基于移位双光栅色散元件的X射线谱仪研制

本文针对激光等离子体X射线诊断的需求,设计开发了移位双光栅X射线谱仪.该谱仪采用高线对密度和低线对密度的两种光栅组成移位双光栅作为核心衍射组件,高密度光栅能够提高中、高能区(1000—5000 eV)的能谱分辨率,低密度光栅足够满足低能区(100—1000 eV)测量的能谱分辨率要求,控制了低能区谱线的分布空间,保证足够的测量范围.两种光栅相互配合实现了谱仪整体性能提升.本文提出了移位双光栅X射线谱仪结构设计方法和参数指标,完成了移位双光栅X射线谱仪的集成调试和实验应用,获得了时间分辨的X光谱实验数据,测谱范围0.1—5.0 keV,谱分辨0.04 nm,时间分辨好于30 ps.移位双光栅X射线谱仪可以最大程度地利用记录面的长度,实现高时间分辨和宽谱X射线测量.     

硬X光弯晶谱仪的定量化标定方法

介绍了具有定量化测量能力的硬X光弯晶谱仪的结构, 利用Mo靶X光管的K特征线作为标定源, 使用绝对标定过的Si(Li)探测器对X光管出射的特征线谱进行强度和谱测量。结合X光管空间分布均匀的特点, 计算进入弯晶谱仪的光子数目, 采取了特征谱扣去轫致谱的计数处理方法, 得到了17 keV和19 keV处弯晶谱仪的绝对效率, 分别为4.3210-4和3.9410-4。     

用于诊断激光等离子体X射线的双通道椭圆弯晶谱仪

利用从一个焦点发出的光线经过椭圆面反射后汇聚于另一个焦点及布拉格衍射的特点,研制了双通道椭圆弯晶谱仪(以下简称"弯晶谱仪").采用独特的双通道结构能够对高温等离子体所发出的X射线同时进行空间和时间分辨测量,测量的波长范围为0.2～2 nm,布拉格角的覆盖范围是30°～67.5°.阐述了弯晶谱仪的基本结构.重点介绍了对LiF分光晶体进行的X射线衍射实验及在"星光Ⅱ" 激光装置上进行的激光打靶实验.得到了钛等离子体X射线的发射谱图像,经过分析,发现弯晶谱仪的空间分辨率能够达到0.0011 nm.最后,提出对弯晶分析器的特性、制作工艺及检测方法还必须进行进一步的深入研究.     

一种变曲率面晶体X射线检测技术

在惯性约束聚变光谱诊断物理实验研究中,晶体衍射后X射线光谱信号较弱,需要高收光效率及宽频谱范围的光谱诊断仪器.在传统锥面弯曲晶体基础上提出变曲率弯晶多能点成像技术,该技术具有宽频谱范围、强聚焦能力、高光谱分辨的特点.在晶体衍射成像结构设计中,由于能够确保成像光线的旋转对称性,因此在原理上可消除传统弯晶X射线衍射成像像差.利用研制的变曲率面石英晶体对钛靶X射线源进行X射线聚焦检测,并与同种材料的平面晶体进行收光效率对比,实验结果表明该变曲率面石英晶体的收光效率可以达到平面石英晶体的100倍,检测X射线能量范围为4.51~5.14keV.该晶体谱仪结合X射线条纹相机能够检测宽频谱范围的微弱X射线信号,条纹相机探测面可与晶体检测光路方向垂直布局.     

光子计数型CCD测量激光等离子体X射线

 介绍了光子计数型电荷耦合器件(CCD)的工作原理，标定了2.0~30 keV的探测效率。在超强超短激光等离子体相互作用中，实验用靶为复合靶，分别用Cu＋Mo和Al+Cu制作。第1层靶是Cu或Al物质作为电子示踪材料，第2层靶是Mo或Cu物质作为荧光材料，利用光子计数型CCD测量了Mo和Cu的X射线能谱, 同时得到CCD的能量分辨率大于37。该CCD可用于激光等离子体低通量高能X射线测量实验。     

一种基于热释电效应的X射线荧光分析谱仪

利用热释电晶体实现了一个X射线激发源,并以此激发源和高能量分辨率的硅漂移探测器构建了一个X射线荧光分析谱仪。首先通过分析计算热释电晶体厚度和靶厚度对产生X射线的影响选定了激发源的设计参数;然后测量了激发源发射的X射线本底,其能量范围在1～27 keV,包含有Cu和Ta的特征X射线,最大强度在每秒3 000个计数以上,对本底的测量同时显示出谱仪的探测器部分对Cu的8.05 keV特征峰的分辨率达到210 eV,具有很高的能量分辨率;最后使用该谱仪测试了Fe,Ti和Cr等三种单质样品和高钛玄武岩样品,测试结果表明该谱仪可以有效的分析出样品的元素成分。由于这种X射线荧光分析谱仪的各组成部分体积都很小,进一步便携化后非常适合于非破坏、现场和快速的元素分析场合。     

透射式柱面弯晶谱仪的单滤片能量刻度方法

根据布拉格衍射定律和晶层模型,推导了透射式柱面弯晶谱仪的三维衍射光路的理论公式,并利用该理论研究了谱仪测量光谱的能量刻度问题。在考虑了实验中谱仪与光源的准直度和记录介质放置姿态带来的误差后,发现利用多种滤片的K吸收边进行公式拟合得到弯晶谱仪能量刻度曲线的方法对低能X射线谱线的误差较大,进而提出了用单滤片通过理论公式模拟计算进行谱仪能量刻度的方法。通过对透射式柱面弯晶谱仪测量到的Ag靶X光机的实验光谱进行能量刻度,实现了用单滤片在线定标弯晶谱仪,验证了理论公式和能量刻度方法的正确性。     

喷气箍缩等离子体X射线椭圆弯晶谱仪研究

为了测量喷气箍缩等离子体X射线的空间分辨光谱,利用椭圆聚焦原理,研制了一种椭圆晶体谱仪.分别利用Si(111)、Mica(002)椭圆晶体作色散元件,离心率均为0.948 0,布喇格角为30～67.5°,光谱信号采用半径为50 mm的半圆形胶片接收,从等离子体源经晶体到胶片的光路长为1 430 mm.在“阳”加速器装置上进行摄谱验证实验,成功获取了氩喷气等离子体X射线的光谱.测量光谱波长与理论值相符,其中Si弯晶获得的光谱分辨率(λ/Δλ＝200～300)低于Mica弯晶获得的光谱分辨率(λ/Δλ＝500～700).实验结果表明,该谱仪适合于喷气箍缩等离子体X射线的光谱学研究.     

皮秒脉冲激光产生的X射线源能谱精密诊断

针对皮秒脉冲激光产生的X射线能谱精密诊断需求,提出了一种晶体谱仪,该谱仪使用曲率为200 mm的透射式石英弯晶作为色散元件,测谱范围可覆盖8～60 keV。使用该谱仪在星光III和神光II升级装置进行了应用,成功获得了铜、钼、银等元素的特征线能谱,以及金的L壳层特征线,测量获得的能谱信噪比较高,显示了谱仪在测量皮秒激光产生的X射线能谱上的良好性能。     

用于X射线时空分辨测量的弯晶谱仪

为了测量激光聚变产生的0.2～0.37 nm范围内的等离子体X射线, 设计了一种基于空间和时间分辨的聚焦型弯晶谱仪. 将在700℃时弯曲后的LiF(2d＝0.403 nm)晶体作为色散元件, 布喇格衍射角的变化范围为30～67.5°, 弯晶粘贴在离心率和焦距分别为0.9586和1350 mm的椭圆形不锈钢基底上. 利用弯晶谱仪配X光CCD相机在星光Ⅱ激光(0.35 μm, 60～80J, 700 ps)装置上摄取了钛平面靶发射的X射线光谱, 实验结果表明它的光谱分辨率能达到0.001 nm.     

Band-reject-filtering X-ray spectra by mosaic structures of pyrolytic graphite

The possibility of effective band-reject filtration of intense spectral lines in X-ray spectra and the creation of deep spectral valleys in the continuous spectrum by diffraction extinction was shown. Optimum material for band-reject filters in the energy range E > 6 keV is highly oriented pyrolytic graphite (HOPG). The filtering scheme in the form of an echelon arrangement of HOPG films is proposed, which suppresses the negative effect of multiple reflections due to diffraction extinction. The full width at half minimum of the spectral valleys can vary from tens of electronvolt to several kiloelectron volt depending on the HOPG mosaic spread, HOPG filters arrangement, and rejected energy region. At the energy range E of ~10 keV, the spectral density attenuation value may be of order 10⁻³ and lower. The obtained results can be used in various fields of X-ray spectrometry, as well as in static energy dispersive diffractometry and reflectometry.     

单色化X射线显微成像实验研究

围绕激光惯性约束聚变(ICF)内爆压缩阶段高空间分辨、高能谱分辨的诊断需求,提出了一种将KB显微镜和衍射晶体组合的大视场、单色化成像系统。在实验室条件下,利用Fe靶X射线光管,采用KB显微镜结合高定向热解石墨(HOPG)对网格进行背光成像,晶体选能后的成像结果表明,系统的视场能达到800μm,其中高分辨区域成像的分辨率为37μm。采用能谱探测器测试成像能谱,结果表明,系统的能量分辨率为28,验证了系统的单色性能。该系统兼顾了大视场、空间分辨和能量分辨,对内爆压缩阶段实验中热斑结构及混合效应的研究具有重要应用。     

单晶石墨、多晶石墨电导行为的差异

报道了单晶石墨、多晶石墨电导行为的差异.在8.15T磁场下，4.5K处单、多晶石墨的正磁电阻效应分别为69400%，170%，同时在0T，8T磁场作用下，多晶石墨的电导行为呈现类绝缘体型性质，但在单晶石墨中我们发现了与磁场相关的类半金属-绝缘体型转变，通过分析，我们认为：单、多晶石墨电导行为存在较大差异的原因可能来源于库仑相互作用在高定向热解石墨中变得不可忽视，而多晶石墨样品却存在晶界散射. 关键词： 半金属石墨 类半金属-绝缘体型转变     

Highly oriented pyrolitic graphite anomalous structures and fullerenes self-assembly

Scanning tunneling microscopy (STM) was used to look for unusual self-structures on highly oriented pyrolitic graphite (HOPG) that can mimic fullerenes assemblies. HOPG features that may be taken as C₆₀ molecular structures were found on this surface. The HOPG self-structures have been presented earlier as anomalies of the bare HOPG surface in the literature. The experimental results are in agreement with earlier STM reports on bare and modified HOPG.     

Structure and properties of Si nanostructures on highly oriented pyrolitic graphite surface

The morphology, electronic structure, and optical properties of self-assembled silicon nanostructures grown on the surface of highly oriented pyrolitic graphite (HOPG) by molecular beam epitaxy have been studied by ultra-high-vacuum scanning tunneling microscopy and X-ray photoemission spectroscopy in situ, as well as by Raman spectroscopy ex situ. At a coverage of less than one monolayer, formation of monolayer silicon nanoislands with an atomic structure similar to that of graphene has been observed.     

Magnetic-Field-Induced Semimetal-Insulator-like Transition in Highly Oriented Pyrolitic Graphite

We report the extraordinarily large positive magnetoresistances （MR, 69400% at 4.5K under a magnetic field of 8.15 T）, de Hass-van Alphen oscillations effect at 10 K and the semimetal-Jnsulator-like transition in a wide range of temperature in highly oriented pyrolitic graphite （HOPG）. Besides a dominating ordinary MR （OMR） mechanism in the free-electron mode, it is realized from qualitative analysis that the Coulomb interacting quasiparticles within graphite layers play some roles. However it is difficult to associate the transition with the simple OMR theory. In order to investigate the possible origins of the transition, further analysis is carried out. It is revealed that the magnetic-field-induced behaviour is responsible for the semimetal-insulator-like transitions in HOPG.     

激光等离子体球面晶体光谱成像

 利用自聚焦原理,研制了一种新型的球面弯晶谱仪。晶体分析器采用云母材料,其弯曲半径为380 mm,布拉格角为51°。利用成像板接收光谱信号,其有效面积为30 mm×80 mm,从等离子体源经晶体到成像板的光程长为980 mm。物理实验在中国工程物理研究院激光聚变研究中心20 J激光装置上进行,入射激光能量为6.78 J,成像板获得了铝激光等离子体X射线的光谱空间分辨信号。球面云母弯晶谱仪的光谱分辨率达到1 000～1 500,在相同环境放置的PET平晶的光谱分辨率为50～100。结果表明：球面弯晶具有较高的光谱分辨率和信噪比,适合于激光等离子体X射线的光谱学研究。     

基于激光等离子体研究的高性能扫描晶体谱仪（英）

在激光等离子体研究中,电磁脉冲干扰对实验结果影响很大,为了减小这一影响,设计一款新的扫描晶体谱仪,整个机身设计成几乎全密闭的良导体。该晶体谱仪通过更换晶体和调整入射角可以获得较宽范围的测量窗口。在X光光谱为2.5~3.5 keV范围内的测量试验中,该扫描晶体谱仪的谱分辨能力为13（在2960 eV）,时间分辨率为10 ps。其谱分辨和时间分辨可以满足对激光等离子体的研究。     

Curved crystal analysis using a triple-crystal X-ray spectrometer

A Bragg crystal spectrometer using cylindrically curved crystals is designed to focus a divergent X-ray beam. The spectral resolution and precision of focus is determined by the quality of the concavely curved crystal. The analysis of the quality of the crystal was done using a triplecrystal X-ray spectrometer, comparing parallel and antiparallel X-ray scans of the third curved crystal, determining flaws resulting from the bend. Topics discussed include the derivation of the crystal's quality, conditions of alignment for the Bragg reflection, and X-ray beam width contributions to the FWHM. Organic and inorganic crystals with varying values of Bragg angles are used.     

球面弯晶在X射线诊断中的应用

为了诊断等离子体X射线,利用X射线布拉格衍射原理研制了球面弯晶谱仪。实验采用α-石英作为其晶体分析器色散元件,晶体弯曲半径为250 mm,布拉格角为30°~67.5°;采用接收面积10 mm×50mm的X射线胶片作为摄谱器件,接收等离子体X射线谱线信息。通过在"阳"加速器装置上进行实验,得到了钛等离子体X射线K壳层激发谱线信息,其光谱分辨力可达到1 000以上,光谱带宽约为0.43 eV。