激光聚变中硬X射线的光谱诊断

摘要

在激光驱动惯性约束聚变中，激光等离子体作用产生的超热电子会预热内爆靶丸影响靶丸的低熵压缩过程，通过诊断内爆靶丸辐射的硬X射线得到超热电子的能谱和强度，能推测靶丸的预热程度、燃料混合、对称性以及温度和密度分布等信息。同时随着激光技术的不断发展，利用超短超强激光与固体靶相互作用能够产生新型的硬X射线源，这些射线源具有高能、高亮度、脉冲短等优点，在康普顿散射照相、X射线成像、超快X射线衍射等方面得到了广泛的应用。因此，对硬X射线进行诊断具有十分重要的意义。
　　为了诊断激光聚变实验中10 keV至1 MeV的硬X射线的光谱，本文研究并设计制作了滤片堆栈谱仪和透射式弯晶谱仪。
　　滤片堆栈谱仪使用层叠的滤片和成像板的设计，利用不同材料和厚度的滤片将X射线衰减，然后记录其强度，利用记录到的信号和已知的滤片透过率来反解射线的能谱。本文利用Geant4蒙特卡洛程序模拟了高能X射线入射滤片堆栈，计算了射线在不同层成像板内的能量沉积，得到了谱仪对X射线的响应函数。为了从成像板上记录的信号得到光源的能谱，编写了基于最小二乘法和最大熵方法的解谱程序，并用文献中的数据验证了正确性。最后将滤片堆栈谱仪应用于背光照相的实验中，并在X光机上进行了演示实验。利用得到图像中未叠加背光靶阴影区域的数据，反解得到了X光机的能谱;利用图像中背光靶阴影区的数据分析了靶的面密度信息。目前，我们利用该谱仪获得了100 keV内的X光能谱，但通过选择合适的滤片组，该谱仪可以应用到MeV的伽马光源能谱的测量。
　　由于滤片堆栈谱仪能谱分辨的能力低，为了诊断激光等离子体Kα辐射X光源的特性，需要获得100 keV内高能量分辨的硬X射线能谱，因此，本工作又设计了两套透射式柱面弯晶谱仪。首先理论推导了子午弯曲的柱面弯晶的三维衍射光路的像点公式，实现了对谱仪中X射线的射线追踪，并应用于谱仪的光路设计、谱仪能量刻度的理论计算、谱线展宽和谱仪能量分辨率等研究中。两套弯晶谱仪的设计参数分别为:LCCS（弯晶曲率半径R=150 mm，测谱范围为10-56keV）和HCCS(R=300 mm，测谱范围17-100 keV)，适用的探测距离为200-1500 mm。本工作也成功制作了谱仪中的柱面弯晶。同时也对设计的弯晶谱仪的理论性质进行了计算，得到柱面弯晶的积分衍射效率在10-5量级，使用成像板作为记录介质时谱仪的本征探测效率在10-8(PSL/photon)，谱仪对点状光源的本征能量分辨率(E/△E)的范围分别为331-57(LCCS)和327-54(HCCS)。本工作也研究了传统的利用多个滤片的K吸收边通过公式拟合得到能量刻度曲线的误差。为了实现谱仪的精确在线能量刻度，提出了用单滤片在线定标通过理论公式模拟计算进行能量刻度的新方法，并利用Ag靶X光机的光谱对单K边滤片定标能量刻度方法进行了实验验证。最后，利用Mo靶X光机考核了弯晶谱仪的性能，测量到了清晰的对称的Mo的特征谱线;并实验验证了通过改变成像板到罗兰圆的距离提高谱仪的能谱分辨率的方法;并对Mo靶X光机的光源强度进行了估计。