硬X光在线弯晶谱仪的设计与实现

纪腾++黎沁++王峰++徐涛++理玉龙++张保汉++江少恩

摘 要：该文介绍了具有定量化测量能力的硬X光在线弯晶谱仪，其主要结构为透射弯晶、CsI（Tl）闪烁体薄膜、像增强器、可见光CCD，主要功能是定量获得较高能谱分辨的X光谱，由光谱获得超热电子温度和总能量的数据，为大尺度激光等离子体物理实验研究建立超热电子定量诊断的有效手段。该文对其主要光学结构及关键部件参数做了详细阐述。利用Ag靶准单色射线源作为测试源，对谱仪的性能进行测试，结果为Ag的特征谱线能清晰对称地呈现在记录结果中，谱线均匀无缺失，分辨效果较好，表明谱仪的性能良好。

关键词：激光聚变 轫致辐射 弯晶 像增强器

中图分类号：TH74 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（c）-0215-04

在间接驱动的激光聚变研究中，激光与等离子体相互作用，会通过多种非线性过程如受激喇曼散射、共振吸收、双等离子体衰变等集体过程产生大量超热电子，超热电子与靶材料作用将发射强的轫致辐射，这部分辐射的光子能量一般在10 keV以上。硬X光透射弯晶谱仪的功能是定量获得较高能谱分辨的X光谱，由光谱获得超热电子温度和总能量的数据，为大尺度激光等离子体物理实验研究建立超热电子定量诊断的有效手段。

开展硬X光谱定量化诊断，必须确定谱仪对不同能点X光的绝对谱响应，从而通过谱仪测量的X光谱推知真实的X光谱，因此它需要两个条件：一是建立具有可定量化测量的谱仪；二是建立标定绝对谱响应的方法。现阶段采用硬X光谱仪使用透射弯晶进行衍射配，利用成像板记录分光结果，而成像板的读取易受到环境光、温度和时间衰减的影响，难以实现定量化测量和标定。所以需要设计在线型的弯晶谱仪，使用能直接响应测量结果和获取测量结果的记录设备。

该文阐述的硬X光谱仪利用透射弯晶对不同能点的硬X光进行衍射分光，使分光后的谱线激发针状CsI（Tl）薄膜发出可见光，利用像增强器和可见光CCD对具有空间谱线分布的结果进行记录。由于晶体衍射后的不同能点X光谱形成不同位置的衍射线分布，利用针状CsI（Tl）薄膜可以使激发出的可见光信号弥散程度较小，仍保持着与衍射线相近的空间分布，同时使用光纤面板耦合的像增强器和CCD就能使记录的谱线具有很好的空间分辨。

1 硬X光弯晶谱仪的光学结构设计

由于晶体中原子间距与X光波长相近，可作为X光的分光元件。投射到晶体表面的复色X光束，受到晶体中原子的散射，由于晶体点阵中原子的周期规则性排列，使得它们散射的X光之间具有一定的相位和光程差关系，在某一确定方向上会叠加形成干涉，形成衍射光束，这种衍射会使得不同入射角的X光在空间不同方向上形成不同波长单色X光的衍射峰。

晶体分光法是一种经典而又精密的X射线谱分析方法，可以用晶体布拉格公式2dsinθ=nλ描述这种衍射，式中：

d——晶体中的相邻原子层的间距，即晶面间距。

θ——掠射角，入射光线与晶面的夹角，即布拉格角。

λ——X光波长。

n——衍射级次。

对于给定的晶体材料，不同波长的X光将衍射到空间的不同位置，从而实现X光谱的测量。由于平面晶体的效率较低，在X光诊断中常用到的晶体谱仪多采用弯晶。弯晶由平面晶体通过弯曲、剖切成特定的柱面、球面、二次曲面等形状而形成，一般可分为透射型弯晶和反射型弯晶，其区别在于剖切加工及分布的方式不同，形成的晶层分布不同。由于布拉格角的差异，两种弯晶适用于进行不同波长的X光分光，短波长一般采用透射弯晶。

透射弯晶的晶面与晶体表面为近似垂直关系，其布拉格角近似等于入射光线与晶体表面的夹角。X光经弯晶分光后在罗兰圆上聚焦，罗兰圆直径等于弯晶彎曲半径。晶体分光后的几何光学示意图如图1所示，从A点发出的能量为E的光线，在晶体表面B点发生衍射，经过晶体分光后与光轴的交点为C点，聚焦到罗兰圆切面的D点上，光轴与罗兰圆切面的交点为O。由布拉格衍射公式和几何关系，可推导得到公式（1）、（2）。

（1）

（2）

由布拉格衍射公式：2dsinθ=λ，以及E=12.398541/λ，对于低能点的X光，其衍射线分布在离记录面中心较远的位置，通过对低能点X光分光后几何位置的计算，可获得在当前记录条件下对晶体几何形状的要求。同时，也可以确定铅光阑的尺寸和位置。

实验中，光源总是具有一定的尺寸，导致同一能量的X射线会在晶体上的一段区域发生衍射，从而使得探测面上出现的谱线具有一定宽度，如图2所示。设光源尺寸为2 w，弯晶距离靶点距离为S，记录面距离罗兰圆D，记录面上两条边缘衍射光线在记录面上的位置分别为y1和y2，根据弯晶衍射原理，则图2中若干几何量可由以下几个公式描述。

（3）

（4）

（5）

用同样的方法可以计算出谱线另一边缘的位置y2，由此可以得到由于光源尺寸而产生的谱线展宽：dy=y2-y1。

除了光源尺寸外，影响谱线宽度和光谱分辨能力的因素还有探测器有效空间分辨率dx、晶体厚度T、X射线透射自然展宽、晶体摇摆曲线和几何散焦。其中晶体摇摆曲线和几何散焦对线宽和分辨能力的影响比起其他因素要小得多，通常可以忽略，综合各因素可得到总线宽L和谱分辨能力。

设定弯晶厚度150 μm，弯曲半径95 mm，记录部分有效分辨率10l p/mm，光源尺寸为2 mm，X射线自然展宽较小可忽略，记录面距离罗兰圆1 mm，可计算得到如图3所示的谱线位置及其分辨率的示意图。此外，计算发现，影响分辨率的主要因素是记录部分的空间分辨和光源尺寸。在设计谱仪记录系统时需保证其记录系统具有足够高的空间分辨。

2 关键单元参数及结构设计

硬X光在线弯晶谱仪主要分为弯晶分光件、光纤面板耦合CsI（Tl）针状薄膜、合适口径光纤面板耦合像增强器、光纤面板耦合可见光CCD几个部分，设备测试条件控制、数据采集、传输及处理均可在实验当场完成，既保证测试数据的真实可靠，也能有效提高实验效率。除弯晶分光件离后续几个部件较远以外，其余均为紧贴式的耦合方法，利用光纤面板具有一定空间分辨能力的特点，保持弯晶分光后X射线衍射线的空间分辨能力，使谱仪具备较高的谱分辨能力。同时，采用紧贴式的方式耦合，能避免其他耦合方式造成的能量损失，保证X射线较高的传递效率。使用像增强器的原因在于为极弱源强条件下的实验提供足够的增益，使谱仪具备较高的灵敏度。按照目前设计，参考有关部件的生产能力，确定关键部件的参数如下。

弯晶分光件：弯晶使用材料为α石英，晶面类型为1011型，晶面间距d为0.334 nm；厚度70 μm，弯曲半径为95 mm，测量区域尺寸为40 mm×6 mm。

CsI（Tl）针状薄膜：CsI（Tl）薄膜厚度600 μm，光纤面板耦合，分辨率优于10l p/mm（单根直径50 μm），闪烁体有效面积大于40 mm×40 mm。

像增强器：增益大于104，有效通光孔径Ф40 mm，光纤面板耦合。

可见光CCD：感光面尺寸4096 pixel×4096 pixel，单个像元大小9 μm，灵敏面尺寸共计38.86 mm，分辨率40l p/mm。

结构设计的结果如图4所示。

3 测试结果

采用钨靶金属陶瓷X射线管发出的带有宽轫致辐射谱的X射线作为初级源，轰击不同种的金属单质材料产生次级X射线，即特征辐射荧光X射线，主要组成成分是kα和kβ特征谱线。利用Ag靶作为次级源，测试谱仪的测量能力，结果如图5所示。结果表明，Ag的特征谱线能清晰对称地呈现在记录结果中，谱线均匀无缺失，分辨效果较好，表明谱仪达到了预期的设计要求。

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