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用于硬X光诊断的K边滤波谱仪
发布: | 作者:－－ | 来源: －－ | 查看:3396次 | 用户关注：
&&& 摘要：介绍了用于低激光能量(E:簇23叮)二倍频实验中硬x光诊断的多道K边滤波谱仪(简称K&FS)的工作原理、结构性能和特点，给出了K&FS在惯性约束聚变(ICF)实验中观测硬X光谱的典型实验结果.
&&&&0& 引言
&&&&国外大量IC卜实
&&& 摘要：介绍了用于低激光能量(E:簇23叮)二倍频实验中硬x光诊断的多道K边滤波谱仪(简称K&FS)的工作原理、结构性能和特点，给出了K&FS在惯性约束聚变(ICF)实验中观测硬X光谱的典型实验结果.
&&&&0& 引言
&&&&国外大量IC卜实验表明，采用亚微米波长(0.53拜m、0.35#m、0.266拜m)激光，可以改善吸收品质，即提高逆韧致吸收效率，降低反常吸收以及抑制超热电子对靶丸预热，提高靶丸内爆效率。因此，探求不同波长下超热电子产生规律，是激光等离子体相互作用反常吸收机制研究的重要基础课题，同时为了寻找一种有效的途径，减少或抑制超热电子对靶丸的预热，也是激光等离子体非线性相互作用集体过程研究的前沿课题。根据目前激光器件所达到的功率水平，&神光I&二倍频和&星光n&三倍频后的激光能量分别为E:簇230)和E:簇10盯，脉宽:约800ps，与&神光I&单束基频光相比，激光能量降低2一4倍。另一方面倍频后的超热电子下降一至二个多量级。在该照射条件下，采用滤波一荧光(F&F法)诊断技术就要失效，因为F&F法探测效率低(10一9)，只适合高强度硬X光谱测量。对于低强度硬X光谱测量，必须发展高探测效率硬X光诊断技术。根据实验条件和以往测试经验，推断所测谱具有单调急剧下降的特点，适合采用K边滤波技术。在原有滤波一荧光X射线能谱仪(F.FS)的基础上加以改造，建立了多道K&F谱仪(K&FS)，探测效率可提高三个多量级，可以实现低激光能量二倍频或三倍频实验中硬X光谱(1.5一88keV)测量，由谱推断超热电子行为。美国LLNL和LANL在七十年代末就建立了F.FS和K&FS，至今他们一直使用该设备诊断激光等离子体硬X光谱。1993年末我们利用K.F谱仪首次成功地应用于ICF二倍频实验中Au盘靶和黑腔靶的超热电子的诊断，取得了重要物理信息.
&&&&2&& K&F谱仪工作原理
&&&&利用物质对X光的吸收在K边能量EK处吸收系数突变的特点(见图1)，选用一定厚度这类元素，做成带通X射线滤光片，使它在小于K吸收边能量附近的较窄能区内较大的X射线透过率，因此可以利用若干这类滤片(可选择不同厚度的各种元素，使它们的K边能量正好位于待测的谱的不同能区)和探测器组合(见表l)成所谓多道K边激光片X射线谱仪，实现连续谱测量。按美国海军实验室经验选取K边滤片厚度dK，使在K边处的透过率满足exp(一月KldK)/exP(一拜KZdx)拜K，、拜K:分别是最小与最大吸收系数.
&&&&根据本实验待测(10一88keV)硬X光谱强度低的特点，我们选用闪烁探测器(Nal(TI)晶体加XP1110型或XP1115型光电倍增管)作为记录探头。它对于待测谱能段(10一88keV)有较高响应率15]，灵敏度nx10nx10一&C/kev(n=l一3)，比pIN二极管灵敏度要高三个量级以上，经标定考核表明，如果注意保存，大部分探头灵敏度变化只在士5%以内。另外该探测器在10一88keV能段的响应率基本是平响应，在IO0keV以上高能段的响应率随光子能量的升高而急剧下降，这可以简化数据处理与增大讯噪比。为确保探测器记录准确可靠，利用三个长寿命x射线放射源:Am24，(59.5kev)、N:、&(52Ikev)和Cs&，(66IkeV)对探测器灵敏度曲线进行校核。图2是这种能谱仪其中一道的安排示意图。待测X射线透过K边滤光片后经磁铁环、Pb准直器和米勒窗膜射人探测器，探测器输出总电荷与探测器所吸收X射线能量成正比。探测器输出电压波形由485示波器监测，典型探测道记录波形见图3，各探测器输出总电荷由多路积分仪记录。设人射的x射线的能谱分布为I。(助，滤光片和探测器组合的谱响应函数为R&(E)(见图4)，则探测器的输出总电荷
A&为i道探测器对靶心所张立体角，R&(E)由下式给出
式中拼K、dK、拼m、dm分别为K边滤光片和米勒窗膜的吸收系数和厚度;S:(E)为i道探测器灵敏度，是光子能量的函数，单位为C/keV。
应当指出，K边滤波谱仪对于高能光子(在K边透光带以外的光子)也有一定的透射率，我们一般采用多次迭代的方法去除它的影响，解出初始X光谱。在实验上我们尽量使用薄的闪烁体加光电倍增管作为探测器，使探测器对透射带以外的高能光子的响应大大降低，以克服滤光片高能透射问题。另一方面应当注意，实验中探测信号强度需要衰减时，一般采用加厚滤光片自身的厚度来实现，该方法可使该探测道K边透光带光子衰减的少，主要是衰减K边透光带以外的光子，这样可以增大信噪比。K边滤波法具有可测能区范围宽、测量能道易于调整、探测效率高和工作简便的特点，是广泛采用的谱测法。但能量分辨率低，对谱形依赖较大，适合于单调急剧下降谱。
&&&&&3&&&& 谱仪的结构及实验结果。
&&&&谱仪结构示意图如图5，分成五部分:头部、飞行室、真空系统、调整架、尾部。头部与激光靶室连接，波纹管便于位置调整，闸阀作为谱仪与靶室真空隔离阀。飞行室为X光飞行室，里面设几处铅准直体，其作用是准直，减少人射X光在真空室壁上的散射，飞行腔前面还安放磁铁环，以偏转从靶室进来的带电粒子。真空系统在飞行腔的下方，由ZXL一8机械泵和F一450分子泵组成，真空度可达30mPa。调整架支撑谱仪主体，下面放置F一450分子泵，调整架带有三维可调部件，便于探头准直对心。尾部位于飞行室后段，在外径约必32Omm环体上安装各道K滤光片，尾部的末端面安装各道K边滤波探测器，探测器配置的Nal晶体安装在特制铅室里，探测器前面还装有Pb准直器和磁铁环，其作用是准直和偏转滤片中发射的光电子。
&&& &神光&I上激光波长为0.53拜m、1.053拼m，脉宽约85OPs，两种波长单束激光能量分别为50一230)和100一460)，功率密度约为(l一3)x10&一4x一。&sw/cmZ，束激光照射金盘靶和黑腔靶，KF谱仪测得各类靶典型硬X光谱见图6、图7。图6中，&+&表示Etar=172)，T=720Ps，兀=1.17keV，T*=12.IkeV;&.&表示Etar=193)，:=8SOPs，Te=2slkeV，T、=26IkeV。由图中的结果看出，Au盘靶和黑腔靶产生的超热电子发射硬X光谱具有双温特征，在其它照射条件大致相同时，波长0.53户m激光照射Au盘靶、黑腔靶产生的超热电子比基频光要小一个量级左右，超热电子温度几和热电子温度Te均下降一倍左右。可见，采用短波长光，可以有效抑制超热电子。硬X光谱强度测量的误差包括数据处理士205;探测器灵敏度士15%;记录系统士7%;探测几何士5%;均方根误差士26%。综上所述，K.F谱仪首次成功应用于&神光I&二倍频低激光能实验中硬X光谱诊断，初步获取了0.53拜m波长激光照射金盘靶和黑腔靶产生超热电子特征，通过实验表明，K.F谱仪对于诊断激光等离子体冕区电子温度以及低激光强度下等离子体发射硬X光谱是十分有用的。
致谢对彭翰生、江文勉、温树槐、赵永宽的指导及神光I装置运行人员的大力协作，谨致谢意.
1UCRL一5，Part3:64~68
2DrakeRPetal.PhysicalReviewLerters，):
3RichardsonMCeral.PhysicalReviewLer:ers，):
4DrakeRPetal.PhysiealReviewLerters，):
5易荣清、祁兰英.强激光与粒子束，1990，2(l):23一28
本文作者：致谢对彭翰生、江文勉、温树槐、赵永宽的指导及神光I装置运行人员的大力协作，谨致谢意.
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实验13 X光透视与食盐晶体结构分析
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