EAST高时空分辨极向弯晶谱仪系统的升级及初步实验结果

为了拓宽等离子体参数测量范围,对EAST极向弯晶谱仪(PXCS)进行了升级改造。配合高通量大面积水冷固体探测器,提高了极向弯晶谱仪系统的光子计数率、时间分辨率、空间探测范围以及长时间运行稳定性,并在EAST装置上成功运行。实验结果表明,升级后的谱仪获得了高信噪比的类氦氩离子的母线及其一系列伴线谱,通过光谱拟合分析给出了等离子体温度时间演化及其剖面信息,测量结果与切向弯晶谱仪的数据一致,验证了极向弯晶谱仪的升级结果和数据测量的可靠性,并且在EAST长脉冲实验运行也能够稳定地提供全时间的参数分布。     

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.     

双通道凸面反射式弯晶谱仪的研制及应用

 为满足惯性约束聚变研究需要工作距离长、测谱范围宽的X射线诊断设备的独特要求,基于凸面反射几何原理研制了一台双通道弯晶谱仪。谱仪利用Si（111）及Qz（10－10）两种弯晶衍射X射线,并通过X射线CCD成功获得谱线图像,测谱范围从0.30 nm到0.65 nm。在激光装置原型诊断实验上得到应用。数据分析的结果证明实测谱线图像与理论模拟基本吻合。     

双通道凸面反射式弯晶谱仪的研制及应用

为满足惯性约束聚变研究需要工作距离长、测谱范围宽的X射线诊断设备的独特要求,基于凸面反射几何原理研制了一台双通道弯晶谱仪。谱仪利用Si（111）及Qz（10－10）两种弯晶衍射X射线,并通过X射线CCD成功获得谱线图像,测谱范围从0.30 nm到0.65 nm。在激光装置原型诊断实验上得到应用。数据分析的结果证明实测谱线图像与理论模拟基本吻合。     

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.     

椭圆弯晶谱仪波长判读误差分析

把影响椭圆弯晶谱仪波长判读误差的因素分为两种:一种是未通过椭圆前焦点的射线被理想椭圆晶面衍射时形成的误差; 另一种是只考虑晶体为非理想椭圆晶面形成的误差。分别对这两种模型进行了分析, 并通过数值计算给出狭缝对椭圆弯晶谱仪波长判读误差的影响关系。模拟的数据与其他人的实验结果吻合较好。     

圆柱面和圆锥面弯晶谱仪的理论计算及设计

用光线追迹的方法对圆柱面和圆锥面弯晶谱仪进行了理论计算,得到了谱仪的空间与色散坐标、线色散率、角色散率、光谱分辨力、空间和光谱放大率以及谱仪亮度等参数的解析计算公式,并对两类谱仪进行了具体的参数设计及性能比较.结果表明,圆锥面弯晶谱仪比同类型的传统圆柱面弯晶谱仪有着更为良好的聚焦性能,能够进一步改善谱仪的光子收集效率、谱仪亮度以及空间分辨力.这项工作为谱仪研制提供了理论基础和设计依据.     

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。     

Band tunable X-ray flat crystal spectrometer for laser-produced plasma spectroscopy measurements

An updated design of a band-tunable flat crystal spectrometer is presented. The new configuration contributes to a broad spectral coverage with greater resolving power, a strong rejection of hard X-ray backgrounds, and decreased sensitivity to source broadening for an extended source. To verify the performance of the spectrometer, spectral lines were measured using a potassium acid phthalate crystal for highly ionized species of aluminum or silicon, and the results were compared by measuring H- and He-like Al and Si lines by rotating the crystal to selected Bragg angles, at the Shenguang II laser facility. The observed energy-coverage range is consistent with the theoretical predictions, as well as with the measured spectral resolution of ~300.     

Z箍缩等离子体X射线凸晶谱仪

 针对波长为0.3~0.5 nm的喷气箍缩等离子体X射线诊断,研制了一种适用的高空间分辨的晶体谱仪。色散元件采用云母（002）凸面晶体,布拉格角为37°,信号采用X射线胶片进行接收,有效接收面积为30 mm×80 mm。物理实验在“阳”加速器装置上进行,胶片获得了氩喷气K,L壳层光谱信号,其光谱范围较宽,为0.31~0.40 nm。经解谱发现,类氦谱线有明显的基底,用最小二乘法拟合包络曲线去噪处理后,得到类氦谱线光谱分辨力为200~300。实验结果表明,该谱仪获得的X射线测量值与理论值相符,适合喷气箍缩等离子体X射线光谱的诊断。     

硬X射线透射晶体谱仪的设计性能参数

激光等离子体相互作用高分辨硬X射线光谱的测量通常采用柱面透射弯晶谱仪实现。利用几何光学模型对柱面透射弯晶谱仪的关键技术参数进行了理论计算和数值模拟,给出了谱仪弯晶曲率半径、光源到晶体的距离、光源尺寸和探测器的位置等因素对谱仪测谱范围和分辨能力的影响情况,分析了光谱分辨水平随能点的变化。分析结果表明：晶体曲率半径对测谱范围和谱分辨能力影响大,在光源尺寸较小时,随着探测器与罗兰圆距离的增加,谱线之间距离增加的速度大于光谱线宽增加的速度,使得分辨能力增加。     

A high resolution X-ray crystal spectrometer to study electron and heavy-ion impact atomic collisions

We have studied fast ion-atom and electron-atom collision processes using a reconditioned high resolution X-ray spectrometer. The X-rays, generated by the collisions, are dispersed by a curved ADP crystal (Johansson geometry) and detected by a gas proportional counter. A self-written LabVIEW based program has been used to give precise and controlled movement to the crystal and for data acquisition. The performance was tested by detecting the Kα diagram and satellite lines of several elements. The Kα satellite lines of Al have been studied in collision with 3–12 keV electrons and 40 MeV C⁴⁺ ions. In ion collisions as large as four L-vacancies are created simultaneously with the K-vacancy, compared to two satellites in case of the e-impact. In addition, we have measured the X-rays from H-, He- and Li-like Si ions which arise due to the electron loss/capture process in highly charged 80 MeV Si⁷⁺ ions in collision with thin carbon foil. Approximate charge state distribution has been obtained using this new technique.      

平面晶体谱仪弯曲谱线波长定标方法

为了满足激光等离子体X射线光谱测量的需要,提出了一种利用平面晶体谱仪记录得到的弯曲谱线来进行波长标定的新方法。传统的参考谱线法需要已知两条以上谱线的确切波长才能进行波长标定,而利用弯曲谱线可以在不知道任何谱线信息的情况下进行波长标定。通过对实验中所获得的铝等离子体Heα自发射谱线弯曲图像的分析,得到在目前所使用的谱仪条件下,该方法的波长定标精度可以达到2×10-4 nm。     

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。     

用于测量Z箍缩铝等离子体K层辐射的邻苯二甲酸氢铊弯晶摄谱仪

基于邻苯二甲酸氢铊(TAP)弯晶和软X射线分幅相机建立了一套4通道的时空分辨弯晶摄谱仪,测谱范围1 500～2 300 eV,时间分辨约2 ns。分析了谱仪各环节的信号传递和转换过程对系统谱响应的影响。利用该谱仪在“强光一号”加速器(约1.5 MA, 80～100 ns)Al丝阵Z箍缩实验中获得了时间分辨及时间积分的Al等离子体K层辐射谱,记录到了类H、类He离子主要共振线及类Li、类He离子双电子复合伴线。将摄谱结果与分能区X射线图像进行了比较。时间分辨的发射谱相对强度与积分结果有明显不同,反映了等离子体在5～10 ns时间尺度上的电子温度和离子布居变化。     

用于测量Z箍缩铝等离子体K层辐射的邻苯二甲酸氢铊弯晶摄谱仪

 基于邻苯二甲酸氢铊(TAP)弯晶和软X射线分幅相机建立了一套4通道的时空分辨弯晶摄谱仪,测谱范围1 500～2 300 eV,时间分辨约2 ns。分析了谱仪各环节的信号传递和转换过程对系统谱响应的影响。利用该谱仪在“强光一号”加速器(约1.5 MA, 80～100 ns)Al丝阵Z箍缩实验中获得了时间分辨及时间积分的Al等离子体K层辐射谱,记录到了类H、类He离子主要共振线及类Li、类He离子双电子复合伴线。将摄谱结果与分能区X射线图像进行了比较。时间分辨的发射谱相对强度与积分结果有明显不同,反映了等离子体在5～10 ns时间尺度上的电子温度和离子布居变化。     

平面晶体谱仪弯曲谱线波长定标方法

为了满足激光等离子体X射线光谱测量的需要,提出了一种利用平面晶体谱仪记录得到的弯曲谱线来进行波长标定的新方法。传统的参考谱线法需要已知两条以上谱线的确切波长才能进行波长标定,而利用弯曲谱线可以在不知道任何谱线信息的情况下进行波长标定。通过对实验中所获得的铝等离子体He自发射谱线弯曲图像的分析,得到在目前所使用的谱仪条件下,该方法的波长定标精度可以达到210-4 nm。