性实验

4.4 弯晶分析器的制作

4.4.1 椭圆弯晶基底的技术参数

4.4.2 椭圆弯晶分析器的制作

4.4.3 弯晶分析器实验夹具的制作

4.5 弯晶分析器的检测实验

4.5.1 氟化锂椭圆弯品分析器X射线衍射特性实验

4.5.2 印度云母、雅安云母椭圆弯品分析器X射线衍射特性实验

4.6 特殊处理对晶体性能的影响

4.7 本章小结

5 摄谱实验研究

5.1 瞄准对中实验

5.2 弯晶分析器位置误差对摄谱的影响

5.2.1 影响摄谱精度的因素

5.2.2 弯晶分析器位置误差对摄谱精度的影响

5.3 激光打靶实验

5.3.1 在神光II激光装置上的打靶实验

5.3.2 在星光II激光装置上的打靶实验

5.4 实验结果的分析和研究

5.4.1 分析上述四次实验的结果

5.4.2 实验参数的优化

5.4.3 后继实验条件的设定

5.5 双通道椭圆弯晶谱仪的优点和改进意见

5.6 本章小结

6 总结

致谢

参考文献

附录